地鐵隧道自動化監測精度分析

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地鐵隧道自動化監測精度分析

吳燦鑫，胡雷鳴，付和寬

(上海巖土工程勘察設計研究院有限公司，上海 200032)

一、引言

地鐵保護區因其特殊性，通常人工測量在測量精度、監測頻率等方面無法滿足地鐵隧道實時監測的要求。高精度的測量機器人可實現24 h的自動化監測，受地鐵運營影響較小，在地鐵隧道保護區監測中得到廣泛應用。本文以杭州地鐵1號線某隧道保護區監測為例，介紹了由Leica TM30全站儀組成的自動化監測系統，對該系統的精度及可靠性進行了探討。

二、自動化監測系統

為實時監控臨近基坑對地鐵隧道的影響，本工程采用Leica TM30測量機器人進行自動化監測，配合L型小棱鏡測量隧道的水平位移、收斂變形和沉降。數據處理采用Leica配套的GeoMoS軟件，包含Monitor監測器和Analyzer分析器兩個模塊。

在192 m的監測范圍內上、下行線各布設監測斷面25個，距離儀器最遠約112 m。每個斷面分別在兩腰和道床上布設3個監測點，如圖1所示。

由于隧道本身并非直線敷設，因此選擇將全站

儀安置于測區中間位置，在遠離測區范圍的管壁上布設控制點，通過后方交會計算儀器坐標和方位。根據儀器坐標及穩定的后視點，采用極坐標法測量各監測點的三維坐標，計算其水平位移、沉降及收斂變形(如圖2所示)。

圖2　現場布點照片

三、測量精度分析

本工程采用高精度的Leica TM30測量機器人，測角精度達0.5″，測距精度0.6 mm+1×10-6×D。從測量角度講，在條件允許的情況下，儀器精度完全可滿足120 m范圍內的自動化監測需求。為驗證自動化監測系統的精度與可靠性，避免基坑開挖擾動及開挖后土體徐變的影響，選取基坑施工前比較穩定的監測數據進行分析，從儀器設站點的精度、折光影響、列車運行影響等方面進行探討。

1. 全站儀后方交會的精度

限于地鐵隧道空間狹窄的特點，控制網網形較差。為比較后視控制點對儀器設站點的精度影響，在原有控制點附近增加5個后視點，且盡量沿隧道圓形方向均勻分布，如圖3所示。

圖3

比較加密控制點前后的儀器設站點坐標在不同時段的改正量，如圖4、圖5所示。

從圖4、圖5可以看出，增加5個控制點后，后方交會計算儀器設站點的坐標精度有明顯提高。合理布設后視控制點，且盡量沿隧道圓形方向均勻敷設，可有效提高控制網的可靠性。

2. 不考慮管壁折光時的測量精度

根據地鐵隧道特點，布設于全站儀對側管壁的監測點通常不受管壁折光的影響。統計本工程對側管片點和隧道中央道床沉降點測量精度如圖6所示。

由圖6可以看出，橫向坐標和高程精度相當，基本都在0.5 mm以內，可滿足監測要求。

圖4　加密控制點前儀器后方交會坐標改正量

圖5　加密控制點后儀器后方交會坐標改正量

圖6　對側管片測點測量誤差

3. 列車運行的影響

地鐵列車在測區范圍內運行時，由于視線遮擋及振動無法進行觀測。為分析列車振動后對整個監測系統的影響，分別統計運營期間和非運營期間所有測點中誤差的算數平均值，結果見表1。

表1　mm

從表1可以看出，運營期間列車的振動對測量精度影響較小，采用固定儀器臺及鉆孔埋設的方式可有效提高自動化監測系統的穩定性與可靠性。另外，列車的長期高頻率振動勢必對儀器產生影響，因此須定期進行檢查校準。

4. 管壁旁折光的影響

統計本工程25個監測斷面，計算儀器對側、同測、道床面的不同測點精度。

與儀器同側且相距較遠的測點易受管壁旁折光的影響，可能造成測量數據的失真。因此，在測點布設時須充分考慮管壁折光的影響，檢查數據的可用性，對受折光影響的測點需重新布設。

四、監測成果分析

本工程對受折光影響的測點重新布點，并人工測量沉降測點及水平收斂測點，以驗證和檢查自動化監測系統的可靠性。比較自動化監測數據與人工測量成果，如圖7、圖8所示。

圖7　管片累計收斂量對比

圖8　道床累計沉降量對比

由圖7、圖8可以看出，臨近的基坑施工造成地鐵隧道向基坑一側的水平位移、沉降和隧道直徑的增大，自動化監測數據和人工監測數據基本吻合，進一步驗證了監測系統的可靠性。

五、結論

總結本工程各項監測成果，可以得出以下結論：

1) 高精度的測量機器人是隧道自動化監測精度的保證，在復雜條件下儀器的可靠性對測量精度至關重要，從項目運營效果看，Leica TM30 0.5″儀器完全可以達到要求。

2) 地鐵隧道空間狹小，控制網的布設難度較大，采用后方交會法布設時，可盡量均勻布設足夠多的后視控制點，以提高相對精度。

3) 自動化監測受隧道管壁折光、空氣粉塵影響較大，布設監測點時須避免出現“多棱鏡”的情況，應充分考慮儀器與監測點的相對位置，提高測量可視角度。

4) 自動化監測系統受外界影響因素較多，定期檢查與人工監測可有效提高監測的可靠性。

(本專欄由徠卡測量系統和本刊編輯部共同主辦)

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