地鐵隧道測量機器人自動化監測的應用

魏志才

廣州地鐵設計研究院股份有限公司 廣東 廣州 510010

鄰近地鐵的基坑工程，施工過程中可能對地鐵結構的產生影響，造成地鐵隧道結構的變形。因此，對受施工影響的隧道結構進行監測，了解其變形情況，分析變形原因并采取有效措施，對于預防工程事故、保證地鐵隧道結構安全是非常重要的，由于地鐵運營線路的日常運營限制了人工進入隧道監測，所以在運營隧道采用測量機器人自動化監測成為一種常規的地鐵保護監測手段。

1 測量機器人自動化監測監測原理

測量機器人的技術組成包含坐標系統、操縱器、換能器、計算機和控制器、閉路控制傳感器、決定制作、目標捕獲和集成傳感器等8部分，測量機器人自動化監測是一種集自動目標識別、自動照準、自動測角與測距、自動目標跟蹤、自動記錄于一體的測量平臺，能夠通過邊角測量實現對監測點三維方向的精準測量[1]。測量機器人結合監測軟硬件、無線通訊技術、測量算法等，完全能夠實現無人值守的自動化城市軌道交通結構位移監測。

2 測量機器人監測系統的組成

測量機器人自動化監測系統可分為四個部分：基準部分、監測部分、測站部分及控制中心。

⑴基準部分

基準部分用于檢核測站的穩定性，并對測站的位置變化做出修正。根據現場情況，在受影響范圍外一端或兩端設置4個工作基點。

⑵監測部分

監測部分主要由一系列具有一定結構的監測點組成，它用于直接反映隧道道床及圍巖的幾何變形，監測點應布設在道床軌道兩側，側墻9點與3點鐘方向，頂部12點方向。

圖1 基準及監測點布設示意圖

⑶測站部分

測站部分是整個系統的數據采集端，它主要由全自動全站儀及其它附件組成。

①測站的設計

應在隧道內通視較好處布設測站。監測設備安裝在隧道側墻或者結構底板位置，測站部分擬安裝儀器支護加工件，儀器支護用于擺放儀器和通訊設備，同時配備防護設施，保證儀器的安全。

② 測站的安裝

測站的安裝方法為：在隧道側腰按一定尺寸和分布鉆孔，打入不銹鋼膨脹螺絲，然后進行加工件的安裝。儀器支護單獨加工，保證足夠的荷載，保證儀器、設備和作業人員的安全。數據通訊設備同樣安裝在儀器支護設備上，測站部分還需要視具體情況鋪設供電、傳輸線路等。

③測站的調試

圖2 系統現場調試主界面

測站安裝好后，須對自動監測系統進行初次學習與調試，這是外業建立自動監測系統最重要的步驟，也是日后進行自動監測的依據。

調試時需要新建項目、連接儀器、以及新建基準點及監測點、斷面管理等，具體操作流程如下圖：

圖3 系統現場調試流程圖

系統現場學習與調試是系統建立的一個重要也是很關鍵的步驟，它是實現隧道監測系統與服務器進行通信及數據傳輸的基礎。系統在啟動自動監測后可實現學習結果的自動保存與更新。隧道自動監測依賴于穩定、快速的無線網絡。

3 觀測方法

目前自動測量模塊采用的測量方法是方向觀測法，學習測量完成之后，全站儀對每個點依次進行單點觀測，自動定位并照準目標進行測量，對一個斷面中多個點按方向觀測法進行多個測回的測量，斷面各測回測量完成后，判斷各項限差是否符合要求，存儲或補測[2]。

具體方向觀測法、單點觀測、多測回觀測、斷面測量流程如下：

① 方向觀測法

圖4 全圓觀測法

第一步：盤左零方向A；第二步：盤左其他方向B、D；第三步：盤左歸零方向A；第四步：盤右歸零方向A；第五步：盤右其他方向D、B；第六步：盤右起始方向A。

② 單點觀測

圖5 單點觀測

③ 多測回觀測

圖6 多測回觀測

④ 斷面觀測

圖7 斷面觀測

4 數據處理

隧道結構水平位移及沉降監測采用自由設站及極坐標測量原理進行觀測，以測量各點的三維坐標。

1）自由設站

自由設站法是在待定控制點上設站，向多個已知控制點觀測方向和距離，并按間接平差方法計算待定點坐標的一種控制測量方法。間接平差以待定點的坐標平差值作為未知參數，根據方向觀測值和邊長觀測值建立方向誤差方程式和邊長誤差方程式，然后按最小二乘原理計算待定點坐標平差值[3]。

2）極坐標觀測

如圖9所示，以全站儀的設站點O為原點，測站的鉛垂線為Z軸，以定向方向為X軸，建立坐標系0-XYZ，則全站儀測量P點的觀測值為水平角α、豎直角β，斜距S，則P點的獨立坐標系下的坐標為

圖9 極坐標法示意圖

當坐標系X軸沿隧道縱向、Z軸沿鉛錘方向選定時，Y軸方向的變化量即為隧道徑向方向的變形量。Z軸方向的變化量即為隧道拱頂沉降或隧道底板沉降。

5 自動化監測數據成果準確性分析

⑴參考某臨近地鐵的基坑施工項目的隧道結構安全評估報告，根據三維數值模擬分析，基坑施工期間最大豎向變形量為-0.65mm，最大水平變形量為2.95mm。

⑵該項目自動化監測數據顯示，該區間基坑施工期間，豎向位移的最大變化值為-0.93mm，水平位移的最大變化值為2.47mm。

(3)根據該區間隧道結構人工常規監測的數據顯示，在基坑施工期間，隧道結構豎向位移最大變化值為-0.89mm， 水平位移的最大變化值為2.81mm。

⑷通過測量機器人自動化監測成果與安評建模數據成果、人工常規監測成果對比，可以判斷在基坑施工區間，各項監測數據均比較吻合，監測數值的偏差＜±0.5mm，因此判斷采用本文章中的自動化監測方法是可行的，監測數據是準確的。

表1 基坑開挖期間各項監測數據對比表

6 結束語

目前的城市化建設與軌道交通的快速發展，必然存在建設期間的相互影響關系，城市的軌道交通作為客流量最大的一種交通方式，隧道結構的安全直接影響到地鐵的安全運營，所以在運營期間，實時監控外部存在施工影響的隧道結構變形情況，是目前最有效一種安全措施。地鐵隧道測量機器人自動化監測的應用，實現了無人值守的高頻次結構變形監測，基本上解決了外部施工期間隧道結構的實時監測問題，為隧道結構的健康情況進行實時的監控，保障了地鐵隧道結構及地鐵列車運行的安全。