基于測量機器人的深基坑圍護結構變形監(jiān)測技術探討

龐紅軍，衛(wèi)建東，黃威然

(1.中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450009;2.解放軍信息工程大學測繪學院，鄭州 450052;3.廣州地鐵設計研究院，廣州 510010)

0 引言

伴隨著經濟的增長和城市建設的快速發(fā)展，城市土地變得越來越珍貴，向空中求發(fā)展，向地下深層要土地成了建筑商追求經濟利益的常用手段。目前，開挖深度超過5 m的深基坑已成為普遍現象［1］，特別是地鐵站的建設，基坑深度達20 m。由于僅根據地質勘察資料和室內試驗參數來確定設計和施工方案含有許多不確定因素，加上城市中多層、高層建筑密集，基坑開挖會對周圍建筑的穩(wěn)定造成一定影響，尤其是基坑旁邊的老建筑物，許多只有條形基礎，甚至磚基礎，所以，對施工過程中引發(fā)的土體變形、環(huán)境變化、鄰近建筑物變形、地下管線變形等監(jiān)測已成了工程建設必不可少的重要環(huán)節(jié)?；颖O(jiān)測與工程設計、施工同被列為保證深基坑工程質量的3大基本要素。

在目前基坑監(jiān)測的內容中，基坑圍護結構體三維位移(沉降和水平位移)監(jiān)測是主要的監(jiān)測內容之一。李瑞杰［2］和戈修忠［3］采用常規(guī)的基坑圍護結構變形監(jiān)測方法，頂部沉降采用水準測量，頂部水平位移采用經緯儀視準線法、小角度法等進行測量，不同深度的水平位移采用測斜儀測量方法，不同深度的沉降采用深層沉降儀進行監(jiān)測，每項監(jiān)測內容都要布設對應的監(jiān)測點，采用對應的監(jiān)測方法和監(jiān)測設備來完成，所需的觀測設備和觀測人員較多，監(jiān)測成本較大，同時，預埋的測斜管一旦被破壞將很難恢復。

測量機器人是具有自動識別目標與照準功能的智能全站儀的俗稱(如徠卡公司生產的TCA2003、TS30，天寶公司生產的S8)。該類型全站儀具有水平、垂直2個方向的馬達驅動和用于目標識別的CCD結構，加上二次開發(fā)的自動控制測量程序，能夠實現棱鏡目標點的自動尋找和照準，可以對安裝有棱鏡的變形點進行自動測量，獲取空間位置點的三維坐標信息。詹美斌等［4］對大壩監(jiān)測進行了闡述，鄭立常等［5］對運營地鐵隧道自動化監(jiān)測進行了論述。相對于深基坑圍護結構使用傳統(tǒng)測量方法的費工、費時、低效、不能動態(tài)監(jiān)測，使用測量機器人對其進行動態(tài)、高效、高精度監(jiān)測就顯得尤其重要，但測量機器人目前僅在大壩、高鐵等施工測量、監(jiān)測領域和運營地鐵隧道自動化監(jiān)測中得到成功應用，其測量條件優(yōu)越，視野開闊，使用全站儀自帶的軟件或開發(fā)一些簡單的軟件就可以實現，而未涉及到環(huán)境相對惡劣的深基坑測量機器人自動監(jiān)測的相關研究和探討。本文針對測量機器人在監(jiān)測方面的優(yōu)勢，提出基于測量機器人開發(fā)的基坑圍護結構變形監(jiān)測系統(tǒng)，能適用于放坡開挖、有圍護結構的基坑監(jiān)測或做為測斜管被破壞后的補充監(jiān)測手段。相對于傳統(tǒng)監(jiān)測方法的低效、監(jiān)測時間長等缺點，基于測量機器人開發(fā)的基坑圍護結構變形監(jiān)測系統(tǒng)可以實現全天候、動態(tài)的變形監(jiān)測，使監(jiān)測數據能實時地、有效地保證信息化施工，保證施工安全，為施工方案提供真實的、動態(tài)的數據。

1 監(jiān)測網的布設

1.1 變形監(jiān)測點的設置和保護

根據基坑圍護結構監(jiān)測要求，監(jiān)測點應選在基坑圍護結構頂部和基坑壁上。為監(jiān)測基坑不同深度的水平位移和沉降，基坑壁上的監(jiān)測點按垂直斷面方向布設。監(jiān)測點上安裝可供全站儀自動照準與測量的標志，考慮經濟因素，一般采用L小棱鏡。

