王宇會，余 旭，李錦城

(廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

隨著我國軌道交通的發(fā)展、地下空間的開發(fā)，使得隧道監(jiān)測的工作越來越艱巨，目前常用的進行隧道監(jiān)測方法有:①收斂計法:該方法是一種傳統(tǒng)的進行收斂監(jiān)測的方法，它具有精度高成本低的特點，但是不能反映隧道圍巖的三維變形信息，而且對于大斷面隧道操作不便［1-2］;②單臺測量機器人實時差分監(jiān)測:該方法可以在無人值守的情況下自動進行觀測、實時進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、報表輸出及提供圖形等［3］，但是監(jiān)測范圍較小，由于只有一臺全站儀，且設(shè)站位置固定，無法組網(wǎng)測量，要達到亞毫米級精度必須采用合理的測量方案和數(shù)據(jù)處理的方法［4］;③多臺測量機器人網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測:該方法將動態(tài)基準測量和變形點組織為一個整體，實現(xiàn)了基準測量和變形監(jiān)測的自動化，且自動化精度高，適合于較大變形區(qū)域的監(jiān)測［5］，但是成本較高。系統(tǒng)建立之后，從監(jiān)測開始至監(jiān)測結(jié)束，只服務(wù)于一項工程。本文根據(jù)隧道監(jiān)測的特點提出了利用單臺全站儀進行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的方法，該方法可以在需要的時候進行觀測，觀測周期隨意，并且適用于任意形狀的隧道，儀器在兩期觀測之間還可以服務(wù)于其它的工程。

1 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建立

1.1 基準網(wǎng)的構(gòu)建

如圖1所示基準網(wǎng)的兩端是隧道外的控制點，中間的參考點由監(jiān)測斷面上的變形點構(gòu)成，在其上方安置圓棱鏡，以便在不同的測站上都可以對其進行觀測;測站點的位置可以選擇在隧道中心線上，也可以選擇在隧道的側(cè)壁上用強制對中的方式來安置。

1.2 監(jiān)測點的設(shè)置

圖1 基準網(wǎng)的建立

首先按照監(jiān)測等級確定監(jiān)測斷面，在監(jiān)測斷面上確定監(jiān)測點的位置(見圖2)。在監(jiān)測點上安置正對測站點的棱鏡，為保證監(jiān)測質(zhì)量，測站點至參考點之間的監(jiān)測點均在該測站進行觀測，即保證每一測站觀測的監(jiān)測點的距離均小于等于測站點至參考點的距離。

圖2 監(jiān)測點的布置

在布設(shè)監(jiān)測點、參考點和選擇測站點的時候，應(yīng)注意避免望遠鏡的視場內(nèi)出現(xiàn)兩個或兩個以上的棱鏡，否則儀器在進行觀測時，會出現(xiàn)錯誤代碼 AUT_RC_MULTIPLE_TARGETS，使得程序無法正常運行或搜索到錯誤的棱鏡［6］。

2 系統(tǒng)軟件的構(gòu)成

系統(tǒng)軟件主要由三部分構(gòu)成:觀測部分、數(shù)據(jù)處理部分以及數(shù)據(jù)管理與輸出部分。

2.1 觀測軟件

觀測軟件用來對所有的參考點和變形點進行觀測，其實質(zhì)是在GeoCOM控制下的全自動觀測。該部分需要處理的關(guān)鍵模塊有:

2.1.1 監(jiān)測控制模塊

觀測前的準備:在進行監(jiān)測之前，在所有的測站點上對該測站上的所有參考點和變形點進行觀測，并將觀測信息存入數(shù)據(jù)庫中(一個測站一個數(shù)據(jù)表)作為以后每期監(jiān)測的控制文件(見圖3)。

圖3 一個測站的觀測

為盡量減少時間，在進行每一期監(jiān)測時，安置好儀器之后，該模塊會提示輸入測站點號，并提示照準該測站一個觀測點輸入其點名，之后軟件會自動尋找到該測站的觀測信息數(shù)據(jù)表，以控制儀器尋找到所要觀測的所有點。之后軟件控制測量機器人按照測量規(guī)范或用戶設(shè)置的要求進行觀測。

