張文春 徐正元 張理想 馬金峰

(吉林建筑大學(xué) 測(cè)繪與勘查工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118)

0 引言

城市軌道交通是城市公共交通的骨干.其中,地鐵系統(tǒng)以其運(yùn)量大、空間利用率高、安全節(jié)能等特點(diǎn),成為當(dāng)今城市化進(jìn)程中優(yōu)化城市交通的有效手段.地鐵建設(shè)和運(yùn)營(yíng)會(huì)帶動(dòng)沿途經(jīng)濟(jì)及城市建設(shè)的發(fā)展同時(shí),會(huì)因地鐵施工及沿線城市建設(shè)所造成的土體應(yīng)力狀態(tài)變化導(dǎo)致建筑物、構(gòu)筑物及地鐵結(jié)構(gòu)的變形,從而產(chǎn)生安全隱患.在地鐵施工運(yùn)營(yíng)及地鐵保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的工程活動(dòng)中,地鐵保護(hù)監(jiān)測(cè)成為保護(hù)地鐵及沿線建筑結(jié)構(gòu)安全、確保市民安全出行的必要手段.地鐵變形監(jiān)測(cè)的主要工作就是利用直接或間接獲取隧道結(jié)構(gòu)的三維空間信息.傳統(tǒng)地鐵保護(hù)監(jiān)測(cè)方式，如收斂計(jì)位移監(jiān)測(cè)、全站儀拱頂位移監(jiān)測(cè)、水準(zhǔn)儀隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)等，因功能單一、人工測(cè)量工作繁雜、觀測(cè)時(shí)段受限等,已經(jīng)不再適應(yīng)當(dāng)今高效率地鐵施工進(jìn)度和高密度地鐵運(yùn)維工作.隨著測(cè)繪科學(xué)的不斷進(jìn)步、施工測(cè)量工藝的不斷改進(jìn)及電子儀器技術(shù)、信息技術(shù)的不斷發(fā)展[1],如自動(dòng)化全站儀地鐵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、三維激光掃描技術(shù)及近景攝影測(cè)量技術(shù)等，已經(jīng)逐步應(yīng)用到地鐵保護(hù)監(jiān)測(cè)工作當(dāng)中.

1 全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是集電磁波測(cè)距技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通訊及自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)等,利用計(jì)算機(jī)語言開發(fā),基于服務(wù)器、控制器、客戶端等硬件的C/S架構(gòu)的自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)(見圖1).

國(guó)內(nèi)外行業(yè)專家對(duì)該類系統(tǒng)進(jìn)行了多方面的理論論證和開發(fā)應(yīng)用.1983年，Hannover大學(xué)利用相機(jī)及數(shù)字影像處理技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)測(cè)量目標(biāo)的準(zhǔn)確定位,利用無線電通訊裝置實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸,這就是現(xiàn)代化測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的雛形；張書華基于TCA200型全站儀開發(fā)了隧道變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]；徠卡公司自1997年于香港九龍?zhí)潦状蔚罔F自動(dòng)化監(jiān)測(cè)試驗(yàn)成功以來,一直致力于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)和完善，至今,依托高精度TS(TM)30型測(cè)量機(jī)器人開發(fā)的GeoMoS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外廣泛認(rèn)可和應(yīng)用；裴運(yùn)軍(2011)對(duì)該系統(tǒng)的觀測(cè)精度進(jìn)行了分析評(píng)定[3]；徐正元(2017)在實(shí)際工程中對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)的可靠性進(jìn)行了長(zhǎng)期的實(shí)際觀測(cè)和理論分析,并對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了精度評(píng)定[4]；GeoMoS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在沉降監(jiān)測(cè)中采用高精度測(cè)量機(jī)器人結(jié)合中間法進(jìn)行三角高程解算,其精度受mα,ms,mk影響.

由上式計(jì)算極限誤差最大值Δmax限=2mh≈0.014 72mm.此精度符合國(guó)家一二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范要求.

