測量機器人自動化測量在地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中的應(yīng)用

賀磊，許誠權(quán)，陸曉勇，袁清龍

(南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210005)

1 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展與青奧會的盛大舉行，南京市近年正大力興建地鐵工程。地鐵隧道建造在地質(zhì)復(fù)雜的鬧市中心，周邊經(jīng)常會有地產(chǎn)開發(fā)，難免伴隨大面積基坑開挖，導(dǎo)致臨近地表沉降及地層移動，從而使地鐵隧道所處土環(huán)境受到擾動，進而引起管片結(jié)構(gòu)變形加大。地鐵工程關(guān)乎民生大計，對臨近基坑施工期間地鐵結(jié)構(gòu)安全問題的監(jiān)測與評價顯得尤為重要。

根據(jù)《南京市軌道交通管理條例》有關(guān)規(guī)定，為保證地鐵結(jié)構(gòu)的安全，應(yīng)對臨近建筑基坑施工過程中的地鐵結(jié)構(gòu)進行全方位監(jiān)測。通過監(jiān)測工作的實施，掌握該項目在施工過程中對既有地鐵工程結(jié)構(gòu)引起的變化，為建設(shè)方及地鐵相關(guān)方提供及時、可靠的數(shù)據(jù)和信息，評定施工對既有地鐵工程結(jié)構(gòu)的影響，及時判斷既有地鐵工程的結(jié)構(gòu)安全，對可能發(fā)生的事故提供及時、準(zhǔn)確的預(yù)報，避免惡性事故的發(fā)生。

測量機器人以其高精度、自動尋找、識別和精確照準(zhǔn)目標(biāo)等優(yōu)點，在地鐵自動化監(jiān)測中的應(yīng)用日益廣泛，關(guān)于自動化監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵變形監(jiān)測中的應(yīng)用已有一些研究［1～4］，然而監(jiān)測過程中技術(shù)要點分析的研究還比較少見。本文以南京地鐵二號線為例，在某臨近建筑基坑施工周期內(nèi)，采用測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)對地鐵結(jié)構(gòu)整體變形情況進行監(jiān)測的技術(shù)要點及精度指標(biāo)，為相似項目提供監(jiān)測經(jīng)驗。

2 工程背景

基坑位于南京地鐵二號線旁，基坑圍護結(jié)構(gòu)邊線距二號線最近距離為43.1 m。基坑邊線對應(yīng)二號線里程大概為K4+224.0～K4+445.8，約221.8 m，建筑基坑與二號線平面位置圖如圖1 所示。項目工程設(shè)三層地下室，負一層底板頂標(biāo)高+0.50 m，負二層底板頂標(biāo)高－5.50 m，負三層底板頂標(biāo)高－11.10 m，基坑周長約706.8 m，面積約26 237.8 m2。基坑與二號線車站立面位置圖如圖2 所示。

圖1 建筑基坑與二號線平面位置圖

圖2 建筑基坑與二號線車站立面位置圖

3 監(jiān)測系統(tǒng)介紹

3.1 儀器設(shè)備及監(jiān)測系統(tǒng)

地鐵管線分為左線和右線。隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測共使用8 套Leica TM30(0.5″，0.6+1 ppm)測量機器人(Georobot)進行自動變形數(shù)據(jù)采集，其中左右線各4臺，24 h對地鐵隧道進行安全監(jiān)測，實時發(fā)現(xiàn)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的形變，首次需進行學(xué)習(xí)測量。監(jiān)測網(wǎng)測量要求如表1 所示。

監(jiān)測網(wǎng)測量要求 表1

采用南京市測繪勘察院研發(fā)的“地鐵隧道結(jié)構(gòu)自動化監(jiān)測系統(tǒng)”進行管理。國際一流的自動變形數(shù)據(jù)采集設(shè)備與國際領(lǐng)先的自動化結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的高度融合，形成從自動數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警預(yù)報和數(shù)據(jù)傳輸分發(fā)高度智能的自動化安全監(jiān)測管理系統(tǒng)。監(jiān)測成果包括:垂直位移、水平位移、差異沉降、垂直度、收斂等測項。

3.2 自動化監(jiān)測點的布設(shè)

項目基坑圍護結(jié)構(gòu)邊線對應(yīng)的地鐵左、右線區(qū)間每10 m各布設(shè)一個監(jiān)測斷面(EZ04～EZ29，EY04～EY29)，該范圍兩側(cè)外延每20 m布設(shè)一個監(jiān)測斷面(EZ01～EZ03;EZ30～EZ32;EY01～EY03;EY30～EY32)，左右線各布設(shè)32 個監(jiān)測斷面，共64 個監(jiān)測斷面。自動化監(jiān)測點與人工監(jiān)測點同一監(jiān)測斷面。