2.1.2 重測和補測模塊

該模塊主要解決對GeoCOM返回代碼不正常(不是RC_OK)的方向進行補測和對沒有達到限差要求的數(shù)據(jù)進行重測的問題。

GeoCOM的每一條指令的返回值用以表明該指令的實行情況:當返回值是RC_OK時，表明指令被順利執(zhí)行，觀測數(shù)據(jù)有效;當返回值不是 RC_OK時，需要分情況區(qū)別對待(如:返回值是RC_TIME_OUT時表明通訊超時，應(yīng)重新設(shè)置通訊超時時間。返回值為ANG_BAD_ACC時表明測角精度達不到要求，應(yīng)重新進行觀測)，以保障后續(xù)的觀測能夠正常進行。

在每一站觀測結(jié)束之后，軟件會按照用戶設(shè)置的觀測限差或觀測等級的要求對數(shù)據(jù)進行檢驗，對于精度沒有達到要求的方向，軟件會按照規(guī)范要求進行重測，對于重測3次仍不能滿足要求的方向，提示給用戶，采用人工照準的方式進行測量。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理過程主要分為兩部分:參考點數(shù)據(jù)的解算、變形量的計算。

2.2.1 參考點坐標的解算

由隧道外的控制點、測站點和參考點構(gòu)成了隧道內(nèi)的控制網(wǎng)。其中隧道外的控制點是已知點，測站點和參考點是待求點。對該控制網(wǎng)的解算采用間接平差的方法［7］。首先求出待測點的坐標:①由隧道一端的控制點，按照自由設(shè)站的方法解算出測站點的坐標;②由測站點的坐標按照極坐標的方法計算參考點的坐標;③如此類推，直至最后一個測站。將上述所有點的坐標作為該點的坐標初始值。

然后列立誤差方程，組成法方程，最后求解各點的坐標。

2.2.2 變形點坐標的計算

在一個測站上的觀測，相當于一個單臺全站儀的全自動變形監(jiān)測系統(tǒng)，而且在隧道中氣象條件相差不大，很適合多重差分技術(shù)的應(yīng)用。所以在計算出參考點和測站點的坐標之后，利用多重差分技術(shù)［8］在各測站分別計算該測站點觀測的變形點的坐標。

2.3 數(shù)據(jù)的管理與輸出

為方便檢索、存儲及輸出，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫來管理各項數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫主要有兩個:控制文件數(shù)據(jù)庫和成果數(shù)據(jù)庫。其中控制文件數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表的個數(shù)與測站點數(shù)相同，一個數(shù)據(jù)表用于存儲一個測站的信息(包括參考點和變形點位置數(shù)據(jù))，用以在觀測時控制儀器尋找目標。成果數(shù)據(jù)庫包含兩個數(shù)據(jù)表，一個數(shù)據(jù)表用來存儲觀測數(shù)據(jù)(包括水平度盤讀數(shù)、豎直度盤讀數(shù)、斜距等)，另一個數(shù)據(jù)表用以存儲坐標及變形信息(包括坐標、本期位移及總體位移等)。

數(shù)據(jù)庫管理軟件可以提供用戶查詢數(shù)據(jù)、用曲線圖形顯示變形信息以及報表的輸出功能。

3 系統(tǒng)在隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用

某地鐵出口有一條“L”形的過街隧道，該隧道所處區(qū)域是一個大面積的正在施工的場地，在該隧道進行支護之后，由于周圍其他構(gòu)筑物的施工需要對其進行監(jiān)測。由于在“L”形的隧道中，采用1臺全站儀1個測站無法觀測到所有的點，另外監(jiān)測的周期又與施工的進度有很大的關(guān)系，于是選擇了利用單臺全站儀網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的方法。

3.1 監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)置

隧道的兩個洞口分別有3個控制點，在整個隧道共布置監(jiān)測斷面25個，每個斷面有12個點，每隔6～9個斷面設(shè)置一個測站點，測站點用鋼架固定在隧道壁上，儀器采用強制對中的方式。在兩個測站中間的斷面上選擇3～5個通視條件較好的點作為參考點，其上安置360°Leica圓棱鏡，其余點上安置普通棱鏡。

監(jiān)測點和參考點的編號按照6位數(shù)字進行，其中前三個字符表示所在斷面的編號，后三位數(shù)字表示監(jiān)測點的編號，后三位數(shù)字中第一個字符為“0”或“1”，用于區(qū)分參考點和監(jiān)測點，其中“1”表示參考點，“0”表示監(jiān)測點，后兩個字符用于表示監(jiān)測點的點號。如點“001008”表示該點是在第一個斷面上的第八個監(jiān)測點;“005101”表示該點是在第五個斷面上的第一個參考點。

