測量機器人對既有地鐵隧道監測、施工搶險的應用

陳 昊

（中鐵西南科學研究院有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

近接既有線的新建地下軌道交通工程及大型市政工程、工民建基坑工程的施工可能使地鐵結構及軌道產生位移變形，從而可能對地鐵安全運營產生影響。雨季期某晚暴雨后，南方某市地鐵新建路線區間（下穿既有線）地質突變，盾構機推進所在斷面上方路面發生塌陷，既有線盾構結構出現輕微拉裂破損，既有隧道原監測系統數據顯示，相應位置道床下沉4～15 mm。既有線當天停止運營，業主、施工單位、監測單位馬上組織搶險，確定不間斷實時監測方案，并由監測數據指導注漿搶險施工。

1 對既有隧道監測及指導搶險的方案及實施

監測方案主要技術要點如下：

1.1 儀器的布設和監測頻率

因下穿既有線新建地鐵施工，既有隧道洞內原已安置萊卡TS30 測量機器人2 臺（上行線和下行線各一臺），并以每4 小時1 次的頻率進行監測。在地質突變險情發生后，監測頻率提高到每小時1 次，對變形區20 個斷面（斷面間隔距離5 m）進行重點觀測。每個斷面左右兩側設置一對棱鏡（高度在考慮通視情況下盡量維持一致，兼具監測盾構左右方向位移和收斂的作用），道床設置一對棱鏡（監測道床沉降），一個掃描循環時間約40 min。每小時觀測一個循環并24 h×7 不間斷動態監測。監測數據自動上傳到萊卡監測系統平臺，自動處理數據并作篩選分析，形成表格+圖文報告發送。既有隧道斷面監測點布置如圖1 所示。

圖1 既有隧道斷面監測點布置

1.2 使用絕對坐標系

原監測系統使用相對坐標系，僅能體現管片位移變化，而不能體現監測斷面的實地位置，故搶險監測中改為采用絕對坐標系進行施測。平面控制網從車站軌道道床引出（使用竣工時布設的軌行區中軸線控制點，經檢驗誤差符合規范要求）引入洞內并遠離變形區的較穩定位置布設4 個后視控制點（3 個作為后方交會后視控制，1 個備用），測量機器人使用后方交會方法定向，隨時修正測量機器人所在平面位置坐標。使用絕對坐標的意義如下：

（1）確定既有線監測斷面所在實地位置（以及既有線里程標號），與新建地鐵施工路線環號、加固注漿孔位置重合在一張圖紙上，對施工工況解讀、注漿搶險施工具有重大指導作用。

（2）通過設計院調用既有路線竣工圖，讀取其區間平曲線、豎曲線要素，輸入隧道斷面測量分析軟件。將首次觀測的監測數據輸入隧道斷面測量分析軟件，自動計算出盾構管片與隧道中線的偏距，得到偏距初始值，后續對比每次觀測的偏距可以得知管片的位移量和方向。如既有線上行線往大里程方向，右側管片偏距變小表示往左方向移動。如圖2 所示，可以馬上得到的數據評估如下：①通過監測點坐標計算所在既有線的里程樁號；②通過監測點坐標計算偏離中線值，即可換算盾構管片的位移和收斂值；③圖形評估，斷面現狀和竣工斷面的偏差。

圖2 斷面測量分析軟件界面

綜上所述，使用絕對坐標系，對施工指導和監測數據處理具有雙重意義。

通過當晚實時報送監測數據和分析圖文，既有線關鍵部位，即里程K28+355 處道床顯示最大隆起4 mm，里程K28+325～K28+375 的50 m 影響范圍內隆起0～1 mm，表明注漿加固有效，并根據道床隆起速率指導控制注漿速度。至次日凌晨4 點，數據顯示既有隧道管片位移趨于穩定，遂恢復通車運營。地鐵2號線下行線道床豎向位移時態曲線如圖3 所示，地鐵2 號線下行線道床沉降速率時態曲線如圖4 所示。

圖3 下行線道床豎向位移時態曲線

圖4 下行線道床沉降速率時態曲線

2 后續施工指導作用

既有線通車運營后，施工單位持續對地質突變影響范圍以及盾構即將推進的范圍注漿，時間約1 個月。機器人監測系統持續以高頻率實時報送數據，結合監測數據和注漿施工孔位置圖，在晚間指導注漿施工。整個注漿施工過程，監測數據顯示既有隧道結構趨于穩定。

3 結束語

（1）自動化監測系統具有實時、快速的優點，真正意義上的24 h×7 連續自動監測系統。可以短消息、電郵發送報警信息。全過程自動化管理，無需用戶現場操作，特別是在搶險時可免除人身安全風險。系統對各種傳感器接口豐富，不僅僅可以連接測量機器人，也可以連接GPS、傾斜儀等傳感器。自動化監測系統組成如圖5 所示。

圖5 自動化監測系統組成

（2）采用絕對坐標系對注漿搶險施工具有指導意義。使監測斷面位置與注漿孔位置結合，即使是因為遠距離導線（一般情況下地鐵區間長度約2 km，從任一端車站出發至區間中心點，總長即1 km）傳導坐標引起誤差，使測量機器人的點位坐標與絕對坐標的較差達到0～10 mm，對注漿施工而言，這個級別的誤差在可接受范圍。

（3）測量機器人系統平臺功能普遍單一，具備報送三維坐標X、Y、Z 變量、速率、累計變量、預報警等功能，但無針對隧道管片位移的分析功能。隧道斷面分析軟件功能完善，也可以與全站儀連接實施測量控制，但缺少與監測平臺接口的模塊。因此，對測量機器人軟件平臺的后續開發中可以考慮加入隧道斷面計算分析模塊，將隧道分析測量軟件與平臺結合起來，且加入斷面形狀圖形分析功能，增強指導性。