自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在地鐵隧道中的應(yīng)用

付麗麗，葉亞林，陳昊，程險(xiǎn)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(xiàng)目”與正在運(yùn)營(yíng)的深圳地鐵4號(hào)線上民區(qū)間毗鄰，場(chǎng)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(duì)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(yíng)的地鐵4號(hào)線是本基坑工程監(jiān)測(cè)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(duì)運(yùn)行中的隧道變形進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)。

因在地鐵運(yùn)行期間絕對(duì)不允許測(cè)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(dòng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，以便隨時(shí)提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，及時(shí)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(hào)線平面圖

2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要儀器設(shè)備如表1所示。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要儀器設(shè)備 表1

(1)徠卡TS30全站儀

地鐵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)使用儀器為徠卡TS30全站儀，該儀器標(biāo)稱精度為:測(cè)距精度±(0.6 mm+1 ppm×D)mm，測(cè)角精度0.5″。并可通過專用的SmartMonitor監(jiān)測(cè)軟件來控制監(jiān)測(cè)目標(biāo)及設(shè)定監(jiān)測(cè)時(shí)間。徠卡TS30自動(dòng)化全站儀實(shí)現(xiàn)了整平、調(diào)焦、正倒鏡觀測(cè)、記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)等的全自動(dòng)化，并且具備自動(dòng)目標(biāo)識(shí)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(dòng)搜尋到目標(biāo)棱鏡，并自動(dòng)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(cè)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(dòng)搜尋鎖定作為監(jiān)測(cè)標(biāo)志的反射棱鏡，如圖3所示。

圖3 反射棱鏡

(3)計(jì)算機(jī)及其他設(shè)備

全站儀與計(jì)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(cè)軟件以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，其他設(shè)備包括連接電纜、外接電源等，進(jìn)行自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)，自動(dòng)存儲(chǔ)各個(gè)觀測(cè)周期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成監(jiān)測(cè)報(bào)表。

圖4 計(jì)算機(jī)及供電設(shè)備

(4)SmartMonitor監(jiān)測(cè)軟件

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

(5)數(shù)據(jù)處理及分析

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，采用的是SmartAnalyzer監(jiān)測(cè)分析軟件以及自己編制的軟件和武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院商用平差軟件“科傻”系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)處理時(shí)對(duì)測(cè)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(shí)間段測(cè)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(cè)報(bào)表，及時(shí)匯報(bào)隧道的變化情況。

圖5 SmartMonitor監(jiān)測(cè)軟件

圖6 SmartMonitor監(jiān)測(cè)分析軟件

3 施工監(jiān)測(cè)

3.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

(1)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)測(cè)斷面是受測(cè)處的隧道正交橫斷面，并在該斷面上布置有多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)斷面盡可能在測(cè)量范圍內(nèi)的隧道段中均勻分布。本項(xiàng)目根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，被監(jiān)測(cè)地鐵隧道長(zhǎng)約500 m，每10 m一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)28個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。每個(gè)斷面布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括1個(gè)拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)、2個(gè)道床沉降觀測(cè)點(diǎn)和2個(gè)拱腰沉降及水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)斷面布置如圖7、圖8所示。

圖7 基坑地鐵隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)斷面布置示意圖

圖8 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置示意圖及現(xiàn)場(chǎng)圖

(2)基準(zhǔn)點(diǎn)布置

測(cè)區(qū)共布置4個(gè)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(gè)。

圖9 監(jiān)測(cè)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(cè)點(diǎn)位置關(guān)系示意圖

3.2 觀測(cè)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(cè)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(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)測(cè)量并計(jì)算較差。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)在SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)里，如果監(jiān)測(cè)過程中出現(xiàn)誤差超限或是監(jiān)測(cè)點(diǎn)棱鏡被遮擋等情況，軟件會(huì)在數(shù)據(jù)庫(kù)里自動(dòng)記錄該點(diǎn)的情況，繼續(xù)監(jiān)測(cè)下一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，至循環(huán)周期結(jié)束，再對(duì)循環(huán)中出現(xiàn)異常情況的點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)監(jiān)測(cè)。

通過控制軟件，在每個(gè)觀測(cè)周期開始前，利用前、后6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，多次測(cè)回推算出測(cè)站點(diǎn)的坐標(biāo)，然后，再對(duì)所有的點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，得到觀測(cè)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(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)1、2之間的距離穩(wěn)定不變。設(shè)監(jiān)測(cè)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(cè)過程中，某一時(shí)刻實(shí)測(cè)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(cè)測(cè)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(jì)算

在極坐標(biāo)的單向測(cè)量中，由于球氣差的影響，要對(duì)所測(cè)的高差進(jìn)行差分處理。基準(zhǔn)點(diǎn)與測(cè)站點(diǎn)之間的高差h0是已知的，實(shí)測(cè)得監(jiān)測(cè)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(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)按式(4)求得高差改正系數(shù)k，由于測(cè)量時(shí)間較短，可以認(rèn)為k值對(duì)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(cè)站之間經(jīng)高差改正后的高差hp:

求得監(jiān)測(cè)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(cè)站至變形點(diǎn)間的平距Dp:

(3)變形點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算

綜合以上各項(xiàng)差分改正，按極坐標(biāo)計(jì)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(cè)站至變形點(diǎn)的方位角;X0、Y0、H0為監(jiān)測(cè)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(cè)值為輸入值進(jìn)行平差計(jì)算［9］，解算三維坐標(biāo)。

5 異常情況處理

如若監(jiān)測(cè)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(hào)隔開，測(cè)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(shí)，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(hào)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(gè)能測(cè)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(cè)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(gè)自由設(shè)站點(diǎn)，然后點(diǎn)擊“設(shè)置測(cè)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(cè)量，看能否測(cè)量出數(shù)據(jù)，如果不能測(cè)出數(shù)據(jù)，重復(fù)以上步驟。如果能測(cè)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(duì)話框，點(diǎn)擊第一個(gè)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(cè)量”，等按鈕彈出后，重復(fù)上述步驟，再測(cè)幾次，最好把偏差控制在1 mm之內(nèi)。然后，依次測(cè)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(cè)站”，等按鈕彈出后，點(diǎn)擊“設(shè)站定向”，等按鈕彈出后，等待，會(huì)依次彈出兩個(gè)對(duì)話框，之后就可以開始測(cè)量，如若測(cè)不出數(shù)據(jù)，可關(guān)閉軟件，重新啟動(dòng)軟件開始測(cè)量。

6 結(jié)論

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

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