測(cè)量機(jī)器人在隧道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

李由家，單強(qiáng)英，安平利，馮明明，劉 超，史國(guó)輝

(1.自然資源部第一大地測(cè)量隊(duì)，陜西西安 710054；2.廣州市天馳測(cè)繪技術(shù)有限公司，廣東廣州 510630)

1 引 言

目前，地鐵隧道的監(jiān)測(cè)手段主要有人工測(cè)量、自動(dòng)化靜力水準(zhǔn)測(cè)量和測(cè)量機(jī)器人等。人工測(cè)量會(huì)產(chǎn)生人為照準(zhǔn)誤差，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且夜間不能進(jìn)行觀測(cè)，出報(bào)表周期長(zhǎng)；靜力水準(zhǔn)測(cè)量雖然能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但是僅能提供高程沉降信息，存在一定的局限性；測(cè)量機(jī)器人則能提供高精度、高頻率的三維坐標(biāo)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[1-4]。傳統(tǒng)的隧道變形監(jiān)測(cè)方法主要有測(cè)距儀法和全站儀法兩種，但是這兩種方法都具有明顯的缺陷：一是監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量受到限制，不能全面反映出隧道整體的變形情況；二是監(jiān)測(cè)周期相對(duì)較長(zhǎng)，外業(yè)工作量大，獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)滯后；三是傳統(tǒng)方法對(duì)作業(yè)環(huán)境要求較高。

相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量方法，測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化測(cè)量具有操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高、工作效率高、精度高、非接觸式等一系列優(yōu)點(diǎn)[5-6]。賀磊等[7]介紹了測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道的要點(diǎn)，并對(duì)其監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行了精度評(píng)估，驗(yàn)證了測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的精度；劉哲強(qiáng)[8]實(shí)現(xiàn)了測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)成果的可視化輸出，并對(duì)比分析了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)成果與人工監(jiān)測(cè)的精度，驗(yàn)證了測(cè)量機(jī)器人的可靠性；陳昊[9]驗(yàn)證了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用；何柯等[10]借助曲靖三清高速公路項(xiàng)目，對(duì)測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高速公路邊坡的監(jiān)測(cè)方式、數(shù)據(jù)傳輸處理方式、監(jiān)測(cè)效果等方面進(jìn)行了論述，為后期其他項(xiàng)目的建設(shè)提供了經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)指導(dǎo)；靳羽西等[11]基于多臺(tái)測(cè)量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)地鐵隧道自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量方法效率低、數(shù)據(jù)反饋滯后等不足，同時(shí)克服了一站式測(cè)量無法進(jìn)行長(zhǎng)距離地鐵隧道監(jiān)測(cè)的弊端，滿足地鐵隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一、實(shí)時(shí)、高效且高精度的要求。

本文以某臨近地鐵建筑基坑為例，采用測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)整體變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其結(jié)果可為同類型項(xiàng)目提供借鑒。

2 點(diǎn)位布設(shè)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立方法

2.1 基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)。地鐵隧道內(nèi)基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)于離開隧道兩側(cè)50 m以外且穩(wěn)定的區(qū)域，監(jiān)測(cè)區(qū)每端布設(shè)2組，對(duì)稱分布于隧道兩側(cè)，各棱鏡盡可能布設(shè)在較大的空間。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)棱鏡安裝在管片的兩腰和道床兩側(cè)，且隧道布設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)不可影響行車安全。

2.2 監(jiān)測(cè)坐標(biāo)系統(tǒng)建立

完成基準(zhǔn)點(diǎn)(串聯(lián)基準(zhǔn)點(diǎn)、普通基準(zhǔn)點(diǎn))和工作基點(diǎn)布設(shè)后，在正式開始測(cè)量前，還應(yīng)建立監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)。考慮本工程為監(jiān)測(cè)基坑工作對(duì)隧道相對(duì)變形情況的研究，因此，監(jiān)測(cè)坐標(biāo)系統(tǒng)采用自由坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的軸線與主要變形方向平行或垂直。

