測量機器人在地鐵隧道自動化變形監測中的應用

胡衛東

合肥市軌道交通集團有限公司 安徽 合肥 230000

引言

地鐵隧道保護區施工涉及內容較多，其中監測不僅是保證自身項目施工安全，也是控制施工質量﹑掌握運營隧道結構的重要手段。地鐵隧道施工中通過變形監測及不同時間變形數據的分析，便于知曉圍巖動態以及結構的工作狀態，預防重大事故的發生，保證施工與結構安全。常規地鐵隧道變形監測在既有線路內工作量大，工作效率低下，因此使得地鐵隧道自動化監測逐步得到應用。通過利用測量機器人對地鐵隧道結構進行自動化變形監測，改善地鐵隧道變形監測現狀，為地鐵保護區施工與運營管理提供重要依據。

1 自動化監測系統構成分析

1.1 全站儀

全站儀是當前工程測量中使用率較高的工具之一，而在現階段科學技術快速發展的背景下，通過將相關技術應用到原有儀器設備中，可提升不同設備的智能化水平。徠卡TM50全站儀作為自動化全站儀設備，當前在地鐵隧道工程測量﹑變形監測中已經得到重要應用，其不僅具有較高的測量精度，同時還可以通過監測設備實時對監測任務予以控制，及時分析并處理監測數據。測量機器人多測回自動觀測機載軟件設備在使用期間，可實現較多測量任務的自動化，包括自動目標跟蹤﹑自動記錄﹑目標識別﹑角度測量﹑距離測量等，并可在測量后自動處理。就徠卡TM50自動化全站儀而言，通過人工整平﹑調焦與安裝棱鏡，則自動化全站儀能夠全自動采集相關數據。基于徠卡TM50設備的上述使用優勢，在地鐵隧道變形監測中，測量人員只需要簡單對儀器完成整平﹑聚焦等操作，然后依靠目標自動識別﹑對準調焦﹑自動獲取目標棱鏡等完成相關監測，使得整個監測過程呈現出自動化，避免人工處理可能引起的誤差。不僅如此，徠卡TM50本身還有相應的機載編程平臺，便于不同用戶根據需要自行編程，控制測量機器人完成相關工作，提升地鐵隧道變形監測的自動化程度。

1.2 反射棱鏡

反射棱鏡在全站儀測量中發揮著重要作用，在自動化隧道變形監測中，需要使用螺栓將反射棱鏡安裝在地鐵隧道拱頂﹑拱腰﹑道床等位置，便于持續進行變形監測。棱鏡反射面需要與全站儀的照準部位相對，保證所使用的自動化全站儀能夠自動識別反射棱鏡并完成對應參數的監測。

1.3 計算機及其輔助工具

測量機器人在地鐵隧道變形監測中還需要借助計算機以及相關輔助工具進一步豐富自動化功能。利用計算機與CAD設計技術在地鐵隧道施工以及變形監測中發揮作用。比如在地鐵隧道變形監測中，可利用CAD技術繪制地鐵隧道結構圖，并在繪圖基礎上借助CAD三維建模，形成三維實體模型，進而結合實體模型對地鐵隧道中的主要監測點予以分析，通過模型作為監測點布設的參考。計算機技術可將地鐵隧道變形監測中獲取的有關數據以電子形式存儲﹑數據分析與處理等，同時借助計算機的相關數據分析軟件等，分析出相關數據變化規律，反饋出地鐵隧道不同區域的變形特點，為施工與管理提供理論支持。

1.4 主要硬件與軟件組成

在使用測量機器人對隧道結構進行自動化變形監測期間，因為變形監測獲取監測數據后還需要快速分析，并預測地鐵隧道可能出現的較大變形問題，考慮相關變形是否會對整個地鐵隧道結構受力﹑結構安全性等產生影響。所以使用的測量機器人需要有對應的硬件與軟件，其中硬件主要包括測量機器人﹑無線通信模塊﹑系統控制中心。軟件構成方面主要包括測量機器人機載軟件﹑控制中心軟件包﹑無線通信軟件模塊，通過機器人機載軟件能夠實現自動測距﹑照準目標﹑自動測角等；控制中心軟件包可進行相關指令的發送與接收；無線通信軟件模塊主要完成通訊連接，完成控制中心指令的解析與發送等。通過相關硬件﹑軟件的配合，更好地保證測量機器人可正常工作。

