串聯TM50測量機器人在隧道變形監測中的應用

顧煒澄

（1.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101）

近年來地鐵隧道變形監測一直備受關注，對地鐵運營隧道進行實時的變形監測是一項必要的工作，傳統測量不能準確實時快速反映出隧道變形狀況，單臺機器人自動化監測受監測范圍影響。本文基于2臺TM50測量機器人進行串聯，建立自動化監測系統，對大基坑開挖影響毗鄰運營地鐵隧道的結構變形情況進行實時監測，以人工復核結果對自動化監測數據進行精度評估，為同類型項目提供參考依據[1-12]。

1 測量機器人監測點位布設及作業流程

1.1 測量機器人監測點位布設

為了能夠對影響區間隧道進行高精度實時監測，2臺串聯TM50測量機器人在布設時應盡可能假設在影響隧道區域中心的位置，為了保證監測精度，測量機器人在布設時應考慮測站與基準點間的位置關系?；鶞庶c一定要布設在不易產生結構變形的位置。監測點小棱鏡布設在盾構管壁兩腰及道床兩側，每個斷面共布設4個棱鏡，與測量機器人在同側管壁的棱鏡布設時，棱鏡和儀器總體應呈“V”型或“∧”型分布，并根據隧道現場位置情況錯開棱鏡，避免小視場角情況的發生。同時，測量儀器與棱鏡必須滿足限界的要求，以保證行車安全。監測點位示意圖如圖1所示。

圖1 監測點位示意圖

1.2 自動化監測作業流程

本項目自動化監測系統包括2臺TM50測量機器人，棱鏡組（包括基準點棱鏡8個、監測點棱鏡200個、雙面棱鏡2個等）、CPRS通信模塊、計算機及徠卡GeoMoS軟件、供電設備等。目前，徠卡TM50型測量機器人可以實現ATR自動照準精度達0.5 s，手自動均達到0.5 s的超高精度儀器，GeoMoS軟件是由徠卡測量系統研發的自動化監測軟件平臺，可為實現實時監測提供處理手段。考慮到開挖項目對區間隧道的影響，只需監測隧道相對變形狀況。因此，自動化監測系統采用獨立坐標系，整個控制網的網型須科學，結構要合理。

2臺串聯測量機器人自動化監測的原理是基于全站儀支導線的方式進行坐標傳遞，2臺串聯機器人自動化監測時可以單臺機器人測量范圍的劣勢，如無限制增加串聯臺數，根據誤差傳播定律測量精度會隨之降低，根據工程需要確定最佳串聯臺數即可。本項目自動化監測系統工作時，測量機器人1號首先對基準點其中1個基準點進行定向測量，作為已知點，再測量其余基準點（3個）、監測點棱鏡1組（100個）、雙面棱鏡（2個）進行測量，得到目標三維坐標信息，測量機器人2號對基準點棱鏡2組（4個）、監測點棱鏡2組（100個）、雙面棱鏡（2個）進行測量，1號和2號測量機器人通過共同測到雙面棱鏡三維坐標信息進行坐標傳遞，得到監測點棱鏡2組三維坐標信息。測量數據通過CPRS信模塊傳回至數據庫，GmoMoS自動平差助手對數據進行平差處理得到測站及監測點位最新坐標信息，從而達到對隧道實時監測的目的。

2 自動化監測數據處理

沉降數據處理。通過測量機器人自動化監測，得到各管片上監測棱鏡的高程值，再利用高程值計算各個監測點點沉降量。各個監測點的沉降量為：

式中，ΔHi為沉降值；Hi為第i次測量的高程；Hi-1為第i-1次的高程。

2）水平位移數據處理。通過自動化或人工監測得到各監測點的平面坐標，根據平面坐標變化得到隧道橫向、縱向位移。各監測點的本次橫向位移量為：

各監測點的最近縱向位移量為：

式（2）、（3）中，ΔXa為a點最近兩次監測期的橫向位移量；ΔYa為a點最近兩次監測期的縱向位移量；Xai為a點第i次監測得到的X坐標；Xai-1為a點第i次前一次監測得到的X坐標；Yai-1為a點第i次前一次監測得到的Y坐標；Yai0為a點第1次監測得到的Y坐標。

3）管片收斂數據處理通過監測各監測點的三維坐標數據反算測點間水平、豎向距離Si，并與上次的值Si-1進行比較，其差值就是本期水平向、豎向收斂量，計算公式為：

式（4）、（5）中，xa、ya、ha為監測點a的三維坐標信息；D為本次隧道收斂量；Si-1為上次測量隧道內徑值；Si為本次測量隧道內徑值。

3 精度評估

本次基坑開挖影響地鐵隧道范圍約300 m，每6 m布設一個監測斷面，共計對50個斷面進行監測，本文將自動化監測結果與人工復核結果進行對比分析，驗證測量機器人自動化監測的精度。

