郭 峰，劉 琴

（長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司（武漢））

1 引言

新建地鐵的工程量較大且施工和測(cè)量復(fù)雜，各項(xiàng)工序都是交錯(cuò)進(jìn)行，對(duì)臨近運(yùn)行中的地鐵的監(jiān)測(cè)形成了一定的干擾，因此，對(duì)已投入運(yùn)行的地鐵隧道要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于智能型全站儀的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)可以有效地對(duì)地鐵隧道現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并且可采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確、及時(shí)地掌握和了解地鐵隧道的變形情況，所以，使用智能型全站儀對(duì)地鐵隧道變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)具有重要的意義。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)和高程示意圖

2 智能型全站儀的監(jiān)測(cè)原理

2.1 全站儀的三維坐標(biāo)監(jiān)測(cè)原理

地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)的參考點(diǎn)，也可稱(chēng)作基準(zhǔn)點(diǎn)，獲得與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的邊角角度后，通過(guò)邊角的角度可以測(cè)算出平面的坐標(biāo)和高度，如圖1所示。

圖1中的A、B、C代表三個(gè)參考指定的坐標(biāo)和高程，P點(diǎn)代表全站儀的置鏡區(qū)域，i是監(jiān)測(cè)點(diǎn)。通過(guò)后方交會(huì)測(cè)量技術(shù)，可以先算出P點(diǎn)的坐標(biāo)和高程（Xp，Yp，Hp），從而可以測(cè)算出i點(diǎn)的坐標(biāo)與高程（Xi，Yi，Hi）[1]。如果監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始周期的坐標(biāo)點(diǎn)為（Xi1，Yi1，Hi1）（初始值），那么各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的第n期相比于初始周期的變形量為 ΔX=Xin-Xi1，ΔY=Yin-Yi1，ΔH=Hin-Hi1。

2.2 圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)原理

如圖2所示，A、B兩點(diǎn)代表位于地鐵隧道管片兩側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的棱鏡，S點(diǎn)為全站儀的監(jiān)測(cè)站，d為兩個(gè)棱鏡間的距離，b、a、α分別為全站儀與監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B間的測(cè)量距離和角度，可以根據(jù)三角函數(shù)中的余弦公式得出在不同測(cè)量時(shí)期d值的變化，以此來(lái)反映地鐵隧道雙面?zhèn)缺诘淖冃螤顩r。如果初始周期的弦長(zhǎng)d1被設(shè)置為初始值，那么第n期相比于初始周期的變形量ΔS=dn-d1。

圖2 地鐵隧道雙面?zhèn)缺谧冃瘟渴疽鈭D

3 智能全站儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)的設(shè)置

在地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)中，智能全站儀可以通過(guò)測(cè)量機(jī)器人的強(qiáng)大功能來(lái)進(jìn)行工作。智能機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搜索、自動(dòng)找準(zhǔn)、自動(dòng)測(cè)量等功能，技術(shù)人員可預(yù)先對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)、遠(yuǎn)程遙控、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析的功能，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵隧道變形狀況的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，同時(shí)，對(duì)地鐵隧道內(nèi)發(fā)生的變形狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。機(jī)器人應(yīng)用于地鐵隧道監(jiān)測(cè)主要分為以下三個(gè)部分：

1）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

機(jī)器人經(jīng)過(guò)更加深層次的開(kāi)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)功能上的擴(kuò)展，具備自動(dòng)搜索、自動(dòng)找準(zhǔn)、自動(dòng)測(cè)量等功能，并根據(jù)指令進(jìn)行控制，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，機(jī)器人搭載的軟件為GeoMoS與ADM-SL2及機(jī)載軟件。

2）無(wú)線通信系統(tǒng)

測(cè)量地鐵軌道的機(jī)器人利用無(wú)線連接的模式進(jìn)行遠(yuǎn)程作業(yè)，操作人員通過(guò)無(wú)線技術(shù)將指令傳達(dá)到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采集系統(tǒng)又將所收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

3）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)通常放置在辦公室內(nèi)，利用IP網(wǎng)絡(luò)下達(dá)和接收指令，同時(shí)可以分析機(jī)器人所獲取到的信息。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

在機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)測(cè)前，全站儀首先要進(jìn)行測(cè)量學(xué)習(xí)，這里的測(cè)量學(xué)習(xí)是指專(zhuān)業(yè)操作人員需要對(duì)機(jī)器人的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，然后對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行人工校準(zhǔn)，即校準(zhǔn)機(jī)器人相較于定向點(diǎn)的水平角度與監(jiān)測(cè)站的天頂距，并且保存其初始值數(shù)據(jù)。地鐵隧道變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的核心功能就是地鐵隧道自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。由控制中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸指令，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行指揮，控制機(jī)器人對(duì)地鐵隧道的監(jiān)測(cè)點(diǎn)和位置進(jìn)行自動(dòng)搜索、瞄準(zhǔn)和測(cè)量，并通過(guò)之前設(shè)置好的各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)置手動(dòng)或自動(dòng)的監(jiān)測(cè)方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒祷乜刂浦行摹?/p>

