張奇麟

智能型全站儀在地鐵隧道變形中的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)與應(yīng)用

張奇麟

（上海山騁勘察設(shè)計(jì)有限公司，上海 200000）

在地鐵建設(shè)和運(yùn)行的時(shí)候，要始終監(jiān)測(cè)隧道結(jié)構(gòu)的變形情況，以往使用的人工監(jiān)測(cè)技術(shù)很難達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。為了使地鐵既有線路正常運(yùn)行和在建項(xiàng)目順利施工，可利用智能型全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵隧道變形情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。文章從全站儀變形監(jiān)測(cè)的原理入手，具體包含三維坐標(biāo)監(jiān)測(cè)原理、圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)的目的與原理等內(nèi)容，并圍繞其設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)展開(kāi)探討，結(jié)合實(shí)際案例探討其應(yīng)用，保證地鐵既有工程的正常運(yùn)行和在建工程施工的順利實(shí)施。

智能型全站儀；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；地鐵隧道

目前，我國(guó)各大城市都在建設(shè)地鐵項(xiàng)目，地鐵隧道建設(shè)的工程量比較大，施工程度復(fù)雜，會(huì)給臨近的地鐵隧道運(yùn)行帶來(lái)一定的影響。所以，要始終監(jiān)測(cè)地鐵運(yùn)營(yíng)期間隧道內(nèi)洞結(jié)構(gòu)的變形情況[1]。使用智能型全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)有利于提升施工現(xiàn)場(chǎng)信息采集和信息處理技術(shù)的精準(zhǔn)性，真正做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地鐵隧道結(jié)構(gòu)，推動(dòng)地鐵建設(shè)項(xiàng)目朝著良性的方向發(fā)展[2-3]。

1 全站儀變形監(jiān)測(cè)原理

全站儀系統(tǒng)為光電測(cè)距和電子測(cè)角的三維坐標(biāo)測(cè)量體系，詮釋了全站儀監(jiān)測(cè)隧道圍巖收斂變形和三維坐標(biāo)的原理。

1.1 三維坐標(biāo)監(jiān)測(cè)原理

在精準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的邊角關(guān)系后，依據(jù)其邊角關(guān)系準(zhǔn)確推算監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程和平面坐標(biāo)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)和高程測(cè)量原理的具體情況詳見(jiàn)下圖1。其中，已知信息為參考點(diǎn)A、B、C的高程和坐標(biāo)，智能型全站儀的置鏡點(diǎn)為P，監(jiān)測(cè)點(diǎn)為i，使用后方交會(huì)測(cè)量原理計(jì)算出P點(diǎn)的高程和坐標(biāo)（XP，YP，HP），進(jìn)而推算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)i的坐標(biāo)和高程（Xi，Yi，Hi）。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)和高程測(cè)量原理示意圖

1.2 圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)的目的與原理

收斂觀測(cè)的主要目的為滿足隧道施工中支護(hù)系統(tǒng)與圍巖的穩(wěn)定性，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的收斂觀測(cè)值為后續(xù)的二次襯砌和初期支護(hù)奠定堅(jiān)實(shí)的參數(shù)基礎(chǔ)。全站儀和收斂計(jì)這兩種監(jiān)測(cè)手段在我國(guó)施工領(lǐng)域中的使用范圍非常廣。

收斂監(jiān)測(cè)遵循的主要原理為：在隧道管片兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的棱鏡上設(shè)置點(diǎn)A和點(diǎn)B，全站儀的測(cè)站設(shè)置為S，棱鏡間距為d，全站儀對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A和點(diǎn)B的測(cè)量距離和角度觀測(cè)值設(shè)置為a和b。圖2為隧道雙側(cè)壁收斂變形測(cè)量原理示意圖，依據(jù)三角余弦函數(shù)可以獲得以下公式，即：

隧道雙側(cè)壁的收斂變形情況可以根據(jù)不同期次測(cè)量的d值變化情況真實(shí)反映出來(lái)，如果將初始值設(shè)置為第一周期的弦長(zhǎng)d1，將第n期與第一周期收斂變形量的相對(duì)值設(shè)置為，即：

