侯 學(xué)

(中鐵四局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230023)

0 引 言

我國(guó)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)自20世紀(jì)50年代開始，發(fā)展至20世紀(jì)80年代使用自動(dòng)化遙測(cè)，到20世紀(jì)90年代開始逐步使用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和新型監(jiān)測(cè)設(shè)備的更新?lián)Q代，目前自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，也不斷延伸至各個(gè)領(lǐng)域。隨著工程建設(shè)領(lǐng)域安全風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)不斷提高，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已然成為當(dāng)今工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的主旋律。能更好地滿足對(duì)工程監(jiān)測(cè)的要求也不斷提高。對(duì)工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高頻次、高精度、高效率、及時(shí)性、智能化等嚴(yán)格要求。因此，在各類基坑、大壩、隧道、橋涵、鐵路等重要的大型項(xiàng)目上，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷普及，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式將面臨淘汰。

1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足一定的原則，盡量做到可靠、經(jīng)濟(jì)、合理。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是提供獲取結(jié)構(gòu)變形信息的工具，使決策者可以針對(duì)特定目標(biāo)做出正確的決策，設(shè)計(jì)原則如下：

(1)保證系統(tǒng)的有效性。

(2)保證系統(tǒng)的可靠性。

(3)保證系統(tǒng)的先進(jìn)性。

(4)保證系統(tǒng)的可操作和易于維護(hù)性。

(5)系統(tǒng)應(yīng)該具有很好的開放性、兼容性。在滿足功能要求的前提下，應(yīng)充分考慮現(xiàn)代技術(shù)的快速發(fā)展，以便系統(tǒng)升級(jí)。同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)與交通工程、管理養(yǎng)護(hù)等系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)信息共享。

(6)系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程固件升級(jí)功能：根據(jù)系統(tǒng)自檢以及系統(tǒng)需求可對(duì)遠(yuǎn)程固件進(jìn)行完善，且系統(tǒng)具備各種類型的通信協(xié)議和接口，可為后期設(shè)備升級(jí)服務(wù)。

(7)以最優(yōu)成本控制：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)原則就是利用最優(yōu)布控方式做到既節(jié)省項(xiàng)目成本、后期維護(hù)投入的人力及物力，又能最大限度發(fā)揮出實(shí)際監(jiān)測(cè)的效果。

系統(tǒng)堅(jiān)持貫徹“技術(shù)可行、實(shí)施可能、經(jīng)濟(jì)合理”的基本原則，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)充分發(fā)揮作用，為工程施工和營(yíng)業(yè)線運(yùn)營(yíng)提供數(shù)據(jù)上和技術(shù)上的支持。

2 全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)

全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)是由傳統(tǒng)全站儀監(jiān)測(cè)方式衍生而來(lái)，從自動(dòng)全站儀基礎(chǔ)上開發(fā)出的智能化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其測(cè)角精度可達(dá)到0.5″，測(cè)距精度高，測(cè)站局部坐標(biāo)系統(tǒng)的測(cè)量精度可達(dá)到毫米級(jí)[1]。

2.1 全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)是利用CDMA通信網(wǎng)及因特網(wǎng)遠(yuǎn)程控制全自動(dòng)全站儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)棱鏡組進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)測(cè)量，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)監(jiān)測(cè)終端傳輸至后臺(tái)軟件，由后臺(tái)軟件對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、平差、運(yùn)算、篩選，并繪制成工程所需的監(jiān)測(cè)圖表(圖1)。

圖1 全站儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)特點(diǎn)

2.2.1 全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

(1) 自動(dòng)全站儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用全站儀對(duì)多個(gè)測(cè)點(diǎn)處布設(shè)的棱鏡進(jìn)行自動(dòng)化掃描，監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的沉降及位移變化。該系統(tǒng)測(cè)量精度高，測(cè)點(diǎn)布設(shè)方式快捷，并且全站儀和棱鏡在施工期間可實(shí)時(shí)提供監(jiān)測(cè)服務(wù)。施工結(jié)束后，在運(yùn)維階段也可作為日常運(yùn)維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)繼續(xù)使用，亦可為其他工程測(cè)量需求提供服務(wù)，設(shè)備用途廣泛，可持續(xù)性好。

(2) 該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)效率高，適應(yīng)性好，地鐵、隧道等弱光環(huán)境下也不受影響?？蓪?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，滿足涉鐵工程監(jiān)測(cè)中監(jiān)測(cè)頻次高于1次/2小時(shí)的規(guī)定。