監(jiān)測斷面之間的距離一般為10～20 m，每個斷面沿深度方向相鄰點間距一般以1.5～2.0 m為宜，圖1中的D2－1、D2－2、D2－3、D2－4為第2斷面的4個點。設置監(jiān)測點時，可將專用螺絲錨固在基座里面，基座周圍有螺紋，可以加保護罩，在基坑壁上測量時將對應的棱鏡安裝在專用螺絲上，測量完將棱鏡取走，蓋上保護罩，以保護螺絲不被損壞，在保護較好的條件下，也可不取走棱鏡?；鶞庶c設置在基坑四周不受基坑變形干擾處，如已建成的建筑物或構筑物上，一般布設3～5個，形成邊角網，基準點同樣安裝測量棱鏡，由于基準點離測站點較遠，一般采用標準圓棱鏡。

圖1 基準點和監(jiān)測點分布圖Fig.1 Layout of reference points and monitoring points

1.2 測站點的設置

測站點通常選在通視條件好、受施工干擾小的區(qū)域，如圖1中的S1，Si位置。由于現場施工條件的限制，全站儀每次設站不會嚴格重合于同一位置，也不需要重合，只要全站儀能夠與每個棱鏡監(jiān)測點通視即可，采用三腳架架設儀器。

2 自動測量的測量方法及流程

2.1 自動尋找并照準目標的方法

自動測量全站儀具有自動尋找和照準棱鏡目標進行測量的功能，用戶指定搜索范圍，全站儀自動在該范圍內尋找棱鏡目標點。如果在搜索范圍內沒有找到棱鏡目標點，全站儀將回到起始位置。如果在搜索范圍內找到棱鏡目標點，全站儀將精確照準棱鏡點。如果在搜索范圍內存在多個棱鏡目標點，自動全站儀將精確照準首先發(fā)現的棱鏡點，條件是該棱鏡點在全站儀的觀測視場中是唯一的，否則，將提示視場中存在多個棱鏡的錯誤。

2.2 控制程序設計需解決的問題

根據上述全站儀尋找目標點的要求，需要開發(fā)控制全站儀進行自動測量的程序，以保證自動測量過程的正常進行，為此需解決以下關鍵問題。

1)全站儀的觀測視場中不能存在多個棱鏡。對于TCA2003全站儀來說，正常視角為27'×27'，這對于距離全站儀為100 m的2個點而言，該2點的距離不能小于0.79 m，一般情況下的基坑監(jiān)測點能滿足這個條件。如需要監(jiān)測點密度很大，考慮利用全站儀的小視角功能，視角為 8'6″×8'6″。

2)起始位置的確定。用戶指定全站儀視準軸的水平指向和垂直指向后，全站儀會自動將望遠鏡視準軸指向該方向，該方向就成為起始位置。

3)搜索范圍的指定。到達起始位置后，自動全站儀會根據指定的搜索范圍尋找棱鏡。一般要求，該搜索范圍內不能存在2個棱鏡，否則還需要人工判斷哪個是監(jiān)測點，因此，搜索范圍不能太大，一般不要超過全站儀的正常視角，但也不能太小，如果變形點的變形量較大而搜索范圍較小，將找不到棱鏡點。

4)整個監(jiān)測系統(tǒng)中的測站點、監(jiān)測點、基準點應在同一個監(jiān)測坐標系中。在這個坐標系中，基準點是坐標系的已知點，測站點、監(jiān)測點在監(jiān)測坐標系中的概略坐標必須在自動測量前得到，否則全站儀在尋找棱鏡點時就會變得盲目。全站儀架設好后，直接測量基準點，利用基準點進行坐標轉換或后方交會，即可得到測站點的概略坐標。得到測站點的概略坐標后，對全站儀重新定向、定位到監(jiān)測坐標系中，然后再測量變形監(jiān)測點在監(jiān)測坐標系中的坐標。由于監(jiān)測點的變化只受變形的影響，所以作為自動測量尋找目標用的概略坐標，只在第1期測量前測量1次即可(本次測量稱為預先測量)，以后各期測量用的概略坐標直接采用前一期的坐標結果。

5)自動測量過程必須實現測量結果是否合限、是否重測的自動判斷，目標被遮擋后的處理等。自動測量過程必須可以人工干預，可以使自動測量過程暫停、繼續(xù)、終止等。

6)TCA2003和TS30程序開發(fā)所用的GEOCOM，部分程序控制指令不通用，所以不用直接移植。目前TCA2003已經停產，TS30作為新一代的儀器，程序不通用帶來一定的麻煩，考慮到目前很多單位依舊在使用TCA2003，所以開發(fā)2套程序是很有必要的。

7)自動監(jiān)測程序中使用COM_OpenConnection()命令進行通訊端口、波特率、返回值的設置，使測量機器人與計算機聯機，從而實現測量機器監(jiān)測的自動控制。

