TS15測量機器人在地鐵基坑水平位移監測中的應用

蔡少輝 唐強 張映寧

摘要：著重介紹測量機器人自由設站測量技術的基本原理及作業流程，并將此技術方法應用于地鐵基坑樁頂水平位移的監測中。通過實踐表明，該技術方法具有監測精度高、操作靈活、受場地影響小、工作效率高等優點，不僅在基坑水平位移監測中能夠快速獲得監測點高精度的坐標值，也可以應用到外形復雜的建、構筑物、人無法觸及或無法到達區域的三維變形監測當中。

關鍵詞：測量機器人自由設站地鐵基坑樁頂水平位移

中圖分類號：U231文獻標識碼：A

Application of TS15 Measuring Robots in Horizontal Displacement Monitoring of Subway Foundation Pits

CAI Shaohui? TANG Qiang? ZHANG Yingning

（Geologic Party No. 216， CNNC，Urumqi， Xinjiang Uygur Autonomous Region，830011 China）

Abstract：This paper focuses on the introduction of the basic principle and working process of the free stationmeasurement technology of measuring robots， and applies this technology to the monitoring of horizontal displacement of the pile top of the subway foundation pit. The practice shows that this technology has advantages of high monitoring accuracy， flexible operation， little influence from the site and high work efficiency， which can not only quickly obtain the high-precision coordinate values of monitoring points in the horizontal displacement monitoring of foundation pits， but also be applied to the three-dimensional deformation monitoring of complex buildings， structures and areas that are inaccessible or unreachable to human beings.

Key Words：Measuring robot; Free station; Metro foundation pit; Horizontal displacement of pile top

隨著我國城市化進程的快速發展，城市人口迅猛增加，地面通行壓力也是越來越大，出行及交通問題也得到越來越多人們的關注和重視。為了應對這種局面，發展城市軌道交通將會是最有效的方式之一，為了緩解城市地面交通的壓力，建設地鐵可以是最有效的主要措施之一。除了北上廣等一線大型城市新增地鐵線路外，好多中型城市也進行了地鐵的建設。地鐵交通線路由車站、車站與車站之間區間組成，車站有明挖車站、蓋挖車站和暗挖車站，區間有明挖法、暗挖法或盾構等施工方法。明挖法作為地鐵車站或明挖區間的主要施工技術，在地鐵施工工程中運用此種施工技術方法，既能加快地鐵路線的建設速度，又能提高地鐵建設的質量，也可以減少開挖施工的安全風險，促進城市軌道交通的安全健康發展。

近年來深基坑工程施工中基坑失穩事故時有發生，為減少事故的發生對深基坑工程的技術提出了新的要求^[1]。全站儀自由設站法以其靈活、機動、能適應城市地鐵基坑施工周邊的復雜環境等特點，已被廣泛應用到測量行業的各種工程中^[2]，隨著測量機器人的出現，應用更為廣泛。測量機器人自由設站方法，可以避免基坑施工干擾及周邊環境的影響，方便快速獲得監測點的坐標。內業通過相鄰周期坐標計算比較，可以獲取監測點的位移變速率和累計位移量^[3]。隨著測量儀器的更新換代，智能型測量全站儀—測量機器人的出現，使基坑樁頂水平位移監測變得更靈活，而且精度也較高。由于場地區域材料堆載和機械對個別控制點的阻擋對全站儀監測精度的影響較大，因此要多布設后視控制點，以保證監測精度。基坑冠梁多位于擋土墻以下，水平監測點也往往布設于冠梁上，測量機器人一次架設儀器不能全部測完監測點，必須要有足夠的強制觀測墩供測量機器人架設儀器，也必須有足夠的后視控制點供測量機器人定向使用。

