基于智能型全站儀的地鐵隧道變形自動化監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用

郭 峰，劉 琴

（長江三峽勘測研究院有限公司（武漢））

1 引言

新建地鐵的工程量較大且施工和測量復(fù)雜，各項工序都是交錯進行，對臨近運行中的地鐵的監(jiān)測形成了一定的干擾，因此，對已投入運行的地鐵隧道要進行實時監(jiān)測。由于智能型全站儀的自動化監(jiān)測技術(shù)可以有效地對地鐵隧道現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，并且可采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確、及時地掌握和了解地鐵隧道的變形情況，所以，使用智能型全站儀對地鐵隧道變形自動化監(jiān)測具有重要的意義。

圖1 監(jiān)測點坐標(biāo)和高程示意圖

2 智能型全站儀的監(jiān)測原理

2.1 全站儀的三維坐標(biāo)監(jiān)測原理

地鐵隧道變形監(jiān)測的參考點，也可稱作基準(zhǔn)點，獲得與監(jiān)測點的邊角角度后，通過邊角的角度可以測算出平面的坐標(biāo)和高度，如圖1所示。

圖1中的A、B、C代表三個參考指定的坐標(biāo)和高程，P點代表全站儀的置鏡區(qū)域，i是監(jiān)測點。通過后方交會測量技術(shù)，可以先算出P點的坐標(biāo)和高程（Xp，Yp，Hp），從而可以測算出i點的坐標(biāo)與高程（Xi，Yi，Hi）[1]。如果監(jiān)測點的初始周期的坐標(biāo)點為（Xi1，Yi1，Hi1）（初始值），那么各個監(jiān)測點的第n期相比于初始周期的變形量為 ΔX=Xin-Xi1，ΔY=Yin-Yi1，ΔH=Hin-Hi1。

2.2 圍巖收斂變形監(jiān)測原理

如圖2所示，A、B兩點代表位于地鐵隧道管片兩側(cè)的監(jiān)測點上的棱鏡，S點為全站儀的監(jiān)測站，d為兩個棱鏡間的距離，b、a、α分別為全站儀與監(jiān)測點A、B間的測量距離和角度，可以根據(jù)三角函數(shù)中的余弦公式得出在不同測量時期d值的變化，以此來反映地鐵隧道雙面?zhèn)缺诘淖冃螤顩r。如果初始周期的弦長d1被設(shè)置為初始值，那么第n期相比于初始周期的變形量ΔS=dn-d1。

圖2 地鐵隧道雙面?zhèn)缺谧冃瘟渴疽鈭D

3 智能全站儀系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)的設(shè)置

在地鐵隧道變形監(jiān)測中，智能全站儀可以通過測量機器人的強大功能來進行工作。智能機器人可以實現(xiàn)自動搜索、自動找準(zhǔn)、自動測量等功能，技術(shù)人員可預(yù)先對機器人進行編程，實現(xiàn)人機互動、遠程遙控、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲和分析的功能，以此實現(xiàn)對地鐵隧道變形狀況的自動監(jiān)測，同時，對地鐵隧道內(nèi)發(fā)生的變形狀況進行實時反饋。機器人應(yīng)用于地鐵隧道監(jiān)測主要分為以下三個部分：

1）監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

機器人經(jīng)過更加深層次的開發(fā)，可實現(xiàn)功能上的擴展，具備自動搜索、自動找準(zhǔn)、自動測量等功能，并根據(jù)指令進行控制，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集的過程中，機器人搭載的軟件為GeoMoS與ADM-SL2及機載軟件。

2）無線通信系統(tǒng)

測量地鐵軌道的機器人利用無線連接的模式進行遠程作業(yè)，操作人員通過無線技術(shù)將指令傳達到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采集系統(tǒng)又將所收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

3）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)通常放置在辦公室內(nèi)，利用IP網(wǎng)絡(luò)下達和接收指令，同時可以分析機器人所獲取到的信息。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

在機器人進行監(jiān)測前，全站儀首先要進行測量學(xué)習(xí)，這里的測量學(xué)習(xí)是指專業(yè)操作人員需要對機器人的參數(shù)進行調(diào)整，然后對監(jiān)測點進行人工校準(zhǔn)，即校準(zhǔn)機器人相較于定向點的水平角度與監(jiān)測站的天頂距，并且保存其初始值數(shù)據(jù)。地鐵隧道變形自動化監(jiān)測技術(shù)的核心功能就是地鐵隧道自動測量系統(tǒng)。由控制中心通過網(wǎng)絡(luò)傳輸指令，對機器人進行指揮，控制機器人對地鐵隧道的監(jiān)測點和位置進行自動搜索、瞄準(zhǔn)和測量，并通過之前設(shè)置好的各項參數(shù)，設(shè)置手動或自動的監(jiān)測方式對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，并及時地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒祷乜刂浦行摹?/p>

