自動化監(jiān)測技術在營業(yè)線施工中的應用與研究

侯 學

(中鐵四局集團有限公司設計研究院，安徽 合肥 230023)

0 引 言

我國變形監(jiān)測技術自20世紀50年代開始，發(fā)展至20世紀80年代使用自動化遙測，到20世紀90年代開始逐步使用自動化監(jiān)測技術。隨著科學技術的不斷創(chuàng)新和新型監(jiān)測設備的更新?lián)Q代，目前自動化監(jiān)測技術已取得長足的進步，也不斷延伸至各個領域。隨著工程建設領域安全風險意識不斷提高，自動化監(jiān)測系統(tǒng)已然成為當今工程監(jiān)測領域的主旋律。能更好地滿足對工程監(jiān)測的要求也不斷提高。對工程監(jiān)測系統(tǒng)的高頻次、高精度、高效率、及時性、智能化等嚴格要求。因此，在各類基坑、大壩、隧道、橋涵、鐵路等重要的大型項目上，自動化監(jiān)測技術不斷普及，傳統(tǒng)的監(jiān)測方式將面臨淘汰。

1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)設計

系統(tǒng)的設計應滿足一定的原則，盡量做到可靠、經(jīng)濟、合理。監(jiān)測系統(tǒng)是提供獲取結構變形信息的工具，使決策者可以針對特定目標做出正確的決策，設計原則如下：

(1)保證系統(tǒng)的有效性。

(2)保證系統(tǒng)的可靠性。

(3)保證系統(tǒng)的先進性。

(4)保證系統(tǒng)的可操作和易于維護性。

(5)系統(tǒng)應該具有很好的開放性、兼容性。在滿足功能要求的前提下，應充分考慮現(xiàn)代技術的快速發(fā)展，以便系統(tǒng)升級。同時能夠?qū)崿F(xiàn)與交通工程、管理養(yǎng)護等系統(tǒng)對接，實現(xiàn)信息共享。

(6)系統(tǒng)具有遠程固件升級功能：根據(jù)系統(tǒng)自檢以及系統(tǒng)需求可對遠程固件進行完善，且系統(tǒng)具備各種類型的通信協(xié)議和接口，可為后期設備升級服務。

(7)以最優(yōu)成本控制：監(jiān)測系統(tǒng)的一個原則就是利用最優(yōu)布控方式做到既節(jié)省項目成本、后期維護投入的人力及物力，又能最大限度發(fā)揮出實際監(jiān)測的效果。

系統(tǒng)堅持貫徹“技術可行、實施可能、經(jīng)濟合理”的基本原則，使監(jiān)測系統(tǒng)充分發(fā)揮作用，為工程施工和營業(yè)線運營提供數(shù)據(jù)上和技術上的支持。

2 全站儀自動化監(jiān)測技術

全站儀自動化監(jiān)測技術是由傳統(tǒng)全站儀監(jiān)測方式衍生而來，從自動全站儀基礎上開發(fā)出的智能化變形監(jiān)測系統(tǒng)，其測角精度可達到0.5″，測距精度高，測站局部坐標系統(tǒng)的測量精度可達到毫米級[1]。

2.1 全站儀自動化監(jiān)測技術原理

全站儀自動化監(jiān)測技術是利用CDMA通信網(wǎng)及因特網(wǎng)遠程控制全自動全站儀，實現(xiàn)對項目現(xiàn)場監(jiān)測棱鏡組進行自動循環(huán)測量，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過監(jiān)測終端傳輸至后臺軟件，由后臺軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行解析、平差、運算、篩選，并繪制成工程所需的監(jiān)測圖表(圖1)。

圖1 全站儀監(jiān)測系統(tǒng)架構

2.2 全站儀自動化監(jiān)測技術特點

2.2.1 全站儀自動化監(jiān)測技術優(yōu)勢

(1) 自動全站儀監(jiān)測系統(tǒng)，利用全站儀對多個測點處布設的棱鏡進行自動化掃描，監(jiān)測測點的沉降及位移變化。該系統(tǒng)測量精度高，測點布設方式快捷，并且全站儀和棱鏡在施工期間可實時提供監(jiān)測服務。施工結束后，在運維階段也可作為日常運維監(jiān)測系統(tǒng)繼續(xù)使用，亦可為其他工程測量需求提供服務，設備用途廣泛，可持續(xù)性好。

(2) 該系統(tǒng)監(jiān)測效率高，適應性好，地鐵、隧道等弱光環(huán)境下也不受影響?？蓪崿F(xiàn)實時監(jiān)測，滿足涉鐵工程監(jiān)測中監(jiān)測頻次高于1次/2小時的規(guī)定。