(3)系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單、快速，能在1～3 d完成儀器及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位埋設(shè)，項(xiàng)目施工過(guò)程中可任意增刪監(jiān)測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)，項(xiàng)目實(shí)施階段發(fā)生點(diǎn)位破壞、監(jiān)測(cè)預(yù)警、不可抗力因素等也可及時(shí)恢復(fù)、增設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及加密監(jiān)測(cè)頻次，極大保證了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

《紀(jì)效新書》是戚大帥寫給不通文墨的部下看的，自然淺顯易懂。但像“武經(jīng)七書”這種東西，駱劍峰等人就讀得想死。這套自宋朝流傳下來(lái)的兵家名著，實(shí)為七本兵書的合集，故而名為“七書”，這七本里年代最近的一本，就是之前搞得駱劍峰和成俊麒暈頭轉(zhuǎn)向的《李衛(wèi)公問(wèn)對(duì)》，這本書好歹還是唐初的，另外六本大半傳自春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，每個(gè)字單獨(dú)拆開來(lái)還勉強(qiáng)認(rèn)得，組合在一起和天書無(wú)異！

(4)受施工影響較小。由于儀器架設(shè)位置選擇在施工影響區(qū)外的高處(圖2)，因此受施工環(huán)境影響較小，減少了監(jiān)測(cè)誤差。

圖2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目全站儀現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)圖

2.2.2 全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)缺陷

(1) 理論上一臺(tái)全站儀可以覆蓋的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位是不受限制的，但實(shí)際工程實(shí)施過(guò)程中，由于受到現(xiàn)場(chǎng)地形條件和監(jiān)測(cè)頻次限制，可能需要多臺(tái)全自動(dòng)全站儀對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行完全覆蓋，加大了監(jiān)測(cè)成本投入。例如合肥市軌道交通3號(hào)線合肥站-銅陵北路站區(qū)間隧道穿越合肥站東咽喉股道群涉鐵工程監(jiān)測(cè)中，需對(duì)7條鐵路股道路基和軌道幾何變形約300余棱鏡監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)頻次需高于1次/2小時(shí)，監(jiān)測(cè)單位采用了3臺(tái)全自動(dòng)全站儀才得以將監(jiān)測(cè)區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)交叉覆蓋。

(2) 該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)通視條件要求高。利用全站儀對(duì)棱鏡點(diǎn)進(jìn)行掃描監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)受建筑物、電氣化立柱、樹木草叢等影響，對(duì)儀器和棱鏡之間的通視條件有較高的要求。

(3)自然環(huán)境因素會(huì)影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，惡劣天氣會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備造成損壞。由于全站儀監(jiān)測(cè)受大氣折射率影響，因此大面積水域或溫差較大區(qū)域會(huì)直接影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。全天不同時(shí)間段內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)受氣溫和大氣氣壓等影響，因此進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)必然要搭配環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)氣溫和大氣氣壓等進(jìn)行同期修正，才能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(4)全站儀架設(shè)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)、控制點(diǎn)埋設(shè)要求較高。必須牢固穩(wěn)定，才能保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。營(yíng)業(yè)線項(xiàng)目技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)更高，路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)和軌道幾何變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖3)都有特殊要求，測(cè)點(diǎn)埋設(shè)更為嚴(yán)格。

圖3 軌道幾何變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖

2.3 全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果

在合肥市軌道交通3號(hào)線合-銅區(qū)間下穿合肥站東股道群涉鐵工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，營(yíng)業(yè)線柵欄網(wǎng)內(nèi)股道路基采用了全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，柵欄往外地表沉降采用傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀人工監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行。在左線盾構(gòu)下穿過(guò)程中，人工水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)顯示沉降主要體現(xiàn)在盾構(gòu)機(jī)正上方，最大累計(jì)變化值為DB 1-6，累計(jì)變化量為-17.40 mm，超出報(bào)警值(圖4)。

圖4 DB 1-6監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

圖5 庫(kù)2線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

由圖4、圖5并結(jié)合施工工況分析可得：盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)下穿鐵路過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)頭前方地表、路基產(chǎn)生輕微隆起；盾構(gòu)機(jī)通過(guò)時(shí)發(fā)生輕微沉降；盾構(gòu)機(jī)盾尾脫離時(shí)，盾構(gòu)區(qū)間上方發(fā)生較大沉降，沉降主要集中在盾構(gòu)區(qū)間隧道正上方，即監(jiān)測(cè)斷面中的5、6、7號(hào)點(diǎn)，庫(kù)2線中路基自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示沉降最大點(diǎn)是7號(hào)點(diǎn)，最大累計(jì)沉降達(dá)到了15 mm，與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線基本重合，可證明該自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的可靠性。該項(xiàng)目盾構(gòu)下穿過(guò)程中發(fā)生了報(bào)警，部分報(bào)警時(shí)段發(fā)生在夜間，證明全站儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在夜間仍不間斷監(jiān)測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確地將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋至施工單位，為施工提供了有力、及時(shí)的數(shù)據(jù)支持，為項(xiàng)目安全生產(chǎn)提供了保障。

