顧煒澄

（1.北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，北京 100101）

近年來地鐵隧道變形監(jiān)測一直備受關(guān)注，對地鐵運營隧道進行實時的變形監(jiān)測是一項必要的工作，傳統(tǒng)測量不能準確實時快速反映出隧道變形狀況，單臺機器人自動化監(jiān)測受監(jiān)測范圍影響。本文基于2臺TM50測量機器人進行串聯(lián)，建立自動化監(jiān)測系統(tǒng)，對大基坑開挖影響毗鄰運營地鐵隧道的結(jié)構(gòu)變形情況進行實時監(jiān)測，以人工復(fù)核結(jié)果對自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)進行精度評估，為同類型項目提供參考依據(jù)[1-12]。

1 測量機器人監(jiān)測點位布設(shè)及作業(yè)流程

1.1 測量機器人監(jiān)測點位布設(shè)

為了能夠?qū)τ绊憛^(qū)間隧道進行高精度實時監(jiān)測，2臺串聯(lián)TM50測量機器人在布設(shè)時應(yīng)盡可能假設(shè)在影響隧道區(qū)域中心的位置，為了保證監(jiān)測精度，測量機器人在布設(shè)時應(yīng)考慮測站與基準點間的位置關(guān)系。基準點一定要布設(shè)在不易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形的位置。監(jiān)測點小棱鏡布設(shè)在盾構(gòu)管壁兩腰及道床兩側(cè)，每個斷面共布設(shè)4個棱鏡，與測量機器人在同側(cè)管壁的棱鏡布設(shè)時，棱鏡和儀器總體應(yīng)呈“V”型或“∧”型分布，并根據(jù)隧道現(xiàn)場位置情況錯開棱鏡，避免小視場角情況的發(fā)生。同時，測量儀器與棱鏡必須滿足限界的要求，以保證行車安全。監(jiān)測點位示意圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測點位示意圖

1.2 自動化監(jiān)測作業(yè)流程

本項目自動化監(jiān)測系統(tǒng)包括2臺TM50測量機器人，棱鏡組（包括基準點棱鏡8個、監(jiān)測點棱鏡200個、雙面棱鏡2個等）、CPRS通信模塊、計算機及徠卡GeoMoS軟件、供電設(shè)備等。目前，徠卡TM50型測量機器人可以實現(xiàn)ATR自動照準精度達0.5 s，手自動均達到0.5 s的超高精度儀器，GeoMoS軟件是由徠卡測量系統(tǒng)研發(fā)的自動化監(jiān)測軟件平臺，可為實現(xiàn)實時監(jiān)測提供處理手段?？紤]到開挖項目對區(qū)間隧道的影響，只需監(jiān)測隧道相對變形狀況。因此，自動化監(jiān)測系統(tǒng)采用獨立坐標(biāo)系，整個控制網(wǎng)的網(wǎng)型須科學(xué)，結(jié)構(gòu)要合理。

2臺串聯(lián)測量機器人自動化監(jiān)測的原理是基于全站儀支導(dǎo)線的方式進行坐標(biāo)傳遞，2臺串聯(lián)機器人自動化監(jiān)測時可以單臺機器人測量范圍的劣勢，如無限制增加串聯(lián)臺數(shù)，根據(jù)誤差傳播定律測量精度會隨之降低，根據(jù)工程需要確定最佳串聯(lián)臺數(shù)即可。本項目自動化監(jiān)測系統(tǒng)工作時，測量機器人1號首先對基準點其中1個基準點進行定向測量，作為已知點，再測量其余基準點（3個）、監(jiān)測點棱鏡1組（100個）、雙面棱鏡（2個）進行測量，得到目標(biāo)三維坐標(biāo)信息，測量機器人2號對基準點棱鏡2組（4個）、監(jiān)測點棱鏡2組（100個）、雙面棱鏡（2個）進行測量，1號和2號測量機器人通過共同測到雙面棱鏡三維坐標(biāo)信息進行坐標(biāo)傳遞，得到監(jiān)測點棱鏡2組三維坐標(biāo)信息。測量數(shù)據(jù)通過CPRS信模塊傳回至數(shù)據(jù)庫，GmoMoS自動平差助手對數(shù)據(jù)進行平差處理得到測站及監(jiān)測點位最新坐標(biāo)信息，從而達到對隧道實時監(jiān)測的目的。

2 自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

沉降數(shù)據(jù)處理。通過測量機器人自動化監(jiān)測，得到各管片上監(jiān)測棱鏡的高程值，再利用高程值計算各個監(jiān)測點點沉降量。各個監(jiān)測點的沉降量為：

式中，ΔHi為沉降值；Hi為第i次測量的高程；Hi-1為第i-1次的高程。

2）水平位移數(shù)據(jù)處理。通過自動化或人工監(jiān)測得到各監(jiān)測點的平面坐標(biāo)，根據(jù)平面坐標(biāo)變化得到隧道橫向、縱向位移。各監(jiān)測點的本次橫向位移量為：

各監(jiān)測點的最近縱向位移量為：

式（2）、（3）中，ΔXa為a點最近兩次監(jiān)測期的橫向位移量；ΔYa為a點最近兩次監(jiān)測期的縱向位移量；Xai為a點第i次監(jiān)測得到的X坐標(biāo)；Xai-1為a點第i次前一次監(jiān)測得到的X坐標(biāo)；Yai-1為a點第i次前一次監(jiān)測得到的Y坐標(biāo)；Yai0為a點第1次監(jiān)測得到的Y坐標(biāo)。

3）管片收斂數(shù)據(jù)處理通過監(jiān)測各監(jiān)測點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)反算測點間水平、豎向距離Si，并與上次的值Si-1進行比較，其差值就是本期水平向、豎向收斂量，計算公式為：

