基于全站機器人監測系統的隧道運營監測分析

趙楊

（中國建筑技術集團有限公司，北京 100013）

0 引言

隨著城市的發展以及地表空間資源的逐步緊張，地下空間開發進程不斷加速，地鐵等大型城市地下空間工程越來越多。在地鐵隧道的施工和運營過程中，可能會受到鄰近地表加載卸載、保護區內基坑開挖以及近距離隧道穿越等因素的影響，導致土體結構應力發生變化，進而出現結構沉降變形，引發安全問題，因此，需要對隧道結構進行監測，變形監測是其中的重要監測內容。

針對大型盾構隧道的變形監測，目前常見的相關技術如下：第一，精密水準測量技術，該技術憑借測量精度高的優勢，在隧道監測工作中得到了廣泛應用，但作業效率低、強度大，難以實現自動化；第二，GPS技術，該技術具有全天候、實時性的特點，可在一定程度上達到連續性監測的效果，但在地鐵隧道工程中會出現GPS 信號被遮擋而無法使用的問題；第三，三維激光掃描技術，該技術高效、快速且自動化程度高，但精度不足。上述幾種技術難以兼顧低成本、大規模布設和準確測量等多方面的監測需要。而測量機器人監測在全站儀的基礎上，集成利用自準原理和CCD圖像處理功能，可實現對目標的全天候自動識別、找準與跟蹤，并獲取距離、角度等信息，可配合數據處理軟件進行數據采集和處理，在隧道結構監測方面有廣闊的應用前景。

1 工程概況

青島地鐵某線進行基坑開挖施工，為監測鄰近地鐵隧道結構受基坑開挖影響的沉降變形情況，在相應區段布設全站儀機器人監測系統。監測區間沿線的地勢相對平穩，地面高程3.33～6.25m，變化不大，地表主要分布厚度1～6.7m 的第四系全新統人工填土，下伏基巖為燕山晚期閃長巖，局部可見花崗斑巖呈脈狀產出，局部受構造作用影響發育，構造巖花崗斑巖（塊狀碎裂巖），強風化層厚4.3～26m；隧道洞身穿越強風化閃長巖地層，地下水主要為巖裂隙水，多為弱透水層，水量較貧，局部接力裂隙發育，受構造影響破碎帶裂隙水含量豐富。

監測區段隧道采用復合式盾構開挖，起點里程為K16+975.000，終點里程為K17+917.9，左線全長為805.402m，右線全長為813.000m，左右線均為單洞單線隧道，兩線隧道中軸線間距14m。在地鐵保護區內基坑開挖施工過程中，監測地鐵隧道的結構變形，通過對分布式光纖監測數據的采集、處理和分析，確保地鐵隧道結構的安全，保證其正常使用。

2 全站機器人監測系統的實施與運行

2.1 全站機器人監測系統的實施

監測系統主要由監測設備、參考點、監測對象和傳輸控制設備四個系統組成。其中，監測設備由高精度全自動測量全站儀、自動化變形監測系統組成；參考點由設置在變形影響范圍外的基準點（至少2點）組成；監測對象由若干個變形監測點組成；傳輸控制設備由通信網絡及遠程電腦組成。

通過測量機器人自動化監測系統監測隧道結構的豎向位移、水平位移情況，基準點分別布設于監測范圍大小里程兩側相對穩固的位置，每側布設3 個徠卡GDR1 棱鏡組作為基準點組，左右線合計12 個基準點；于監測范圍中部設置工作基點，即自動化監測系統測站，布設時避開隧道內管線，建立固定觀測支架、安裝全站儀。監測點布設情況見表1。

表1 監測點布設情況

監測項目隧道結構豎向位移、隧道結構水平位移說明測點采用鉆孔方式埋設，利用膨脹螺絲將徠卡L型棱鏡固定在隧道結構側壁上，并調整棱鏡方向使其正對測站測點間距10～20m，左線19個、右線19個，合計38個數量38個

各監測項目監測預警值和控制值見表2。

表2 監測項目控制值和預報警值

監測項目變化速率控制值/（mm/天）累計變量預警值/mm 控制值/mm隧道結構豎向位移隧道結構水平位移1 1 3 3 5 5

2.2 監測系統的數據采集

通過自動化監測軟件的合理配置，完成定時采集數據的任務。監測過程中定期對監測設備進行維護，并采用人工方式對監測數據進行校核。自2020年8月完成隧道內基準點布設、監測點布設、儀器調試、初始數據采集，至2021年11月，整個監測期間歷時約500 天，共進行1646 次觀測，如表3 所示，順利實現了對地鐵隧道左右兩線的連續運行監測。