3.1 沉降對比分析

以某臨近建筑基坑施工周期內，采用串聯TM50測量機器人對運營隧道進行實時監測，基于人工二等水準測量數據驗證串聯測量機器人在沉降方向上的精度，將數據進行統計對比分析結果如圖2，串聯測量機器人自動化測量沉降累計變化量與人工測量沉降累計變化量偏差如圖3所示。

圖2 人工復核與串聯機器人監測沉降累計對比分析

圖3 人工復核與串聯機器人監測沉降互差分析

由圖2可知，基坑在開挖過程中對毗鄰運營地鐵隧道結構產生了顯著沉降變化，串聯測量機器人監測數據顯示在監測斷面編號43處產生最大沉降量為-24.0 mm，人工監測數據顯示在監測斷面編號43沉降量為-25.2 mm，監測斷面編號43自動化監測與人工復核的偏差為-1.2 mm，總體而言，串聯測量機器人自動化監測與人工復核監測具有較好的一致性。由圖3可知，人工復核與串聯機器人監測沉降互差在4 mm以內，在監測斷面26處最大互差為-3.4 mm，50個監測斷面沉降平均互差為-0.9 mm，通過人工復核進一步驗證了串聯測量機器人對隧道沉降監測數據的正確性與穩定性。

3.2 收斂對比分析

基于人工測距儀測量隧道管片變形量驗證串聯測量機器人在管片收斂方向上的精度，將數據進行統計對比分析結果如圖4所示，自動化測量管片收斂累計變化量與人工測量管片收斂累計變化量偏差如圖5所示。

圖4 人工復核與串聯機器人監測收斂累計對比分析

圖5 人工復核與串聯機器人監測收斂互差分析

由圖4可知，基坑在開挖過程中對毗鄰運營地鐵隧道管片產生了變形影響，串聯測量機器人監測數據顯示在監測斷面編號48處產生最大變形量為6.5 mm；人工測距儀監測數據顯示在監測斷面編號48管片收斂為7.6 mm；監測斷面編號43自動化監測與人工復核的偏差為1.1 mm?？傮w而言，串聯測量機器人自動化監測管片收斂與人工測距儀復核監測具有較好的一致性。由圖5可知，人工復核與串聯機器人監測管片收斂互差在4 mm以內，在監測斷面40處最大互差為3.8 mm，50個監測斷面沉降平均互差為0.5 mm，通過人工復核進一步驗證了串聯測量機器人對隧道管片收斂監測數據的正確性與穩定性。

3.3 水平位移對比分析

基于人工全站儀測量隧道水平位移變形量驗證串聯測量機器人在隧道水平位移方向上的精度，將數據進行統計對比分析結果如圖6所示，自動化測量水平位移累計變化量與人工測量水平位移變化量偏差如圖7所示。

圖6 人工復核與串聯機器人監測水平位移累計對比分析

圖7 人工復核與串聯機器人水平位移沉降互差分析

由圖6可知，基坑在開挖過程中對毗鄰運營地鐵隧道水平位移產生了變形影響，串聯測量機器人監測數據顯示在監測斷面編號18處產生最大變形量為4.0 mm；人工全站儀監測數據顯示在監測斷面編號18累計水平位移變化量為4.6 mm；監測斷面編號18自動化監測與人工復核的偏差為0.6 mm?？傮w而言，串聯測量機器人自動化監測隧道水平位移與人工全站儀復核監測具有較好的一致性。由圖7可知，人工復核與串聯機器人監測隧道水平位移互差在1.5 mm以內，在監測斷面46處最大互差為1.5 mm，50個監測斷面沉降平均互差為0.3 mm，通過人工復核進一步驗證了串聯測量機器人對隧道水平位移監測數據的正確性與穩定性。

4 結語

基于串聯TM50測量機器人對基坑在開挖過程中對毗鄰運營地鐵隧道沉降、管片收斂、水平位移進行自動化監測，通過人工復核數據驗證了串聯測量機器人在隧道自動化監測中的正確性與穩定性，基于測量機器人建立的自動化監測系統彌補了傳統人工測量在實時性上的不足，串聯自動化監測系統為臨近地鐵隧道基坑開挖安全施工提供了可靠保障，為地鐵安全運營提供了數據支撐。