基于全自動全站儀的地鐵隧道自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

柏文鋒

(廣州地鐵設(shè)計院研究有限公司，廣東廣州 510010)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市交通壓力的加大，越來越多的城市開始興建地鐵，地鐵的修建帶動了其沿線的物業(yè)建設(shè)，而毗鄰地鐵的建筑施工尤其是深基坑施工，不可避免地對地鐵結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。因此，對于地鐵建(構(gòu))筑物進(jìn)行變形監(jiān)測，以確保其主體結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境的安全是保障地鐵正常運(yùn)行、保障施工安全的重要環(huán)節(jié)。

對于目前已處于運(yùn)營期間的地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測內(nèi)容主要包括區(qū)間隧道拱頂及道床的沉降、隧道管片的側(cè)向位移及隧道結(jié)構(gòu)的收斂變形等。運(yùn)營隧道在地鐵運(yùn)行期間是不允許作業(yè)人員進(jìn)入軌行區(qū)的，所以傳統(tǒng)的人工作業(yè)模式無法保證監(jiān)測的連續(xù)性，這就要求在地鐵隧道中實施無人值守的自動化的變形監(jiān)測［1～3］。

徠卡公司基于徠卡測量機(jī)器人開發(fā)的GeoMos變形監(jiān)測系統(tǒng)是目前地鐵變形監(jiān)測中常用的自動化監(jiān)測系統(tǒng)［4，5］，國內(nèi)的解放軍信息工程大學(xué)、武漢大學(xué)等也針對國內(nèi)的測量規(guī)范研制了遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)［6～8］。地鐵監(jiān)測行業(yè)的發(fā)展對自動化監(jiān)測系統(tǒng)提出了更高的要求，針對越來越多的監(jiān)測項目需求，廣州地鐵設(shè)計院研究有限公司與武漢大學(xué)合作開發(fā)了一套能夠遠(yuǎn)程控制管理多項目的自動化地鐵隧道變形監(jiān)測系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)需求分析

廣州地鐵設(shè)計院研究有限公司目前正在運(yùn)行的無人值守自動監(jiān)測工作站有多個，隨著測站的增多，工作站的壓力逐漸增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性的要求也日益增強(qiáng)，傳統(tǒng)的“單任務(wù)，單測站”的模式已成為制約系統(tǒng)規(guī)模化的瓶頸。因此，建立一套能夠?qū)ΡO(jiān)測項目進(jìn)行統(tǒng)一控制、管理的系統(tǒng)，減少工作站的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，建立C/S(客戶端/服務(wù)器)架構(gòu)的自動化監(jiān)測系統(tǒng)迫在眉睫。

基于工程項目中的實際情況及經(jīng)驗，對自動化地鐵隧道變形監(jiān)測系統(tǒng)提出以下需求:

(1)實現(xiàn)運(yùn)營期間地鐵隧道內(nèi)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化采集;

(2)搭建便攜穩(wěn)定的數(shù)據(jù)服務(wù)器;

(3)通過無線通訊實現(xiàn)遠(yuǎn)程多項目多任務(wù)控制以及數(shù)據(jù)接收;

(4)組建C/S架構(gòu)的自動化監(jiān)測平臺;

(5)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理及分析;

(6)數(shù)據(jù)、成果的科學(xué)管理;

(7)圖形報表的顯示和輸出，報告草稿的自動化生成。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)需求對系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖1所示，系統(tǒng)由服務(wù)器(Server)、控制端(Controller)、客戶端(Client)三部分組成，各部分之間通過因特網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。各部分具體設(shè)計如下:

服務(wù)器是數(shù)據(jù)的物理存儲中心和控制端與客戶端的網(wǎng)絡(luò)交互平臺，具有固定的IP地址，主要包括數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器管理軟件以及通訊軟件?？刂贫藶槿我獍惭b了控制端管理軟件的已聯(lián)網(wǎng)電腦，通過互聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)對監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備的查詢、控制以及查詢、輸出數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測記錄、結(jié)果文件?？蛻舳税惭b在地鐵隧道監(jiān)測現(xiàn)場，包括工控機(jī)、徠卡高精度測量機(jī)器人以及電纜、無線通訊裝置等，用于完成變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集以及與服務(wù)器管理軟件、客戶端管理軟件的通訊。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為SQL Server，針對數(shù)據(jù)庫對不同項目以及項目數(shù)據(jù)信息的管理需求，將數(shù)據(jù)庫設(shè)計為兩個層次如圖2所示:

圖2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

中心管理數(shù)據(jù)庫用來管理所有項目的基本信息，每個項目對應(yīng)一個工程數(shù)據(jù)庫，包括該項目的所有配置信息以及監(jiān)測信息。數(shù)據(jù)庫設(shè)計主要由工程表、用戶信息表、異常登錄信息表構(gòu)成。

工程數(shù)據(jù)庫用來管理每個工程項目的配置信息以及監(jiān)測數(shù)據(jù)、結(jié)果，設(shè)計的數(shù)據(jù)表主要包含了工程中的配置信息以及工程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。

3.2 數(shù)據(jù)通訊的設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的總體架構(gòu)，客戶端實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集工作并發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器端管理軟件需接收來自不同的客戶端的監(jiān)測數(shù)據(jù)并上傳至數(shù)據(jù)庫中，同時控制端和服務(wù)器端管理軟件還需對客戶端的設(shè)備實現(xiàn)查詢、控制，基于此設(shè)計了各部分之間的數(shù)據(jù)通訊模式如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)各部分?jǐn)?shù)據(jù)通訊模式

