劉運明

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

Application of Automatic Polar Real-time Difference Monitoring Technology

in the Deformation Monitoring of Metro Tunnel Structure

LIU Yunming

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自動極坐標實時差分監(jiān)測技術在地鐵隧道結構變形監(jiān)測中的應用

劉運明

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

Application of Automatic Polar Real-time Difference Monitoring Technology

in the Deformation Monitoring of Metro Tunnel Structure

LIU Yunming

摘要：自動極坐標實時差分監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測基準網的基礎上，對監(jiān)測數據進行實時差分處理，以消除和減弱各種誤差對測量結果的影響，大幅度地提高了測量精度，為安全施工提供了準確、及時的指導數據，保證了地鐵的安全運行，是一種簡便、靈活、實時、動態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)。工程應用表明，它可以進一步提高隧道、建筑物等安全監(jiān)測工作的技術水平，提高工程安全監(jiān)測的效率，減少工作人員的勞動強度，節(jié)省大量的人力、物力和資金，實現對隧道等構筑物的實時監(jiān)測?？稍诘罔F運行間隔內迅速完成隧道的三維變形監(jiān)測。

關鍵詞：自動極坐標；實時差分；地鐵隧道；變形監(jiān)測

在地鐵隧道的施工和運行過程中，為了保證隧道結構的安全，需要對地鐵隧道進行高頻率、高精度的變形監(jiān)測。由于地鐵隧道施工的特殊條件，傳統(tǒng)的人工測量耗時長、精度低，不但影響正常的隧道施工工序，而且不能及時、快速、準確地反映隧道結構變形的情況，因此地鐵隧道自動變形監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的現實意義。

自動變形監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工監(jiān)測相比較，具有連續(xù)、動態(tài)、實時、精確等顯著優(yōu)勢。目前國內外遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要有近景攝像測量系統(tǒng)、多通道無線遙測系統(tǒng)、光纖監(jiān)測系統(tǒng)、全站儀自動測量系統(tǒng)、靜力水準儀系統(tǒng)、巴賽特結構收斂系統(tǒng)等[1-2]。本文主要介紹全站儀極坐標自動測量系統(tǒng)在地鐵隧道變形監(jiān)測中的應用。

一、測量原理

1. 極坐標測量原理

地鐵隧道全站儀自動監(jiān)測采用極坐標法測量，如圖1所示，以設站點O為原點，測站的鉛垂線為Z軸，以定向方向為X軸，建立左手直角坐標系O-XYZ。

設全站儀測量P點的觀測值分別為：水平角α，垂直角β，斜距s，則P點在圖1的測站坐標系下的坐標為

(1)

圖1　極坐標測量示意圖

2. 精度分析

在不顧及已知點誤差的情況下討論觀測點的誤差，由圖1可知OP的平距D=Scosβ，根據式(1)分別對觀測量α、β、s求全微分可得

(2)

轉換為中誤差形式并用矩陣表示為

(3)

式中，mx、my、mz分別為點位的三維坐標在x、y、z方向的中誤差；ms為測距中誤差；mα、mβ分別為方位角和豎直角的測角中誤差。根據Helmert點位誤差估計公式可知

(4)

將式(3)代入式(4)可得P點的點位中誤差為

(5)

由式(5)可知， 待定點P的點位精度與儀器的測角、測距精度有關。為使該方法測量獲得較高的點位精度，應盡量控制角度和距離的相互關系。

3. 觀測值的改正

在運營地鐵的監(jiān)測環(huán)境中，溫度、大氣折光、氣壓、結構振動、空氣擾動等環(huán)境因素均會造成基準點、測量機器人和監(jiān)測點的微動變化，導致距離測量和角度測量的偏差，采用實時差分技術可以減弱這些因素對測量結果的影響。

(1) 斜距的差分改正

在極坐標變形監(jiān)測系統(tǒng)中，溫度、氣壓和濕度等影響距離測量的結果，假設某一時段內基準點和測站點的位置是穩(wěn)定的，就可以利用測站點和基準點之間的已知距離對大氣折射率進行實時差分改正[3-5]。

(6)

(7)