1.3 變形監(jiān)測(cè)的目的與特征

1.3.1變形監(jiān)測(cè)的目的

在監(jiān)測(cè)地表變形和工程建筑物的運(yùn)營(yíng)情況時(shí)，可以依據(jù)變形過(guò)程中體現(xiàn)出的被研究對(duì)象的變形情況來(lái)展現(xiàn)其相關(guān)信息。在檢驗(yàn)設(shè)計(jì)理論的正確性時(shí)，也可以依據(jù)變形監(jiān)測(cè)的相關(guān)信息開(kāi)展各項(xiàng)工作，并根據(jù)巖體地下工程監(jiān)測(cè)信息完成相關(guān)的設(shè)計(jì)和修改工作，真正做到了信息化施工，加快了變形監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備改良速度，提升了變形監(jiān)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)理論的準(zhǔn)確性。

1.3.2變形監(jiān)測(cè)的特征

變形監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

（1）監(jiān)測(cè)精度高。建筑物的安全性與變形監(jiān)測(cè)有著直接的關(guān)系，在分析變形原因和變形規(guī)律的時(shí)候，要以變形監(jiān)測(cè)的結(jié)果為依據(jù)，與其他測(cè)量工作相比，變形監(jiān)測(cè)的精度非常高。變形監(jiān)測(cè)相對(duì)精度設(shè)置為1×10-4mm或者是保持在1mm左右，受變形監(jiān)測(cè)目的各不相同的影響，變形監(jiān)測(cè)的方法和變形監(jiān)測(cè)的精度也存在著一定的差異，優(yōu)化升級(jí)變形監(jiān)測(cè)的方法，科學(xué)選擇監(jiān)測(cè)設(shè)備，確保變形監(jiān)測(cè)工作發(fā)揮積極的促進(jìn)作用。

（2）重復(fù)監(jiān)測(cè)。建筑物不同，其受外界的影響各不相同，其變形時(shí)間也存在很大的差異。在計(jì)算變形值的時(shí)候，最基礎(chǔ)的辦法是計(jì)算建筑物同一點(diǎn)在不同時(shí)間段內(nèi)的高程差和變形差，因此需要重復(fù)監(jiān)測(cè)建筑的變形情況，變形監(jiān)測(cè)持續(xù)的時(shí)間比較長(zhǎng)，變形監(jiān)測(cè)的目的制約著重復(fù)監(jiān)測(cè)的周期。

（3）數(shù)據(jù)處理方法要嚴(yán)密。通常情況下，建筑物的變形不大，有時(shí)候建筑物的變形值與監(jiān)測(cè)精度值基本相同。重復(fù)監(jiān)測(cè)會(huì)產(chǎn)生大量的原始數(shù)據(jù)，因此要使用嚴(yán)密的數(shù)據(jù)處理方法，認(rèn)真分析不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)信息，確定最終的變形值。

1.3.3變形監(jiān)測(cè)的內(nèi)容

變形監(jiān)測(cè)工作主要是針對(duì)撓度、裂縫、傾斜、應(yīng)變、位移以及沉降等內(nèi)容開(kāi)展的監(jiān)測(cè)工作，通過(guò)仔細(xì)分析每次監(jiān)測(cè)的結(jié)果，掌握變形隨著時(shí)間推移而表現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律。變形監(jiān)測(cè)周期隨著單位時(shí)間之內(nèi)變形量大小而得以最終確定，如果變形量比較大，則測(cè)量周期會(huì)比較短；如果變形量比較小，建筑物越來(lái)越穩(wěn)定，測(cè)量周期可以適當(dāng)延長(zhǎng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了全面監(jiān)測(cè)隧道變形位置，高效利用了監(jiān)測(cè)機(jī)器人的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、瞄準(zhǔn)和搜索功能，同時(shí)研發(fā)了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理分析、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)傳輸、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制以及人機(jī)交互等功能發(fā)揮積極的作用。監(jiān)測(cè)機(jī)器人的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線通訊系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等三個(gè)部分。

（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。二次開(kāi)發(fā)了監(jiān)測(cè)機(jī)器人的各項(xiàng)功能，使自動(dòng)監(jiān)測(cè)、瞄準(zhǔn)和搜索等功能發(fā)揮積極的作用，以控制范圍的指令為依據(jù)采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，使用機(jī)載軟件、在線控制軟件ADMS12和GeoMoS對(duì)監(jiān)測(cè)機(jī)器人實(shí)施高效的控制。