2.3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立

項(xiàng)目監(jiān)測(cè)過程中采用徠卡TM50型測(cè)量機(jī)器人及自動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件GeoMoS，對(duì)隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。徠卡TM50型測(cè)量機(jī)器人ATR自動(dòng)照準(zhǔn)精度為0.5 s，GeoMoS是由徠卡測(cè)量公司研發(fā)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件，其軟件主要由監(jiān)測(cè)器和分析器兩部分組成。其中監(jiān)測(cè)器已經(jīng)擁有成熟的測(cè)量和計(jì)算程序，能為要求極高精度的應(yīng)用提供理想的解決方案。TM50自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立包括以下3個(gè)步驟：

1)系統(tǒng)架構(gòu)。自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)總控、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)管理等部分組成。

2)系統(tǒng)調(diào)試。包括儀器通信調(diào)試和服務(wù)器穩(wěn)定性調(diào)試。

3)獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始值。系統(tǒng)通信調(diào)試完成后，人工操作測(cè)量機(jī)器人，依次測(cè)量各監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的學(xué)習(xí)點(diǎn)坐標(biāo)，再通過自動(dòng)化組網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)，采集不少于3 d的數(shù)據(jù)，取其平均值，作為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)初值。圖1為自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作業(yè)示意圖。

圖1 作業(yè)示意圖Fig.1 Operation diagram

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法

3.1 沉降數(shù)據(jù)處理

通過自動(dòng)化或人工監(jiān)測(cè)得到各管片監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程，再用高程計(jì)算各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量的計(jì)算公式如下：

ΔHi=Hi-Hi-1

(1)

式中：ΔHi為沉降值，Hi為第i次測(cè)量的高程，Hi-1為第i-1次的高程。

3.2 水平位移數(shù)據(jù)處理

通過自動(dòng)化或人工監(jiān)測(cè)得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)，根據(jù)平面坐標(biāo)變化得到隧道橫向、縱向位移。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的本次橫向位移量為：

ΔXa=Xai-Xa(i-1)

(2)

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最近縱向位移量為：

ΔYa=Yai-Ya(i-1)

(3)

式(2)和(3)中：ΔXa為a點(diǎn)最近兩次監(jiān)測(cè)期的橫向位移量，ΔYa為a點(diǎn)最近兩次監(jiān)測(cè)期的縱向位移量，Xai為a點(diǎn)第i次監(jiān)測(cè)得到的X坐標(biāo)，Xa(i-1)為a點(diǎn)第i-1次監(jiān)測(cè)得到的X坐標(biāo)，Yai為a點(diǎn)第i次監(jiān)測(cè)得到的Y坐標(biāo)，Ya(i-1)為a點(diǎn)第i-1次監(jiān)測(cè)得到的Y坐標(biāo)。

3.3 管片收斂數(shù)據(jù)處理

通過各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)反算測(cè)點(diǎn)間水平、豎向距離，并與上次的測(cè)量值進(jìn)行比較，其差值就是本期水平向、豎向收斂量，計(jì)算公式為：

(4)

D=Si-1-Si

(5)

式中：xa、ya、ha為監(jiān)測(cè)點(diǎn)a的三維坐標(biāo)信息，xb，yb，hb為監(jiān)測(cè)點(diǎn)b的三維坐標(biāo)信息，Si-1為上次測(cè)量隧道內(nèi)徑值，Si為本次測(cè)量隧道內(nèi)徑值，D為本次隧道收斂量。

4 實(shí)例分析

某臨近地鐵建筑基坑開挖深度為20 m，距離隧道水平位置最近為2.5 m，在基坑開挖施工過程中對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，本項(xiàng)目對(duì)地鐵隧道布設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以保障地鐵安全運(yùn)營(yíng)。

4.1 沉降分析

在基坑項(xiàng)目在施工過程中，采用測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)整體變形情況和人工水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，沉降數(shù)據(jù)結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖3 人工測(cè)量與自動(dòng)化測(cè)量沉降互差Fig.3 The mutual settlement difference between manual measurement and automatic measurement