3.2 系統(tǒng)的運行

系統(tǒng)利用一臺Leica TCA1800、一個筆記本電腦進行觀測。從第一期觀測開始，每期需要進行觀測時，將儀器搬至變形區(qū)與筆記本電腦相連，運行監(jiān)測軟件進行觀測。一個測站的觀測結(jié)束之后，人工將儀器搬至下一測站，直至另一端。全部觀測結(jié)束后，系統(tǒng)自動進行數(shù)據(jù)的解算、報表的輸出。

監(jiān)測頻率一般為每天4次，施工進度較快時，每天觀測的次數(shù)稍微有所增加;施工進度比較慢時，每天觀測的次數(shù)略微有所減少，直至外圍所有工程停止施工，監(jiān)測周期逐步加大，直至隧道穩(wěn)定。

整個監(jiān)測過程一直持續(xù)到外部施工結(jié)束，并且隧道變形穩(wěn)定，共計獲得300多期觀測數(shù)據(jù)。從這些數(shù)據(jù)中可以看出，最弱點的周期平均精度為1.0 mm，周期的最大點位誤差為1.7 mm，其它點的周期平均精度0.7 mm，周期最大點位中誤差1.5 mm，可以滿足地下結(jié)構(gòu)物變形監(jiān)測的要求。

4 結(jié)論與建議

本監(jiān)測系統(tǒng)繼承了單臺全站儀自動監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢，又擴大了其應(yīng)用的范圍，其優(yōu)勢與特點有:

1)系統(tǒng)采用了自動監(jiān)測技術(shù)，每個測站的觀測，均不需人工干預(yù)，儀器自動進行觀測、自動記錄、自動篩查數(shù)據(jù)、自動對不合格的數(shù)據(jù)進行重測或補測，實現(xiàn)了每個測站觀測過程的自動化。

2)雖然測站點和參考點均在變形區(qū)域范圍內(nèi)，但是每次監(jiān)測結(jié)束后，數(shù)據(jù)解算均采用洞口外的控制點作為已知數(shù)據(jù)，有效地防止了測站點位移和參考點不穩(wěn)定對變形數(shù)據(jù)的影響。

3)在兩個測站點之間的斷面上選擇參考點，利用該斷面上的參考點對參考點與測站點之間的變形點進行差分計算，確保了參考點至測站點的距離不小于變形點至測站點的距離，有效地保證了變形點的監(jiān)測精度［9］。

4)在監(jiān)測周期比較長的時候，一臺儀器在服務(wù)于該工程的同時，可以服務(wù)于其它的工程，大大提高了儀器的使用效率。

本變形監(jiān)測系統(tǒng)的運行需要人工將儀器從第一個測站搬至最后一個測站，并進行每個測站的初始照準，雖然沒有達到完全自動化，但是造價低，可以發(fā)揮儀器的最大效率，適合于任意形狀的隧道監(jiān)測，但是為防止觀測過程中的誤差積累，隧道的長度不宜過大。

［1］ 劉紹棠，王志武．隧道圍巖收斂監(jiān)測方法及其特點［J］．鐵道建筑，2008(4):44-46．

［2］ 張先軍，王玉鎖，葉躍忠．西格嶺隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)研究［J］．鐵道建筑，2010(11):57-59．

［3］ 包歡，徐忠陽，張良琚．自動變形監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中的應(yīng)用［J］．測繪學(xué)院學(xué)報，2003，20(2):103-105．

［4］ 衛(wèi)建東．基于測量機器人的自動變形監(jiān)測系統(tǒng)［J］．測繪通報，2006(12):41-44．

［5］ 衛(wèi)建東，包歡，徐忠陽，等．基于多臺測量機器人的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［J］．測繪學(xué)院學(xué)報，2005，22(2):154-156．

［6］ 王宇會，蔣利龍．測量機器人視場內(nèi)多目標問題的研究［J］．工程勘察，2011(1):84-86．

［7］ 武漢大學(xué)測繪學(xué)院測量平差學(xué)科組．誤差理論與測量平差基礎(chǔ)［M］．武漢:武漢大學(xué)出版社，2006．

［8］ 包歡．差分方法在測量中的應(yīng)用［J］．測繪通報，2003(5):29-31．

［9］ 徐忠陽，張良琚，包歡．自動極坐標實時差分監(jiān)測系統(tǒng)及其在大壩外部變形監(jiān)測中的應(yīng)用［J］．測繪通報，2001(9):28-30．