測(cè)量機(jī)器人在地鐵隧道自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

方齊樂

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518029）

1 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，地下空間已成為人們生產(chǎn)和生活的重要活動(dòng)場(chǎng)所。測(cè)量機(jī)器人是一種能夠進(jìn)行目標(biāo)自動(dòng)搜索、識(shí)別、跟蹤和精確照準(zhǔn)，并獲得角度、距離和三維坐標(biāo)等信息的自動(dòng)化智能型電子全站儀[1]。測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)集自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、自動(dòng)照準(zhǔn)、自動(dòng)測(cè)距、自動(dòng)測(cè)角、自動(dòng)跟蹤目標(biāo)、自動(dòng)記錄于一體，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量的全自動(dòng)化[2]。

地鐵隧道監(jiān)測(cè)具有高精度、高頻率和高時(shí)效性特點(diǎn)，但是地下空間環(huán)境復(fù)雜，存在安全隱患。以往主要有自動(dòng)化靜力水準(zhǔn)、人工測(cè)量和測(cè)量機(jī)器人等監(jiān)測(cè)方法。靜力水準(zhǔn)沉降監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但僅能提供一維沉降信息，存在一定的局限性；人工測(cè)量存在人為照準(zhǔn)誤差，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且無(wú)法全天候獲取多方位數(shù)據(jù)，出報(bào)表周期長(zhǎng)。長(zhǎng)期以來(lái)測(cè)量機(jī)器人以其高精度、自動(dòng)編程、高智能照準(zhǔn)和識(shí)別目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，在大型水庫(kù)、大壩、橋梁和山體滑坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用日益廣泛[3,4]。本文以深圳地鐵1 號(hào)線自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)為例，在某臨近建筑深基坑施工周期內(nèi)，采用測(cè)量機(jī)器人對(duì)地鐵隧道的結(jié)構(gòu)整體變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為地鐵運(yùn)行實(shí)時(shí)提供高準(zhǔn)確度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)各變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量與預(yù)警值進(jìn)行比較和分析，研判地鐵形變的變化趨勢(shì)，為地鐵隧道施工提供了數(shù)據(jù)指導(dǎo)，為項(xiàng)目施工期間地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全和正常使用提供了保障。

2 工程概況

項(xiàng)目位于城市商務(wù)中心的核心地段，城市軌道交通1 號(hào)線西南側(cè)，該基坑屬超深基坑，長(zhǎng)約380m，寬約180m，開挖深度20m ～27m。項(xiàng)目場(chǎng)地東北側(cè)為在運(yùn)營(yíng)的地鐵1 號(hào)線區(qū)間隧道，上行線隧道距離坑邊最小約37.5m，下行線隧道距離坑邊最小約50.7m，東北側(cè)部分基坑在軌道交通設(shè)施保護(hù)范圍內(nèi)。

受建設(shè)項(xiàng)目基坑開挖影響，地鐵隧道區(qū)間約260m范圍隧道發(fā)生沉降偏移。目前地鐵已限速行駛，考慮后續(xù)項(xiàng)目仍需施工，需對(duì)影響段隧道進(jìn)行糾偏回調(diào)。為確保地鐵運(yùn)營(yíng)安全，工程綜合采用卸載、注漿加固和控制注漿的方法加固受影響區(qū)段地層，并回調(diào)隧道變形。在注漿糾偏試驗(yàn)過(guò)程中需嚴(yán)密監(jiān)控隧道及隧道周邊土體的變化情況，為現(xiàn)場(chǎng)糾偏施工提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

3 技術(shù)路線

本項(xiàng)目采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)為主、人工監(jiān)測(cè)為輔的監(jiān)測(cè)方法，采用Lecia TS50 測(cè)量機(jī)器人與Geomos 專業(yè)監(jiān)測(cè)軟件配套使用的方式，實(shí)現(xiàn)地鐵隧道的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。同時(shí)基于Visual Basic 語(yǔ)言設(shè)計(jì)海量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理程序并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)的基本思路為：接到業(yè)主委托任務(wù)→資料收集、分析→現(xiàn)場(chǎng)踏勘→組織專業(yè)技術(shù)人員擬定監(jiān)測(cè)方案、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)→組織專家對(duì)技術(shù)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行評(píng)審論證→進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)、儀器布設(shè)等工作→儀器調(diào)試→自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立→監(jiān)測(cè)內(nèi)業(yè)處理→成果檢查、校核→成果表、技術(shù)報(bào)告→驗(yàn)收→成果歸檔、交業(yè)主→后期服務(wù)。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

4.1 儀器設(shè)備及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件部分主要有徠卡TS50 型自動(dòng)全站儀、棱鏡連接器、目標(biāo)棱鏡、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、電源箱[5-7]。（1）徠卡TS50 型自動(dòng)全站儀。利用測(cè)量機(jī)器人高智能自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行水平角、垂直角、距離數(shù)據(jù)的采集。（2）棱鏡連接器。將棱鏡固定在全站儀腳架上或固定監(jiān)測(cè)墩子點(diǎn)位，使之成為測(cè)站或鏡站。（3）目標(biāo)棱鏡。目標(biāo)棱鏡一般均勻安裝在變形監(jiān)測(cè)目標(biāo)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)上。（4）計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)軟件通過(guò)控制測(cè)量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。（5）網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備。通過(guò)有線或無(wú)線方式建立一個(gè)專用的通訊鏈路，實(shí)現(xiàn)全站儀和監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。（6）電源箱。為測(cè)量機(jī)器人等設(shè)備提供不間斷電源[8-10]。變形監(jiān)測(cè)設(shè)備組成如圖2 所示。