2 測量機器人的具體觀測方法分析

了解測量機器人對應的自動化監測系統構成后，還需要掌握測量機器人的具體觀測方法。同樣以徠卡TM50全站儀設備為例展開分析，需要在地鐵隧道中固定全自動化全站儀設備，將全站儀通過通訊鏈與計算機連接，計算機需要有監測設施，然后通過計算機對全站儀的監測過程予以控制。結合地鐵隧道保護區施工的特點與地鐵隧道變形監測經驗﹑相關力學分析等，合理確定出相應的監測點，明確變形監測要求，之后完成監測點的測量，對監測結果進行數據分析﹑預測等。測量機器人自動監測后可將相關數據保存到對應的數據庫中，軟件還能記錄在變形監測中出現的一些異常情況，比如變形異常﹑棱鏡在監測中被遮擋或者覆蓋等[1]。結合地鐵隧道變形監測要求，完成某一環節相關變形監測并達到對應監測周期后可進行后續環節的變形監測，通過反復完成整個變形監測階段不同環節的變形監測。監測完成后對所有數據予以分析，找出其中有問題的監測點，并重點對其實施重復變形監測，進一步核實相關地鐵隧道變形監測點有無異常。通過計算機以及控制軟件等，完成不同監測周期內的數據分析，不同周期測量期間，需要通過基準點進行多次測回計算，確定出不同測站點對應的實際坐標，然后對別的監測點繼續監測，保證所有監測點的時時坐標均可有效獲取。

3 數據分析

測量機器人在地鐵隧道自動化變形監測過程中會獲取大量的數據信息，所以數據分析與處理是保證最終地鐵隧道變形監測質量的關鍵。地鐵隧道變形監測期間需要合理利用機器人測量控制設備的作用。依據保護區項目施工工藝﹑主要施工進度等，同時結合已經獲取的變形監測數據，綜合分析﹑判斷，隧道結構局部或整體在施工中出現的變形情況，比如速率﹑變形量；明確對應的地鐵隧道施工變形風險，依據風險等級不同合理設定地鐵隧道安全等級與質量防范措施；并指導下一步的施工方法﹑改進施工工藝。測量機器人在地鐵隧道自動化變形監測應用中，需要靈活使用不同質量控制設備，并以變形監測結果為依據，確保隧道結構安全可控[2]。

測量機器人自動監測系統在獲取數據并時時數據分析中，盡可能選擇專業性較強的分析軟件，主要方法包括坐標轉換法﹑多重差分析法。坐標轉換法在使用期間主要是通過監測周期內的坐標數據計算出現在監測坐標系相對于首期監測坐標系的轉換系數，計算出現在監測點相對于首期監測點的坐標，進而得到不同監測點的變化量。多重差分析法在數據分析中采取差分處理方法，該方法在使用期間需要保證監測周期內監測站點未改變。數據分析期間可適當加入人工數據判斷與分析，便于剔除監測數據中差距較大的部分數據，進而計算出監測周期內數據的平均值，得到最終的監測結果[3]。地鐵隧道變形監測完成后還需要繪制出監測點的位移時程曲線圖，形成對應的監測報表與文件，得到地鐵隧道變形監測結果與建議，進而及時反饋，按照監測結果采取措施，做好現場施工管理。

4 監測精度分析

測量機器人在地鐵隧道自動化變形監測中相較于人工變形監測，減少了儀器架設﹑立監測點的次數；消除了人工地鐵隧道變形監測中可能出現的誤差。測量機器人在進行地鐵隧道自動化變形監測中，能夠提高監測精度，提升地鐵隧道變形監測工作效率，監測結果以及監測精度可滿足地鐵隧道施工中的監測精度要求，為大型地鐵隧道開挖與施工中的變形監測與應用提供重要依據，改善傳統變形監測作業模式與方法，全方位指導地鐵隧道保護區項目施工與管理。

