地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

段　偉，王　敏，鐘金寧，左靖山

(1. 南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019； 2. 北京天寶富通測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100043)

DUAN Wei，WANG Min，ZHONG Jinning，ZUO Jingshan

地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

段偉1，王敏1，鐘金寧1，左靖山2

(1. 南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019； 2. 北京天寶富通測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100043)

Application and Research of Automatic Monitoring System for Stability of Subway Tunnel Structure

DUAN Wei，WANG Min，ZHONG Jinning，ZUO Jingshan

摘要：隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，目前我國(guó)的地鐵營(yíng)運(yùn)線路長(zhǎng)度已近300 km，如何實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地鐵結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保障地鐵營(yíng)運(yùn)安全，受到各地政府的高度重視。本文基于高精度全站儀構(gòu)建開(kāi)發(fā)了地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用VT檢驗(yàn)法對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行了穩(wěn)定性判定，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程無(wú)線控制全站儀對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，通過(guò)三維一體化、高精度系統(tǒng)快速對(duì)地鐵隧道進(jìn)行了水平位移、垂直位移、隧道直徑收斂等諸多變形量的監(jiān)測(cè)，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和監(jiān)測(cè)成果精度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足地鐵結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)毫米級(jí)的精度要求，并具有較好的穩(wěn)定性。

引文格式： 段偉，王敏，鐘金寧，等. 地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(9)：91-94.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0288

關(guān)鍵詞：VT檢驗(yàn)法；地鐵隧道；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：P258

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2015)09-0091-04

收稿日期：2014-12-03

基金項(xiàng)目：江蘇省科技支撐計(jì)劃(BE2014026)

作者簡(jiǎn)介：段偉(1985—)，男，碩士生，工程師，主要研究方向?yàn)榫芄こ虦y(cè)量與變形監(jiān)測(cè)。E-mail：306132870@qq.com

通信作者：王敏 。E-mail：endyyl@163.com

一、引言

隨著我國(guó)地鐵交通工程的快速發(fā)展，高精度全站儀在地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用已非常廣泛[1-4]。地鐵的變形監(jiān)測(cè)精度要求高(一般要求1 mm乃至更小)，而且基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)都只能布設(shè)在地鐵隧道的狹長(zhǎng)空間中，因此地面攝影測(cè)量和三維激光掃描目前還難以達(dá)到監(jiān)測(cè)要求。地鐵隧道內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量比較大,其變形監(jiān)測(cè)過(guò)程周期性和長(zhǎng)期性的要求,使得數(shù)據(jù)量非常龐大[5]，傳統(tǒng)通信及存儲(chǔ)方法不便于管理如此大量的數(shù)據(jù)。此外,地鐵施工位于地下,不便采用GPS技術(shù)；而精密水準(zhǔn)測(cè)量(包括液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量)只能作沉降監(jiān)測(cè),且費(fèi)工費(fèi)時(shí)，效率較低。因此,用高精度測(cè)量機(jī)器人建立地鐵隧道變形自動(dòng)化持續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就成為最好的選擇。

基于高精度全站儀的三維自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)地鐵結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化、智能化[6]，同時(shí)可獲取地鐵結(jié)構(gòu)在水平、垂直、直徑收斂等毫米級(jí)的變形數(shù)據(jù)，滿足保障地鐵結(jié)構(gòu)安全的需求。為此筆者基于不同品牌及精度的全站儀構(gòu)建研發(fā)了地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用VT檢驗(yàn)法[7]在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)組進(jìn)行了穩(wěn)定性判定，并在南京地鐵某保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，最后對(duì)基于不同精度及品牌全站儀的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性及成果精度進(jìn)行了對(duì)比分析。

二、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理，筆者設(shè)計(jì)了集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、成果發(fā)布于一體的一整套地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1. 數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)中，筆者基于Trimble Precision SDK平臺(tái)及Leica GeoCom指令集研發(fā)了可支持Trimble S8及Leica TM30全站儀的數(shù)據(jù)采集管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了利用遠(yuǎn)程控制全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與管理，圖2為數(shù)據(jù)采集管理平臺(tái)界面。

系統(tǒng)主要功能有：利用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集平臺(tái)控制全站儀進(jìn)行點(diǎn)位學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)；遠(yuǎn)程控制全站儀開(kāi)始、暫停及停止自動(dòng)觀測(cè)；進(jìn)行各工作基點(diǎn)觀測(cè)點(diǎn)組分組設(shè)定；遠(yuǎn)程設(shè)定自動(dòng)觀測(cè)周期；單點(diǎn)測(cè)量次數(shù)與重復(fù)觀測(cè)時(shí)間間隔設(shè)定等。