式（4）、（5）中，xa、ya、ha為監(jiān)測點a的三維坐標(biāo)信息；D為本次隧道收斂量；Si-1為上次測量隧道內(nèi)徑值；Si為本次測量隧道內(nèi)徑值。

3 精度評估

本次基坑開挖影響地鐵隧道范圍約300 m，每6 m布設(shè)一個監(jiān)測斷面，共計對50個斷面進行監(jiān)測，本文將自動化監(jiān)測結(jié)果與人工復(fù)核結(jié)果進行對比分析，驗證測量機器人自動化監(jiān)測的精度。

3.1 沉降對比分析

以某臨近建筑基坑施工周期內(nèi)，采用串聯(lián)TM50測量機器人對運營隧道進行實時監(jiān)測，基于人工二等水準測量數(shù)據(jù)驗證串聯(lián)測量機器人在沉降方向上的精度，將數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計對比分析結(jié)果如圖2，串聯(lián)測量機器人自動化測量沉降累計變化量與人工測量沉降累計變化量偏差如圖3所示。

圖2 人工復(fù)核與串聯(lián)機器人監(jiān)測沉降累計對比分析

圖3 人工復(fù)核與串聯(lián)機器人監(jiān)測沉降互差分析

由圖2可知，基坑在開挖過程中對毗鄰運營地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著沉降變化，串聯(lián)測量機器人監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)測斷面編號43處產(chǎn)生最大沉降量為-24.0 mm，人工監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)測斷面編號43沉降量為-25.2 mm，監(jiān)測斷面編號43自動化監(jiān)測與人工復(fù)核的偏差為-1.2 mm，總體而言，串聯(lián)測量機器人自動化監(jiān)測與人工復(fù)核監(jiān)測具有較好的一致性。由圖3可知，人工復(fù)核與串聯(lián)機器人監(jiān)測沉降互差在4 mm以內(nèi)，在監(jiān)測斷面26處最大互差為-3.4 mm，50個監(jiān)測斷面沉降平均互差為-0.9 mm，通過人工復(fù)核進一步驗證了串聯(lián)測量機器人對隧道沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的正確性與穩(wěn)定性。

3.2 收斂對比分析

基于人工測距儀測量隧道管片變形量驗證串聯(lián)測量機器人在管片收斂方向上的精度，將數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計對比分析結(jié)果如圖4所示，自動化測量管片收斂累計變化量與人工測量管片收斂累計變化量偏差如圖5所示。

圖4 人工復(fù)核與串聯(lián)機器人監(jiān)測收斂累計對比分析

圖5 人工復(fù)核與串聯(lián)機器人監(jiān)測收斂互差分析

由圖4可知，基坑在開挖過程中對毗鄰運營地鐵隧道管片產(chǎn)生了變形影響，串聯(lián)測量機器人監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)測斷面編號48處產(chǎn)生最大變形量為6.5 mm；人工測距儀監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)測斷面編號48管片收斂為7.6 mm；監(jiān)測斷面編號43自動化監(jiān)測與人工復(fù)核的偏差為1.1 mm。總體而言，串聯(lián)測量機器人自動化監(jiān)測管片收斂與人工測距儀復(fù)核監(jiān)測具有較好的一致性。由圖5可知，人工復(fù)核與串聯(lián)機器人監(jiān)測管片收斂互差在4 mm以內(nèi)，在監(jiān)測斷面40處最大互差為3.8 mm，50個監(jiān)測斷面沉降平均互差為0.5 mm，通過人工復(fù)核進一步驗證了串聯(lián)測量機器人對隧道管片收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)的正確性與穩(wěn)定性。

3.3 水平位移對比分析

基于人工全站儀測量隧道水平位移變形量驗證串聯(lián)測量機器人在隧道水平位移方向上的精度，將數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計對比分析結(jié)果如圖6所示，自動化測量水平位移累計變化量與人工測量水平位移變化量偏差如圖7所示。

圖6 人工復(fù)核與串聯(lián)機器人監(jiān)測水平位移累計對比分析

圖7 人工復(fù)核與串聯(lián)機器人水平位移沉降互差分析

由圖6可知，基坑在開挖過程中對毗鄰運營地鐵隧道水平位移產(chǎn)生了變形影響，串聯(lián)測量機器人監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)測斷面編號18處產(chǎn)生最大變形量為4.0 mm；人工全站儀監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)測斷面編號18累計水平位移變化量為4.6 mm；監(jiān)測斷面編號18自動化監(jiān)測與人工復(fù)核的偏差為0.6 mm?？傮w而言，串聯(lián)測量機器人自動化監(jiān)測隧道水平位移與人工全站儀復(fù)核監(jiān)測具有較好的一致性。由圖7可知，人工復(fù)核與串聯(lián)機器人監(jiān)測隧道水平位移互差在1.5 mm以內(nèi)，在監(jiān)測斷面46處最大互差為1.5 mm，50個監(jiān)測斷面沉降平均互差為0.3 mm，通過人工復(fù)核進一步驗證了串聯(lián)測量機器人對隧道水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的正確性與穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

基于串聯(lián)TM50測量機器人對基坑在開挖過程中對毗鄰運營地鐵隧道沉降、管片收斂、水平位移進行自動化監(jiān)測，通過人工復(fù)核數(shù)據(jù)驗證了串聯(lián)測量機器人在隧道自動化監(jiān)測中的正確性與穩(wěn)定性，基于測量機器人建立的自動化監(jiān)測系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)人工測量在實時性上的不足，串聯(lián)自動化監(jiān)測系統(tǒng)為臨近地鐵隧道基坑開挖安全施工提供了可靠保障，為地鐵安全運營提供了數(shù)據(jù)支撐。