該文主要介紹采用基于徠卡TS15測量機器人自由設站技術，在烏魯木齊市軌道交通2號線一期工程及成都軌道交通第13號線第三方監測項目中，對明挖基坑樁頂水平位移監測的應用實踐。通過對測量方法及數據的對比分析，得出了基于徠卡TS15測量機器人在明挖基坑水平位移監測的優勢。該方法觀測靈活，數據精度高，工作效率高，得到業主方的肯定，并在整個烏魯木齊市軌道交通2號線一期工程及成都軌道交通第13號線施工監測中進行了推廣于普及，取得了較好的效益。

1測量機器人后方交會的基本原理與作業流程

1.1測量機器人

測量機器人是一種能代替人而進行自動搜索、跟蹤、辨識和精確照準目標并獲取角度、距離等坐標等信息的智能型速測電子全站儀。測量機器人通過CCD影像傳感器和其它傳感器對現實測量世界中的目標進行識別，迅速做出分析、判斷與推理，實現自我控制，并自動完成照準、讀數等操作，完全可以代替人來完成許多測量任務^[4]，尤其是人無法到達或觸及的目標與區域。

1.2測量機器人后方交會的基本原理

測量機器人系統是基于一臺測量機器人與多個目標照準棱鏡組成的變形監測系統，其實質主要是自由設站后方交會極坐標測量系統。

1.2.1 強制觀測基站

強制觀測基站是全站儀極坐標測量的起始點，設置強制觀測裝置可以減小測量機器人的對中誤差，從而減小觀測誤差，提高觀測精度。

1.2.2參照點

參照點為后視照準點，該點的平面坐標為已知，點位應布設于變形影響區域外的穩固地帶，一般布設于變形影響區域外的樓房等高達建筑物上。參照點采用強制對中裝置，安置棱鏡，一般一個測量機器人應布設3～4個后視照準點，并要求相鄰后視點方向夾角要大，且要覆蓋整個變形監測區域。

1.2.3監測點

監測點是根據設計布設于變形體上，是能夠反映變形特征部位的觀測目標。

1.3測量機器人作業流程

測量機器人自由設站是采用后方交會的方法進行，在強制觀測墩上架設測量機器人，首先觀測已知后視點，從而得出儀器架設點的坐標值。然后采用多測回測角，對觀測點依次觀測目標點，結束后利用后處理軟件進行平差計算，從而求得觀測點的坐標值。

測量機器人作業流程主要包括工程項目管理、系統初始化、學習測量、自動觀測、數據處理、數據查詢、成果輸出等功能^[5]。

工程項目管理建立一個相對應的數據庫文件，保存該變形監測項目的所有的監測數據，初始值數據、原始觀測數據和計算分析成果等^[6]；測量機器人系統初始化后自動搜尋目標、測距、測角模式和單位等設置；通過人為操作全站儀，逐一照準目標點，訓練獲取目標點概略空間位置信息的過程進行學習測量；按照監測方案設計，利用預先設置的限差值來控制測量機器人，根據學習測量程序自動搜索監測點并做周期觀測；對原始觀測數據進行處理前的檢查、距離進行投影計算、目標點坐標的平差計算以及對比上期的變形量進行對比分析；根據需要用報表、報告的形式輸出選定周期和目標點的觀測原始數據、平差計算報告和分析成果。

2 地鐵明挖基坑水平位移第三方監測的工程實例

2.1工程概況

華山街站為烏魯木齊市軌道交通2號線一期工程線路終點的最后一座車站，車站主體結構采用明挖法施工，出入口、風道采用暗挖法+明挖法施工，車站小里程端區間隧道采用暗挖法施工、車站大里程端區間隧道采用明挖法施工。

本車站總長286.26m，車站標準段寬度21.8m，南、北端車站高度分別為23.64m、21.1m。車站中心頂板覆土3.525m。車站范圍內維泰北路地勢南高北低，車站南北端地面高差約5.05m，圍護結構基坑長度286.26m，基坑深度約24.6～28.6m。基坑采用φ1000@1500mm鉆孔灌注樁+4道鋼管內支撐支護。