(3)系統(tǒng)安裝簡單、快速，能在1～3 d完成儀器及監(jiān)測點位埋設，項目施工過程中可任意增刪監(jiān)測點和控制點，項目實施階段發(fā)生點位破壞、監(jiān)測預警、不可抗力因素等也可及時恢復、增設監(jiān)測點及加密監(jiān)測頻次，極大保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

《紀效新書》是戚大帥寫給不通文墨的部下看的，自然淺顯易懂。但像“武經(jīng)七書”這種東西，駱劍峰等人就讀得想死。這套自宋朝流傳下來的兵家名著，實為七本兵書的合集，故而名為“七書”，這七本里年代最近的一本，就是之前搞得駱劍峰和成俊麒暈頭轉(zhuǎn)向的《李衛(wèi)公問對》，這本書好歹還是唐初的，另外六本大半傳自春秋戰(zhàn)國時期，每個字單獨拆開來還勉強認得，組合在一起和天書無異！

(4)受施工影響較小。由于儀器架設位置選擇在施工影響區(qū)外的高處(圖2)，因此受施工環(huán)境影響較小，減少了監(jiān)測誤差。

圖2 監(jiān)測項目全站儀現(xiàn)場架設圖

2.2.2 全站儀自動化監(jiān)測技術缺陷

(1) 理論上一臺全站儀可以覆蓋的監(jiān)測點位是不受限制的，但實際工程實施過程中，由于受到現(xiàn)場地形條件和監(jiān)測頻次限制，可能需要多臺全自動全站儀對監(jiān)測點位進行完全覆蓋，加大了監(jiān)測成本投入。例如合肥市軌道交通3號線合肥站-銅陵北路站區(qū)間隧道穿越合肥站東咽喉股道群涉鐵工程監(jiān)測中，需對7條鐵路股道路基和軌道幾何變形約300余棱鏡監(jiān)測點進行監(jiān)測，且監(jiān)測頻次需高于1次/2小時，監(jiān)測單位采用了3臺全自動全站儀才得以將監(jiān)測區(qū)域監(jiān)測點交叉覆蓋。

(2) 該監(jiān)測系統(tǒng)對現(xiàn)場通視條件要求高。利用全站儀對棱鏡點進行掃描監(jiān)測，現(xiàn)場受建筑物、電氣化立柱、樹木草叢等影響，對儀器和棱鏡之間的通視條件有較高的要求。

(3)自然環(huán)境因素會影響監(jiān)測數(shù)據(jù)，惡劣天氣會對監(jiān)測設備造成損壞。由于全站儀監(jiān)測受大氣折射率影響，因此大面積水域或溫差較大區(qū)域會直接影響監(jiān)測數(shù)據(jù)。全天不同時間段內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)會受氣溫和大氣氣壓等影響，因此進行實時監(jiān)測時必然要搭配環(huán)境監(jiān)測設備，對氣溫和大氣氣壓等進行同期修正，才能保證數(shù)據(jù)的準確性。

(4)全站儀架設、監(jiān)測點、控制點埋設要求較高。必須牢固穩(wěn)定，才能保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性。營業(yè)線項目技術標準更高，路基監(jiān)測點和軌道幾何變形監(jiān)測點(圖3)都有特殊要求，測點埋設更為嚴格。

圖3 軌道幾何變形監(jiān)測點示意圖

2.3 全站儀自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)成果

在合肥市軌道交通3號線合-銅區(qū)間下穿合肥站東股道群涉鐵工程監(jiān)測項目中，營業(yè)線柵欄網(wǎng)內(nèi)股道路基采用了全站儀自動化監(jiān)測技術，柵欄往外地表沉降采用傳統(tǒng)水準儀人工監(jiān)測方式進行。在左線盾構下穿過程中，人工水準儀監(jiān)測顯示沉降主要體現(xiàn)在盾構機正上方，最大累計變化值為DB 1-6，累計變化量為-17.40 mm，超出報警值(圖4)。

圖4 DB 1-6監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

圖5 庫2線監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

由圖4、圖5并結合施工工況分析可得：盾構機盾構下穿鐵路過程中，盾構機頭前方地表、路基產(chǎn)生輕微隆起；盾構機通過時發(fā)生輕微沉降；盾構機盾尾脫離時，盾構區(qū)間上方發(fā)生較大沉降，沉降主要集中在盾構區(qū)間隧道正上方，即監(jiān)測斷面中的5、6、7號點，庫2線中路基自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示沉降最大點是7號點，最大累計沉降達到了15 mm，與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線基本重合，可證明該自動化監(jiān)測技術的可靠性。該項目盾構下穿過程中發(fā)生了報警，部分報警時段發(fā)生在夜間，證明全站儀監(jiān)測系統(tǒng)在夜間仍不間斷監(jiān)測，及時準確地將監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋至施工單位，為施工提供了有力、及時的數(shù)據(jù)支持，為項目安全生產(chǎn)提供了保障。