由圖2可知，基坑在施工過程中對(duì)臨近地鐵隧道道床造成了明顯的沉降影響，人工測(cè)量和自動(dòng)化測(cè)量均顯示監(jiān)測(cè)斷面17為最大沉降量位置，人工測(cè)量沉降為29.75 mm、自動(dòng)化測(cè)量沉降為34.18 mm，總體而言，人工測(cè)量與自動(dòng)化測(cè)量的監(jiān)測(cè)結(jié)果較為一致，沉降趨勢(shì)相同。

圖2 人工測(cè)量與自動(dòng)化測(cè)量沉降累計(jì)量對(duì)比分析Fig.2 Comparative analysis of accumulated settlement between manual measurement and automatic measurement

由圖3可知，人工測(cè)量與自動(dòng)化測(cè)量沉降互差在5 mm內(nèi)，其中監(jiān)測(cè)斷面12互差最大，為4.47 mm，全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的整體平均互差為1.80 mm。表明自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果與人工監(jiān)測(cè)結(jié)果較為一致。

4.2 收斂分析

人工測(cè)量與自動(dòng)化測(cè)量收斂累計(jì)對(duì)比和收斂互差對(duì)比分別如圖4、圖5所示。由圖4可知，基坑在施工過程中對(duì)臨近地鐵隧道管片造成了一定的變形影響，其中變形最大位置是監(jiān)測(cè)斷面24，人工收斂為-22.30 mm，自動(dòng)化收斂為-21.50 mm。總體而言，管片收斂效果人工測(cè)量與自動(dòng)化測(cè)量具有較好的一致性。

圖4 人工測(cè)量與自動(dòng)化測(cè)量收斂累計(jì)量對(duì)比分析Fig.4 Comparative analysis of convergence between manual measurement and automatic measurement

由圖5可知，人工測(cè)量與自動(dòng)化測(cè)量收斂互差優(yōu)于2 mm，監(jiān)測(cè)斷面27的收斂互差最大，為1.98 mm，整體平均互差為-0.39 mm，表明自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果與人工監(jiān)測(cè)結(jié)果較為一致。

圖5 人工測(cè)量與自動(dòng)化測(cè)量收斂互差Fig.5 The convergence difference between manual measurement and automatic measurement

4.3 水平位移分析

人工測(cè)量與自動(dòng)化測(cè)量水平位移累計(jì)對(duì)比和互差對(duì)比分別如圖6和圖7所示。由圖6可知，基坑在施工過程中對(duì)臨近地鐵隧道造成了一定的水平位移影響，其中監(jiān)測(cè)斷面24的水平位移最大，人工測(cè)量水平位移為-5.70 mm，自動(dòng)化水平測(cè)量位移為-6.23 mm?？傮w而言，隧道水平位移人工測(cè)量與自動(dòng)化測(cè)量具有較好的一致性。

圖6 人工測(cè)量與自動(dòng)化測(cè)量水平位移累計(jì)量對(duì)比分析Fig.6 Comparative analysis of horizontal displacement accumulation between manual measurement and automatic measurement

由圖7可知，人工測(cè)量與自動(dòng)化測(cè)量水平位移互差優(yōu)于1.50 mm，監(jiān)測(cè)斷面12的互差最大，為1.27 mm，整體平均互差為-0.14 m。表明自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果與人工監(jiān)測(cè)結(jié)果較為一致。

圖7 人工測(cè)量與自動(dòng)化測(cè)量水平位移互差Fig.7 The horizontal displacement difference between manual measurement and automatic measurement

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于測(cè)量機(jī)器人建立自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地鐵基坑工程多項(xiàng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集、傳輸、處理以及發(fā)布。人工測(cè)量與自動(dòng)化測(cè)量顯示道床沉降最大分別為29.75 mm、34.18 mm；管片收斂變形最大分別為-22.30 mm、-21.50 mm；隧道水平位移量最大分別為-5.70 mm、-6.23 mm。人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)對(duì)道床沉降、管片變形、隧道位移的平均互差分別為1.80 mm、-0.39 mm、-0.14 mm，上述結(jié)果說明自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)結(jié)果較為一致，測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)能夠彌補(bǔ)人工監(jiān)測(cè)的不足，但是監(jiān)測(cè)成本較高，本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)成果可為今后類似基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目提供參考。