GeoMoS在地鐵保護區(qū)自動化監(jiān)測中的應用

陳喜鳳，黃 騰，劉 嶺，沈月千

（河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098）

1 概 述

距離開挖基坑邊線50m范圍內的地鐵隧道稱為地鐵保護區(qū)。地鐵保護區(qū)監(jiān)測一般包括隧道的垂直位移監(jiān)測、水平位移監(jiān)測、斷面收斂監(jiān)測，具有監(jiān)測時間長、頻率高、內容多等特點。常規(guī)監(jiān)測方法不具備實時性，觀測時段和頻率受限，測量結束后數據處理、分析、出監(jiān)測報告周期長，不能及時反饋變形情況，迅速報警，已無法滿足日益增長的快速施工和不斷提高運營維護效率的要求。近年來，徠卡新一代GeoMoS自動監(jiān)測系統(tǒng)的出現為此帶來了新的曙光。應用GeoMoS自動監(jiān)測軟件（根據需要可對其進行二次開發(fā)）配合徠卡TM30自動全站儀，可實現對地鐵保護區(qū)的全天候自動化監(jiān)測，實時進行數據自動化處理和變形分析，自動生成監(jiān)測報告，自動報警和進行應急處理，既保證了隧道結構和地鐵運營的安全，又為管理維護部門提供了一種科學、高效、便捷的管理手段。

2 GeoMoS自動化監(jiān)測系統(tǒng)組成

2.1 GeoMoS軟件及其特點

GeoMoS（Geography Monitoring System）是由徠卡測量系統(tǒng)研發(fā)的自動化監(jiān)測軟件平臺，可譯為“地表監(jiān)測系統(tǒng)”，是一個集GPS、全站儀（TPS）、傾斜傳感器、各種氣象和地質傳感器等多種傳感器于一體，可以實現計算機遠程控制和配置，具備自動報警和消息發(fā)送功能，能按照既定程序進行自動應急處理，并實現實時可視化分析結果的24h不間斷運行的全自動監(jiān)測系統(tǒng)。其軟件主要由2部分組成：監(jiān)測器（Monitor）和分析器（Analyzer），都連接于SQL Server數據庫。

1）監(jiān)測器功能：集成支持的多種傳感器進行數據采集；根據需要設置測量時間和測量模式；進行學習測量；對測量、計算、限差檢測等參數進行自定義；用自由設站、交會或GPS更新手動設置測站坐標和定向；將測量點按不同的用途分成不同類型的點組，每類點組被賦予不同的優(yōu)先權，在各測量周期中，按預定的時間先后及點組的優(yōu)先權進行測量，使得整個監(jiān)測過程有條不紊；實時顯示當前測量信息；實時探測各傳感器的工作狀態(tài)；原始數據的粗差檢查；根據需要手動暫停或終止測量；數據庫自動導出等。

2）分析器功能：隨時查看監(jiān)測器中已有的或新添加的點、斷面或點組的情況；數字和圖形方式分析來自監(jiān)測器的數據，顯示位移、速度和矢量信息；計算日平均變化量；進行超限探測；自動消息報警；其數據和圖表可被復制到其他應用軟件（如Microsoft WORD、EXCEL）中進行再編輯等。

2.2 Leica TM30自動全站儀

TM30是徠卡繼TCA2003之后推出的電子全站儀，是目前Leica唯一指定的與GeoMoS無縫連接的全站儀，具有無棱鏡測距、自動目標識別以及馬達驅動功能，水平角測量精度為0.5″，垂直角測量精度為1.0″，精密測距精度為0.6mm＋1ppm，標準測距精度為1.0mm＋1ppm，完全能保證隧道變形監(jiān)測的精度要求。其望遠鏡的小視場功能可以較好地解決地鐵隧道狹長空間因棱鏡過多而照錯目標的問題。

2.3 Leica標準精密測距棱鏡和反射貼片

棱鏡作為觀測標志利用膨脹螺絲固定在隧道內側，其數目可按實際需要設定，該標志能被TM30全站儀自動跟蹤鎖定以實施精密測角和測距。對一些精度要求相對較低的監(jiān)測點或因隧道內條件限制不宜安裝棱鏡的，可根據情況選用60mm×60mm的反射貼片作為觀測標志。