（2）無(wú)線通訊系統(tǒng)。無(wú)線連接是監(jiān)測(cè)機(jī)器人的主要連接方式，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以及時(shí)收到控制系統(tǒng)的指令，簡(jiǎn)單處理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搜集的信息以后立即傳輸給控制中心。

（3）控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通常安裝在辦公室中，在發(fā)動(dòng)指令和接受數(shù)據(jù)的時(shí)候，主要是借助有固定IP的萬(wàn)物網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn)的，人機(jī)交互功能使數(shù)據(jù)分析變得更加準(zhǔn)確。

2.2 采集數(shù)據(jù)

在開(kāi)展自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作以前，全站儀要先學(xué)習(xí)監(jiān)測(cè)。學(xué)習(xí)監(jiān)測(cè)主要是指采取人工操作的方式調(diào)試機(jī)器人，人工校對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，機(jī)器人自動(dòng)完成相對(duì)于定向點(diǎn)的水平角，將其當(dāng)做初始值。隧道自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能是能夠完成自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作，控制中心依托網(wǎng)絡(luò)信號(hào)實(shí)現(xiàn)指令的發(fā)送，監(jiān)測(cè)機(jī)器人完成自動(dòng)搜索、瞄準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)的主要依據(jù)為學(xué)習(xí)記錄的監(jiān)測(cè)點(diǎn)初始位置[4]。使用系統(tǒng)軟件設(shè)置自動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集，采集到的所有信息經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸?shù)男问饺堪l(fā)送到控制中心。

2.3 傳輸數(shù)據(jù)

ARM9高性能工業(yè)級(jí)嵌人式處理器是GPRSDTU的核心，軟件支撐平臺(tái)為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其內(nèi)存空間比較大，內(nèi)部嵌入了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TCP/IP協(xié)議，為用戶提供了虛擬的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了多種協(xié)議的及時(shí)轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)終端永久性在線服務(wù)。在投入使用以前要先設(shè)置相關(guān)信息，使用軟件對(duì)數(shù)據(jù)中心的參數(shù)、端口和IP進(jìn)行科學(xué)的設(shè)置，將串口對(duì)接到采集器串口上，端口與設(shè)置好的中心IP連接在一起，使雙向透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)靡钥焖俚膶?shí)現(xiàn)。

3 在智慧城市中使用智能型全站儀

本文以某地鐵五號(hào)線為例進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹了智能型全站儀在智慧城市建設(shè)中發(fā)揮的積極作用。在該地鐵五號(hào)線建設(shè)的一期和二期工程中，因?yàn)橛腥?hào)線經(jīng)過(guò)，因此在五號(hào)線施工的時(shí)候需采取措施確保三號(hào)線能夠正常運(yùn)行。在五號(hào)線施工時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三號(hào)線的地鐵隧道變形情況，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括三號(hào)線隧道管片結(jié)構(gòu)的沉降情況、道床沉降情況以及水位監(jiān)測(cè)情況等。受監(jiān)測(cè)區(qū)域過(guò)大的影響，易于出現(xiàn)的變形區(qū)域比較多、數(shù)據(jù)量比較大以及監(jiān)測(cè)頻率比較高，同時(shí)也面臨著三號(hào)線運(yùn)行的過(guò)程中監(jiān)測(cè)人員進(jìn)場(chǎng)困難的情況。因此，要想使三號(hào)線和五號(hào)線地鐵的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)工作順利開(kāi)展，需要使用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備。

3.1 布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)

在三號(hào)線上的變形影響區(qū)域以外的一定范圍內(nèi)設(shè)置三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，使監(jiān)測(cè)結(jié)論變得更加準(zhǔn)確。安排專(zhuān)人定期觀測(cè)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性，控制好置鏡點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的間距，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離要小于基準(zhǔn)點(diǎn)與置鏡點(diǎn)的間距，使監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲得的監(jiān)測(cè)信息準(zhǔn)確、無(wú)誤。

