黃鴻偉

(廣州廣瑞測(cè)繪儀器有限公司, 廣東 廣州 510000)

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地鐵隧道全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題及解決方案

黃鴻偉

(廣州廣瑞測(cè)繪儀器有限公司, 廣東 廣州 510000)

地鐵旁的基坑開(kāi)挖可能引起的地鐵外部荷載的變化會(huì)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)安全造成影響，因此對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，了解其變形情況和原因并采取有效措施，對(duì)于預(yù)防工程事故、保證地鐵的正常運(yùn)營(yíng)是非常重要的。

深圳前海自貿(mào)區(qū)在開(kāi)展大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè)的同時(shí)，注意對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵結(jié)構(gòu)的保護(hù)監(jiān)測(cè)。前海地鐵保護(hù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目是針對(duì)前海灣的羅寶線(xiàn)、環(huán)中線(xiàn)地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行的全自動(dòng)監(jiān)測(cè)。項(xiàng)目監(jiān)測(cè)區(qū)間長(zhǎng)，工作基點(diǎn)位于變形區(qū)內(nèi)，極易受地鐵運(yùn)行列車(chē)振動(dòng)和氣流變化、基坑施工中打樁引起振動(dòng)等不利因素的影響，現(xiàn)場(chǎng)部分區(qū)間沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，因此如何確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度和傳輸成為面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。本項(xiàng)目采用6臺(tái)索佳NET05AXII測(cè)量機(jī)器人和南方SMOS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握了地鐵結(jié)構(gòu)的變形情況。

一、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由索佳NET05AXII測(cè)量機(jī)器人、南方SMOS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件、通信控制系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)棱鏡組成。

1. 索佳NET05AXII測(cè)量機(jī)器人

地鐵運(yùn)營(yíng)期保護(hù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目特點(diǎn)決定了只能采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，而且系統(tǒng)安裝調(diào)試只能在地鐵運(yùn)營(yíng)窗口期間進(jìn)行，實(shí)施時(shí)間非常短。項(xiàng)目采用了索佳NET05AXII測(cè)量機(jī)器人(如圖1所示)，它具有目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別、照準(zhǔn)及自動(dòng)測(cè)量功能，測(cè)角精度0.5″，測(cè)距精度0.8 mm+1×10-6D。索佳NET05AXII的目標(biāo)照明和激光指向功能在快速發(fā)現(xiàn)并照準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)大大提高了安裝調(diào)試的速度。

2. 監(jiān)測(cè)棱鏡

目標(biāo)棱鏡設(shè)置在基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)上。目標(biāo)棱鏡采用標(biāo)準(zhǔn)圓棱鏡或L型小棱鏡(如圖2所示)，目標(biāo)距離較近時(shí)選用L型微棱鏡，較遠(yuǎn)時(shí)選用標(biāo)準(zhǔn)圓棱鏡或L型棱鏡。在隧道壁上牢固安裝好棱鏡，并使棱鏡面正對(duì)工作基點(diǎn)(即測(cè)站點(diǎn))，安裝棱鏡時(shí)注意不能穿透防水層，對(duì)于在隧道下方的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為了防止碰動(dòng)點(diǎn)位可加角鋼進(jìn)行保護(hù)。

圖1　索佳NET05AXII測(cè)量機(jī)器人

圖2　標(biāo)準(zhǔn)棱鏡和L型棱鏡

從基坑施工開(kāi)始直至主體結(jié)構(gòu)回填完成土體變形穩(wěn)定為止，對(duì)受施工影響的地鐵隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)，從而準(zhǔn)確測(cè)量出地鐵隧道結(jié)構(gòu)在三維方向的局部變形和隧道整體的變形值、變形的準(zhǔn)確位置、最大最小值、變形方向和變形速率等(如圖3所示)。

3. 通信控制系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中一般通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制全站儀進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。本項(xiàng)目在部分區(qū)間沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)采用了光纖延長(zhǎng)至有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)間，再通過(guò)GPRS實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程通信，并支持遠(yuǎn)程電源管理(如圖4所示)。

圖3　盾構(gòu)隧道斷面測(cè)點(diǎn)布置圖明挖隧道斷面測(cè)點(diǎn)布置圖

圖4　通信控制系統(tǒng)