2.4 全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

目前全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于高鐵、地鐵、隧道、邊坡等各類監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，尤其適用于涉鐵工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，其無(wú)須監(jiān)測(cè)人員頻繁進(jìn)入營(yíng)業(yè)線內(nèi)的實(shí)時(shí)監(jiān)控方式，極大程度上滿足了營(yíng)業(yè)線監(jiān)測(cè)要求，保障了運(yùn)營(yíng)列車和監(jiān)測(cè)人員的安全。該類技術(shù)適合營(yíng)業(yè)線監(jiān)測(cè)中的盾構(gòu)下穿、鐵路、公路上跨、箱涵下穿頂進(jìn)施工、管線直埋、頂進(jìn)下穿營(yíng)業(yè)線路基或橋涵等工程。

但是，由于受大氣折射率影響，該類技術(shù)并不適用于大面積水域環(huán)境?？绾?、海、湖泊等大面積水域的橋梁監(jiān)測(cè)中，該類監(jiān)測(cè)手段將難以適用。

3 結(jié) 論

目前，選擇自動(dòng)化監(jiān)測(cè)已然成為工程建設(shè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)無(wú)論從精度、效率、頻次都已無(wú)法滿足施工建設(shè)對(duì)于安全監(jiān)測(cè)的需求。各類重要工程監(jiān)測(cè)頻次基本要求為一天8～12次，傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)要想滿足目前的監(jiān)測(cè)要求勢(shì)必要投入更大的資源力量。而自動(dòng)化監(jiān)測(cè)目前處于快速發(fā)展階段，市場(chǎng)前景廣闊，應(yīng)用范圍廣泛，安全保障提高，經(jīng)濟(jì)增效明顯，所以無(wú)論從經(jīng)濟(jì)性、安全性，還是從數(shù)據(jù)的精度、效率、頻次等各方面都具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有集成化、一體化的特征，具有遙測(cè)、遙控、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、預(yù)警、一體化網(wǎng)絡(luò)功能。在實(shí)際工程運(yùn)用中更能體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)，通過(guò)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)控。不同時(shí)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸至監(jiān)測(cè)平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢和比較驗(yàn)證。并且可以借助系統(tǒng)，迅速對(duì)不同時(shí)段、不同監(jiān)測(cè)區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、分析，從而可以更為直觀和全面地把握監(jiān)測(cè)目標(biāo)的變形狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)向施工、設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)單位反饋信息，確保了施工過(guò)程中形成更為及時(shí)有效的信息反饋機(jī)制，確保工程順利進(jìn)展。

從工程經(jīng)濟(jì)效益上，可以極大提高工程施工的安全性，節(jié)約勞動(dòng)力成本，為工程效益增值。從社會(huì)影響來(lái)看，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)避免了人為因素影響，系統(tǒng)具有極高的可信度。該系統(tǒng)擾動(dòng)小，測(cè)點(diǎn)和設(shè)備的可循環(huán)利用性也節(jié)約了資源，有利于循環(huán)利用和節(jié)能環(huán)保。整個(gè)系統(tǒng)發(fā)展前景廣闊，不僅在工程建設(shè)領(lǐng)域，而且在電力、水利、自然災(zāi)害預(yù)警等各方面也具有良好的市場(chǎng)前景，具有較高的研究及應(yīng)用價(jià)值。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工程變形測(cè)量中可以大大縮減人力資源的投入，有效節(jié)約人員成本。可以實(shí)現(xiàn)全過(guò)程遠(yuǎn)程操控、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，這為工程安全建設(shè)提供了強(qiáng)力的數(shù)據(jù)支持，有效減少工程建設(shè)領(lǐng)域安全事故的發(fā)生，為工程建設(shè)增值。與此同時(shí)，該類技術(shù)也可應(yīng)用于監(jiān)測(cè)各類自然災(zāi)害(如山體滑坡、泥石流等)，存在巨大的社會(huì)價(jià)值。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)方式對(duì)比，目前已有大量文獻(xiàn)及工程實(shí)踐證明自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的可靠性、優(yōu)越性。未來(lái)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)勢(shì)必會(huì)替代傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過(guò)實(shí)踐證明：全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，適用性最強(qiáng)，除特定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目外，基本適用于各類監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，能直接反映監(jiān)測(cè)目標(biāo)的空間變化。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新，監(jiān)測(cè)儀器的推陳出新，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)也將不斷完善，發(fā)展前景廣闊，潛在社會(huì)價(jià)值較高。