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸

GPRS DTU采用ARM9高性能處理器，通過軟件平臺對系統(tǒng)進行實時操作，在硬件配置上，采用超大內(nèi)存，且在其內(nèi)部采用TCP/IP協(xié)議,可以為用戶在數(shù)據(jù)采集上提供高效穩(wěn)定的傳輸模式、始終在線的數(shù)據(jù)終端和多協(xié)議轉(zhuǎn)換的虛擬網(wǎng)絡(luò)。在應(yīng)用機器人前，首先要對機器人進行參數(shù)設(shè)置，通過軟件設(shè)置確定控制中心的IP和端口，令竄口和采集器進行對接，最后通過之前設(shè)置好的IP和端口連接，實現(xiàn)雙接口的數(shù)據(jù)透明傳輸。

4 智能型全站儀在智慧城市中的實際應(yīng)用

本文以某市地鐵5號線為例介紹智能型全站儀在智慧城市中的實際應(yīng)用。在地鐵5號線的一期、二期工程中，由于有3號線通過，所以，在5號線的施工過程中，務(wù)必保證3號線的安全運行。因此，在5號線施工過程中要對3號線的地鐵隧道變形情況進行實時監(jiān)測。此項工程的監(jiān)測內(nèi)容包括地鐵3號線隧道管片結(jié)構(gòu)的沉降、水位監(jiān)測和道床沉降，等等。由于監(jiān)測區(qū)域大、易產(chǎn)生變形區(qū)域較多、監(jiān)測的頻率較高及數(shù)據(jù)量龐大，且面臨在地鐵3號線運行時，監(jiān)測人員無法進場的難題，所以此時，只能使用自動化監(jiān)測設(shè)備來為3號線和5號線地鐵的正常運行提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4.1 基準(zhǔn)點的排布設(shè)置

在變形影響區(qū)域外的一定范圍內(nèi)，在地鐵3號線分布了3個基準(zhǔn)點，這樣可以有效保障監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時，定期對監(jiān)測基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性進行觀察，嚴(yán)格控制基準(zhǔn)點與置鏡點的距離，使置鏡點與基準(zhǔn)點的距離大于與監(jiān)測點的距離，以保證監(jiān)測點的準(zhǔn)確度。

4.2 監(jiān)測點的排布設(shè)置

在地鐵隧道變形影響區(qū)域內(nèi)的范圍內(nèi)，要做到每個隧道中每5m作業(yè)設(shè)置1個監(jiān)測斷面，在每個斷面上要再設(shè)置5個監(jiān)測點。其中，2個監(jiān)測點為水平位置監(jiān)測點，2個為道床沉降監(jiān)測點，1個為拱頂沉降監(jiān)測點。在監(jiān)測中，由于全站儀的三角形高程測量的精確度比較低，所以，為了保證測量的精確度，在隧道中還排布了靜力水準(zhǔn)測量系統(tǒng)來保證監(jiān)測的精準(zhǔn)度。

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)設(shè)計要求，地鐵隧道變形水平和垂直位移的最大值不可以超過±10mm，并且設(shè)置最大值的1/3作為報警值，即±3.3mm；設(shè)置最大值的2/3作為警戒值，即±6.7mm。另外，對于沉降的速率也有極高的要求，要求控制在2.0mm/d，且道床的最大沉降值為4mm，在最大值達到70%時為警戒值，即2.8mm。在監(jiān)測過程中，如果發(fā)生超出以上各個數(shù)值的情況，監(jiān)測系統(tǒng)會向相關(guān)人員發(fā)送報警信息。而在實際監(jiān)測中，道床沉降值超出了警戒值，沉降的速率也超過了設(shè)計值。為了驗證監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，操作人員與靜力水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)進行了對比。監(jiān)測對比結(jié)果表明，智能型全站儀的監(jiān)測系統(tǒng)準(zhǔn)確無誤，數(shù)據(jù)可靠。針對該情況的發(fā)生，相關(guān)部門組織了專家研討會，并在會議上對所發(fā)生的狀況提供了解決辦法。經(jīng)過專家的建議，在隧道變形處采用了注漿加固的處理方式，在實施過程中，效果良好，并且，在之后的施工和監(jiān)測中，沉降狀態(tài)趨于穩(wěn)定。

6 結(jié)語

智能全站儀不僅可以對地鐵隧道的變形狀況進行監(jiān)測，還可以將獲取到的數(shù)據(jù)輸送到檢查中心，必要時還可以發(fā)送報警信息，為地鐵工程的施工和運行提供強大的安全保障，從而促進智慧城市的安全發(fā)展。