4. 南方SMOS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件

南方SMOS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件是一款專(zhuān)業(yè)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件，支持各主流品牌測(cè)量機(jī)器人，多種限差實(shí)時(shí)檢核和報(bào)警，通過(guò)軟件的控制和數(shù)據(jù)分析，利用實(shí)時(shí)差分改正技術(shù)，消除了現(xiàn)場(chǎng)無(wú)固定規(guī)律的氣象條件和各種外界條件所帶來(lái)的影響，使測(cè)量值更接近于真值，達(dá)到高精度實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形趨勢(shì)。SMOS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件具有儀器參數(shù)遠(yuǎn)程檢查及設(shè)置、電源管理和測(cè)站檢查等功能，可確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

1) SMOS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件支持多個(gè)監(jiān)測(cè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行(如圖5所示)。

2) 通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量已知點(diǎn)組的三維成果，軟件自動(dòng)計(jì)算所有實(shí)測(cè)已知點(diǎn)與理論數(shù)據(jù)的差分值，并將其實(shí)時(shí)配賦到每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最大化地消除綜合氣象條件導(dǎo)致的不固定誤差，從而得到最或是監(jiān)測(cè)成果。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)繪制功能可提供監(jiān)測(cè)過(guò)程曲線(xiàn)，如監(jiān)測(cè)量、監(jiān)測(cè)量變化、監(jiān)測(cè)量速率的時(shí)間過(guò)程曲線(xiàn)及進(jìn)尺過(guò)程曲線(xiàn)，監(jiān)測(cè)量、監(jiān)測(cè)量變化、監(jiān)測(cè)量速率的分布曲線(xiàn)等；同時(shí)還能將地面與地下監(jiān)測(cè)變形量值進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，在地鐵運(yùn)營(yíng)期起到地鐵隧道結(jié)構(gòu)保護(hù)作用(如圖6、圖7所示)。

圖5　任務(wù)運(yùn)行管理

圖6　實(shí)時(shí)三維成果

圖7　回歸分析

二、技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題及解決方案

地鐵隧道是狹長(zhǎng)形的空間環(huán)境，同時(shí)，地下列車(chē)一般以平均5 min左右的時(shí)間間隔車(chē)次在地鐵隧道中高速運(yùn)行。地鐵環(huán)境的這些特點(diǎn)及保證地鐵正常運(yùn)營(yíng)等因素的制約，使得自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用遇到比其他工程中更多的技術(shù)問(wèn)題。同時(shí)，這些制約因素也使得在地鐵變形監(jiān)測(cè)中，自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)手段有著常規(guī)測(cè)量無(wú)法比擬的優(yōu)越性。

南方SMOS自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在無(wú)人值守的情況下，全天24 h連續(xù)地自動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表輸出、圖形提供和自動(dòng)報(bào)警等，完全可以在列車(chē)正常運(yùn)行的情況下進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。

三、結(jié)束語(yǔ)

1) 項(xiàng)目所采用的6臺(tái)索佳NET05AXII測(cè)量機(jī)器人一直運(yùn)行良好，無(wú)論在精度還是在可靠性方面都滿(mǎn)足長(zhǎng)期精密監(jiān)測(cè)的要求，為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行提供了基礎(chǔ)保障。

2) 索佳NET05AXII測(cè)量機(jī)器人具有的目標(biāo)照明和激光指向功能，能快速發(fā)現(xiàn)并照準(zhǔn)目標(biāo)，大大提高了安裝調(diào)試的速度。

3) 南方SMOS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特有的測(cè)量系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)，考慮了多種異常狀況的影響。

4) 嚴(yán)格的測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查機(jī)制，從測(cè)量采集控制到測(cè)站點(diǎn)和控制點(diǎn)檢查，為確保監(jiān)測(cè)成果質(zhì)量提供了有力保障。

5) 嚴(yán)密的數(shù)據(jù)處理技術(shù)模型消除了各種外界條件所帶來(lái)的影響，使測(cè)量值更接近于真值，準(zhǔn)確地反映出隧道結(jié)構(gòu)的變形情況。

6) 遠(yuǎn)程通信控制系統(tǒng)的可靠性在長(zhǎng)期自動(dòng)化監(jiān)測(cè)任務(wù)中對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。

全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在地鐵保護(hù)監(jiān)測(cè)中已廣泛使用，在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中面臨影響監(jiān)測(cè)精度、系統(tǒng)可靠性和實(shí)施可行性等諸多問(wèn)題。本項(xiàng)目過(guò)去一年半的監(jiān)測(cè)工作證明，索佳NET05AXII測(cè)量機(jī)器人結(jié)合南方SMOS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能克服長(zhǎng)期運(yùn)行中的各種可能問(wèn)題，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，自動(dòng)化程度高，能夠滿(mǎn)足地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)工作的需求。

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