圖2 變形監(jiān)測(cè)設(shè)備組成

結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)和規(guī)范要求，監(jiān)測(cè)網(wǎng)測(cè)量要求和控制指標(biāo)如表1 和表2 所示。

表1 監(jiān)測(cè)網(wǎng)測(cè)量參數(shù)要求

表2 地鐵盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制指標(biāo)

軟件部分采用地鐵隧道結(jié)構(gòu)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行管理。系統(tǒng)集變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、處理、分析、預(yù)警預(yù)報(bào)和傳輸分發(fā)為一體，形成高度智能的自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。

4.2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

根據(jù)規(guī)范和項(xiàng)目安全評(píng)估方案要求，結(jié)合基坑與地鐵空間位置關(guān)系以及本工程應(yīng)急搶險(xiǎn)的特殊性，與基坑對(duì)應(yīng)位置的隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面間距按照5m 設(shè)置，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)5 個(gè)點(diǎn)位，如圖3 所示，分別是拱頂1 個(gè)、側(cè)壁2 個(gè)、道床2 個(gè)，隧道左線和右線共布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)2395 個(gè)，用于監(jiān)測(cè)隧道結(jié)構(gòu)平面位移、豎向位移、相對(duì)收斂、隧道尺寸、道床橫向和豎向高差等內(nèi)容。

圖3 隧道斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布

4.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

項(xiàng)目解決了人工監(jiān)測(cè)只能地鐵停運(yùn)監(jiān)測(cè)的局限性，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸監(jiān)測(cè)成果和預(yù)警、預(yù)報(bào)；同時(shí)基于Visual Basic 語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了海量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理程序，可及時(shí)處理分析海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，大大提高內(nèi)業(yè)工作效率，有效節(jié)約成本。海量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 基于VB的海量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

5 監(jiān)測(cè)效果及分析

5.1 監(jiān)測(cè)效果對(duì)比

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均由自主開發(fā)的程序進(jìn)行處理，系統(tǒng)接收到各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，能及時(shí)進(jìn)行解算，計(jì)算變形量，評(píng)估隧道結(jié)構(gòu)物的安全性。項(xiàng)目監(jiān)測(cè)周期從2019 年3 月持續(xù)到11 月。在隧道區(qū)間內(nèi)左右線共布設(shè)342 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，項(xiàng)目結(jié)合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和人工水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)方法，對(duì)比分析同時(shí)段的兩種監(jiān)測(cè)成果，以評(píng)估自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)自動(dòng)化與人工監(jiān)測(cè)成果相差大于 （m人為當(dāng)期人工監(jiān)測(cè)中誤差，m自為當(dāng)期自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中誤差）時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整設(shè)備參數(shù)，更換監(jiān)測(cè)頻率，分析查找兩種監(jiān)測(cè)成果差異較大原因，解決列車震動(dòng)、施工、氣流等因素對(duì)監(jiān)測(cè)精度的影響。以人工（二等水準(zhǔn)和三等導(dǎo)線）和自動(dòng)化垂直位移為例，對(duì)比分析同期左、右線兩種監(jiān)測(cè)方式下垂直位移階段變化量曲線，如圖5和圖6 所示。

圖5 地鐵左線自動(dòng)化與人工階段沉降量曲線圖（mm）

圖6 地鐵右線自動(dòng)化與人工階段沉降量曲線圖（mm）

5.2 精度對(duì)比分析

（1）距離的差分改正：因氣象元素的距離大氣折射率等因素，可利用基準(zhǔn)站和各監(jiān)測(cè)站的已知距離，解算距離氣象改正比例系數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)差分改正。

（2）球氣差的改正 ：因球氣差對(duì)高差測(cè)量的影響，基于精密水準(zhǔn)測(cè)量可知監(jiān)測(cè)站和基準(zhǔn)點(diǎn)間的高差，利用變形監(jiān)測(cè)高效快捷的特點(diǎn)（球氣差改正系數(shù)），解出變形點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)經(jīng)球氣差改正的三角高差和平距。

（3）方位角的差分改正：因大氣水平折光和水平度盤零方向的變化等，無(wú)法保證儀器在長(zhǎng)期變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中的絕對(duì)穩(wěn)定，故需考慮水平方位角差分改正。

（4）變形點(diǎn)三維坐標(biāo)和變形量的計(jì)算：基于距離和方位角兩項(xiàng)的差分改正，按極坐標(biāo)計(jì)算公式可準(zhǔn)確求得每周期各變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)施情況，驗(yàn)證了測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)要點(diǎn)，達(dá)到預(yù)期效果。通過(guò)測(cè)量機(jī)器人在工程中的具體應(yīng)用，采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化的監(jiān)測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)便靈活，避免了人為測(cè)量誤差，降低了勞動(dòng)成本，提高了工作效率。該方法為基坑開挖引起的地基變形提供了準(zhǔn)確及時(shí)的數(shù)據(jù)，積累了豐富的監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于保障地鐵隧道安全運(yùn)營(yíng)具有重大意義。