車站地下一層布置物業開發、地下二層為站廳層，地下三層為站臺層，共設四個出入口，設置兩組風亭。1號出入口位于車站東北側，2號出入口位于車站西北側，新疆一龍印刷門前，3號出入口位于車站西南側，東工汽車維修服務中心前，均采用Φ800@1400mm鉆孔灌注樁+鋼管內支撐支護，局部暗挖。車站兩端分別設置一組風亭，采用800@1400mm鉆孔灌注樁+鋼管內支撐支護。車站明挖主體基坑示意圖見圖1。

2.2基坑水平位移工作基點及監測點的布設

2.2.1 水平位移工作基點的布設

為了保證監測精度，根據工程特點監測作業過程至少需要聯測3～4工作基點，為確保工作基點的穩定性，點位應布設于施工基坑開挖深度2倍距離之外的穩定區域。為減少對中誤差的影響，從而提高監測精度，工作基點應埋設強制對中觀測墩或強制對中標志。本車站工作基準點以烏魯木齊市軌道交通2號線施工平面控制網起算點為起算基準，采用全站儀附合導線形式，進行工作基準網的布設。本明車站平面控制網見圖2。

2.2.2 基坑監測點的布設

基準點應布設在變形體之外，監測點布設在變形體上^[7]。明挖基坑樁頂水平位移測點布設在基坑各邊冠梁上，本車站在基坑的長邊按間距20布設樁頂水平位移測點，短邊中間位置各布置1個測點，在基坑陽角及基坑的關鍵部位加密布設監測點，本車站基坑共布設30個水平位移監測點。為減少監測點的對中誤差，監測點布設采用強制對中的方式，在冠梁上布設固定的小棱鏡。

2.2.3 測量機器人強制觀測墩的布設

測量機器人強制觀測墩根據工程的特點，沿基坑周邊布設，數量不少于2個，本車站比較長，所以在基坑四周制作了4個強制觀測墩，確保能觀測全部的水平位移監測點。車站明挖基坑水平位移監測點布設如圖3所示。

2.3監測的作業方法

工作基點及水平位移觀測點棱鏡全部固定后，進行監測點觀測。將徠卡TS15測量機器人架設在制作好的強制觀測墩上，精確整平，然后進行一系列工程設置。選擇合適于本測站的定向點、監測點，測量機器人進行學習后，自動照準并測量方位角、距離。觀測標志均采用小棱鏡觀測標志，并統一編號。觀測結束后，導出觀測數據，通過清華山維軟件進行平差計算，計算出各觀測點坐標值。通過將變形觀測點的坐標值，投影計算至垂直于基坑方向的矢量位移，根據相鄰周期計算各期累計變形量和變形速率等數據，從而判斷基坑的穩定性，指導地鐵安全施工。監測點坐標系與基坑坐標系關系見圖4。采用Excel列表計算各監測點的階段累計變形值、階段變形速率。監測點變形曲線示意圖見圖5。

2.4為提高測量機器人監測精度而采取的必要措施

（1） 水平位移測量的精度跟許多因素有關，如儀器測角、測邊精度、外界條件的影響以及觀測員的操作等，可以通過選用相應精度的儀器，并進行儀器、人員及觀測順序“3固定”的措施，來保證測量精度。

（2） 采用強制觀測墩，工作基點及監測點均采用強制對中裝置，消除了對中誤差的影響，提高觀測精度。

（3） 每次觀測不少于3個定向參考點，便于測量數據的檢核與平差，以保證相對定向的精度。

3監測成果分析

3.1 基坑樁頂水平位移變形分析

基坑是否處于安全狀態，所有可能發生的事都可以通過監測數據反映出來，這樣才能對基坑接下來的發展趨勢做一個合理的預判^[8]?；釉谕练介_挖前進行水平位移監測點的布設，待其穩定后進行監測點初始值的采集，根據監測計劃的頻次進行水平位移的監測。但出現監測異常及周邊環境有重大變化時加強監測頻次，車站封頂后停止監測。本次所布設的30個監測點中，在整個施工期間的監測過程中，監測值向基坑內偏移量最大累計值為5.3mm，小于累計位移控制指標30mm。本次基坑變形監測穩定的主要原因有以下幾個方面。

