自動化監(jiān)測技術(shù)在地鐵隧道中的應(yīng)用

付麗麗，葉亞林，陳昊，程險峰，張斌

(深圳市勘察研究院有限公司，廣東深圳 518026)

1 引言

深圳市“卓越梅林基坑支護(hù)工程項目”與正在運(yùn)營的深圳地鐵4號線上民區(qū)間毗鄰，場地西側(cè)為上民區(qū)間隧道，其他側(cè)為臨建及待建道路。根據(jù)深圳市政府和深圳地鐵公司的有關(guān)規(guī)定，位于地鐵周邊兩側(cè)50 m范圍的區(qū)域?yàn)榈罔F保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)內(nèi)實(shí)施基坑開挖支護(hù)不得破壞地鐵結(jié)構(gòu)及相關(guān)構(gòu)筑物，對地鐵的影響必須滿足相關(guān)規(guī)定。

因此，在基坑開挖支護(hù)過程中，保護(hù)好正在運(yùn)營的地鐵4號線是本基坑工程監(jiān)測工作的重點(diǎn)。為保證地鐵的安全運(yùn)行，必須在基坑開挖過程中對運(yùn)行中的隧道變形進(jìn)行不間斷監(jiān)測。

因在地鐵運(yùn)行期間絕對不允許測量人員進(jìn)入隧道，為此，須采用遠(yuǎn)程監(jiān)控管理、無人值守、連續(xù)、自動的動態(tài)監(jiān)測方法，以便隨時提供監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，及時掌握地鐵隧道的變化情況，確保地鐵的安全運(yùn)行。

圖1 深圳地鐵4號線平面圖

2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

自動化監(jiān)測系統(tǒng)的主要儀器設(shè)備如表1所示。

自動化監(jiān)測系統(tǒng)的主要儀器設(shè)備 表1

(1)徠卡TS30全站儀

地鐵自動化監(jiān)測使用儀器為徠卡TS30全站儀，該儀器標(biāo)稱精度為:測距精度±(0.6 mm+1 ppm×D)mm，測角精度0.5″。并可通過專用的SmartMonitor監(jiān)測軟件來控制監(jiān)測目標(biāo)及設(shè)定監(jiān)測時間。徠卡TS30自動化全站儀實(shí)現(xiàn)了整平、調(diào)焦、正倒鏡觀測、記錄觀測數(shù)據(jù)等的全自動化，并且具備自動目標(biāo)識別與照準(zhǔn)(ATR)功能，只需操作人員粗略的瞄準(zhǔn)棱鏡，TS30全站儀就可以自動搜尋到目標(biāo)棱鏡，并自動瞄準(zhǔn)，不再需要人工干預(yù)精確瞄準(zhǔn)和調(diào)焦，這在很大程度上提高了監(jiān)測的工作效率。

圖2 徠卡TS30全站儀

(2)反射棱鏡

在地鐵隧道內(nèi)，利用膨脹螺絲將棱鏡固定在隧道的道床、拱腰及拱頂，使棱鏡反射面指向工作基點(diǎn)，以便徠卡TS30全站儀能自動搜尋鎖定作為監(jiān)測標(biāo)志的反射棱鏡，如圖3所示。

圖3 反射棱鏡

(3)計算機(jī)及其他設(shè)備

全站儀與計算機(jī)利用GPRS/CDMA/EDGE數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行連接，利用專用監(jiān)測軟件以實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測，其他設(shè)備包括連接電纜、外接電源等，進(jìn)行自動變形監(jiān)測，自動存儲各個觀測周期的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并自動對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成監(jiān)測報表。

圖4 計算機(jī)及供電設(shè)備

(4)SmartMonitor監(jiān)測軟件

SmartMonitor監(jiān)測軟件是與TS30全站儀配套的專門用于監(jiān)測的變形測量軟件，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在SQLServer數(shù)據(jù)庫中，它可以按操作者預(yù)先設(shè)定的測量時間和周期次數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測。根據(jù)需要也可以添加多個循環(huán)，如果是一臺儀器測量，那么各個循環(huán)之間的時間不能交叉，最好保證一個循環(huán)的開始時間在另一個循環(huán)的結(jié)束時間之后。也可以實(shí)時顯示圖形、三維坐標(biāo)以及較差。

(5)數(shù)據(jù)處理及分析

對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，采用的是SmartAnalyzer監(jiān)測分析軟件以及自己編制的軟件和武漢大學(xué)測繪學(xué)院商用平差軟件“科傻”系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)處理時對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行人工干預(yù)，刪除粗差數(shù)據(jù)，取平均值作為此時間段測量的最終值，并按施工方要求的格式繪制位移曲線圖、制作監(jiān)測報表，及時匯報隧道的變化情況。