5 實例分析

根據某地區地鐵1號線隧道正上方有繞城高速下穿高鐵南站廣場改建工程為例，改建工程在地鐵1號線區間正上方，范圍為改建繞城高速K31+840~K31＋920段與地鐵1號線K15+394.494～右K15+470.263段，施工前該區域為空地。交叉范圍內需要進行大范圍的土方卸載，新建高速公路，開挖深度約12～16m，基本土層為雜填土﹑黏土層。高速公路路基開挖最底面距離1號線盾構隧道結構頂板土厚度約約為4.15～5.07m，土方開挖方式為明挖放坡法。

監測區域隧道區間投影區域向兩端分別延伸50m，監測范圍為兩個站點之間上行線﹑下行線，對應隧道里程K15+344.494～K15+520.263，上行線與下行線中對應的監測范圍整體長度為176m。

結合現場實際情況，在變形監測中進行基準點布設，具體如下：于監測范圍50m之外布設基準點，并分別布設4個基準點在監測區域外大小里程兩側，這樣上行線﹑下行線對應的監測基準點均為8個。具體布設于隧道側壁上將小棱鏡有效固定，定期校核基準點，確保整個變形監測結果的可靠性。

自動化監測點及儀器布設：監測斷面設置間隔控制在5m，每個隧道監測斷面設置小棱鏡4個。2個小棱鏡設置在隧道水平直徑腰點處，這樣可較好的進行隧道收斂監測；2個小棱鏡分別布設在隧道道床和隧道頂部，用于對道床沉降﹑道床水平位移變化和隧道豎向收斂監測，進而系統性了解隧道內的變形情況。測量機器人設置在能夠對兩側不同監測點實施監測的中間區域，而且監測結果精度也符合要求，并滿足通視要求。測量機器人需要安裝在隧道側壁上。監測點和儀器在布設過程中還需要確保有效固定﹑未侵限﹑未影響行車安全。對不同監測斷面做好編號。

隧道儀器和測點布設完成后將測量機器人的監測時間﹑監測頻率設置完成，則自動化監測儀依靠軟件將會測出不同監測點的監測數據，并計算分析數據變化情況，以報表的形式呈現出來。

為確保自動化監測數據的真實﹑有效，并在監測過程中剔除異常數據；本次監測過程中在自動化監測點的旁邊布設了人工監測點，人工監測頻率為一周一次，主要復核自動化監測數據。

本項目整個施工工期內，同一個位置的監測點人工監測累計變化量與自動化監測累計變化量基本一致，誤差均在±2mm內，因本項目下行線15+444（HNX29）處最終累計變化量達到為+14.8mm，累計變化量已超過《城市軌道交通結構安全保護技術規范》中城市軌道交通結構安全控制指標值±20mm的70%規定，且隧道出現滲漏水﹑結構病害；為掌握隧道結構隆起﹑滲漏水及管片破損等病害對結構自身及軌道﹑接觸網其他設備的影響，消除運營安全隱患，確保行車安全，項目施工完成后業主單位邀請了某大學對該區間隧道結構進行安全評估。通過大型三維有限元數值分析軟件abaqus根據施工工況進行計算﹑分析與現有的監測數據基本耦合；充分說明了自動化監測設備在地鐵隧道施工中應用是合理的﹑正確的。 為整個地鐵隧道的安全施工奠定了基礎。

6 結束語

在地鐵隧道保護區施工期間，為確保行車安全和地鐵結構安全，保證列車正常運營，傳統人工監測會因隧道行車而無法隨時進入，且人工監測工作量大﹑風險高﹑夜間作業效率低下﹑不安全等因素無法隨時掌握隧道結構的變化情況。測量機器人以及智能化系統在地鐵隧道變形監測中的應用，可提升監測結果的可靠性，減少人為干預，提升變形監測的安全性﹑可靠性，時時掌握隧道結構變化，更好地為現代隧道施工中變形監測與分析提供參考，指導地鐵隧道施工與運營管理。