GeoMoS監測系統在地鐵沉降監測中的應用研究

徐正元　張文春

摘 要：該文以沈陽地鐵9號線某標段下穿既有車站一級風險源自動化變形監測工作為例，介紹了基于測量機器人及徠卡GeoMos軟件平臺的自動化監測系統在實際工程中的應用，并對實測數據進行了精度評定，對該系統進行高精度沉降監測進行了可行性分析。證明了該系統是一項自動化、及時高效、高精度、可靠的地保監測手段。結果具有重要的理論和應用價值，對正在廣泛開展的城市軌道交通建設及運維中的地保監測工作具有重要的指導意義。

關鍵詞：GeoMos 變形監測 地鐵保護監測 測量機器人 自動化監測

中圖分類號：TU99 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（a）-0019-04

Abstract： In this paper， we introduced the application of Geomatic Monitoring System （GeoMoS） with Leica geomatic robot in this purpose. Using the actual project the newly built Shenyang metro Line9 passing under the level-one risk source of the existing metro line as an example， we evaluated the precision of the actual data collected form this system and performed feasibility analysis of this system in settlement monitoring project. It can prove that GeoMoS is an automatic， time efficient and high-precision monitoring system in metro protection project. This paper established the theoretic significance and practical value of GeoMoS to metro protection monitoring projects in urban rail transit engineering.

Key Words：GeoMoS；Deformation Monitoring；Metro protection monitoring；Geomatic robot；Automatic monitoring

地鐵帶動了其沿線的城市發展，地鐵施工、建筑深基坑施工、城市地下管廊建設等工程施工會造成土體應力狀態的改變，進而引起工程施工結構和土體的變形，如不能及時發現危險將產生重大安全隱患。所以地鐵保護監測是保障地鐵正常施工、維護周邊既有建筑結構安全的必要手段。

傳統的監測手段如水準測量、經緯儀或全站儀水平位移測量等可達到對隧道結構進行變形監測的目的。在實際生產施工中，隨著地鐵施工工藝不斷改進，施工效率不斷提高，以及地鐵運營條件所限，傳統的監測手段已無法達到對地鐵進行實時高效的監測要求。隨著測繪技術的發展，地鐵自動化監測技術應運而生。自動化監測方式以近景攝像測量、測量機器人、靜力水準儀、多通道無線遙測技術等手段為主。在地保監測中，徠卡（Leica）公司設計生產的GeoMoS監測系統以其實時高效、高精度、自動化的特點正逐漸被行業認可。當城市軌道交通發生交互下穿時，我們關注的重點是新線路的施工對既有線路的沉降影響，該文已實際工程為例，重點分析了GeoMos監測系統在隧道沉降監測中的應用，對該系統進行了精度評定，對監測結果進行了精度分析，從而論證了GeoMoS在地鐵沉降監測中的可行性。

1 工程概況

沈陽市某地鐵站位于城市兩條主干路之間的規劃綠地內，車站呈南北向布置為島式車站。沈陽地鐵9號線工程與該車站發生相交，左線下穿段29 m，右線下穿段31.7 m，均采用平頂直墻矩形斷面，礦山法施工。根據地鐵公司對地鐵既有線路施工影響范圍的規定，在新建線路進入距地鐵既有線路50 m范圍時，地保監測工作正式啟動。

該次地保監測工作分施工監測及既有站監測兩方面同時進行。施工監測在新建線路施工過程中對施工作業面地表及隧道內進行人工變形監測。在新建區間進入保護區時，在既有車站內下穿區間布設監測網，對地鐵隧道內沉降監測點進行人工監測，并采用GeoMoS監測系統對地鐵隧道水平位移和垂直位移進行實時監測。

2 監測系統及工程應用

監測系統由GeoMoS自動監測軟件、徠卡TS30型測量機器人、配套棱鏡、GPRS網絡及遠程控制模塊、遠程控制終端等組成。該系統可集成不同類型的傳感器工作，通過自動觀測隧道結構及道床監測點的三維坐標來分析隧道結構及道床的變形情況。

2.1 GeoMoS自動化監測系統

GeoMoS（Geomatic Monitoring System），是由徠卡公司研發的基于GPS技術、測量機器人、大型數據庫技術、各種氣象和地質傳感器技術之上實現遠程控制、實時傳輸、全自動運行的變形監測系統[1]。

測量機器人即新一代智能電子全站儀，該次工程所應用的是徠卡公司“超高精度”級TS30全站儀。儀器集成了免棱鏡測距技術、自動目標識別技術（ATR）、影像采集功能、壓電陶瓷驅動、藍牙通訊等功能，與GeoMoS監測系統完美兼容。GeoMoS軟件由監視器（Monitor）及分析器（Analyzer）組成，二者分別起到調控監測、分析處理數據的作用。監視器是一個基于網絡的在線工作平臺，通過網絡模塊的數據傳輸遠程對各種傳感器進行調控設置，控制其進行數據采集。分析器將采集得到的數據存儲在數據庫中，用戶可根據不同需要調用不同時間段的位移、速度和矢量信息進行進一步分析、可視化和后處理，用戶亦可將基礎數據復制到其他軟件內進行二次編輯。