該系統(tǒng)在待測(cè)區(qū)域內(nèi)布設(shè)控制網(wǎng),于各斷面布設(shè)小棱鏡,基于全站儀免棱鏡測(cè)距及ATR技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化空間信息獲取,其位移精度可達(dá)±0.3mm[3].在實(shí)際工程應(yīng)用中,以高精度電子水準(zhǔn)儀觀測(cè)沉降數(shù)據(jù)為準(zhǔn),對(duì)比該系統(tǒng)在沉降監(jiān)測(cè)中的實(shí)際成果(如圖2所示).紅色點(diǎn)為隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)際沉降情況,藍(lán)色點(diǎn)擬合曲線為自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所反映沉降情況.由此可見,自動(dòng)化監(jiān)測(cè)曲線在人工監(jiān)測(cè)值上線波動(dòng),與人工監(jiān)測(cè)值上下偏差最大為+0.22mm至-0.18mm,整體趨勢(shì)吻合情況良好[4].

結(jié)合精度評(píng)定及工程實(shí)踐可見全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵隧道高精度、全天時(shí)全天候、自動(dòng)高效的變形監(jiān)測(cè).

圖1 全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Total station automatic monitoring system

圖2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)值與人工監(jiān)測(cè)值對(duì)比曲線圖Fig.2 Comparison curve between the automatic monitoring data with manual monitoring data

2 三維激光掃描技術(shù)

圖3 技術(shù)流程圖Fig.3 Flowchart

相比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)而言,三維激光掃描技術(shù)作為變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的前沿技術(shù),利用高速激光測(cè)距技術(shù)配合精密時(shí)鐘編碼器量測(cè)隧道實(shí)體空間離散矢量距離點(diǎn)即點(diǎn)云.在掃描儀獨(dú)立坐標(biāo)系下的斜距、水平方向及距離、天頂距、反射強(qiáng)度等信息,配合CCD傳感器解算空間實(shí)體拓?fù)湫畔?，?jīng)過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、抽稀、去噪及濾波等過程,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)空間實(shí)體線、面、體等空間信息數(shù)字化高還原度重構(gòu).三維激光掃描技術(shù)以其觀測(cè)快速、主動(dòng)式非接觸測(cè)量、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)精度高、成果直觀等特點(diǎn),適用于現(xiàn)代地鐵高效施工及高頻率運(yùn)營(yíng)維護(hù)中隧道變形監(jiān)測(cè)工作.

在利用三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道變形監(jiān)測(cè)的研究中,通過隨機(jī)采樣一致性(RANSAC)[6]及最小二乘算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道中軸線的提取,利用不變矩實(shí)現(xiàn)隧道連續(xù)斷面的提取,最終利用局部曲面擬合及最小二乘曲線擬合完成變形曲線擬合分析,得到變形信息技術(shù)流程如圖3所示.實(shí)際工程案例中,使用Z+F三維激光掃描儀及瑞士Amberg公司開發(fā)的基于隧道中軸線及連續(xù)斷面提取的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)TMS TunnelScan，來實(shí)現(xiàn)三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究.

圖4 測(cè)站隧道點(diǎn)云示意圖Fig.4 Point cloud of tunnel scan data

在TMS TunnelScan監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,程序通過鍵入的監(jiān)測(cè)隧道的設(shè)計(jì)軸線及設(shè)計(jì)半徑信息解算并擬合出理論中線以及里程對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)斷面[7].三維激光掃面儀所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后轉(zhuǎn)碼并加載到程序如圖4所示.

經(jīng)中軸線、連續(xù)斷面提取并截取到對(duì)應(yīng)里程點(diǎn)斷面與設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行疊加對(duì)比,從直觀模擬影響及量化隧道斷面空間數(shù)據(jù)指標(biāo)對(duì)隧道進(jìn)行超欠挖斷面分析和方量報(bào)告、斷面收斂和錯(cuò)臺(tái)分析、侵界檢測(cè)、砌襯厚度、方量、滲水影像、裂縫影像、地質(zhì)素描、平整度分析等多元監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià).斷面理論半徑與實(shí)際半徑對(duì)比分析及多期斷面實(shí)際半徑疊加分析可直觀反應(yīng)隧道結(jié)構(gòu)變形情況,并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)精度評(píng)定,如圖5所示.

圖5 隧道斷面變形監(jiān)測(cè)成果示意圖Fig.5 Deformation monitoring results of tunnel section

圖6 實(shí)測(cè)半徑與設(shè)計(jì)半徑差值柱狀圖Fig.6 Histogram of difference between measured radius and design radius

3 傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段與現(xiàn)代監(jiān)測(cè)方法的對(duì)比分析

相比之下,地鐵保護(hù)監(jiān)測(cè)工程中傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段較比現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)方式存在如下不足:

(1) 針對(duì)不同監(jiān)測(cè)單項(xiàng)任務(wù)的傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)手段,因不同儀器的精度和功能所限具有局限性，如普通全站儀三角高程測(cè)量精度所限，僅應(yīng)用于位移監(jiān)測(cè)，而不能用于沉降監(jiān)測(cè),而沉降監(jiān)測(cè)中則需使用高精度水準(zhǔn)儀再次觀測(cè),影響監(jiān)測(cè)效率.