2.4 其它設備

其它設備包括溫度計、氣壓計、濕度計、連接電纜、外接電源等，溫度計、氣壓計、濕度計用于測定空氣溫度、氣壓和濕度，以修正觀測結果，提高觀測精度。

（2）根據模擬仿真結果，發(fā)現以往習慣操作下的補澆冒口僅能起到補充首次澆注時鋼液量的不足，如果想通過補澆實現增加冒口模數和減弱冒口下偏析的目的，則需要使用多次補澆方案并適當延長時間間隔，以及采取措施避免冒口頂層鋼液過早凝結成殼。

2.5 數據通信

觀測數據可通過有線或無線方式實時傳回服務器，目前可通過有線電信和無線CDMA、GPRS、3G等模式進行數據傳載。從應用效果來看，3G模式的傳載速度明顯優(yōu)于其它傳載方式［2］。

2.6 后處理軟件

GeoMoS軟件已基本能夠完成經典的平差計算、數據分析和成果輸出，但在特定的地鐵保護區(qū)監(jiān)測項目中，需要按照委托方要求進行測量并提交成果，這就需要利用與GeoMos的軟件接口，對GeoMoS軟件做二次開發(fā)，對測量數據進行后處理，按要求的格式自動生成監(jiān)測報告。

3 監(jiān)測實例

3.1 工程概況

某項目基坑位于某市地鐵一號線玄武門站至新模范馬路站（含）區(qū)間西側，其邊線對應地鐵里程大概為K12＋368～K12＋448，長度約為80m。地鐵車站主體距基坑外邊線約8.9～13.6m；區(qū)間距基坑外邊線約11.6～12.4m。地鐵隧道坐落在高含水量、高壓縮性、高靈敏性、低強度、易變形的粉質粘土層，地質狀況較差。監(jiān)測范圍為項目建設的基坑邊線對應的地鐵線路里程區(qū)域及沿線路方向前后外放60m，即K12＋308～K12＋508，長度約200m。

3.2 監(jiān)測網的布設

監(jiān)測網點的設置要綜合考慮監(jiān)測要求和自動全站儀的視場要求，布網前可根據所用全站儀的小視場功能進行點位估算。在上、下行線隧道相同里程處布設對稱的監(jiān)測點位，點名分別以S（上行）、X（下行）開頭進行標注。因下行線靠近基坑，本文以下行線監(jiān)測情況為例進行分析，點位布設情況如圖1、圖2所示。

基準點要求穩(wěn)定可靠，遠離變形區(qū)80～120m。如圖1所示，在下行線變形區(qū)外兩端約100m處各布設2點（JX1、JX2；JX3、JX4）作為基準點?；舆吘€對應車站及區(qū)間隧道范圍內線約每10m布設一個點（X4～X12），邊線對應范圍外每20m布設一個點（X1～X3；X13～X15）。車站主體與區(qū)間盾構連接處兩側布設一對差異沉降監(jiān)測點（X7與X7－1）。區(qū)間隧道布設7對收斂監(jiān)測點（SLX7～SLX13），與相應的三維變形監(jiān)測點（X7－1～X13）所在斷面重合。各監(jiān)測斷面上監(jiān)測點布設示意圖如圖2所示（圖中以X7斷面為例，其余斷面布設與此相同）。采用自定義的空間直角坐標系，沿隧道軸線方向為X軸，垂直軸線方向為Y軸，鉛垂方向為Z軸。假定JX3坐標為（1 000.000，1 000.000，10.000）（單位：m），JX3到JX4的方位角為0°（稱為隧道坐標系）。在監(jiān)測區(qū)域中間位置的隧道側墻上，設置一個固定強制對中墩臺作為監(jiān)測站（見圖1）。將TM30置于墩臺上，并用特制的玻璃罩保護，玻璃罩要定期清潔以免影響測量精度。各基準點和監(jiān)測點上均安裝有固定的棱鏡或反射貼片，所有監(jiān)測設備均不影響列車正常運行，完全符合“區(qū)間直線地段矩形隧道及車輛界限”的有關安全規(guī)定。

圖1 下行線監(jiān)測點位布設圖

圖2 X7斷面上監(jiān)測點布設示意圖

3.3 測量方法與數據處理

觀測時采用TM30全站儀以ATR模式觀測，每個觀測周期開始前，測量4個基準點（JX1～JX4）4個測回推算出測站點在隧道坐標系下的坐標，然后根據之前的學習測量結果，對所有監(jiān)測點進行自動觀測，得到監(jiān)測點的坐標。根據基坑施工狀況在GeoMoS中設置觀測時間、觀測頻率、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2測回，白天地鐵運行時，一般觀測2～4次，每次觀測兩測回，每周期測量約需15min。隨著基坑開挖深度的不斷增加，可以加大重點部位的觀測頻率。在測量過程中，自動判斷各測回內和測回間的測量成果是否超限，如果出現目標遮擋（如列車駛過），系統(tǒng)自動進行合理等待處理。