（1） 基坑在進行開挖時，圍護樁體的變形主要朝坑內發展^[9]。在基坑開挖施工過程中，土體就會向基坑內傾斜，及時架設鋼支撐，使基坑處于穩定狀態。

（2） 基坑自身深度較淺，土質主要以砂礫巖為主，而且水位較深，地層也相對穩定。

（3） 減少基坑開挖期間周邊堆載物及大型機械，減小對基坑穩定性的影響。

3.2 基坑樁頂水平位移變形規律分析

根據基坑特點及變形影響，選取基坑西側影響較大區域的3個變形監測點，繪制監測點變化的時程曲線圖，監測點時程曲線見圖6。

對于選取的監測點受基坑開挖影響，變形值隨時間變形規律如下。

工況①：基坑剛開始土方開挖，開挖表層至-2m，架設第一道鋼支撐，此時監測值比較穩定，最大變形為1.2mm。

工況②：土方開挖至第二道鋼支撐以下0.5m（約-8m），架設第二道鋼支撐。在此段時間內測點變形速率有增大趨勢，經分析基坑西側為運輸道路，渣土車輛及大型機械碾壓造成西側土體向基坑內偏移5.3mm，此時該變形點附近地表沉降點監測值變化不大，但該點旁邊的樁體水平位移監測點變化較大，向基坑內偏移3.5mm。

工況③：第二道鋼支撐架設完成后，調整預加軸力值，是基坑回彈至穩定狀態。

工況④：土方開挖至第三道鋼支撐以下0.5m（約-16m），該部位鋼支撐架設滯后，使基坑北側土體向基坑內偏移。

工況⑤：基坑開挖到底，進行底板施工，鋼支撐增加了預加軸力，變形發生了一定量的回彈，最后趨于穩定。

4結論

（1） 在與常規測量方法相比較，測量機器人自由設站后方交會方法應用在基坑樁頂水平位移監測中，能夠快速獲得監測點較高精度的坐標，也可以應用到外形復雜的構、建筑物以及人無法觸及或無法到達區域的三維變形監測當中；測量機器人強制觀測墩、監測點采用強制對中的棱鏡，避免儀器和目標點對中誤差；使用帶馬達驅動的測量機器人施測，可進行多測回的自動照準測量，減少了人為觀測的偶然誤差，保證了監測精度。

（2） 明挖基坑在施工過程對樁頂水平位移的影響較大，基坑開挖越深，變形比較明顯。在此期間如果有基坑周邊有大型機械或者堆載物等荷載影響，就會使基坑的變形比較明顯，隨著這些荷載消除后，變形就會趨于穩定。因此在基坑開挖期間應減少基坑周邊運輸車輛、大型機械等設備在該部位移動、作業，從而確?；拥姆€定。

（3） 作為第三方監測單位，通過測量機器人自由設站技術在水平位移的監測實踐，方法先進，監測數據準確，得到了建設單位的肯定，并在烏魯木齊市軌道交通2號線一期工程全線推廣應用。由建設單位組織，該單位對全線施工單位的施工監測人員進行現場培訓，保證了監測數據的精準與可靠，為地鐵明挖基坑的安全施工提供準確的數據指導，從而確保基坑的安全施工。

（4） 測量機器人自由設站技術在該單位參與實施的成都軌道交通第13號線一期工程B標段（車輛段～凈居寺站）也得到了較好的應用，明挖車站的基坑樁頂水平位移全部使用這種方法進行監測。該方法不僅觀測方便、工作效率高，而且減小了儀器和棱鏡的對中誤差，提高了監測精度，取得很好的經濟效益。

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