(2) 因人工監(jiān)測(cè)與地鐵運(yùn)營(yíng)的空間沖突具有觀測(cè)周期的不連續(xù)性(在地鐵運(yùn)營(yíng)期間),人員和儀器不能進(jìn)入隧道施測(cè),需等晚間地鐵停運(yùn)維護(hù)期間進(jìn)行觀測(cè)，從而造成大于12h的觀測(cè)空白期,影響監(jiān)測(cè)質(zhì)量.

(3) 因傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器作業(yè)方式和觀測(cè)效率所限，具有觀測(cè)數(shù)據(jù)離散性，如全站儀隧道位移監(jiān)測(cè)及水準(zhǔn)儀隧道沉降監(jiān)測(cè)中，僅能對(duì)少量固定變形特征點(diǎn)做到坐標(biāo)采集,無法在觀測(cè)周期內(nèi)采集更多隧道點(diǎn)空間信息,無法對(duì)被測(cè)隧道做到空間位置的完整還原和整體監(jiān)測(cè).

由此可見,傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)手段已經(jīng)不再適應(yīng)當(dāng)今高效率地鐵施工進(jìn)度和高密度地鐵運(yùn)維工作.全站儀自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及三維激光掃描變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以其獨(dú)特的數(shù)據(jù)采集方式和先進(jìn)的信息化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以做到全天時(shí)全天候、高效率高精度、多維度自動(dòng)化的監(jiān)測(cè).傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)手段與現(xiàn)代化變形監(jiān)測(cè)方式綜合對(duì)比見表1.

表1 傳統(tǒng)與現(xiàn)代監(jiān)測(cè)方式綜合對(duì)比Table 1 Comprehensive comparison of traditional and modern monitoring methods

續(xù)表1

4 結(jié)論與展望

應(yīng)用實(shí)踐的數(shù)據(jù)成果質(zhì)量分析證明,以全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和三維激光掃描技術(shù)為代表的現(xiàn)代化地鐵隧道監(jiān)測(cè)方式，在作業(yè)效率、數(shù)據(jù)精度、自動(dòng)化及功能多元化方面，比傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段有了顯著的提高,其精度評(píng)定結(jié)果和工作穩(wěn)定性實(shí)踐證明，現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是可靠的.以GeoMos為代表的全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以其全天時(shí)全天候、自動(dòng)化的特點(diǎn)，已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式并廣泛應(yīng)用于地鐵保護(hù)監(jiān)測(cè)工程之中.目前三維激光掃描技術(shù)正成為高校、科研院所及企業(yè)在地鐵隧道監(jiān)測(cè)應(yīng)用中關(guān)注的重點(diǎn).在點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接和處理、隧道中軸線及連續(xù)斷面提取的過程中,精度的提高、效率的改善仍是當(dāng)下應(yīng)用研究的重點(diǎn)方向.利用更加優(yōu)化的算法對(duì)隧道監(jiān)測(cè)工程中諸多子項(xiàng)開發(fā)更加成熟、更有針對(duì)性的應(yīng)用程序,并進(jìn)行理論論證和工程檢驗(yàn)，尚有廣闊的研究開發(fā)前景.

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 邱冬煒.穿越工程影響下既有地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)與分析[D].北京:北京交通大學(xué),2012.

[2] 張書華,蔣瑞波.基于測(cè)量機(jī)器人的隧道變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪科學(xué),2009,34(3):192-194.

[3] 裴運(yùn)軍.在地鐵隧道自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].湖南水利水電,2011(6):31-33.

[4] 徐正元,張文春.GeoMoS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2017,14(13):19-22.

[5] 馮顯堂.大氣折光系數(shù)的取值[J].鞍鋼技術(shù),1996(2):47-50.

[6] 托雷.基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)[D].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2012.

[7] Park J H,Kim M H,Park K H.Achievements and Tasks of the SMRT Tunnel Monitoring System(TMS)[J].2012,15(4):381-387.