為了保證距離氣象改正比例系數ΔS的可靠性和準確性， 實踐中取多個基準點測定的距離氣象改正比例系數ΔS的中數，用于相似區(qū)域變形點距離測量的差分氣象改正。

(2) 高差的差分改正

在極坐標變形監(jiān)測系統(tǒng)中，高差測量的精度與球氣差的影響有關[3-5]，為了準確測定變形點的三維坐標，必須考慮球氣差對高差測量的影響。監(jiān)測站與各基準點之間經精密水準測量高差Δh0是已知的。如果某一時刻測得監(jiān)測站與某基準點間的單向三角高差hJ為

hJ=SJ·sinβ+iJ-tJ

(8)

式中，β為垂直角;iJ為儀器高;tJ為目標高。球氣差改正系數c可表示為

(9)

變形點與監(jiān)測站之間經球氣差改正的三角高差hP可表示為

(10)

根據變形觀測點的斜距改正數和高差改正數即可求出平距的改正值為

(11)

(3) 方位角的差分改正

(12)

(13)

(4) 變形點三維坐標和變形量的計算

經過對距離、高差和方位角三者的差分改正，根據極坐標計算公式求得變形點的三維坐標為

(14)

式中，(X0,Y0,Z0)為監(jiān)測站的坐標值。

(15)

二、自動極坐標實時差分變形監(jiān)測系統(tǒng)

自動極坐標實時差分變形監(jiān)測系統(tǒng)主要由控制單元、無線通信單元和數據采集與處理單元組成。該系統(tǒng)的基本結構如圖2所示。

圖2　監(jiān)測系統(tǒng)結構

1. 硬件構成

自動極坐標實時差分變形監(jiān)測系統(tǒng)的硬件主要由測量機器人、無線通信模塊和系統(tǒng)控制中心構成(見表1)。

表1　自動極坐標實時差分變形監(jiān)測系統(tǒng)主要儀器設備

1) 測量機器人：為實現遠程控制采集數據，系統(tǒng)要求測量機器人具有馬達驅動和目標自動搜索、識別、跟蹤等功能。

2) 無線通信模塊：要實現控制中心控制測量機器人采集數據，必須在兩者之間建立可靠的通信鏈路。通過Internet建立的通信鏈路可分為有線和無線兩種方式。

3) 系統(tǒng)控制中心，系統(tǒng)控制中心的服務器或工作站上需要安裝可以連接公網的調制解調器或網卡，并擁有路由器分配的可通過公網訪問的固定IP地址，來接收通過公網傳輸的或GPRS/CDMA無線傳輸的數據。

2. 軟件構成

自動極坐標實時差分變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要由3部分組成：即測量機器人機載軟件、無線通信模塊軟件和控制中心軟件包。

1) 測量機器人機載軟件，主要是測量機器人極坐標多測回自動觀測軟件，負責自動搜索、識別、照準、跟蹤目標、自動測角、測距及超限或目標丟失等異常情況的自動處理。

2) 無線通信模塊程序，主要負責建立通信鏈路，用來轉發(fā)指令或數據。

3) 控制中心軟件，主要實現發(fā)送開關機、邊角觀測、氣象觀測等控制指令和接收觀測狀態(tài)、測量數據。實現測量過程、數據記錄、數據處理和報表輸出的自動化，實現真正意義上的測量自動化和一體化。

三、應用實例

1. 工程概況

新建六號線天河客運站—長湴站位于既有3號線的西側，采用盾構法施工。3號線天河客運站于2006年12月建成通車。6號線盾構隧道與3號線天河客運站主體建筑平面相互關系如圖3所示，其中，6號線隧道右線與既有線路兩線之間距離為4.4～10.6 m；六號線埋深約32.4 m；既有3號線埋深約20.8 m。

圖3　開挖基坑與既有線車站平面位置圖

2. 監(jiān)測實施

(1) 基準點設置

根據系統(tǒng)布設原理，擬在左、右線各設置1條測線，每條測線設置2個基準點，10個監(jiān)測斷面，基準點布設在遠離變形區(qū)以外，距離最外側觀測斷面50 m左右的軌道結構外側，基準網點采用獨立坐標系統(tǒng)。

(2) 監(jiān)測點設置

本次監(jiān)測對影響段100 m范圍區(qū)間進行安全監(jiān)測，主要通過自動極坐標實時差分變形監(jiān)測系統(tǒng)對該影響區(qū)間的隧道結構進行三維位移監(jiān)測。在100 m區(qū)間范圍內的左、右線各設置10個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面在隧道頂部、底部各安裝一個監(jiān)測棱鏡，在站臺對面的側墻上從上往下等間距布設3個監(jiān)測棱鏡，左右線共布設50個變形監(jiān)測點。監(jiān)測斷面的布設位置如圖4所示。