2.2 監測網的布設

（1）基準點布設。

由于工作基點位于變形區域內，為了在每一次GeoMoS控制測量機器人交會定位工作基點坐標時得到準確的空間信息[2]，必須根據隧道內實際狀況，在影響區域以外的隧道內穩定位置左、右線各埋設2對，共8個固定棱鏡作為觀測基準點，用于儀器交會定位。

（2）工作基點布設。

該次自動化沉降監測采用全站儀三角高程中間法進行量測解算監測點高程，故將工作基點布設在隧道中間部位，監測斷面平均分布在工作基點兩側。于隧道壁上安置固定基座并架設測量機器人，并保證有良好的通視條件。同時應配備監測通訊模塊、不間斷的電源適配器、氣象感應器。

（3）監測點布設。

在既有站隧道內每隔5～10 m布設一個監測斷面，左線布15個監測斷面，每個斷面上安裝4個反射棱鏡；右線布14個監測斷面，每個斷面布3～5個反射棱鏡。所有反射棱鏡均采用52 mm直徑的角反射棱鏡。布設監測點的位置時要利用儀器的小視場功能，使之均勻分布在儀器望遠鏡的視場內，互不干擾。

2.3 監測過程與數據處理

基于TS30的ATR技術，GeoMoS在對監測點進行周期性監測工作前需要進行一次人工學習測量工作，既在有人參與的模式下，測量員手動對準每個監測點位的棱鏡，在GeoMoS中執行學習測量程序，系統會記錄并在下一次自動觀測中識別出每個監測點位并進行自動觀測。GeoMoS對監測點進行數據采集的工作機制是建立在基準點穩定的基礎之上的，每個監測周期開始前，系統會命令TS30利用基準點空間信息進行多次交會以更新工作基點坐標[3]，確保數據穩定，進而量測解算各監測點在隧道坐標系下的空間信息。在GeoMoS中可對傳感器進行氣壓改正、調平閾值等相關設置，對點組進行相關編輯，設置測量周期。地鐵運營及運維期間，列車進出站、運維人員作業都難免對監測點造成干擾。系統可對目標遮擋、各測回誤差超限等情況進行等待、重復觀測等相關合理處置。在測量工作中無法避免誤差的產生，GeoMoS利用系統差分原理[4]改正大氣折光差、地球曲率、水平度盤偏心差等誤差，將觀測數據自動解算成位移信息存儲在SQL Server數據庫中，供用戶在分析器或其他分析軟件中進行數據處理。

3 監測結果及精度分析

監測工作于2016年7月6日開始實施，自動化、人工監測數據以固定周期產生。GeoMoS在隧道變形監測中的應用已較為普遍，因全站儀的自身特點，該系統在隧道水平位移監測中表現優異，可達規范的要求。但在垂直位移監測中，考慮到距離觀測、豎直角觀測、三角高程計算中誤差的傳播，需對該系統的垂直位移監測精度進行論證評定。既有站上下行線在同樣的觀測條件下進行等精度觀測，該文以上行線（左線）自動化監測數據為例，重點論證GeoMoS系統在隧道垂直位移監測中的可行性。

3.1 高程測量精度分析

三角高程測量精度受多方面誤差影響，包括豎直角觀測誤差、電磁波測距誤差、儀器高量取誤差、棱鏡高量取誤差、大氣折光、地球曲率等。采用中間法進行三角高程測量，可有效消除或減弱儀器高及棱鏡高量取誤差的影響。中間法為單向觀測法的一種特殊設站方式，既在監測網中將儀器安置在隧道中間位置，儀器通過對已知點A及待測點B的豎直角、距離觀測，計算出兩點高差為[5]：

、分別為A、B點高程，h為兩點高差。α，S，c，r分別為豎直角、斜距、地球曲率及大氣折光改正數，v為目標高，i為儀器高，K為大氣折光系數，R為地球曲率半徑。該次監測點均采用統一規格固定棱鏡，目標高均相等即=，則待測點B點高程為：

TS30在進行測量時，儀器本身會自動對大氣折光及地球曲率進行改正，受隧道限制，豎直角觀測值最大不會超過10°，測站至監測點最遠距離約為74 m，測站至基準點距離約為93 m，球氣差影響可忽略不計。由此可見，使用中間法進行三角高程測量其精度只受測距誤差和豎直角測量精度即儀器精度的影響。為定義TS30全站儀三角高程極限誤差可設觀測點O到目標A、B的水平距離分別為，，對上式進行全微分并根據誤差傳播定律轉化為中誤差關系式：