圖5 SmartMonitor監(jiān)測軟件

圖6 SmartMonitor監(jiān)測分析軟件

3 施工監(jiān)測

3.1 自動化監(jiān)測點(diǎn)布置

(1)監(jiān)測點(diǎn)布置

監(jiān)測斷面是受測處的隧道正交橫斷面，并在該斷面上布置有多個監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測斷面盡可能在測量范圍內(nèi)的隧道段中均勻分布。本項目根據(jù)設(shè)計圖紙，被監(jiān)測地鐵隧道長約500 m，每10 m一個監(jiān)測斷面，設(shè)計監(jiān)測28個監(jiān)測斷面。每個斷面布置5個監(jiān)測點(diǎn)，包括1個拱頂沉降監(jiān)測點(diǎn)、2個道床沉降觀測點(diǎn)和2個拱腰沉降及水平位移監(jiān)測點(diǎn)。自動化監(jiān)測斷面布置如圖7、圖8所示。

圖7 基坑地鐵隧道自動化監(jiān)測斷面布置示意圖

圖8 自動化監(jiān)測點(diǎn)位布置示意圖及現(xiàn)場圖

(2)基準(zhǔn)點(diǎn)布置

測區(qū)共布置4個基準(zhǔn)點(diǎn)，分別布置于遠(yuǎn)離變形區(qū)的大里程方向和小里程方向，各2個。

圖9 監(jiān)測線路布置圖

(3)全站儀安裝位置

全站儀安裝位置里程為YK7+205，后視點(diǎn)里程為YK7+316(位于非變形區(qū))，如圖10所示。

圖10 全站儀、后視點(diǎn)、監(jiān)測點(diǎn)位置關(guān)系示意圖

3.2 觀測方法

TS30全站儀安裝在隧道里，通過GPRS/CDMA/EDGE數(shù)據(jù)鏈與安裝有監(jiān)測軟件的電腦進(jìn)行連接，由電腦控制全站儀，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的循環(huán)周期，對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)測量并計算較差。監(jiān)測數(shù)據(jù)自動存儲在SQLServer數(shù)據(jù)庫里，如果監(jiān)測過程中出現(xiàn)誤差超限或是監(jiān)測點(diǎn)棱鏡被遮擋等情況，軟件會在數(shù)據(jù)庫里自動記錄該點(diǎn)的情況，繼續(xù)監(jiān)測下一個監(jiān)測點(diǎn)，至循環(huán)周期結(jié)束，再對循環(huán)中出現(xiàn)異常情況的點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)監(jiān)測。

通過控制軟件，在每個觀測周期開始前，利用前、后6個基準(zhǔn)點(diǎn)，多次測回推算出測站點(diǎn)的坐標(biāo)，然后，再對所有的點(diǎn)進(jìn)行自動觀測，得到觀測點(diǎn)的坐標(biāo)。

4 差分及平差處理

(1)距離差分改正

假設(shè)兩個基準(zhǔn)點(diǎn)1、2之間的距離穩(wěn)定不變。設(shè)監(jiān)測站至某基準(zhǔn)點(diǎn)1和基準(zhǔn)點(diǎn)2的已知斜距分別為、，在變形監(jiān)測過程中，某一時刻實(shí)測的斜距分別為s'1、s'2，按下式可求出氣象改正比例系數(shù)△s:

實(shí)測測站至某變形點(diǎn)的斜距為s'p，則經(jīng)氣象差分改正后的斜距為:

(2)高差的差分改正和平距計算

在極坐標(biāo)的單向測量中，由于球氣差的影響，要對所測的高差進(jìn)行差分處理?；鶞?zhǔn)點(diǎn)與測站點(diǎn)之間的高差h0是已知的，實(shí)測得監(jiān)測站與基準(zhǔn)點(diǎn)1、基準(zhǔn)點(diǎn)2的高差分別為h'1、h'2:

式中，αn為垂直角;in為儀器高;ln為棱鏡高。

根據(jù)下式可求出高差改正系數(shù)k:

利用兩個基準(zhǔn)點(diǎn)按式(4)求得高差改正系數(shù)k，由于測量時間較短，可以認(rèn)為k值對基準(zhǔn)點(diǎn)與變形點(diǎn)的影響是相同的，故按下式可求出變形點(diǎn)與監(jiān)測站之間經(jīng)高差改正后的高差hp:

求得監(jiān)測站與各變形點(diǎn)間的斜距sp和高差hp后，按下式可求出監(jiān)測站至變形點(diǎn)間的平距Dp:

(3)變形點(diǎn)坐標(biāo)的計算

綜合以上各項差分改正，按極坐標(biāo)計算公式可準(zhǔn)確求出每周期各變形點(diǎn)的坐標(biāo):

式中:Hzp為監(jiān)測站至變形點(diǎn)的方位角;X0、Y0、H0為監(jiān)測站的坐標(biāo)值和高程值。

(4)平差處理

以經(jīng)過距離及高差差分處理的觀測值為輸入值進(jìn)行平差計算［9］，解算三維坐標(biāo)。

5 異常情況處理

如若監(jiān)測過程中，出現(xiàn)全站儀找不到反射棱鏡的情況，可按以下步驟進(jìn)行尋找:

(1)把初始坐標(biāo)展到CAD上，點(diǎn)擊pline，(在Excel里，坐標(biāo)之間以逗號隔開，測得的坐標(biāo)與CAD里的x，y坐標(biāo)相反，注意調(diào)整坐標(biāo)，即畫CAD時，把x坐標(biāo)當(dāng)作y坐標(biāo)，y坐標(biāo)當(dāng)作x坐標(biāo))復(fù)制Excel里，以逗號隔開的那列數(shù)據(jù)，粘貼，畫出初始值線(或把初始值展到CAD上，再連接成始值線，這種方法更容易找到與步驟3中的圓最近的點(diǎn));

(2)在“設(shè)置”里，選擇“坐標(biāo)編輯”，點(diǎn)擊“插入一點(diǎn)”，先選擇一個能測到的點(diǎn)，點(diǎn)擊“照準(zhǔn)該點(diǎn)”，然后選擇插入的新點(diǎn)，點(diǎn)擊“學(xué)習(xí)測量”;

(3)以自由設(shè)站點(diǎn)的坐標(biāo)為圓心，以插入點(diǎn)到自由設(shè)站點(diǎn)兩點(diǎn)之間的距離為半徑畫圓，找到初始值與圓最近的點(diǎn);

(4)在“設(shè)站定向”里，點(diǎn)擊最后那個自由設(shè)站點(diǎn)，然后點(diǎn)擊“設(shè)置測站”然后找到初始值與圓最近的點(diǎn)，選中后，點(diǎn)擊“儀器定向”;

(5)隨后，點(diǎn)擊開始測量，看能否測量出數(shù)據(jù)，如果不能測出數(shù)據(jù)，重復(fù)以上步驟。如果能測出數(shù)據(jù)，則察看數(shù)據(jù)的偏差，偏差過大的話，則重新進(jìn)行“自由設(shè)站”;

(6)“自由設(shè)站”:在“設(shè)置”里，選擇“設(shè)站定向”，點(diǎn)擊“自由設(shè)站”，彈出“自由設(shè)站”對話框，點(diǎn)擊第一個后視點(diǎn)，然后點(diǎn)擊“照準(zhǔn)目標(biāo)”，點(diǎn)擊之后，等按鈕彈出后，點(diǎn)擊“測量”，等按鈕彈出后，重復(fù)上述步驟，再測幾次，最好把偏差控制在1 mm之內(nèi)。然后，依次測其他的后視點(diǎn)，步驟如上。挑選好數(shù)據(jù)后，點(diǎn)擊“保存測站”，等按鈕彈出后，點(diǎn)擊“設(shè)站定向”，等按鈕彈出后，等待，會依次彈出兩個對話框，之后就可以開始測量，如若測不出數(shù)據(jù)，可關(guān)閉軟件，重新啟動軟件開始測量。

6 結(jié)論

自動監(jiān)測是一種受人為影響少、自動化程度高的方法，能連續(xù)自動監(jiān)測、監(jiān)測數(shù)據(jù)可以自動記錄、預(yù)處理并實(shí)時傳輸，極大提高了監(jiān)測效率。隨著地鐵建設(shè)規(guī)模及線路長度的不斷擴(kuò)大，涉及的測量范圍也越來越廣，尤其在臨近地鐵隧道的基坑監(jiān)測方面，為保證地鐵隧道的安全，對地鐵隧道的自動化監(jiān)測已經(jīng)越來越重要。深圳市“卓越梅林項目基坑支護(hù)工程項目”基坑的開挖會對地鐵4號線的安全運(yùn)營會產(chǎn)生一定的影響，所以，施工中采用自動化監(jiān)測系統(tǒng)對運(yùn)行中的隧道進(jìn)行不間斷監(jiān)測，為基坑的開挖施工提供了及時、準(zhǔn)確的信息，從而保證了深圳地鐵4號線的安全正點(diǎn)運(yùn)行。

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