顧煒澄

（1.北京城建勘測設(shè)計(jì)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(yùn)營隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)的變形監(jiān)測是一項(xiàng)必要的工作，傳統(tǒng)測量不能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)快速反映出隧道變形狀況，單臺機(jī)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(jī)器人進(jìn)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(yùn)營地鐵隧道的結(jié)構(gòu)變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以人工復(fù)核結(jié)果對自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評估，為同類型項(xiàng)目提供參考依據(jù)[1-12]。

1 測量機(jī)器人監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)及作業(yè)流程

1.1 測量機(jī)器人監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)

為了能夠?qū)τ绊憛^(qū)間隧道進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測，2臺串聯(lián)TM50測量機(jī)器人在布設(shè)時(shí)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(jī)器人在布設(shè)時(shí)應(yīng)考慮測站與基準(zhǔn)點(diǎn)間的位置關(guān)系?；鶞?zhǔn)點(diǎn)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(diǎn)小棱鏡布設(shè)在盾構(gòu)管壁兩腰及道床兩側(cè)，每個(gè)斷面共布設(shè)4個(gè)棱鏡，與測量機(jī)器人在同側(cè)管壁的棱鏡布設(shè)時(shí)，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(cuò)開棱鏡，避免小視場角情況的發(fā)生。同時(shí)，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(diǎn)位示意圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)位示意圖

1.2 自動化監(jiān)測作業(yè)流程

本項(xiàng)目自動化監(jiān)測系統(tǒng)包括2臺TM50測量機(jī)器人，棱鏡組（包括基準(zhǔn)點(diǎn)棱鏡8個(gè)、監(jiān)測點(diǎn)棱鏡200個(gè)、雙面棱鏡2個(gè)等）、CPRS通信模塊、計(jì)算機(jī)及徠卡GeoMoS軟件、供電設(shè)備等。目前，徠卡TM50型測量機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)ATR自動照準(zhǔn)精度達(dá)0.5 s，手自動均達(dá)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測提供處理手段?？紤]到開挖項(xiàng)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(dú)立坐標(biāo)系，整個(gè)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(jī)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(jìn)行坐標(biāo)傳遞，2臺串聯(lián)機(jī)器人自動化監(jiān)測時(shí)可以單臺機(jī)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(xiàng)目自動化監(jiān)測系統(tǒng)工作時(shí)，測量機(jī)器人1號首先對基準(zhǔn)點(diǎn)其中1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行定向測量，作為已知點(diǎn)，再測量其余基準(zhǔn)點(diǎn)（3個(gè)）、監(jiān)測點(diǎn)棱鏡1組（100個(gè)）、雙面棱鏡（2個(gè)）進(jìn)行測量，得到目標(biāo)三維坐標(biāo)信息，測量機(jī)器人2號對基準(zhǔn)點(diǎn)棱鏡2組（4個(gè)）、監(jiān)測點(diǎn)棱鏡2組（100個(gè)）、雙面棱鏡（2個(gè)）進(jìn)行測量，1號和2號測量機(jī)器人通過共同測到雙面棱鏡三維坐標(biāo)信息進(jìn)行坐標(biāo)傳遞，得到監(jiān)測點(diǎn)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(jìn)行平差處理得到測站及監(jiān)測點(diǎn)位最新坐標(biāo)信息，從而達(dá)到對隧道實(shí)時(shí)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(jī)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(jì)算各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)沉降量。各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的本次橫向位移量為：

各監(jiān)測點(diǎn)的最近縱向位移量為：

式（2）、（3）中，ΔXa為a點(diǎn)最近兩次監(jiān)測期的橫向位移量；ΔYa為a點(diǎn)最近兩次監(jiān)測期的縱向位移量；Xai為a點(diǎn)第i次監(jiān)測得到的X坐標(biāo)；Xai-1為a點(diǎn)第i次前一次監(jiān)測得到的X坐標(biāo)；Yai-1為a點(diǎn)第i次前一次監(jiān)測得到的Y坐標(biāo)；Yai0為a點(diǎn)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(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)反算測點(diǎn)間水平、豎向距離Si，并與上次的值Si-1進(jìn)行比較，其差值就是本期水平向、豎向收斂量，計(jì)算公式為：

式（4）、（5）中，xa、ya、ha為監(jiān)測點(diǎn)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(gè)監(jiān)測斷面，共計(jì)對50個(gè)斷面進(jìn)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(jìn)行對比分析，驗(yàn)證測量機(jī)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(jī)器人對運(yùn)營隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，基于人工二等水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)驗(yàn)證串聯(lián)測量機(jī)器人在沉降方向上的精度，將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對比分析結(jié)果如圖2，串聯(lián)測量機(jī)器人自動化測量沉降累計(jì)變化量與人工測量沉降累計(jì)變化量偏差如圖3所示。

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

圖3 人工復(fù)核與串聯(lián)機(jī)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(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)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(gè)監(jiān)測斷面沉降平均互差為-0.9 mm，通過人工復(fù)核進(jìn)一步驗(yàn)證了串聯(lián)測量機(jī)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(yàn)證串聯(lián)測量機(jī)器人在管片收斂方向上的精度，將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對比分析結(jié)果如圖4所示，自動化測量管片收斂累計(jì)變化量與人工測量管片收斂累計(jì)變化量偏差如圖5所示。

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

圖5 人工復(fù)核與串聯(lián)機(jī)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(yùn)營地鐵隧道管片產(chǎn)生了變形影響，串聯(lián)測量機(jī)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(jī)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(jī)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(gè)監(jiān)測斷面沉降平均互差為0.5 mm，通過人工復(fù)核進(jìn)一步驗(yàn)證了串聯(lián)測量機(jī)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(yàn)證串聯(lián)測量機(jī)器人在隧道水平位移方向上的精度，將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對比分析結(jié)果如圖6所示，自動化測量水平位移累計(jì)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(jī)器人監(jiān)測水平位移累計(jì)對比分析

圖7 人工復(fù)核與串聯(lián)機(jī)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(yùn)營地鐵隧道水平位移產(chǎn)生了變形影響，串聯(lián)測量機(jī)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(jì)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。總體而言，串聯(lián)測量機(jī)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(jī)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(gè)監(jiān)測斷面沉降平均互差為0.3 mm，通過人工復(fù)核進(jìn)一步驗(yàn)證了串聯(lián)測量機(jī)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(jī)器人對基坑在開挖過程中對毗鄰運(yùn)營地鐵隧道沉降、管片收斂、水平位移進(jìn)行自動化監(jiān)測，通過人工復(fù)核數(shù)據(jù)驗(yàn)證了串聯(lián)測量機(jī)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(jī)器人建立的自動化監(jiān)測系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工測量在實(shí)時(shí)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(yùn)營提供了數(shù)據(jù)支撐。