GeoMoS監(jiān)測系統(tǒng)對基準點、工作基點及監(jiān)測點在同一周期內進行測量，數據處理系統(tǒng)會先利用基準點及工作基點測量數據對其穩(wěn)定性做出判斷，實時更新工作基點坐標，再進行監(jiān)測點三維坐標的解算。然而，由于氣象因素所引起的測量誤差和全站儀水平度盤0方向的漂移對觀測值存在系統(tǒng)性影響，兩期得到的坐標差并不是點位真正的移動。為此，在基準點與測站點均穩(wěn)定的條件下，在GeoMoS中進行相關設置，系統(tǒng)即可根據系統(tǒng)差分原理［3］，利用基準點在兩測量周期的差異，自動修正這兩項系統(tǒng)誤差對監(jiān)測點坐標位移的影響。系統(tǒng)會將觀測數據、周期平差數據、位移量等預處理結果存儲在SQL Server數據庫中，再利用專門編制的后處理軟件，自動生成用戶要求的相關報表。

3.4 監(jiān)測結果分析

3.4.1 點位三維坐標精度分析

GeoMoS分析器根據極坐標測量原理及Helmert點位誤差估計理論，對各監(jiān)測點的坐標精度及點位誤差進行計算，結果見圖3。

圖3 下行線點位三維坐標精度

X方向最大測量中誤差為0.50mm，Y方向最大測量中誤差為0.27mm，Z方向最大測量中誤差為0.35mm，最大點位中誤差為0.64mm，鑒于測站設在X8斷面附近，所以圖3中所得點位精度與現場實際情況是相符的。隧道的垂直位移和水平位移監(jiān)測主要分別監(jiān)測變形點在Z，Y方向上的位移量，該自動化監(jiān)測系統(tǒng)可以保證這2個方向上的精度在±0.40mm以內?？紤]到基準點觀測的三維坐標精度分別為σXJ＝0.55mm，σYJ＝0.32mm，σZJ＝0.63mm，可以估算監(jiān)測點垂直位移的最大誤差為0.72mm，水平位移的最大誤差為0.41mm，能夠滿足地鐵隧道保護區(qū)變形監(jiān)測的要求。另外，監(jiān)測點的位移量觀測精度約為＝0.91mm，如果取監(jiān)測點位移量中誤差的2倍作為監(jiān)測點位移量觀測誤差的極限誤差，可以認為當位移量超過1.82mm時，監(jiān)測點發(fā)生了明顯位移。

3.4.2 隧道斷面收斂精度分析

與傳統(tǒng)的收斂計測量斷面收斂不同，本項目中用GeoMoS控制TM30采用全站儀坐標測量法，分別測量某一斷面兩側的2個對應監(jiān)測點（如圖2中的X7.1，X7.2），計算出兩監(jiān)測點間基線長度，通過比較不同監(jiān)測周期基線長度的變化，得出每個斷面的收斂變化情況。

設在監(jiān)測站上測得的各斷面上一對收斂點坐標分別為（Xi1，Yi1），（Xi2，Yi2），i＝7，8，…，13。則兩點間基線長度（收斂值）為

將式（1）兩邊平方并求全微分得

設σXi1，σYi1，σXi2，σYi2分別為兩收斂點X，Y方向上的中誤差，則由誤差傳播可得收斂值的中誤差

收斂監(jiān)測標志可以視隧道情況和精度要求選擇Leica標準棱鏡或60mm×60mm的反射貼片（測距精度分別為0.6mm＋1ppm和1.0mm＋1ppm），根據GeoMoS監(jiān)測器中各點測量標準差統(tǒng)計及式（1）、式（3），可估算下行線X7～X13各斷面的收斂測量精度見表1。

表1 收斂測量精度

由表1可見，若選用Leica標準棱鏡，斷面收斂測量精度可達到±1.00mm以內；若選用反射貼片，則測量精度可控制在±1.50mm以內。需注意的是，若用反射貼片作測量標志，TM30全站儀ATR模式測程僅約55m，布點時應視情況予以考慮。

