測量機器人在地鐵隧道自動化監測中的應用

姜信東

（江西煤田地質局二二三地質隊，江西鷹潭335000）

1 概述

隨著測繪技術和各種精密測量儀器的發展，變形監測也出現了新的變革和發展。電腦型全站儀配合豐富的軟件向全能型和智能型方向發展，形成了TPS（Totalstation Position System）系統。帶電動馬達驅動和程序控制的TPS 系統結合激光、通訊及CCD 技術，可以實現測量的全自動化，集自動目標識別、自動照準、自動測角、自動測距、自動跟蹤目標、自動記錄于一體的測量系統，稱為測量機器人。測量機器人超級目標捕捉系統驅動全站儀快速照準棱鏡所在方位，并對目標實施高精度的自動照準和測量。獲取角度、距離、三維坐標及影響等信息，進而得到物體的形態及其隨時間的變化。

2 工程概況

華聯寶安27區舊改項目位于深圳市寶安27區，擬建場地南側用地紅線距離地鐵環中線左側地鐵隧道距離約20.5m，基坑開挖深度約8～16.9m；按設計要求在基坑開挖施工開始對地鐵五號線（環中線）“洪浪北站”至“靈芝站”之間的地鐵隧道及軌道進行變形監測，以保證地鐵正常運營和安全及舊改項目的順利進行。

3 執行標準

（1）《工程測量規范》（GB 50026-2007）；

（2）《建筑變形測量規范》（JGJ 8-2007）；

（3）《城市軌道交通工程測量規范》（GB 50308-2008）；

（4）《深圳城市軌道交通地下工程監測技術規范》，深圳市地鐵集團有限公司，2010年12月。

4 監測內容及變形監測網布設

4.1 監測內容

根據本工程設計文件及相關技術要求，在受基坑工程影響的地鐵五號線（靈芝站至洪浪北站）隧道左線內對隧道拱頂沉降、水平位移位、地鐵軌道沉降及隧道曲率變化進行監測。

4.2 變形監測網布設

（1）工作基站設置，監測工作基站設置在隧道側面墻壁上，支撐托架長度不超過相應的車輛限界和設備限界，一般伸出長度大約為400mm，在監測工作過程中，定期檢查工作基點的穩定性，保證后續工作的順利進行。

（2）變形監測點的布設，按設計要求，監測點的布設按舊改項目項目基坑相對應范圍內每隔10m布置一個監測斷面，每個監測斷面內由1個隧道拱頂沉降點、2個隧道水平位移點和2個軌道沉降監測點(隧道曲率監測點用左側軌道監測點作為曲率監測點）,共23個監測斷面。

工作基站及隧道監測斷面布點如圖1所示。

5 監測方法及儀器參數設置

（1）本項目使用儀器為SOKKIA全站儀，AutoMoS自動化變形監測系統。采用固定式全自動三維同步監測方法進行持續監測。

整個系統由測量機器人監測臺、供電、控制、計算、通信及反射凌鏡組成，并配備專門軟件。

（2）儀器參數設置：主要是對基本參數、自動測量參數、自動測量、測量數據處理、成果輸出等參數進行設置。

圖1 工作基站及隧道監測斷面布點圖

6 監測頻率及預警值

6.1 監測頻率

監測頻率：土方開挖過程中，每天觀測3 次；樁基施工期間每天觀測5 次；至施工完成變形穩定止。

6.2 監測預警值

（1）隧道結構安全保護第三方監測控制指標：

①隧道結構絕對沉降量及水平位移量不大于5mm（包括各種加載和卸載的最終位移量）；

②道床（參考軌道變形指標）豎向變形小于±2mm，兩軌道橫向高差小于2mm。

③隧道的相對變曲不大于1/5000，隧道縱向變形曲線的曲率半徑R≥30000m。

④由于打樁振動、爆炸產生的震動隧道引起的峰值速度不大于1.20cm/s（對連續性的震動控制指標應按50%甚至更為嚴格控制）。

（2）監測警戒值：第三方監測的實際變形警戒值為最大允許變形值的50%，報警值為最大變形允許值80%。

當出現大于警戒值和報警值時，系統將自動通過手機短信的方式立即向申請人、施工單位、城市軌道交通公司、城市軌道交通運營管理辦公室發出預警及報警。以便采取相關措施保證隧道結構安全。

7 監測數據處理

（1）數據采集、整理。現場監測儀器(全站儀)自動數據采集，并將數據自動傳輸到數據庫管理系統。

（2）數據分析及預報。自動監測系統根據全站儀量測數據繪制測點時間位移曲線散點圖和距離位移曲線散點圖，進行實測變形量與預報值比較。最終輸出成果表及位移量—時間曲線圖，以便對工程的安全狀態和應采取的措施進行評估決策。

8 技術保證措施

8.1 監測方法

采用固定式全自動三維同步監測方法進行持續監測。即固定測站儀器，固定監測目標凌鏡、監測人員、監測時間。對于相關的數據、信息，做到實時采集、處理、傳輸、分析和預警，減少誤差提高精度。

8.2 監測儀器的定期維護

定期對測量機器人進行維護保養。減少水汽、灰塵及地鐵運行對儀器的影響，提高測量機器人的工作效率和保證地鐵隧道監測的精度。

8.3 監測系統功能設計

根據監測精度要求及測量儀器的特點針對性地進行設置。

（1）建立項目進行初始化設置：以工程形式進行項目管理，便于監測過程中相關數據的保存。系統初始化設置實現測量機器人與計算機通訊串口通訊參數一致。

（2）對所有監測目標點進行首次人工測量，獲取目標點的三維位置信息，便于后期控制測量機器人完成自動測量。

（3）自動測量：設置自動觀測時間段，以控制測了機器人在指定的時間段完成自動觀測。

（4）智能處理：遮擋處理與超限處理。

（5）數據處理：實時多重差分改正，最大限度地消除或減弱多種誤差因素。

（6）變形趨勢實時多態圖解顯示，可以同時顯示斷面上的所有點的位移量。

（7）變形量超限時自動報警。

9 結論

（1）自動化變形監測測量系統能夠替代傳統測量方法對地鐵隧道快速完成位移與沉降等變形監測。

（2）簡化了氣象等附加設備，用實時差分式的測量方案，最大限度地消除或減弱多種誤差因素。系統在計算機的控制下實現全自動、高精度的變形監測。

（3）實時進行數據采集、數據處理、數據分析、報表輸出及提供圖形等。

（4）實現手機短信自動報警，便于采取相關措施保障隧道結構及地鐵運營安全。