2.4 全站儀自動化監(jiān)測技術應用

目前全站儀自動化監(jiān)測技術廣泛應用于高鐵、地鐵、隧道、邊坡等各類監(jiān)測領域，尤其適用于涉鐵工程監(jiān)測領域，其無須監(jiān)測人員頻繁進入營業(yè)線內(nèi)的實時監(jiān)控方式，極大程度上滿足了營業(yè)線監(jiān)測要求，保障了運營列車和監(jiān)測人員的安全。該類技術適合營業(yè)線監(jiān)測中的盾構下穿、鐵路、公路上跨、箱涵下穿頂進施工、管線直埋、頂進下穿營業(yè)線路基或橋涵等工程。

但是，由于受大氣折射率影響，該類技術并不適用于大面積水域環(huán)境?？绾?、海、湖泊等大面積水域的橋梁監(jiān)測中，該類監(jiān)測手段將難以適用。

3 結 論

目前，選擇自動化監(jiān)測已然成為工程建設發(fā)展的必然趨勢。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測無論從精度、效率、頻次都已無法滿足施工建設對于安全監(jiān)測的需求。各類重要工程監(jiān)測頻次基本要求為一天8～12次，傳統(tǒng)人工監(jiān)測要想滿足目前的監(jiān)測要求勢必要投入更大的資源力量。而自動化監(jiān)測目前處于快速發(fā)展階段，市場前景廣闊，應用范圍廣泛，安全保障提高，經(jīng)濟增效明顯，所以無論從經(jīng)濟性、安全性，還是從數(shù)據(jù)的精度、效率、頻次等各方面都具有強大的優(yōu)勢。

自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有集成化、一體化的特征，具有遙測、遙控、數(shù)據(jù)遠程傳輸、預警、一體化網(wǎng)絡功能。在實際工程運用中更能體現(xiàn)其優(yōu)勢，通過自動化監(jiān)測系統(tǒng)可以對監(jiān)測目標實時監(jiān)控。不同時段監(jiān)測數(shù)據(jù)自動傳輸至監(jiān)測平臺，進行數(shù)據(jù)存儲、查詢和比較驗證。并且可以借助系統(tǒng)，迅速對不同時段、不同監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)進行比較、分析，從而可以更為直觀和全面地把握監(jiān)測目標的變形狀態(tài)，對結構健康狀態(tài)進行評估，及時向施工、設計、運營單位反饋信息，確保了施工過程中形成更為及時有效的信息反饋機制，確保工程順利進展。

從工程經(jīng)濟效益上，可以極大提高工程施工的安全性，節(jié)約勞動力成本，為工程效益增值。從社會影響來看，自動化監(jiān)測技術避免了人為因素影響，系統(tǒng)具有極高的可信度。該系統(tǒng)擾動小，測點和設備的可循環(huán)利用性也節(jié)約了資源，有利于循環(huán)利用和節(jié)能環(huán)保。整個系統(tǒng)發(fā)展前景廣闊，不僅在工程建設領域，而且在電力、水利、自然災害預警等各方面也具有良好的市場前景，具有較高的研究及應用價值。

自動化監(jiān)測系統(tǒng)在工程變形測量中可以大大縮減人力資源的投入，有效節(jié)約人員成本?？梢詫崿F(xiàn)全過程遠程操控、監(jiān)測數(shù)據(jù)實時共享，這為工程安全建設提供了強力的數(shù)據(jù)支持，有效減少工程建設領域安全事故的發(fā)生，為工程建設增值。與此同時，該類技術也可應用于監(jiān)測各類自然災害(如山體滑坡、泥石流等)，存在巨大的社會價值。

自動化監(jiān)測與傳統(tǒng)人工監(jiān)測方式對比，目前已有大量文獻及工程實踐證明自動化監(jiān)測技術的可靠性、優(yōu)越性。未來的監(jiān)測項目中，自動化監(jiān)測技術勢必會替代傳統(tǒng)人工監(jiān)測技術。通過實踐證明：全站儀自動化監(jiān)測技術應用最為廣泛，適用性最強，除特定監(jiān)測項目外，基本適用于各類監(jiān)測項目，能直接反映監(jiān)測目標的空間變化。

隨著科學技術的發(fā)展創(chuàng)新，監(jiān)測儀器的推陳出新，自動化監(jiān)測技術也將不斷完善，發(fā)展前景廣闊，潛在社會價值較高。