測量機器人在地鐵隧道自動化監測中的應用

摘" 要：在軌道交通的建設與養護中受到地質條件、軌道交通周圍建筑物、本身承載等各種因素的作用，地鐵軌道可能會發生變形，而長春所處的地理位置大多處于不透水層及含水性材料極微處，產生變形概率較大，所以采取相應的檢測手段變得特別關鍵，而自動化變形檢測系統可以取代傳統測量方法對地鐵軌道系統進行位移與沉降的變化檢測。該文結合測量機器人在地鐵隧道自動化監測，并結合工程實際，對利用測量機器人獲取的數據進行全面的研究和分析。結果表明，使用測量機器人進行自動化監測具有較高的穩定性。

關鍵詞：測量機器人；自動化監測；地鐵隧道；穩定性；應用

中圖分類號：U231.3" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）32-0177-04

Abstract： In the construction and maintenance of rail transit， due to various factors such as geological conditions， buildings around rail transit， and its own bearing capacity， subway tracks may be deformed. However， Changchun's geographical location is mostly located in impermeable water and water-containing materials. In extremely small places， the probability of deformation is high， so adopting corresponding detection methods becomes particularly critical， and automated deformation detection systems can replace traditional measurement methods to detect changes in displacement and settlement of the subway track system. This paper combines the automatic monitoring of subway tunnels by measuring robots and engineering practice， and uses the data obtained by measuring robots to conduct comprehensive research and analysis. The results show that using a measurement robot for automated monitoring has high stability.

Keywords： measuring robot; automated monitoring; subway tunnel; stability; application

現代科技迅速發展，城市城鎮化步伐不斷推進，都市人流不斷增加，因此怎樣降低城市交通壓力成為政府相關部門和百姓所想要解決的問題。因為城市軌道運輸線路通常要規劃在城市交通擁堵、人口稠密等復雜的區域，這就要求對地表沉降的變形控制必須達到一定的精度，如果施工技術稍有疏漏，就會造成不可預測的風險[1]。因此，雖然變形監測是一項非常重要的措施，但不可能完全抑制地表沉降。目前采用的主要方法是對實時動態的環境監測數據進行高效、準確的大規模統計分析，并利用統計方法分析研究后的結果來進行環境優化工程，以便于揭示出地面巖層特性、地下水環境、對施工過程和地表沉降的影響，以便于可以合理把握中國高速鐵路軌道結構特性及其和地面巖土環境之間的相互作用，從而建立最適宜的施工環境預測模型，運用預測成果采取相應的方法減少對環境影響，為軌道施工企業提供技術支持[2-3]。本論文結合測量機器人在地鐵隧道自動化監測技術，并結合工程實例與傳統方法進行分析比較，檢驗自動化監測系統的穩定性。

1" 工程概況

本文以長春軌道交通某線為例，全長29.2 km，某段盾構區間右線長1 819.334 m，左線長1 797.754 m，總長度3 617.088 m，采用土壓平衡盾構機開挖，從某環路站大里程端開始，從某街道南站小里程端接收，如圖1所示。由于盾構區間的大部分地層都是全風化砂巖、中風化砂巖、強風化砂巖以及車輛交織疊雜，因此地下水含量較豐富，并存在埋深大、多階段曲線開挖、對承壓水層接收能力較差等問題，區間隧道上的建（構）筑物較多，隧道埋深和地下渠道豎向距離僅為4.6 m左右，根據相關技術規范要求，在由基坑施工控制的地鐵某線的隧道左線內，對隧道拱頂垂直、水平位移、軌道傾斜等情況均進行了監測，確保軌道交通施工順利進行。

2" 技術依據

GB 50308—2008《城市軌道交通工程測量規范》；DB11/489—2007《建筑基坑支護技術規程》；GB 50299—2003《地下鐵道工程施工及驗收規范》；GB 50026—2007《工程測量規范》；JGJ 8—2007《建筑物變形測量規范》；CJJ 8—99《城市測量規范》。

3" 監測內容及變形監測網布設

由于長春所處的地理位置大部分屬于不透水層或含水性極微層，引起變形可能性最大。所以采取有效的監測手段顯得尤其重要。需要對施工區域的地質特點、施工方法和環境進行詳細研究。變形觀測計劃的編制直接關系到觀測的時間、數據的準確性，所以必須充分考慮。

3.1" 監測內容

地鐵隧道主影響區內每隔5 m設置一個監測斷面，次影響區內每10 m設置一個監測斷面，共有109個監測斷面布置在左右線上。測量項目包括隧道徑向收斂、水平位移觀測、垂直位移觀測和不均勻沉降監測等。

3.2" 點位布設

3.2.1" 基準點布設

基準點應分布在施工現場兩側，并在安全、穩定和施工影響范圍之外。應定期進行校對，以防止因自身變化而造成的誤差。基準點的埋設應按以下3點進行[4]：①基準點與測量點的距離應在100 m以內，保持良好的能見度，確保高精度的測量結果，如圖2所示；②基準點應埋設在土質堅硬，高水位處，以確保基準點本身的穩定性；③基準點采用鉆機鉆孔，預埋鋼筋，澆筑混凝土進行振動壓實，如圖3所示。它周圍建有一個保護井，頂部安裝一個鋼制保護罩。