由式可見，GeoMoS監測系統采用TS30配合中間法進行自動化三角高程觀測，其精度受、、影響。TS30在有棱鏡模式下的測距標稱精度，測角精度，每次對每個監測點進行4測回觀測，豎直角觀測值最大不會超過10°，最長觀測距離不大于100m，因此為計算極限誤差取，，[6]，以二倍中誤差為高程極限誤差，由上式計算極限誤差最大值2 mh≈0.014 72 mm。此精度滿足國家一、二等水準測量規范及本次地鐵隧道沉降監測相應規范要求。

3.2 監測數據成果分析

新建線路于8月4日進入既有線路50 m保護區，GeoMoS監測系統對監測點進行實時監測，數據以累積變化量形式生成。左線監測斷面LDM18—LDM23位于新建線路下穿位置，分別對應人工測量點位CZDM11—CZDM6。自8月5日拆除既有線支護樁開始下穿工作起高程變化明顯，選取8月1日至12月14日共136期數據，以LDM18—LDM23各監測點自動化數據及對應人工數據為樣本繪制沉降趨勢圖結合實際施工情況對監測成果進行分析及精度評定見圖1。

左線LDM18—LDM23各監測斷面分別布設4個監測棱鏡，如圖2所示固定在隧道周圍，在路軌中央布設有供人工水準監測隧道沉降的監測點位CZDM11—CZDM6。

人工監測使用精密電子水準儀（Trimble DINI03）對監測點進行高精度水準測量，對所得觀測結果進行平差并整理成最終成果，該成果滿足二等水準測量規范要求。現為評定自動化監測精度，我們將人工監測成果視為真值，對GeoMoS沉降監測成果進行分析與精度評定。每一觀測周期GeoMoS會命令TS30對每一組（每個斷面）棱鏡進行多測回觀測，視每組4個棱鏡為等精度觀測，由于2、3號棱鏡距離人工監測點位相對較近，1、4號棱鏡較遠，根據各點位對監測結果的貢獻值不同，賦予不同權值，以方差為統計參數計算每期每組自動化觀測數據加權方差。計算并生成統計圖如圖4所示，統計表明，GeoMoS在8月1日至12月14日期間，沉降監測成果方差最大值不大于0.06 mm，且大部分分布于0～0.01 mm之間，該精度完全可以滿足規范要求。

取每期各斷面四個監測點位觀測結果加權平均值為參考值與人工監測成果形成對比，由圖1可見，下穿區間各斷面沉降趨勢幾近相同，則以第18斷面及對應第11人工監測點位數據為例，計算擬合出對比沉降值趨勢圖如圖4所示。

圖中方形離散點為人工監測值，由圖可見，自動化監測曲線在人工監測值上線波動，與人工監測值上下偏差最大為+0.22 mm～-0.18 mm，整體趨勢吻合情況良好。受新建地鐵施工不同階段影響，地鐵隧道沉降值發生相應變化。自8月6日拆除既有站支護樁開始整體曲線呈明顯下沉狀態，進而伴隨初支施工采取注漿加固措施，整體沉降趨于平穩。隨著下穿施工進行，位于下穿線路上方的幾個斷面隨之發生明顯沉降，在9月27日LDM22-2監測點首次超過預警值，隨后各監測點監測數據均超過預警值，隧道施工隨即停止，注漿并采用千斤頂頂托法對土體進行加固，此方法伴隨整個下穿施工過程。下穿施工持續至10月21日，隧道整體下沉達到4.5 mm，由于下沉過程中施工單位配合監測單位及時采取了相應措施對土體及既有站進行加固和保護，未出現嚴重影響。繼下穿工程開挖施工結束后，隧道沉降整體趨勢平緩，監測工作持續至二次襯砌施工結束。

4 結語

通過該文對GeoMoS監測系統的精度評定以及對監測成果的數據分析可見，其高程變形監測精度可達亞毫米級，變形數據穩定可靠，滿足規范要求，該系統可為地保工作提供全天時、全天候、高質量的變形監測成果。現階段城市軌道交通建設高速發展，施工技術日趨成熟，施工效率顯著提高，GeoMoS變形監測系統可滿足高速高效的地鐵施工進度要求，是鐵保護工作中一套及時有效的監測系統。

參考文獻

[1] 張加穎，麻鳳海，徐佳.基于TCA2003全站儀的變形監測系統的研究[J].中國礦業，2005，14（4）：67-69.

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[3] 陳喜鳳，黃騰，劉嶺，等.GeoMoS在地鐵保護區自動化監測中的應用[J].測繪工程，2013，22（2）：64-69.

[4] 衛建東.智能全站儀變形監測系統及其在地鐵結構變形監測中的應用[D].中國人民解放軍信息工程大學，2002.

[5] 黃滿太.全站儀中間法在精密三角高程測量的應用研究[D].中南大學，2008.

[6] 馮顯堂.大氣折光系數的取值[J].鞍鋼技術，1996（2）：47-50.