基于智能型全站儀的地鐵隧道變形自動化監測技術及應用

郭 峰，劉 琴

（長江三峽勘測研究院有限公司（武漢））

1 引言

新建地鐵的工程量較大且施工和測量復雜，各項工序都是交錯進行，對臨近運行中的地鐵的監測形成了一定的干擾，因此，對已投入運行的地鐵隧道要進行實時監測。由于智能型全站儀的自動化監測技術可以有效地對地鐵隧道現場進行數據監測，并且可采集相應的數據，準確、及時地掌握和了解地鐵隧道的變形情況，所以，使用智能型全站儀對地鐵隧道變形自動化監測具有重要的意義。

圖1 監測點坐標和高程示意圖

2 智能型全站儀的監測原理

2.1 全站儀的三維坐標監測原理

地鐵隧道變形監測的參考點，也可稱作基準點，獲得與監測點的邊角角度后，通過邊角的角度可以測算出平面的坐標和高度，如圖1所示。

圖1中的A、B、C代表三個參考指定的坐標和高程，P點代表全站儀的置鏡區域，i是監測點。通過后方交會測量技術，可以先算出P點的坐標和高程（Xp，Yp，Hp），從而可以測算出i點的坐標與高程（Xi，Yi，Hi）[1]。如果監測點的初始周期的坐標點為（Xi1，Yi1，Hi1）（初始值），那么各個監測點的第n期相比于初始周期的變形量為 ΔX=Xin-Xi1，ΔY=Yin-Yi1，ΔH=Hin-Hi1。

2.2 圍巖收斂變形監測原理

如圖2所示，A、B兩點代表位于地鐵隧道管片兩側的監測點上的棱鏡，S點為全站儀的監測站，d為兩個棱鏡間的距離，b、a、α分別為全站儀與監測點A、B間的測量距離和角度，可以根據三角函數中的余弦公式得出在不同測量時期d值的變化，以此來反映地鐵隧道雙面側壁的變形狀況。如果初始周期的弦長d1被設置為初始值，那么第n期相比于初始周期的變形量ΔS=dn-d1。

圖2 地鐵隧道雙面側壁變形量示意圖

3 智能全站儀系統設計與應用

3.1 系統的設置

在地鐵隧道變形監測中，智能全站儀可以通過測量機器人的強大功能來進行工作。智能機器人可以實現自動搜索、自動找準、自動測量等功能，技術人員可預先對機器人進行編程，實現人機互動、遠程遙控、數據傳輸、數據存儲和分析的功能，以此實現對地鐵隧道變形狀況的自動監測，同時，對地鐵隧道內發生的變形狀況進行實時反饋。機器人應用于地鐵隧道監測主要分為以下三個部分：

1）監測數據采集系統

機器人經過更加深層次的開發，可實現功能上的擴展，具備自動搜索、自動找準、自動測量等功能，并根據指令進行控制，采集相關數據。在數據采集的過程中，機器人搭載的軟件為GeoMoS與ADM-SL2及機載軟件。

2）無線通信系統

測量地鐵軌道的機器人利用無線連接的模式進行遠程作業，操作人員通過無線技術將指令傳達到數據采集系統中，采集系統又將所收集到的數據傳輸到控制中心。

3）控制系統

控制系統通常放置在辦公室內，利用IP網絡下達和接收指令，同時可以分析機器人所獲取到的信息。

3.2 監測數據采集

在機器人進行監測前，全站儀首先要進行測量學習，這里的測量學習是指專業操作人員需要對機器人的參數進行調整，然后對監測點進行人工校準，即校準機器人相較于定向點的水平角度與監測站的天頂距，并且保存其初始值數據。地鐵隧道變形自動化監測技術的核心功能就是地鐵隧道自動測量系統。由控制中心通過網絡傳輸指令，對機器人進行指揮，控制機器人對地鐵隧道的監測點和位置進行自動搜索、瞄準和測量，并通過之前設置好的各項參數，設置手動或自動的監測方式對數據進行實時監測，并及時地將數據傳輸到返回控制中心。

3.3 監測數據傳輸

GPRS DTU采用ARM9高性能處理器，通過軟件平臺對系統進行實時操作，在硬件配置上，采用超大內存，且在其內部采用TCP/IP協議,可以為用戶在數據采集上提供高效穩定的傳輸模式、始終在線的數據終端和多協議轉換的虛擬網絡。在應用機器人前，首先要對機器人進行參數設置，通過軟件設置確定控制中心的IP和端口，令竄口和采集器進行對接，最后通過之前設置好的IP和端口連接，實現雙接口的數據透明傳輸。

4 智能型全站儀在智慧城市中的實際應用

本文以某市地鐵5號線為例介紹智能型全站儀在智慧城市中的實際應用。在地鐵5號線的一期、二期工程中，由于有3號線通過，所以，在5號線的施工過程中，務必保證3號線的安全運行。因此，在5號線施工過程中要對3號線的地鐵隧道變形情況進行實時監測。此項工程的監測內容包括地鐵3號線隧道管片結構的沉降、水位監測和道床沉降，等等。由于監測區域大、易產生變形區域較多、監測的頻率較高及數據量龐大，且面臨在地鐵3號線運行時，監測人員無法進場的難題，所以此時，只能使用自動化監測設備來為3號線和5號線地鐵的正常運行提供監測數據。

4.1 基準點的排布設置

在變形影響區域外的一定范圍內，在地鐵3號線分布了3個基準點，這樣可以有效保障監測結果的準確性。同時，定期對監測基準點的穩定性進行觀察，嚴格控制基準點與置鏡點的距離，使置鏡點與基準點的距離大于與監測點的距離，以保證監測點的準確度。

4.2 監測點的排布設置

在地鐵隧道變形影響區域內的范圍內，要做到每個隧道中每5m作業設置1個監測斷面，在每個斷面上要再設置5個監測點。其中，2個監測點為水平位置監測點，2個為道床沉降監測點，1個為拱頂沉降監測點。在監測中，由于全站儀的三角形高程測量的精確度比較低，所以，為了保證測量的精確度，在隧道中還排布了靜力水準測量系統來保證監測的精準度。

5 監測數據分析

根據設計要求，地鐵隧道變形水平和垂直位移的最大值不可以超過±10mm，并且設置最大值的1/3作為報警值，即±3.3mm；設置最大值的2/3作為警戒值，即±6.7mm。另外，對于沉降的速率也有極高的要求，要求控制在2.0mm/d，且道床的最大沉降值為4mm，在最大值達到70%時為警戒值，即2.8mm。在監測過程中，如果發生超出以上各個數值的情況，監測系統會向相關人員發送報警信息。而在實際監測中，道床沉降值超出了警戒值，沉降的速率也超過了設計值。為了驗證監測系統的準確性，操作人員與靜力水準測量數據進行了對比。監測對比結果表明，智能型全站儀的監測系統準確無誤，數據可靠。針對該情況的發生，相關部門組織了專家研討會，并在會議上對所發生的狀況提供了解決辦法。經過專家的建議，在隧道變形處采用了注漿加固的處理方式，在實施過程中，效果良好，并且，在之后的施工和監測中，沉降狀態趨于穩定。

6 結語

智能全站儀不僅可以對地鐵隧道的變形狀況進行監測，還可以將獲取到的數據輸送到檢查中心，必要時還可以發送報警信息，為地鐵工程的施工和運行提供強大的安全保障，從而促進智慧城市的安全發展。