方齊樂

（深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東 深圳 518029）

1 引言

隨著城市化進程的加快，地下空間已成為人們生產(chǎn)和生活的重要活動場所。測量機器人是一種能夠進行目標(biāo)自動搜索、識別、跟蹤和精確照準(zhǔn)，并獲得角度、距離和三維坐標(biāo)等信息的自動化智能型電子全站儀[1]。測量機器人系統(tǒng)集自動目標(biāo)識別、自動照準(zhǔn)、自動測距、自動測角、自動跟蹤目標(biāo)、自動記錄于一體，可以實現(xiàn)測量的全自動化[2]。

地鐵隧道監(jiān)測具有高精度、高頻率和高時效性特點，但是地下空間環(huán)境復(fù)雜，存在安全隱患。以往主要有自動化靜力水準(zhǔn)、人工測量和測量機器人等監(jiān)測方法。靜力水準(zhǔn)沉降監(jiān)測可實現(xiàn)自動化，但僅能提供一維沉降信息，存在一定的局限性；人工測量存在人為照準(zhǔn)誤差，費時費力，而且無法全天候獲取多方位數(shù)據(jù)，出報表周期長。長期以來測量機器人以其高精度、自動編程、高智能照準(zhǔn)和識別目標(biāo)等優(yōu)點，在大型水庫、大壩、橋梁和山體滑坡自動化監(jiān)測中的應(yīng)用日益廣泛[3,4]。本文以深圳地鐵1 號線自動化變形監(jiān)測為例，在某臨近建筑深基坑施工周期內(nèi)，采用測量機器人對地鐵隧道的結(jié)構(gòu)整體變形情況進行監(jiān)測，為地鐵運行實時提供高準(zhǔn)確度的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對各變形監(jiān)測點的變形量與預(yù)警值進行比較和分析，研判地鐵形變的變化趨勢，為地鐵隧道施工提供了數(shù)據(jù)指導(dǎo)，為項目施工期間地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全和正常使用提供了保障。

2 工程概況

項目位于城市商務(wù)中心的核心地段，城市軌道交通1 號線西南側(cè)，該基坑屬超深基坑，長約380m，寬約180m，開挖深度20m ～27m。項目場地東北側(cè)為在運營的地鐵1 號線區(qū)間隧道，上行線隧道距離坑邊最小約37.5m，下行線隧道距離坑邊最小約50.7m，東北側(cè)部分基坑在軌道交通設(shè)施保護范圍內(nèi)。

受建設(shè)項目基坑開挖影響，地鐵隧道區(qū)間約260m范圍隧道發(fā)生沉降偏移。目前地鐵已限速行駛，考慮后續(xù)項目仍需施工，需對影響段隧道進行糾偏回調(diào)。為確保地鐵運營安全，工程綜合采用卸載、注漿加固和控制注漿的方法加固受影響區(qū)段地層，并回調(diào)隧道變形。在注漿糾偏試驗過程中需嚴密監(jiān)控隧道及隧道周邊土體的變化情況，為現(xiàn)場糾偏施工提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

3 技術(shù)路線

本項目采用自動化監(jiān)測為主、人工監(jiān)測為輔的監(jiān)測方法，采用Lecia TS50 測量機器人與Geomos 專業(yè)監(jiān)測軟件配套使用的方式，實現(xiàn)地鐵隧道的自動化監(jiān)測。同時基于Visual Basic 語言設(shè)計海量自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理程序并進行數(shù)據(jù)處理。監(jiān)測系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 自動變形監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測的基本思路為：接到業(yè)主委托任務(wù)→資料收集、分析→現(xiàn)場踏勘→組織專業(yè)技術(shù)人員擬定監(jiān)測方案、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)→組織專家對技術(shù)設(shè)計文件進行評審論證→進行現(xiàn)場監(jiān)測布點、儀器布設(shè)等工作→儀器調(diào)試→自動化監(jiān)測系統(tǒng)建立→監(jiān)測內(nèi)業(yè)處理→成果檢查、校核→成果表、技術(shù)報告→驗收→成果歸檔、交業(yè)主→后期服務(wù)。

4 監(jiān)測系統(tǒng)介紹

4.1 儀器設(shè)備及監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件部分主要有徠卡TS50 型自動全站儀、棱鏡連接器、目標(biāo)棱鏡、計算機、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、電源箱[5-7]。（1）徠卡TS50 型自動全站儀。利用測量機器人高智能自動識別系統(tǒng)對測量目標(biāo)點進行水平角、垂直角、距離數(shù)據(jù)的采集。（2）棱鏡連接器。將棱鏡固定在全站儀腳架上或固定監(jiān)測墩子點位，使之成為測站或鏡站。（3）目標(biāo)棱鏡。目標(biāo)棱鏡一般均勻安裝在變形監(jiān)測目標(biāo)點和基準(zhǔn)點上。（4）計算機。計算機監(jiān)測軟件通過控制測量機器人實現(xiàn)自動化監(jiān)測。（5）網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備。通過有線或無線方式建立一個專用的通訊鏈路，實現(xiàn)全站儀和監(jiān)控計算機之間的數(shù)據(jù)通信。（6）電源箱。為測量機器人等設(shè)備提供不間斷電源[8-10]。變形監(jiān)測設(shè)備組成如圖2 所示。

