魏志才

廣州地鐵設計研究院股份有限公司 廣東 廣州 510010

鄰近地鐵的基坑工程，施工過程中可能對地鐵結構的產(chǎn)生影響，造成地鐵隧道結構的變形。因此，對受施工影響的隧道結構進行監(jiān)測，了解其變形情況，分析變形原因并采取有效措施，對于預防工程事故、保證地鐵隧道結構安全是非常重要的，由于地鐵運營線路的日常運營限制了人工進入隧道監(jiān)測，所以在運營隧道采用測量機器人自動化監(jiān)測成為一種常規(guī)的地鐵保護監(jiān)測手段。

1 測量機器人自動化監(jiān)測監(jiān)測原理

測量機器人的技術組成包含坐標系統(tǒng)、操縱器、換能器、計算機和控制器、閉路控制傳感器、決定制作、目標捕獲和集成傳感器等8部分，測量機器人自動化監(jiān)測是一種集自動目標識別、自動照準、自動測角與測距、自動目標跟蹤、自動記錄于一體的測量平臺，能夠通過邊角測量實現(xiàn)對監(jiān)測點三維方向的精準測量[1]。測量機器人結合監(jiān)測軟硬件、無線通訊技術、測量算法等，完全能夠實現(xiàn)無人值守的自動化城市軌道交通結構位移監(jiān)測。

2 測量機器人監(jiān)測系統(tǒng)的組成

測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)可分為四個部分：基準部分、監(jiān)測部分、測站部分及控制中心。

⑴基準部分

基準部分用于檢核測站的穩(wěn)定性，并對測站的位置變化做出修正。根據(jù)現(xiàn)場情況，在受影響范圍外一端或兩端設置4個工作基點。

⑵監(jiān)測部分

監(jiān)測部分主要由一系列具有一定結構的監(jiān)測點組成，它用于直接反映隧道道床及圍巖的幾何變形，監(jiān)測點應布設在道床軌道兩側，側墻9點與3點鐘方向，頂部12點方向。

圖1 基準及監(jiān)測點布設示意圖

⑶測站部分

測站部分是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端，它主要由全自動全站儀及其它附件組成。

①測站的設計

應在隧道內(nèi)通視較好處布設測站。監(jiān)測設備安裝在隧道側墻或者結構底板位置，測站部分擬安裝儀器支護加工件，儀器支護用于擺放儀器和通訊設備，同時配備防護設施，保證儀器的安全。

② 測站的安裝

測站的安裝方法為：在隧道側腰按一定尺寸和分布鉆孔，打入不銹鋼膨脹螺絲，然后進行加工件的安裝。儀器支護單獨加工，保證足夠的荷載，保證儀器、設備和作業(yè)人員的安全。數(shù)據(jù)通訊設備同樣安裝在儀器支護設備上，測站部分還需要視具體情況鋪設供電、傳輸線路等。

③測站的調(diào)試

圖2 系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試主界面

測站安裝好后，須對自動監(jiān)測系統(tǒng)進行初次學習與調(diào)試，這是外業(yè)建立自動監(jiān)測系統(tǒng)最重要的步驟，也是日后進行自動監(jiān)測的依據(jù)。

調(diào)試時需要新建項目、連接儀器、以及新建基準點及監(jiān)測點、斷面管理等，具體操作流程如下圖：

圖3 系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試流程圖

系統(tǒng)現(xiàn)場學習與調(diào)試是系統(tǒng)建立的一個重要也是很關鍵的步驟，它是實現(xiàn)隧道監(jiān)測系統(tǒng)與服務器進行通信及數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A。系統(tǒng)在啟動自動監(jiān)測后可實現(xiàn)學習結果的自動保存與更新。隧道自動監(jiān)測依賴于穩(wěn)定、快速的無線網(wǎng)絡。

3 觀測方法

目前自動測量模塊采用的測量方法是方向觀測法，學習測量完成之后，全站儀對每個點依次進行單點觀測，自動定位并照準目標進行測量，對一個斷面中多個點按方向觀測法進行多個測回的測量，斷面各測回測量完成后，判斷各項限差是否符合要求，存儲或補測[2]。

具體方向觀測法、單點觀測、多測回觀測、斷面測量流程如下：

① 方向觀測法

圖4 全圓觀測法

第一步：盤左零方向A；第二步：盤左其他方向B、D；第三步：盤左歸零方向A；第四步：盤右歸零方向A；第五步：盤右其他方向D、B；第六步：盤右起始方向A。

② 單點觀測

圖5 單點觀測

③ 多測回觀測

圖6 多測回觀測

④ 斷面觀測

圖7 斷面觀測

4 數(shù)據(jù)處理

隧道結構水平位移及沉降監(jiān)測采用自由設站及極坐標測量原理進行觀測，以測量各點的三維坐標。

1）自由設站

自由設站法是在待定控制點上設站，向多個已知控制點觀測方向和距離，并按間接平差方法計算待定點坐標的一種控制測量方法。間接平差以待定點的坐標平差值作為未知參數(shù)，根據(jù)方向觀測值和邊長觀測值建立方向誤差方程式和邊長誤差方程式，然后按最小二乘原理計算待定點坐標平差值[3]。

2）極坐標觀測

如圖9所示，以全站儀的設站點O為原點，測站的鉛垂線為Z軸，以定向方向為X軸，建立坐標系0-XYZ，則全站儀測量P點的觀測值為水平角α、豎直角β，斜距S，則P點的獨立坐標系下的坐標為

圖9 極坐標法示意圖

當坐標系X軸沿隧道縱向、Z軸沿鉛錘方向選定時，Y軸方向的變化量即為隧道徑向方向的變形量。Z軸方向的變化量即為隧道拱頂沉降或隧道底板沉降。

5 自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)成果準確性分析

⑴參考某臨近地鐵的基坑施工項目的隧道結構安全評估報告，根據(jù)三維數(shù)值模擬分析，基坑施工期間最大豎向變形量為-0.65mm，最大水平變形量為2.95mm。

⑵該項目自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，該區(qū)間基坑施工期間，豎向位移的最大變化值為-0.93mm，水平位移的最大變化值為2.47mm。

(3)根據(jù)該區(qū)間隧道結構人工常規(guī)監(jiān)測的數(shù)據(jù)顯示，在基坑施工期間，隧道結構豎向位移最大變化值為-0.89mm， 水平位移的最大變化值為2.81mm。

⑷通過測量機器人自動化監(jiān)測成果與安評建模數(shù)據(jù)成果、人工常規(guī)監(jiān)測成果對比，可以判斷在基坑施工區(qū)間，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)均比較吻合，監(jiān)測數(shù)值的偏差＜±0.5mm，因此判斷采用本文章中的自動化監(jiān)測方法是可行的，監(jiān)測數(shù)據(jù)是準確的。

表1 基坑開挖期間各項監(jiān)測數(shù)據(jù)對比表

6 結束語

目前的城市化建設與軌道交通的快速發(fā)展，必然存在建設期間的相互影響關系，城市的軌道交通作為客流量最大的一種交通方式，隧道結構的安全直接影響到地鐵的安全運營，所以在運營期間，實時監(jiān)控外部存在施工影響的隧道結構變形情況，是目前最有效一種安全措施。地鐵隧道測量機器人自動化監(jiān)測的應用，實現(xiàn)了無人值守的高頻次結構變形監(jiān)測，基本上解決了外部施工期間隧道結構的實時監(jiān)測問題，為隧道結構的健康情況進行實時的監(jiān)控，保障了地鐵隧道結構及地鐵列車運行的安全。