表3 監測工作量統計表

序號1234測試天數/次數477 346 477 346項目隧道結構豎向位移（右線）隧道結構豎向位移（左線）隧道結構水平位移（右線）隧道結構水平位移（左線）

各監測項目特征監測數據匯總情況見表4。

表4 特征監測數據統計表

過程累計變量序號監測結論監測項目位置最大值/mm-1.4-1.6 1.4 1.1最后100天平均變化速率最大值/mm位置（時間）1 2隧道結構豎向位移隧道結構水平位移左線右線左線右線YSK17+271.000（2021年7月31日）ZSK17+131.000（2021年3月29日）YSK17+291.000（2020年12月24日）ZSK17+071.000（2021年5月11日）最終累計變量最大值/mm 0.5 0.5 0.5 0.8 YSK17+351.000 ZSK17+051.000 YSK17+051.000 ZSK17+311.000 0.01 0.01 0.01 0.01正常正常正常正常

2.3 全站儀監測系統分析總結

自2020年8月5日完成隧道內基準點布設、監測點布設、儀器調試、初始數據采集，至2021年11月24日，整個監測期間該監測段隧道結構豎向位移、水平位移等多個監測項目的監測數據均處于正常范圍。

隧道結構豎向位移監測數據顯示：監測過程中累計變量在-1.6～1.3mm 范圍，最大值為-1.6mm（ZSK17+131.000，2021年3月29日）；最終累計變量最大值為0.5mm（YSK17+351.000）；最后100 天平均變化速率最大值為0.01mm/天；監測數據均處于正常范圍。隧道結構19 個測點處豎向位移累計變量時程曲線見圖1、圖2。

圖1 隧道結構19 個測點處豎向位移（左線）累計變量時程曲線

圖2 隧道結構19 個測點處豎向位移（右線）累計變量時程曲線

隧道結構水平位移監測數據顯示：監測過程中累計變量在-1.4～1.4mm 范圍，最大值為1.4mm（YSK17+291.000，2020年12月24日）；最終累計變量最大值為0.8mm（ZSK17+311.000）；最后100 天平均變化速率最大值為0.01mm/天；監測數據均處于正常范圍。隧道結構19 個測點處水平位移累計變量時程曲線見圖3、圖4。

圖3 隧道結構19 個測點處水平位移（左線）累計變量時程曲線

圖4 隧道結構19 個測點處水平位移（右線）累計變量時程曲線

監測期間現場巡查，隧道結構正常使用，未見明顯病害；外部作業工程、周邊環境未見異常；監測設施設備未發生被破壞情況。

在整個基坑施工過程中，通過對全站機器人監測系統監測數據的處理分析發現，在鄰近基坑開挖過程中，隧道結構沒有出現較大的變形，隧道的整體安全狀況良好。可以認為，該地鐵隧道區段布設實施的全站機器人監測系統的監測數據可在鄰近基坑開挖過程中保證地鐵運營的安全。

3 結論

為了自動化監測鄰近基坑開挖過程中隧道結構的變形情況，掌握變形程度及變形趨勢，保證地鐵隧道的運營安全，提出在隧道結構中布設全站機器人監測系統，及時掌握地鐵隧道的安全狀態。工程實踐證明，相較于傳統的監測手段，全站機器人監測系統具有如下優勢：

第一，全站機器人監測是一種人為影響因素少、自動化程度高的監測方法，能夠實現連續自動監測，監測效率較高；第二，采用光學測量，結果為直觀的位移數據，可信度較高，數據可接受度高；第三，受地鐵運營時間的限制較小，可實現全天候實時自動監測，能夠很好地滿足連續性監測的需要，且系統穩定性高；第四，工作人員不進入實地即可采集到數據，可以消除一些安全風險，且能節約人力成本。

該監測項目的成功實施，對于積累全站機器人自動化監測經驗、提高監測系統水平等有指導意義，且表明全站機器人監測系統在地鐵隧道結構變形監測中效果良好，可保證地鐵隧道結構安全，有較高的推廣與使用價值。