2.3 自動控制程序的流程

根據全站儀的性能及基坑測量環(huán)境，自動監(jiān)測的控制流程可以按圖2所示的框圖進行。一周期測量時，基準點與監(jiān)測點一起測量，然后采用非固定站差分［6］或坐標轉換的方法求監(jiān)測點在監(jiān)測坐標系下的三維坐標。

圖2 自動測量控制流程框圖Fig.2 Flowchart of automatic monitoring control

2.4 基于測量機器人的監(jiān)測系統(tǒng)的構成

基于測量機器人的基坑圍護結構自動監(jiān)測系統(tǒng)硬件包括自動全站儀、1～2 m通訊電纜 (具有藍牙設備的全站儀可以采用藍牙通訊)和控制器 (便攜筆記本、PDA、智能手機等)。系統(tǒng)軟件為整個系統(tǒng)的核心，軟件的功能主要有文件管理、數據采集、數據管理、數據處理等。其中，數據采集部分包括儀器初始化、點位學習、觀測點組設置、測量限差及其他參數設置、自動測量等功能;數據管理采用數據庫管理，變形量的word格式自動報表輸出，各監(jiān)測點位移曲線的圖形顯示等。

2.5 監(jiān)測系統(tǒng)軟件

基于測量機器人的基坑圍護結構自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件部分采用按鈕界面，相對于菜單界面，按鈕界面更加簡明扼要、一目了然，測量、定向、數據采集、數據分析、換頁等主要監(jiān)測功能都在主界面上，可以進行觸摸屏操作，次界面等采用屬性頁進行命令響應，數據處理結果采用圖形顯示和word報表輸出。采用VC++6.0語言編程，通過GeoCOM和自動全站儀進行數據通訊和指令操作［7］。通過RS232串口使計算機和全站儀進行聯接，目前計算機也可以采用USB接口模式，波特率等參數要設置一致。

3 測量誤差分析

測量誤差主要有以下來源。

1)儀器的系統(tǒng)誤差。主要由儀器本身構造引起的。在測量前對儀器進行檢校，檢校后的儀器殘余系統(tǒng)誤差一般會在兩周期位移值計算后基本消除。

2)測站點、目標點的對中誤差。由于基準點、監(jiān)測點在整個監(jiān)測期間采用強制對中固定，對中誤差可忽略不計。測站點位置是通過基準點計算得到的，與對中誤差無關。

3)外界環(huán)境的影響。一般來說，基坑的監(jiān)測范圍較小，基準點、監(jiān)測點的氣象條件基本相同，采用差分方法或加尺度因子的坐標轉換可以減弱氣象因素變化的影響。另外，在自動測量開始前后各測量一次氣象元素，取平均后對測距進行一次改正。經過這些措施后，外界環(huán)境的影響基本可以消除。

4)測量誤差的影響。由于TCA2003全站儀觀測精度較高，測角精度為0.5″，測距精度為1 mm+1×10－6m，在200 m范圍內其點位測量的精度達到0.1 mm。

通過以上分析可以看出，誤差來源對監(jiān)測點點位測量影響并不顯著，一般極坐標測量3個測回即可滿足精度要求［8］。通過基準點坐標轉換求取監(jiān)測點在監(jiān)測坐標系下的坐標時，基準點的圖形結構是影響監(jiān)測點點位精度的一個重要方面。一般要求基準點要均勻地分布在基坑的外圍(見圖1)，避免所有的基準點只位于某一側或近似一個方向。

4 實際工程應用

利用基坑圍護結構自動監(jiān)測系統(tǒng)對廣州某項目開挖的監(jiān)測工程進行了幾個月的位移監(jiān)測，圖3為第2斷面各點的位移曲線圖。從圖中可以看出，上部的D1－1、D1－2、D2－1、D2－2位移量最大，除因為基坑二次取土造成變化較快的一段時間，D2－2稍比D2－1位移量大以外，2點其他時間的位移量基本相同，2斷面的整體位移趨勢也基本一致。監(jiān)測結果正確地反映了基坑的位移情況，出現位移變化較快時，測量人員及時報警，通過及時采取有效措施控制了險情，確保了基坑安全和正常施工。

圖3 第1，2斷面各點位移曲線圖Fig.3 Curves of displacement

一般情況下，以頂部水平位移觀測點10個，不同深度水平位移測斜孔10個為例，對采用常規(guī)的人工監(jiān)測與自動監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測效率進行比較，如表1所示。

表1 人工監(jiān)測與測量機器人自動監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測效率對比表Table 1 Comparison and contrast between monitoring by labor and monitoring by robot total station in terms of monitoring efficiency