每個斷面根據(jù)監(jiān)測需要及現(xiàn)場環(huán)境布設(shè)6 個監(jiān)測棱鏡，安置永久性L 型迷你棱鏡。由各斷面監(jiān)測點的坐標(biāo)值可解算出監(jiān)測項值。由各斷面監(jiān)測點X 及Z的變化量可計算出該斷面的水平位移和垂直位移;由各斷面左右腰線上兩個監(jiān)測點的坐標(biāo)值可計算出該斷面收斂值。工作基點布設(shè)圖如圖3 所示，斷面監(jiān)測棱鏡布設(shè)圖如圖4 所示。

圖3 工作基點布設(shè)圖

圖4 斷面監(jiān)測棱鏡布設(shè)圖

3.3 監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢

自動化監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r無線向指定人員發(fā)送監(jiān)測成果和預(yù)警、預(yù)報;能夠解決人工監(jiān)測只能在地鐵停運期間監(jiān)測的弊端，24 h提供監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的建設(shè)施工對地鐵隧道穩(wěn)定性的影響，并對施工方案提出調(diào)整建議。同時，通過自動監(jiān)測數(shù)據(jù)可以分析地鐵振動對隧道結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的影響。采用人工輔助與自動化相結(jié)合的監(jiān)測方案，大大節(jié)約了監(jiān)測成本，定期通過人工輔助監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)變形異常時，立即實施24 h自動監(jiān)測，為地鐵安全提供準(zhǔn)確、及時的檢測數(shù)據(jù)與預(yù)警預(yù)報。

4 監(jiān)測效果及分析

該監(jiān)測項目中，在使用測量機器人進行自動化監(jiān)測的同時，亦進行人工監(jiān)測。人工監(jiān)測的頻次根據(jù)工況數(shù)量與變形量大小來確定。在人工監(jiān)測數(shù)據(jù)處理完成后，將結(jié)果與同時段的自動化監(jiān)測成果進行比較，以研究自動化監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)人工與自動化監(jiān)測成果相差大于(m人為當(dāng)期人工監(jiān)測中誤差，m自為當(dāng)期自動化監(jiān)測中誤差)時，由控制系統(tǒng)及時調(diào)整監(jiān)測頻率，并分析人工與自動化監(jiān)測成果相差偏大的原因。

監(jiān)測周期從2013年9月持續(xù)到2014年7月。在本項目監(jiān)測周期內(nèi)，以人工(精密水準(zhǔn))及自動化垂直位移為例，進行同階段變化量對比分析，左、右線自動化與人工垂直位移階段變化量曲線如圖5、圖6 所示。

工程實例分析顯示，人工、自動化垂直位移變化趨勢一致，兩者整體偏差較小，最大值偏差未超過1.5 mm，自動化垂直位移監(jiān)測有較高精度和可靠性。本項目同一監(jiān)測階段內(nèi)，自動化監(jiān)測與傳統(tǒng)人工監(jiān)測各測項數(shù)據(jù)較差如表2 所示。

圖5 地鐵左線人工與自動化階段沉降量(mm)

圖6 地鐵右線人工與自動化階段沉降量(mm)

自動化與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)較差統(tǒng)計表 表2

5 結(jié) 論

本文介紹了測量機器人自動化實時監(jiān)測自動化實時監(jiān)測在基坑施工導(dǎo)致地鐵隧道變形的監(jiān)測中應(yīng)用的技術(shù)要點。得到以下結(jié)論:

(1)自動化監(jiān)測能夠彌補人工檢測的不足，不受地鐵運營時間的限制，在地鐵運營期間內(nèi)仍能夠?qū)Φ罔F結(jié)構(gòu)進行安全監(jiān)測。

(2)自動化監(jiān)測具有精度高、快捷高效的優(yōu)點，其沉降監(jiān)測成果與精密水準(zhǔn)人工監(jiān)測成果吻合良好，成果可靠，適宜在類似項目中得到應(yīng)用。

［1］儲征偉，鐘金寧，段偉等．自動化三維高精度智能監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵變形監(jiān)測中的應(yīng)用［J］．東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013，43(S2):225～229．

［2］張正祿，孔寧，沈飛飛等．地鐵變形監(jiān)測方案設(shè)計與變形分析［J］．測繪信息與工程，2010，35(6):25～26．

［3］肖曉春，何擁軍，朱雁飛等．地下空間開發(fā)中變形監(jiān)測的新技術(shù)［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007，44(1):44～50．

［4］梅文勝，張正祿．測量機器人控制網(wǎng)觀測與數(shù)據(jù)處理自動化研究［J］．測繪通報，2003，28(5)．