無人值守自動變形監測系統在深圳地鐵結構變形監測中的應用
——以環中線前海灣站為例

林新爍

(深圳市博飛儀器有限公司 工程測量技術部，廣東 深圳518028)

一、概 述

深圳地鐵環中線前海灣站地鐵結構變形監測項目位于深圳地鐵環中線前海灣站與臨海站之間，距前海灣站約700 m。地鐵結構變形監測范圍為上、下行雙線各約150 m長的盾構隧道，如圖1所示。鑒于地鐵運營的特點，變形監測要求全自動化運行，即實現在地面某處對地鐵地下隧道結構變形監測的自動化全站儀進行遠程控制與管理。

圖1 變形監測項目地理位置示意圖

AutoMoS(Automatic Deformation Monitoring System)變形監測系統硬件設備基本配置：自動照準型全站儀SRX1X 2臺；全站儀固定支架2套；基準點棱鏡及支架8套；電源保護箱(含變壓器、供電、繼電器等)2套；CDMA模塊及CDMA手機卡 2套；電源線200 m；PC便攜電腦1臺；變形監測點棱鏡80個；安裝電工工具及鉆孔工具2套。

二、無人值守自動化變形監測系統組成

1) 為了實現上述地鐵結構三維變形監測的自動化，引進了AutoMoS無人值守自動化變形監測系統。該系統主要由自動化全站儀(索佳品牌的超級機器人SRX1X)、有線或無線通信系統、基于PC機運行的系統軟件等設備組成，圖2為雙機版AutoMoS系統組成框圖。

圖2 雙機版AutoMoS系統框圖

2) 本變形監測項目位于含有弧線段的盾構隧道，監測設備(包含自動化全站儀、變形監測基準點棱鏡、變形區監測棱鏡等)分布示意圖如圖3所示。

圖3 監測設備安裝分布圖

3) 自動化全站儀(或稱測量機器人)是地鐵結構變形自動化監測系統的核心硬件設備，在系統軟件的控制下自動照準基準點和變形點的目標棱鏡，獲取精確的角度與距離信息。如圖4所示，在地鐵隧道管壁一側安裝特制的全站儀支撐平臺，保證全站儀在地鐵列車運營安全界限范圍內長時間穩定運行。前海灣地鐵站隧道變形監測現場安裝的是索佳SRX1X(1″級)自動化全站儀。

圖4 自動化全站儀觀測站與通信控制箱

4) 通信與供電箱(參見圖4)是自動化變形監測系統的重要組成部分，其作用一是為全站儀提供不間斷電源，二是實現全站儀與遠程監控計算機之間的數據通信。在前海灣監測項目中，采用移動無線接入因特網的方式進行地鐵現場監測全站儀與遠程監控計算機之間的聯機通信，實現監測系統軟件對遠程全站儀的控制與數據采集。

5) 基準點棱鏡為前海灣地鐵站的結構變形監測提供穩定基準，因此它們分布在離變形區較遠的地方(如圖3所示)，在上行或下行隧道變形監測區域兩側分別設立2個基準斷面，共4個基準點?；鶞世忡R為索佳標準圓棱鏡，由鋼制三角形支架支撐，該支架由膨脹螺栓緊密固定在隧道的墻壁上，如圖5所示。

6) 變形監測斷面及棱鏡分布為：

a. 變形監測斷面與棱鏡布設編號規則：變形監測斷面從西(臨海站方向)至東(前海灣方向)上、下行線各有12個(如圖3所示，DJ1—DJ12)，每個斷面計劃安裝3個變形監測棱鏡，其中2個位于軌道地面上(已安裝，如圖5所示)，另1個計劃安裝在圓形隧道頂部(調試運行時暫未安裝)；變形監測斷面棱鏡編號用4～5位字母和數字表示(如DJ6-1)，前兩位字母為DJ，第三、四位數字代表斷面號(1—12)，最后一個數字代表斷面內的棱鏡編號。如“DJ6-1”表示為下行線第6個斷面上的第1號監測棱鏡。圖6分別給出了上、下行隧道變形監測斷面棱鏡分布與編號示意圖。

圖5 基準點棱鏡

圖6 上行和下行線斷面棱鏡分布示意圖

b. 變形監測斷面棱鏡的安裝：變形監測斷面上的棱鏡為L型小棱鏡，在正常情況下，把L支架直接固定在墻體或地面上即可。圖7給出了隧道監測斷面棱鏡分布實景圖，其中軌道中間的反光亮點即為變形監測棱鏡。