從表1可以看出:傳統(tǒng)監(jiān)測方法，先進行外業(yè)測量，后進行內業(yè)處理，再做出成果，畫出變形位移圖，工作效率較低，工作1個循環(huán)，至少要花費3 h。相比傳統(tǒng)的測量方法，測量機器人能全自動、高精度，在幾min就可以完成1個循環(huán)，可以動態(tài)地、及時地、全天候地連續(xù)監(jiān)測，尤其是數據達到報警值或遇到緊急情況需要連續(xù)監(jiān)測時，測量機器人就更有優(yōu)勢。相比傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，測量機器人系統(tǒng)可能只要1人或2人就可以完成任務，節(jié)約成本在70%以上。

5 結論與討論

基于測量機器人的深基坑監(jiān)測系統(tǒng)把測量人員從繁重的重復精確瞄準的任務中解脫出來，實現了基坑監(jiān)測的高精度、自動化，同時也提高了基坑監(jiān)測的時效性，有利于組成監(jiān)測分析、信息反饋及變形預報的自動化和一體化系統(tǒng)，以實現信息化施工中能及時準確可靠地提供基坑監(jiān)測的信息。該監(jiān)測系統(tǒng)在深基坑圍護監(jiān)測中操作方法簡單，僅需3～5個基準點，監(jiān)測點采用加保護罩的螺絲基座加小棱鏡，自動化監(jiān)測、自動化數據處理和輸出可以減少工作量，提高工作效率，也有利于監(jiān)測點的保護，不僅可以做為一種可行的監(jiān)測手段在基坑開始監(jiān)測時采用，也可以在測斜管遭到破壞后做為一種替補方法采用。

此監(jiān)測系統(tǒng)使測量機器人的自動監(jiān)測從操作環(huán)境簡單的大壩或運營隧道監(jiān)測成功地運用在操作環(huán)境較復雜的深基坑自動監(jiān)測中。但是，目前僅僅是測量機器人的深基坑監(jiān)測系統(tǒng)，主要是使用VC++和GeoCOM語言開發(fā)的自動監(jiān)測、自動處理數據和輸出各種報表的軟件。今后還要在操作方便上做進一步的深入研究，如測量機器人監(jiān)測系統(tǒng)的人機無線傳輸，基于互聯網的操作和控制，結合工業(yè)計算機和WIN8操作系統(tǒng)支持觸摸屏操作，結合AUTOLISP對其監(jiān)測點位和斷面進行三維自動成圖、自動數據、圖形分析和處理等。

［1］ 姚黔貴.城市深基坑變形監(jiān)測的實施［J］.貴州工業(yè)大學學報:自然科學版，2005，(34)2:96 －99.(YAO Qiangui.Execution study of deformation survey of urban deep pit［J］.Journal of Guizhou University of Technology:Natural Science Edition，2005，(34)2:96 －99.(in Chinese))

［2］ 李瑞杰.地鐵工程深基坑施工監(jiān)測技術應用［J］.鐵道建筑，2010(5):53－55.

［3］ 戈修忠.深基坑工程監(jiān)測技術分析［J］.淮海工學院學報:自然科學版，2009，18(2):65 －68.(GE Xiuzhong.Analysis of monitoring technology of deep excavation engineering［J］.Journal of Huaihai Institute of Technology:Natural Sciences Edition，2009，18(2):65 －68.(in Chinese))

［4］ 詹美斌，馬原平.TCA2003測量機器人在大壩監(jiān)測中的應用［J］.西部探礦工程，2005(S1):145－146.

［5］ 鄭立常，衛(wèi)建東，鄭俊鋒，等.基坑施工對臨近運營地鐵隧道影響監(jiān)測的實踐［J］.測繪工程，2007(2):47－50.(ZHENG Lichang，WEI Jiandong，ZHENG Junfeng，et al.The practice of deformation monitoring of Metro tunnel influenced by the construction of adjacent foundation pit［J］.Engineering of Surveying and Mapping，2007(2):47 －50.(in Chinese))

［6］ 李會青，張偉.非固定站差分法在深基坑監(jiān)測中的應用［J］.工程勘察，2003(2):59 － 61.(LI Huiqing，ZHANG Wei.Application of difference Method by non-fixed total station in deep pit monitoring［J］.Geotechnical Investigation and Surveying，2003(2):59 －61.(in Chinese))

［7］ 楊健健，饒國和，徐昌，等.測量機器人GeoCOM接口技術的開發(fā)與應用［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2008，32(1):72 －74.(YANG Jianjian，RAO Guohe，XU Chang，et al.Development and application of georobot GeoCOM technology［J］.Hydropower Automation and Dam Monitoring，2008，32(1):72 －74.(in Chinese))

［8］ 郝傳才.地鐵基坑水平位移監(jiān)測精度分析［J］.廣東建材，2006(10):89－91.