2. 數(shù)據(jù)及指令通信

在數(shù)據(jù)及指令通信環(huán)節(jié)，筆者發(fā)明了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，并獲得實(shí)用型新專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào)：ZL201120462266.X),本實(shí)用新型提供的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有3個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

1) 通信方面：進(jìn)來(lái)的RS485信號(hào)轉(zhuǎn)換為RJ45信號(hào)，通過(guò)3G無(wú)線模塊與外圍服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與指令傳輸，通信速度比GPRS有百倍的提高，減少了點(diǎn)組監(jiān)測(cè)時(shí)間，提高了監(jiān)測(cè)精度。2) 供電方面：將220 V電源轉(zhuǎn)換為12 V和24 V，12 V給各模塊供電，24 V給傳感器供電，傳感器與RTU之間用8芯網(wǎng)線連接，用于供電及數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)了各種模塊及傳感器統(tǒng)一供電，減少了電纜的布設(shè)，降低了成本。

圖1　地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖2　數(shù)據(jù)采集管理平臺(tái)

3) 系統(tǒng)控制方面：采用帶有單片機(jī)功能的短信控制模塊及繼電器組成系統(tǒng)的控制中心，手動(dòng)或自動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，定時(shí)復(fù)位系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3. 數(shù)據(jù)處理

基準(zhǔn)點(diǎn)組穩(wěn)定性判定為數(shù)據(jù)處理最重要的環(huán)節(jié)，其方法是否恰當(dāng)將直接影響監(jiān)測(cè)成果的精度。本文利用VT檢驗(yàn)法在監(jiān)測(cè)點(diǎn)成果解算前對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)組進(jìn)行穩(wěn)定性判定，剔除不穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)，以提高監(jiān)測(cè)點(diǎn)解算成果的精度。檢驗(yàn)思路為[7]：

1) 依據(jù)自由設(shè)站所得的觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，利用全站儀空間后方交會(huì)算法計(jì)算出工作基點(diǎn)坐標(biāo)的近似值。

The traditionaalgorithm can be improved by u(e),and the trajectory that meets the requirements of the reachability and IKPI can be searched by the improvedalgorithm.

2) 假設(shè)控制網(wǎng)中基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定不變，采用經(jīng)典平差方法進(jìn)行三維平差計(jì)算，獲取所有參數(shù)最或是值(包括工作基點(diǎn)三維坐標(biāo))。

3) 利用Helmert方差估計(jì)公式，分別計(jì)算出其中3類(lèi)觀測(cè)值(水平方向角、天頂距、斜距)的單位權(quán)中誤差m01、m02、m03。

4) 計(jì)算出3類(lèi)觀測(cè)值的改正數(shù)νi、νj、νk。

5) 構(gòu)建3類(lèi)觀測(cè)值統(tǒng)計(jì)量t

6) 選擇適當(dāng)?shù)闹眯潘溅?本次取α=99%)，計(jì)算統(tǒng)計(jì)量t的限差t0。

三、監(jiān)測(cè)網(wǎng)及試驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

本次試驗(yàn)在南京某地鐵保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目區(qū)域進(jìn)行，使用兩臺(tái)Trimble S8全站儀(0.5″一臺(tái)，1″一臺(tái))，采用基準(zhǔn)點(diǎn)組、工作基點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)模式構(gòu)成監(jiān)測(cè)網(wǎng)[2]，如圖3所示。

監(jiān)測(cè)網(wǎng)中，各基準(zhǔn)點(diǎn)組由9個(gè)L型棱鏡基準(zhǔn)點(diǎn)組成；工作基點(diǎn)設(shè)在監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定、通視情況較好、結(jié)構(gòu)牢固的位置，安裝強(qiáng)制對(duì)中裝置[8]；監(jiān)測(cè)點(diǎn)按10 m一個(gè)斷面，每斷面7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(安置L型棱鏡)布設(shè)，監(jiān)測(cè)斷面布點(diǎn)如圖4所示。

圖3　變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)

圖4　監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)

通過(guò)各斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值解算各測(cè)項(xiàng)值及其變化量。其中，7號(hào)點(diǎn)計(jì)算道床垂直位移；2號(hào)點(diǎn)計(jì)算水平位移；2號(hào)點(diǎn)和5號(hào)點(diǎn)計(jì)算水平收斂；4號(hào)點(diǎn)和6號(hào)點(diǎn)、4號(hào)點(diǎn)和7號(hào)點(diǎn)計(jì)算豎向收斂；3號(hào)點(diǎn)計(jì)算拱頂垂直位移。

為客觀分析該系統(tǒng)的成果精度，在采用Trimble S8全站儀監(jiān)測(cè)一個(gè)月后，將兩個(gè)工作基點(diǎn)分別換上Leica TM30(0.5″)，配合Leica GeoMoS軟件繼續(xù)監(jiān)測(cè)一個(gè)月，以獲取相同條件下的結(jié)構(gòu)變形原始觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析。