圖2 變形監(jiān)測設(shè)備組成

結(jié)合項目特點和規(guī)范要求，監(jiān)測網(wǎng)測量要求和控制指標(biāo)如表1 和表2 所示。

表1 監(jiān)測網(wǎng)測量參數(shù)要求

表2 地鐵盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)監(jiān)測項目控制指標(biāo)

軟件部分采用地鐵隧道結(jié)構(gòu)自動化監(jiān)測系統(tǒng)進行管理。系統(tǒng)集變形監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、處理、分析、預(yù)警預(yù)報和傳輸分發(fā)為一體，形成高度智能的自動化安全監(jiān)測管理系統(tǒng)。

4.2 自動化監(jiān)測點的布設(shè)

根據(jù)規(guī)范和項目安全評估方案要求，結(jié)合基坑與地鐵空間位置關(guān)系以及本工程應(yīng)急搶險的特殊性，與基坑對應(yīng)位置的隧道監(jiān)測點斷面間距按照5m 設(shè)置，每個監(jiān)測斷面布設(shè)5 個點位，如圖3 所示，分別是拱頂1 個、側(cè)壁2 個、道床2 個，隧道左線和右線共布置監(jiān)測點2395 個，用于監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)平面位移、豎向位移、相對收斂、隧道尺寸、道床橫向和豎向高差等內(nèi)容。

圖3 隧道斷面監(jiān)測點位分布

4.3 監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢

項目解決了人工監(jiān)測只能地鐵停運監(jiān)測的局限性，實現(xiàn)了實時無線傳輸監(jiān)測成果和預(yù)警、預(yù)報；同時基于Visual Basic 語言設(shè)計實現(xiàn)了海量自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理程序，可及時處理分析海量監(jiān)測數(shù)據(jù)，大大提高內(nèi)業(yè)工作效率，有效節(jié)約成本。海量自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 基于VB的海量自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

5 監(jiān)測效果及分析

5.1 監(jiān)測效果對比

自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)均由自主開發(fā)的程序進行處理，系統(tǒng)接收到各種監(jiān)測數(shù)據(jù)后，能及時進行解算，計算變形量，評估隧道結(jié)構(gòu)物的安全性。項目監(jiān)測周期從2019 年3 月持續(xù)到11 月。在隧道區(qū)間內(nèi)左右線共布設(shè)342 個監(jiān)測斷面，在監(jiān)測周期內(nèi)，項目結(jié)合自動化監(jiān)測和人工水準(zhǔn)監(jiān)測方法，對比分析同時段的兩種監(jiān)測成果，以評估自動化監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)自動化與人工監(jiān)測成果相差大于 （m人為當(dāng)期人工監(jiān)測中誤差，m自為當(dāng)期自動化監(jiān)測中誤差）時，通過控制系統(tǒng)調(diào)整設(shè)備參數(shù)，更換監(jiān)測頻率，分析查找兩種監(jiān)測成果差異較大原因，解決列車震動、施工、氣流等因素對監(jiān)測精度的影響。以人工（二等水準(zhǔn)和三等導(dǎo)線）和自動化垂直位移為例，對比分析同期左、右線兩種監(jiān)測方式下垂直位移階段變化量曲線，如圖5和圖6 所示。

圖5 地鐵左線自動化與人工階段沉降量曲線圖（mm）

圖6 地鐵右線自動化與人工階段沉降量曲線圖（mm）

5.2 精度對比分析

（1）距離的差分改正：因氣象元素的距離大氣折射率等因素，可利用基準(zhǔn)站和各監(jiān)測站的已知距離，解算距離氣象改正比例系數(shù)，進而實現(xiàn)實時差分改正。

（2）球氣差的改正 ：因球氣差對高差測量的影響，基于精密水準(zhǔn)測量可知監(jiān)測站和基準(zhǔn)點間的高差，利用變形監(jiān)測高效快捷的特點（球氣差改正系數(shù)），解出變形點與監(jiān)測點經(jīng)球氣差改正的三角高差和平距。

（3）方位角的差分改正：因大氣水平折光和水平度盤零方向的變化等，無法保證儀器在長期變形監(jiān)測過程中的絕對穩(wěn)定，故需考慮水平方位角差分改正。

（4）變形點三維坐標(biāo)和變形量的計算：基于距離和方位角兩項的差分改正，按極坐標(biāo)計算公式可準(zhǔn)確求得每周期各變形點的三維坐標(biāo)。

6 結(jié)語

本文結(jié)合項目實施情況，驗證了測量機器人自動化實時監(jiān)測的技術(shù)要點，達到預(yù)期效果。通過測量機器人在工程中的具體應(yīng)用，采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化的監(jiān)測技術(shù)簡便靈活，避免了人為測量誤差，降低了勞動成本，提高了工作效率。該方法為基坑開挖引起的地基變形提供了準(zhǔn)確及時的數(shù)據(jù)，積累了豐富的監(jiān)測經(jīng)驗，對于保障地鐵隧道安全運營具有重大意義。