圖4　監(jiān)測斷面點位分布

3. 數據處理及分析

本工程監(jiān)測工作從2011年2月19日進場至2011年10月25日結束，歷時8個月時間。在整個施工過程中進行全過程監(jiān)測，實施過程中，業(yè)主、設計、監(jiān)理及承包商等密切配合，采用綜合分析方法，包括對現場進行系統(tǒng)監(jiān)測，根據施工情況、施工工況及監(jiān)測資料，對每一施工工況進行有針對性的預測，更好地指導了施工。

由表2可以看出，結構絕對變形量最大為-3.46 mm(S7-2，DY方向)，小于預警值10 mm；隧道相對變形量最大為-4.19 mm(S7-2)，大于預警值3 mm，小于報警值4.8 mm，此時若采取相應的安全技術措施，完全可以控制隧道的變形。

選取距離開挖基坑最近的面4為例來分析土建施工對既有線結構變形的影響。斷面4監(jiān)測點的三維坐標累計變形量統(tǒng)計見表3。

表2　各監(jiān)測斷面坐標分量最終累計變形量最大值統(tǒng)計表　mm

表3　斷面4監(jiān)測點的三維坐標累計變形量　mm

從表3可以看出，X方向累積變形量最大為-1.86 mm(X4-2)，Y方向累積變形量最大為-0.43 mm(S4-2)，Z方向累積變形量最大為-1.83 mm(S4-1)，均小于結構絕對變形量的預警值10 mm，由此可以判定臨近基坑開挖對斷面4的影響較小。斷面4監(jiān)測點的三維坐標監(jiān)測頻次-累計變形量曲線如圖5—圖10所示。

圖5　上行斷面4監(jiān)測點X坐標變形曲線

圖6　上行斷面4監(jiān)測點Y坐標變形曲線

圖7　上行斷面4監(jiān)測點Z坐標變形曲線

圖8　下行斷面4監(jiān)測點X坐標變形曲線

圖9　下行斷面4監(jiān)測點Y坐標變形曲線

圖10　下行斷面4監(jiān)測點Z坐標變形曲線

從表3及圖5—圖10的曲線可以看出，從2011年2月19日至2011年10月25日，斷面各監(jiān)測點累計變化量遠小于設計提供的控制標準，且各監(jiān)測點的變化速率穩(wěn)定。監(jiān)測結果表明，整個施工過程對既有線的影響較小。各項累計監(jiān)測數據變化較小，各監(jiān)測點的沉降速率較穩(wěn)定。

四、結束語

自動極坐標實時差分變形監(jiān)測系統(tǒng)用于地鐵隧道變形監(jiān)測，具有以下明顯的特點:

1) 在地鐵隧道監(jiān)測基準網的基礎上 采用差分式測量技術可以消除或減弱各種誤差(外部環(huán)境條件影響和儀器內部系統(tǒng)誤差) 對測量結果的影響，使變形點三維坐標的監(jiān)測精度達到了亞毫米級。

2) 在計算機的控制下實現了對地鐵隧道全天候、無人值守、實時、動態(tài)、高精度的變形監(jiān)測，并且實現了變形監(jiān)測數據的實時采集與傳輸、管理、在線分析、綜合成圖、成果預警等功能，提高了變形監(jiān)測的自動化、智能化水平。

3) 可在地鐵運行間隔內迅速完成隧道的變形監(jiān)測，同時獲取變形監(jiān)測點的平面和垂直位移信息，提高了工程安全監(jiān)測的效率，減少了工作人員的勞動強度，克服了以往平面位移監(jiān)測和垂直位移監(jiān)測分別實施的缺陷，實現了對隧道等構筑物的實時監(jiān)測。

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引文格式： 劉運明. 自動極坐標實時差分監(jiān)測技術在地鐵隧道結構變形監(jiān)測中的應用[J].測繪通報，2016(1)：99-103.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0025.

作者簡介：劉運明(1980—)，男，碩士，工程師，主要從事精密工程測量及變形監(jiān)測工作。E-mail:985122935@qq.com

收稿日期：2014-10-23

中圖分類號：P258

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)01-0099-05