四、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性從數(shù)據(jù)采集的成功率與采集效率兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

對(duì)試驗(yàn)期間監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，觀測(cè)點(diǎn)組數(shù)據(jù)成功率見(jiàn)表1?？梢钥闯?，采用Trimble S8全站儀配合自主研發(fā)的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，與采用Leica TM30全站儀配合GeoMoS軟件每周期點(diǎn)組采集成功率均在96%以上，采集成功率較高。

對(duì)試驗(yàn)期間采集所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的使用時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算出單點(diǎn)單面測(cè)量使用時(shí)間(s)，繪制頻數(shù)分布直方圖，如圖5所示。

表1　監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成功率統(tǒng)計(jì)　(%)

由圖5可以看出，利用不同全站儀單點(diǎn)測(cè)量用時(shí)為(11.5±1.5)s，置信概率為95%，采集效率差異較小。

圖5　單點(diǎn)單面數(shù)據(jù)采集時(shí)間頻數(shù)分布

五、監(jiān)測(cè)成果精度分析

基于試驗(yàn)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用自主研發(fā)的三維自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，解算出各周期的監(jiān)測(cè)成果。

分別選取水平位移(X方向)測(cè)項(xiàng)、垂直位移(Z方向)測(cè)項(xiàng)對(duì)0.5″與1″ Trimble S8的監(jiān)測(cè)點(diǎn)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算出不同精度全站儀各監(jiān)測(cè)成果精度。將采用不同精度Trimble S8的監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行對(duì)比分析，以距離為橫軸、中誤差為縱軸作中誤差隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)到工作基點(diǎn)的距離變化關(guān)系的曲線圖，如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7對(duì)比結(jié)果可知，采用0.5″ Trimble S8全站儀的水平位移測(cè)量中誤差區(qū)間為0.35～0.53 mm，垂直位移測(cè)量中誤差區(qū)間為0.42～0.61 mm；采用1″ Trimble S8全站儀的水平位移測(cè)量中誤差區(qū)間為0.36～0.57 mm，垂直位移測(cè)量中誤差區(qū)間為0.31～0.68 mm；兩種精度全站儀監(jiān)測(cè)成果精度均比較穩(wěn)定，且都能保證百米1 mm的監(jiān)測(cè)精度要求；同時(shí)，水平方向上的成果精度要略高于垂直方向。

圖6　0.5″與1″ Trimble S8監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移精度-距離關(guān)系

圖7　0.5″與1″ Trimble S8監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直位移-距離關(guān)系

為了對(duì)比分析基于Trimble全站儀的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成果精度，同時(shí)對(duì)同條件下的Leica系統(tǒng)監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算出其監(jiān)測(cè)成果精度。將0.5″ Trimble系統(tǒng)與0.5″ Leica系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)成果(選擇YSZ2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù))精度進(jìn)行對(duì)比分析，以距離為橫軸、中誤差為縱軸作中誤差隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)到工作基點(diǎn)的距離變化關(guān)系的曲線圖，如圖8所示。

圖8　Trimble、Leica監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直、水平位移精度-距離關(guān)系

由對(duì)比結(jié)果可知，采用Leica監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的水平位移測(cè)量中誤差區(qū)間為0.41～0.51 mm，垂直位移測(cè)量中誤差區(qū)間為0.38～0.51 mm；采用Trimble監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的水平位移測(cè)量中誤差區(qū)間為0.38～0.52 mm，垂直位移測(cè)量中誤差區(qū)間為0.41～0.52 mm；兩者監(jiān)測(cè)成果精度相當(dāng)。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文基于不同品牌及精度的全站儀構(gòu)建研發(fā)了地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)中研發(fā)了數(shù)據(jù)采集平臺(tái)同時(shí)管理不同品牌全站儀；在數(shù)據(jù)及指令傳輸環(huán)節(jié)中開(kāi)發(fā)了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率及穩(wěn)定性；在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中應(yīng)用VT檢驗(yàn)法對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)組進(jìn)行了穩(wěn)定性判定，最后通過(guò)試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和監(jiān)測(cè)成果精度進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，基于高精度全站儀的地鐵隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集成功率、穩(wěn)定性高，數(shù)據(jù)傳輸基本無(wú)延時(shí)，經(jīng)過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)組穩(wěn)定性判定后監(jiān)測(cè)點(diǎn)百米內(nèi)三維成果精度優(yōu)于1 mm，能夠較好滿足地鐵結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)在系統(tǒng)穩(wěn)定性、成果精度、準(zhǔn)確度等方面的需求。

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