3.4.3 變形趨勢分析

到目前為止，該項目已經進行了近一年的時間，實時地自動化監(jiān)測為施工的順利進行提供了及時準確的數據?；邮┕みM度如表2所示。

表2 基坑施工進度

在GeoMoS分析器中，可以根據需要查看各監(jiān)測點在任意選取時間段內的位移變化情況，如本期變化量、本期變化速率、累積變化量、累積變化速率、平均位移量、平均位移速率及最大點位位移等。為反映變化趨勢，這里給出具有一定代表性的下行線部分點的垂直位移、水平位移及斷面收斂（均采用日平均值）的變化情況，如圖4～6所示。其他斷面點的變化情況與此類似，由于篇幅限制這里不再再具體列出。受基坑不同施工階段的影響，地鐵隧道位移會發(fā)生相應的變化。GeoMoS分析器中的結果較為明顯地體現了這個變化過程：圖4（“＋”表示下沉，“－”表示上升）中，維護樁和地下連續(xù)墻施工階段，位移變化比較明顯，大部分點呈現沉降趨勢，小部分點呈現小幅上升；而后自土方開挖以來，由于軟土地區(qū)的土壤特性和該時期的施工降水的影響，各點點位變化又開始回落且漸趨于平穩(wěn)。圖5水平位移的變化（“＋”表示向基坑方向位移，“－”表示向遠離基坑方向位移）也明顯受基坑施工的影響，與垂直位移變化不同的是，維護樁和地下連續(xù)墻施工階段位移變化在－1.0～2.0mm之間，呈小幅波動狀態(tài)，變化趨勢不明顯；土方開挖使得隧道出現了顯著的位移槽（2011年10月中旬至2011年11月下旬），前期隧道有向基坑方向位移的趨勢，而從2011年11月中旬，由于基坑靠近地鐵側一角第3層土已基本挖到設計標高（－12.20m），故2011年11月中旬到下旬期間隧道呈現向反方向回彈趨勢，到2011年12月份水平位移量已基本趨于穩(wěn)定，最大累計位移量在－3.0mm以內，這與基坑實際施工情況也是相符的。

從圖6收斂情況看，土方開挖前由于施工對隧道各斷面上的一對收斂監(jiān)測點影響基本一致，所以收斂變化不明顯；土方開挖引起的地下水位和土體應力場的變化使一對收斂監(jiān)測點的位移情況不一致，致使自土方開挖以來各斷面收斂變化呈波動狀態(tài)，X7、X8、X9斷面離基坑最近且靠近基坑邊線中間波動最為明顯，其中X9斷面累積變化量最大；到2012年2月底斷面收斂仍未穩(wěn)定，進一步的分析有待于后續(xù)的監(jiān)測。但總體而言，各斷面水平基線均呈現加長趨勢，累計變化量均在＋4.0mm以內。

根據項目監(jiān)測控制指標，對于地鐵隧道結構垂直位移和水平位移，要求變形量達到±3.3mm進行報警，達到±6.7mm時決定采取適當應變措施，嚴格控制在±10mm以內。從GeoMoS分析器中的曲線可以看出，最大沉降量不超過3.0mm，最大水平位移量不超過3.3mm，均在要求的范圍內。另外從曲線的波動情況看，曲線的最大鋸齒不超過1.5mm，從某種意義上也表明該自動化監(jiān)測精度較高。

4 結束語

隨著測繪儀器及相關軟件的發(fā)展以及地鐵工程實時化的監(jiān)測要求，自動化監(jiān)測是地鐵保護區(qū)安全監(jiān)測的發(fā)展方向。GeoMoS軟件以其功能強大的監(jiān)測器和分析器，與徠卡TM30自動全站儀組成自動測量系統(tǒng)，實現整個監(jiān)測過程的全自動化。本文針對某市地鐵保護區(qū)自動化監(jiān)測實例，對地鐵隧道的垂直位移、水平位移及收斂測量精度進行分析，并結合基坑施工狀況對GeoMoS分析器中的變化曲線圖所反映的變化情況和趨勢進行了分析。結果表明該自動化監(jiān)測系統(tǒng)可以達到地鐵保護區(qū)變形監(jiān)測的精度要求，且監(jiān)測速度快，受人為影響少，自動化程度高，真正實現了實時動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測結果有效地指導了基坑施工，為今后類似工程的變形監(jiān)測提供參考。

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