應(yīng)用TM30進行地鐵隧道變形自動監(jiān)測的研究

南京市測繪勘察研究院有限公司 鐘金寧 段 偉

南京地鐵科技咨詢有限公司 田有良

徠卡測量新技術(shù)應(yīng)用專欄

應(yīng)用TM30進行地鐵隧道變形自動監(jiān)測的研究

南京市測繪勘察研究院有限公司 鐘金寧 段 偉

南京地鐵科技咨詢有限公司 田有良

一、引 言

隨著我國地鐵交通的快速發(fā)展，目前有近10個城市地鐵開通營運，有近20個城市啟動地鐵建設(shè)。為確保地鐵建設(shè)和營運安全，對隧道的穩(wěn)定性進行監(jiān)測，越來越受到社會和政府的廣泛重視，尤其是軟土環(huán)境中隧道的穩(wěn)定性更加受到關(guān)注。但由于隧道空間狹小、結(jié)構(gòu)環(huán)境復(fù)雜、機車行駛干擾等因素的影響，都給隧道變形自動監(jiān)測造成較多的技術(shù)困難。因此監(jiān)測網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)是基準點的布設(shè)和數(shù)據(jù)處理與穩(wěn)定性分析，其次是工作基點布設(shè)、監(jiān)測點布設(shè)、測量儀器的選型和數(shù)據(jù)通信方式的選擇，以及如何降低高額的監(jiān)測成本。

二、監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)

監(jiān)測網(wǎng)由若干基準點、工作基點和監(jiān)測點組成，其中基準點是監(jiān)測網(wǎng)的核心，布設(shè)的位置、數(shù)量應(yīng)根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的大小、監(jiān)測周期的長短和監(jiān)測精度來設(shè)計。一般在監(jiān)測區(qū)域外圍100～200 m相對穩(wěn)定的地方布設(shè)6～12個基準點(分成1～2組)，并牢固地安置觀測棱鏡。當(dāng)工作基點數(shù)量大于1個時，應(yīng)布設(shè)基準傳遞點，如圖1所示。工作基點的布設(shè)根據(jù)監(jiān)測區(qū)域大小而定，當(dāng)監(jiān)測成果精度優(yōu)于±1 mm時，TM30 0.5″儀器監(jiān)測視線長度不宜超過100 m。監(jiān)測點布設(shè)在隧道斷面上，每5～10 m選擇1個斷面，每個斷面上均勻布設(shè)5～8個觀測棱鏡作為監(jiān)測點。在布設(shè)基準點和監(jiān)測點時要特別注意，儀器觀測有效視場內(nèi)不得出現(xiàn)其他棱鏡(視場內(nèi)有多個棱鏡時會直接影響觀測精度)，在監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)前應(yīng)精確計算每個點的布設(shè)位置。

圖1

三、監(jiān)測網(wǎng)的測量

監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)完成后，通過GeoMoS軟件對TM30進行遠程管理，根據(jù)監(jiān)測需要設(shè)置觀測時間、觀測模式。夜間地鐵停運時為最佳觀測時間，一般觀測1～2次，每次觀測兩測回，白天地鐵行駛時，一般觀測2～4次，每次觀測兩測回。

監(jiān)測系統(tǒng)對基準點、基準傳遞點及監(jiān)測點在同一周期內(nèi)進行測量，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會先利用基準點及基準傳遞點測量數(shù)據(jù)對基準點穩(wěn)定性作出判斷并實時更新工作基點坐標再進行監(jiān)測點坐標的解算。但由于震動和風(fēng)動對儀器觀測精度會產(chǎn)生較大影響，通常觀測數(shù)據(jù)會產(chǎn)生一定偏離，需要在數(shù)據(jù)處理時進行過濾，否則監(jiān)測成果會明顯偏離，無法準確反映隧道的真實變形。

四、數(shù)據(jù)通信

觀測數(shù)據(jù)可通過有線或無線方式實時傳回服務(wù)器，目前可通過有線電信和無線CDMA、GPRS、3G等模式進行數(shù)據(jù)傳載。從應(yīng)用效果來看，3G模式的傳載速度要明顯優(yōu)于其他傳載方式。

五、數(shù)據(jù)處理

地鐵隧道變形自動監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)處理，一般情況下使用GeoMoS軟件已基本能夠完成經(jīng)典的平差計算、數(shù)據(jù)分析和成果輸出。但在有特殊要求的地鐵監(jiān)測項目中，還應(yīng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)中變形量、測量誤差、列車行駛震動和風(fēng)動造成觀測數(shù)據(jù)的偏離，棱鏡儀器表面灰塵影響以及基準點不穩(wěn)定對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響作進一步處理，這就要對GeoMoS軟件做二次開發(fā)或定制專門軟件進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理。在地鐵監(jiān)測工程中運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析模型進一步分析基準點的穩(wěn)定性，預(yù)測工作基點的最合適值和監(jiān)測點變形量，運用小波理論對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行偏差過濾等，使監(jiān)測成果更加客觀準確地描述隧道結(jié)構(gòu)變形過程與變形趨勢。

數(shù)據(jù)處理完成后生成平面位移成果表和平面位移趨勢圖、垂直沉降成果表、垂直沉降趨勢圖、隧道收斂成果表和隧道斷面變形成果表等。

六、實例應(yīng)用

對南京中央商務(wù)區(qū)多功能商業(yè)發(fā)展項目工程段地鐵保護區(qū)監(jiān)測進行實際應(yīng)用，該項目位于南京市建鄴區(qū)河西大街與江東中路交匯處東南隅，北側(cè)為河西大街，項目基坑位于地鐵一號線元通站、元通站～中勝站區(qū)間南側(cè)，位于地鐵二號線雨潤大街站～元通站、元通站東側(cè)。監(jiān)測范圍為地鐵一號線XK2+229～XK2+459，約230 m，地鐵二號線K4+ 164.0～K4+505.8，約341.8 m。將本文提出的監(jiān)測方法用于該項目中去，共布設(shè)3臺TM30 0.5″全站儀進行全自動化監(jiān)測，一號線一臺，二號線兩臺，部分點位監(jiān)測精度見表1，從成果可以得出監(jiān)測成果精度在±1 mm以內(nèi)。

表1 部分點位精度表 mm

七、結(jié)束語

地鐵隧道變形自動化監(jiān)測是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它不僅要融合現(xiàn)代測繪技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)，而且要運用現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論和巖土工程理論對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析與變因研究。經(jīng)過初步試驗，使用TM30 0.5″儀器和科學(xué)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，監(jiān)測成果精度優(yōu)于±1 mm是完全能達到的。