圖7 隧道變形監測斷面棱鏡安裝實景圖

7) 在監測項目管理人員辦公室等合適地點布設有線登錄因特網的設備，為監測專用的計算機提供上網條件。同時，在監控中心計算機中安裝AutoMoS監測軟件(如圖8所示)，在監測軟件定時器的控制下，智能化、周期性地定時啟動監測系統，實現遠程計算機通過因特網對監測現場自動化全站儀的控制與數據采集。監控中心的主要安裝調試工作有：計算機登錄因特網；啟動AutoMoS監測軟件；初始化全站儀，實現計算機與遠端自動化全站儀的聯機通信；學習基準點和變形監測點棱鏡；配置點組與定時器；配置自動化測量有關的設置項；啟動定時器，啟動自動化測量，實現監測系統無人值守智能化運行。

圖8 AutoMoS監測軟件

三、地鐵結構斷面變形監測精度統計

2012年2月22日，基本完成了前海灣站地鐵結構變形自動監測系統有關設備的安裝之后，于凌晨6點左右開始，監測系統開始投入無人值守的全自動化測試運行。系統監測周期間隔為30 min，至早上8點左右，順利實現了上下行線2個監測站4個周期(周期號為2—5)的連續運行監測。在2 h左右的時間內，可以近似認為地鐵隧道穩定不變，其變形量近似為零。因此分別計算各變形點2—5號周期三維坐標的平均值作為參考(本底基準)周期(周期號為1)的數據，并把2—5號周期相對第1周期(參考周期)的三維坐標變形量當作偶然誤差來處理，統計系統變形監測的實測精度，結果見表1。

表1 地鐵前海灣站結構變形監測實測精度統計 mm

注： 上下行線分別參加實測精度統計的各有4個周期23個變形監測點；變形監測點離測站的最遠距離約100 m。

上行線DJ8-4、下行線DJ4-2參考周期數據有誤(后已處理)，故未參加本次變形監測實測精度統計。

從表1中可以看出：① 上下行線變形點三維坐標實際監測精度基本一致，標準偏差都不大于0.5 mm，可以達到亞毫米級的變形監測精度要求；② 監測系統順利獲取的首期4個周期的變形監測數據，除了極個別點某坐標分量值大于1 mm，其余所有變形監測點三維坐標分量的變形值都小于1 mm，由此可以說明變形監測實測精度高，而且數值一致性很好，變形監測結果穩定可靠。

四、總結與建議

通過2月22日—23日兩天的調試運行，上述AutoMoS無人值守自動化變形監測系統無論在地鐵暫停運營的時間段(0∶00—5∶00)還是在運營時間段(6∶00—23∶00)都能正常運行，并能獲取合格的變形監測數據。自動化全站儀一般采用方便實用的極坐標方法進行變形監測。從極坐標原理可知，要想獲得準確的測量結果，必須有效解決大氣折射率對測距的影響，以及地球大氣差對三角高程測量的影響。AutoMoS無人值守監測自動變形監測系統的創新技術體現在：在穩定的基準點設站采用多重差分技術和在欠穩定的工作基站點設站采用自適擬穩定技術，無需觀測大氣氣象參數，并顧及地球大氣差對單向三角高程觀測的影響。AutoMoS無人值守監測自動變形監測系統是地鐵變形監測實施的一整套成熟、完善的技術方案，明確了地鐵變形監測的評定標準，可作為今后地鐵變形監測的重要借鑒。

建議地鐵及其他城市軌道等工程項目,在施工期間及竣工運營后,把對主體結構的沉降、水平位移、收斂等變形監測工作提到議事日程，重視資料的整理和積累，給出主體結構的變形情況,以及主體結構變形的發展趨勢,并提出整治方案。逐步修正理論依據，完善監測方法，使地鐵監測成為保障地鐵安全運營的重要環節。

參考文獻：

[1] GB 50308—2008城市軌道交通工程測量規范[S]．北京：中國建筑工業出版社，2008．

[2] JGJ 8—2007建筑變形測量規范[S]．北京：中國建筑工業出版社，2007．

[3] 包歡，徐忠陽，張良琚.自動變形監測系統在地鐵結構變形監測中的應用[J].測繪學院學報，2003,20(2)：103-105.

[4] 衛建東，包歡，徐忠陽，等.基于多臺測量機器人的監測網絡系統[J].測繪學院學報，2005，22(2)：154-156.