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸

GPRS DTU采用ARM9高性能處理器，通過(guò)軟件平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，在硬件配置上，采用超大內(nèi)存，且在其內(nèi)部采用TCP/IP協(xié)議,可以為用戶在數(shù)據(jù)采集上提供高效穩(wěn)定的傳輸模式、始終在線的數(shù)據(jù)終端和多協(xié)議轉(zhuǎn)換的虛擬網(wǎng)絡(luò)。在應(yīng)用機(jī)器人前，首先要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，通過(guò)軟件設(shè)置確定控制中心的IP和端口，令竄口和采集器進(jìn)行對(duì)接，最后通過(guò)之前設(shè)置好的IP和端口連接，實(shí)現(xiàn)雙接口的數(shù)據(jù)透明傳輸。

4 智能型全站儀在智慧城市中的實(shí)際應(yīng)用

本文以某市地鐵5號(hào)線為例介紹智能型全站儀在智慧城市中的實(shí)際應(yīng)用。在地鐵5號(hào)線的一期、二期工程中，由于有3號(hào)線通過(guò)，所以，在5號(hào)線的施工過(guò)程中，務(wù)必保證3號(hào)線的安全運(yùn)行。因此，在5號(hào)線施工過(guò)程中要對(duì)3號(hào)線的地鐵隧道變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此項(xiàng)工程的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括地鐵3號(hào)線隧道管片結(jié)構(gòu)的沉降、水位監(jiān)測(cè)和道床沉降，等等。由于監(jiān)測(cè)區(qū)域大、易產(chǎn)生變形區(qū)域較多、監(jiān)測(cè)的頻率較高及數(shù)據(jù)量龐大，且面臨在地鐵3號(hào)線運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測(cè)人員無(wú)法進(jìn)場(chǎng)的難題，所以此時(shí)，只能使用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)為3號(hào)線和5號(hào)線地鐵的正常運(yùn)行提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4.1 基準(zhǔn)點(diǎn)的排布設(shè)置

在變形影響區(qū)域外的一定范圍內(nèi)，在地鐵3號(hào)線分布了3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，這樣可以有效保障監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，定期對(duì)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行觀察，嚴(yán)格控制基準(zhǔn)點(diǎn)與置鏡點(diǎn)的距離，使置鏡點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的距離大于與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離，以保證監(jiān)測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確度。

4.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的排布設(shè)置

在地鐵隧道變形影響區(qū)域內(nèi)的范圍內(nèi)，要做到每個(gè)隧道中每5m作業(yè)設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，在每個(gè)斷面上要再設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中，2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為水平位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，2個(gè)為道床沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，1個(gè)為拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在監(jiān)測(cè)中，由于全站儀的三角形高程測(cè)量的精確度比較低，所以，為了保證測(cè)量的精確度，在隧道中還排布了靜力水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)保證監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度。

5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，地鐵隧道變形水平和垂直位移的最大值不可以超過(guò)±10mm，并且設(shè)置最大值的1/3作為報(bào)警值，即±3.3mm；設(shè)置最大值的2/3作為警戒值，即±6.7mm。另外，對(duì)于沉降的速率也有極高的要求，要求控制在2.0mm/d，且道床的最大沉降值為4mm，在最大值達(dá)到70%時(shí)為警戒值，即2.8mm。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，如果發(fā)生超出以上各個(gè)數(shù)值的情況，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)向相關(guān)人員發(fā)送報(bào)警信息。而在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，道床沉降值超出了警戒值，沉降的速率也超過(guò)了設(shè)計(jì)值。為了驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，操作人員與靜力水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。監(jiān)測(cè)對(duì)比結(jié)果表明，智能型全站儀的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確無(wú)誤，數(shù)據(jù)可靠。針對(duì)該情況的發(fā)生，相關(guān)部門(mén)組織了專(zhuān)家研討會(huì)，并在會(huì)議上對(duì)所發(fā)生的狀況提供了解決辦法。經(jīng)過(guò)專(zhuān)家的建議，在隧道變形處采用了注漿加固的處理方式，在實(shí)施過(guò)程中，效果良好，并且，在之后的施工和監(jiān)測(cè)中，沉降狀態(tài)趨于穩(wěn)定。

6 結(jié)語(yǔ)

智能全站儀不僅可以對(duì)地鐵隧道的變形狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還可以將獲取到的數(shù)據(jù)輸送到檢查中心，必要時(shí)還可以發(fā)送報(bào)警信息，為地鐵工程的施工和運(yùn)行提供強(qiáng)大的安全保障，從而促進(jìn)智慧城市的安全發(fā)展。