3.2.2" 工作點布設

工作基點通過在人工挖掘或鉆具土中成孔的方法完成埋設，如圖4、圖5所示。整個埋設過程如下：①使用洛陽鏟進行人工挖掘土質地表或利用Φ80 mm鉆具挖掘較硬的表面，使其直徑達到80 mm，深度大于3 m；②夯實底部；③清理土壤，向隧道內倒入少量清水進行養護；④澆筑等級不低于C20的水泥，并使用振動設備將其澆筑密實，確保水泥頂部距離地面5 cm以內；⑤在孔內放置直徑不小于80 cm的鋼筋標志，露出混凝土表面約1～2 cm；⑥在上部安裝鋼制保護罩；⑦維護超過15 d。

3.2.3" 變形監測點的布設

變形監測點的布置符合新建工程的要求，見表1。監測點布設在原工程相對落到范圍內每隔10 m布設一個。每個監測斷面由1個隧道拱頂沉降點、2個隧道水平位移點和2個軌道垂直位移監測點組成，共計23個監測斷面。

本工程高程基準網以長春市地鐵施工高程系統為基礎，以軌道交通現場精確標準點為起點，并附于軌道交通現場精密標準點，針對工地實際狀況，為便于檢查站引測，另布置3處測量基點。根據使用的具體高程基準點、工作點和監測點，將點的獨立閉環布置在一起，形成由附合路線組成的節點網絡，如圖6所示。

3.3" 監測點布置優化情況

根據本項目的監測對象和監測項目，本監測方案中監測點的具體優化布置見表2。

根據建筑物測量點標記下不同的施工范圍，選擇不同類型的埋點。框架和磚混組合結構的施工對象通常采用鉆孔法埋在標志下方的檢查點處。對于特殊安裝要求較好的施工范圍，采用隱蔽檢查點。埋設沉降監測的各種測點時，應注意避開妨礙標志如雨水管道、窗臺、電氣開關等障礙物。立尺應與墻壁和地面保持一定距離，一般高出室內地面0.2～0.5 m。埋設測量點后，在立尺末端涂上防腐劑[5]。

3.4" 監測周期與頻率

變形觀測周期的確定應以能夠系統地反映測量建筑變形的變化過程而不錯過其變化時間為原則，并綜合考慮單位時間變形的大小和特征、觀測精度要求及外界因素影響情況，建筑變形測量的第一次（即零周期）觀測應連續進行2次獨立觀測，對其得到的中值確定為變形測量的初始值，周期監測頻率見表3。

4" 數據處理

截至最后一期觀測，統計最大累計沉降量0.46 mm（2CK-GD-03-03觀測點），最小累計沉降量為0.02 mm（2CK-GD-01-02觀測點），平均累計沉降量為0.34 mm。

觀測點的穩定性分析基于以穩定參考點為基準的平差計算結果。

通過比較2個相鄰周期的最大沉降量和最大沉降觀測誤差，對相鄰觀測點進行沉降分析。若測量點在2個周期內沒有發生沉降是由于當前沉降量小于最大誤差。

對于多周期觀測結果，當相鄰2個周期的沉降較小，但在多個周期內有顯著變化趨勢時，視為沉降。

當觀測周期進入最后100 d時，此時沉降速度小于0.01～0.04 mm/d時，此時可認為進入穩固階段。具體數值根據各區域地基土的抗壓性能確定。

根據表4數據得出結論，當前進入穩定階段。

5" 自動化監測系統

本項目使用儀器為萊卡TS30全站儀，南方SMOS自動化變形監測系統。其組成主要包括3個部分：數據采集與處理系統、通信系統、遠程管理系統等[6]。

主要包括設置基本參數、自動測量參數、自動測量和輸出結果等參數設置。通過自動化監測系統，監測工作真正實現了信息化施工，為設計和施工單位提供了準確、可靠、及時的監測結果，確保了施工、隧道結構等周邊環境的安全，確保了工程施工的順利進行[7]。監測技術路線如圖7所示。

6" 結論

自動變形監測系統可以取代傳統的測量方法，快速完成地鐵隧道位移、沉降等變形監測。

減少了額外的氣象設備，并使用了實時差分測量方案，以最大限度地減少或消除各種誤差影響。自動化變形監測系統實現了全自動、高精度的監測。

實時進行數據采集與處理、數據分析、報表輸出及提供圖形信息等。

利用手機通信信息提供自動報警，通過相應措施確保隧道結構和地鐵運營的安全。

目前在地鐵隧道的安全監測中采用的手段大多比較復雜，不但費時費力， 而且監測投資的成本也高。本論文采用自動化變形監測系統可以極大地節約工作時間，而且操作十分簡單，在短期內即可完成地鐵的健康狀況的評估。為適應現代軌道交通工程建設對檢測技術的需求，開發契合東北地區適用的自動化監測系統，保障自動化監測發展，從而為國民經濟高速增長提供源源不斷的動力。

參考文獻：

[1] 靳羽西，紀萬坤，孫立坤.多臺測量機器人監測系統在地鐵隧道中的應用[J].北京測繪，2020，34（10）：1338-1342.

[2] 王紫蔚，王偉.地鐵保護區自動化變形監測系統的設計與應用研究[J].現代測繪，2016，39（3）：23-26，30.

[3] 陳立達.測量機器人自動化監測在某地鐵項目中的應用[J].市政技術，2021，39（2）：152-156.

[4] 姜信東.測量機器人在地鐵隧道自動化監測中的應用[J].西部探礦工程，2022（2）：167-170.

[5] 朱增洪.測量機器人在地鐵隧道自動化變形監測中的應用[J].建材與裝飾，2016（35）：252-253.

[6] 于曉紅.地鐵自動化變形監測系統數據處理方法研究[J].設備管理與維修，2021（5）：30-33.

[7] 李宏奎.露天礦邊坡自動化監測系統研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2015.