服務(wù)器具有固定的IP地址，各控制端、客戶端具有唯一的標(biāo)識ID，控制端、客戶端主動連接服務(wù)器并定時發(fā)送心跳包，服務(wù)器實時獲取更新各控制端、客戶端的IP地址以及在線狀態(tài)。

系統(tǒng)開發(fā)在Visual 2010的平臺上采用Visual C#語言實現(xiàn)，數(shù)據(jù)通訊模塊采用多線程實現(xiàn)。服務(wù)器端管理軟件和控制端管理軟件需要同時與不同客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，在程序啟動階段開啟工作主線程和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽線程直到程序被退出，同時根據(jù)需要動態(tài)開啟多個數(shù)據(jù)發(fā)送線程和數(shù)據(jù)接收線程。工作主線程完成的工作包括獲取并更新系統(tǒng)項目中全部客戶端設(shè)備的在線狀態(tài)信息、檢查各數(shù)據(jù)接收線程是否超時并完成超時處理、檢查管理軟件是否連接上服務(wù)器進(jìn)行掉線自動重連等。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽線程實時監(jiān)聽，獲取服務(wù)器發(fā)送過來的消息完成指令編譯并做出對應(yīng)的操作。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集方式采用方向觀測法，根據(jù)《國家三角測量規(guī)范(GB/T 17942－2000)》方向法的操作順序制定觀測流程。觀測限差根據(jù)《工程測量規(guī)范(GB50026－2007)》中平面控制測量、高程控制測量中的要求設(shè)置，同時用戶也可以根據(jù)項目的需求自定義觀測限差。采用單機(jī)版數(shù)據(jù)采集軟件對監(jiān)測點完成初始測量后，根據(jù)初始測量信息完成自動測量。同時由于運(yùn)營隧道中行車間隔短，數(shù)據(jù)采集模塊充分考慮目標(biāo)被遮擋、測量超時等異常測量的智能處理。數(shù)據(jù)采集模塊在Visual 2010的平臺上采用Visual C#語言進(jìn)行Windows組件開發(fā)，以服務(wù)的形式安裝在工控機(jī)中，通過電纜線控制測量機(jī)器人完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集工作。

3.4 數(shù)據(jù)處理、報表輸出模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)目前采用的數(shù)據(jù)處理方法為根據(jù)基準(zhǔn)點組的后方交會觀測數(shù)據(jù)計算，測站坐標(biāo)后采用極坐標(biāo)法計算監(jiān)測點坐標(biāo)?？紤]到目前主要工程項目中的設(shè)站類型，測站類型分為固定測站、平面固定測站、待判定測站和變化測站幾種，根據(jù)測站類型和后方交會觀測數(shù)據(jù)判斷是否進(jìn)行后方交會計算。同時充分考慮到地鐵隧道變形監(jiān)測范圍狹窄以及地鐵隧道變形特點增加方向基準(zhǔn)點對基準(zhǔn)點網(wǎng)形進(jìn)行優(yōu)化，提高后方交會計算測站坐標(biāo)的精度。

報表輸出模塊使用NPOI控件開發(fā)，該控件直接讀寫Office格式文檔，不需要在服務(wù)器上安裝微軟的Office，可以避免版權(quán)問題。報表生成采用向?qū)Ｊ捷斎氡匾畔⒅笞詣由?，靈活方便，支持圖片導(dǎo)入，生成的報表內(nèi)容圖文并茂。

4 工程應(yīng)用

某工程基坑位于廣州市越秀區(qū)中山一路和農(nóng)林東路交匯處，基坑設(shè)二層地下室，采用鉆(沖)孔樁基礎(chǔ)，基坑周邊總長度約 250 m;基坑開挖深度約 12 m，基坑四周環(huán)境比較復(fù)雜，且毗鄰廣州地鐵一號線東山口至楊箕區(qū)間。由于基坑施工過程中的卸載、失水等必然引起隧道周邊的環(huán)境的變化，環(huán)境的變化會對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因此對隧道結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，對于指導(dǎo)信息化施工，保障地鐵安全具有重大意義。

本項目采用上文所述的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測項目包括隧道結(jié)構(gòu)體的拱頂沉降、隧道側(cè)向位移等。監(jiān)測點布于基坑施工可能造成影響的隧道部分區(qū)段，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)以 10 m間距布設(shè)監(jiān)測斷面，各監(jiān)測斷面布點情況如圖4所示。

圖4 隧道斷面圖

通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，某斷面各測點Z方向(豎直方向)的變形過程線如圖5所示。

通過上述過程線可以發(fā)現(xiàn)，在監(jiān)測時段內(nèi)，數(shù)據(jù)曲線變化平穩(wěn)且呈逐步增長的態(tài)勢，符合現(xiàn)場施工情況及原設(shè)計評估的變化規(guī)律。通過變化曲線可以看出，基坑施工對地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一個逐步累積的不利影響，但本項目中整體影響較小。通過現(xiàn)場對隧道內(nèi)觀的檢查，隧道結(jié)構(gòu)情況良好，未出現(xiàn)裂紋、滲水等不良病害，并結(jié)合隧道日常運(yùn)營維護(hù)監(jiān)測的情況，兩者反映的隧道結(jié)構(gòu)情況也基本相符。

圖5 某斷面變形過程線

5 結(jié)語

本文介紹了結(jié)合現(xiàn)代化地鐵隧道變形監(jiān)測實際情況進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)的隧道結(jié)構(gòu)變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計了系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)，針對本系統(tǒng)多項目管理的特點，詳細(xì)介紹了其數(shù)據(jù)庫設(shè)計以及數(shù)據(jù)通訊模式。最后通過在廣州某項目中的實際應(yīng)用驗證了本系統(tǒng)的實用性。

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