3.2 布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

對(duì)于地鐵隧道變形影響區(qū)域來(lái)說(shuō)，隧道中監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)距離設(shè)置為5m，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上設(shè)施的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量為五個(gè)，其中用于監(jiān)測(cè)拱頂沉降的監(jiān)測(cè)點(diǎn)一個(gè)，用于監(jiān)測(cè)道床沉降的監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩個(gè)，用于監(jiān)測(cè)水平位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩個(gè)。在監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，智能型全站儀的三角形高程測(cè)量精度不高，要想使監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度滿足設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，就要在隧道中增設(shè)靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而使監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度得到顯著的提高[5]。

4 分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

地鐵隧道變形的垂直位移和水平位移要控制在1cm以內(nèi)，如果位置超出0.3cm系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警提示，隧道變形的沉降速率要保持在0.2cm/d以內(nèi)，道床的最大沉降值設(shè)置為0.4cm，其警戒值設(shè)置為0.3cm。如果在監(jiān)測(cè)的時(shí)候出現(xiàn)超出警戒值的情況，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。在實(shí)地監(jiān)測(cè)時(shí)，道床沉降值和沉降速率都超過(guò)了警戒值，操作人員將其與靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)值進(jìn)行了比較，最終的結(jié)論顯示智能型全站儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得出的數(shù)值準(zhǔn)確、可靠。

針對(duì)此段的變形情況，組織召開(kāi)了專(zhuān)家評(píng)審會(huì)和問(wèn)題原因分析會(huì)，出臺(tái)了沉降治理措施，采取注漿加固的策略處理了沉降比較嚴(yán)重的部位，有效利用了單液漿雙液漿結(jié)合與拱部徑向注漿等方法，使沉降區(qū)域單個(gè)沉降點(diǎn)在最短的時(shí)間之內(nèi)隆起，且后期監(jiān)測(cè)狀態(tài)平穩(wěn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

智能型全站儀有效監(jiān)測(cè)了地鐵隧道的變形情況，并將所獲得的數(shù)據(jù)信息傳送到控制中心，在特殊情況下可以發(fā)送預(yù)警信息，顯著提升了地鐵隧道工程的施工安全性和穩(wěn)定性，使智慧城市安全發(fā)展得以真正實(shí)現(xiàn)。智能型全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地鐵隧道變形情況，詳細(xì)分析監(jiān)測(cè)信息以后制定出有效的解決辦法，控制了沉降趨勢(shì)的延伸，使在線線路施工建設(shè)工作和既有線路正常營(yíng)運(yùn)能夠有序開(kāi)展。受監(jiān)測(cè)環(huán)境比較復(fù)雜的影響，監(jiān)測(cè)時(shí)如果監(jiān)測(cè)點(diǎn)被遮擋或者是監(jiān)測(cè)點(diǎn)被損壞，要安排專(zhuān)人到現(xiàn)場(chǎng)檢修，同時(shí)做好監(jiān)測(cè)機(jī)器人定期保養(yǎng)工作，使其獲取的監(jiān)測(cè)信息更加的真實(shí)、可靠，保證最終的監(jiān)測(cè)結(jié)論準(zhǔn)確、無(wú)誤。

[1]邵文.某地鐵保護(hù)區(qū)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析[J].現(xiàn)代測(cè)繪，2017（01）：55-58.

[2]顏亮.關(guān)于拓普康MS05智能型全站儀用于變形監(jiān)測(cè)工程實(shí)測(cè)精度探討[J].中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2015（09）：267.

[3]楊鋒，楊友濤，楊雪峰，等.智能型全站儀軌道基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集程序開(kāi)發(fā)[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2012，29（04）：47-50+65.

[4]蔡干序，李鈺城.地鐵保護(hù)區(qū)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)精度分析[J].現(xiàn)代測(cè)繪，2017（06）：35-38.

[5]黃鴻偉.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[J].測(cè)繪通報(bào)，2016（08）：149-151.

張奇麟（1992.11- ），男，漢，籍貫：江蘇南通人，職稱(chēng)：助理工程師，學(xué)歷：本科，單位：上海山騁勘察設(shè)計(jì)有限公司，研究方向：從事測(cè)繪工程方面的工作。

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