基于全站機器人監(jiān)測系統(tǒng)的隧道運營監(jiān)測分析

趙楊

（中國建筑技術(shù)集團有限公司，北京 100013）

0 引言

隨著城市的發(fā)展以及地表空間資源的逐步緊張，地下空間開發(fā)進程不斷加速，地鐵等大型城市地下空間工程越來越多。在地鐵隧道的施工和運營過程中，可能會受到鄰近地表加載卸載、保護區(qū)內(nèi)基坑開挖以及近距離隧道穿越等因素的影響，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生變化，進而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)沉降變形，引發(fā)安全問題，因此，需要對隧道結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，變形監(jiān)測是其中的重要監(jiān)測內(nèi)容。

針對大型盾構(gòu)隧道的變形監(jiān)測，目前常見的相關(guān)技術(shù)如下：第一，精密水準測量技術(shù)，該技術(shù)憑借測量精度高的優(yōu)勢，在隧道監(jiān)測工作中得到了廣泛應(yīng)用，但作業(yè)效率低、強度大，難以實現(xiàn)自動化；第二，GPS技術(shù)，該技術(shù)具有全天候、實時性的特點，可在一定程度上達到連續(xù)性監(jiān)測的效果，但在地鐵隧道工程中會出現(xiàn)GPS 信號被遮擋而無法使用的問題；第三，三維激光掃描技術(shù)，該技術(shù)高效、快速且自動化程度高，但精度不足。上述幾種技術(shù)難以兼顧低成本、大規(guī)模布設(shè)和準確測量等多方面的監(jiān)測需要。而測量機器人監(jiān)測在全站儀的基礎(chǔ)上，集成利用自準原理和CCD圖像處理功能，可實現(xiàn)對目標的全天候自動識別、找準與跟蹤，并獲取距離、角度等信息，可配合數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)采集和處理，在隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測方面有廣闊的應(yīng)用前景。

1 工程概況

青島地鐵某線進行基坑開挖施工，為監(jiān)測鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)受基坑開挖影響的沉降變形情況，在相應(yīng)區(qū)段布設(shè)全站儀機器人監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測區(qū)間沿線的地勢相對平穩(wěn)，地面高程3.33～6.25m，變化不大，地表主要分布厚度1～6.7m 的第四系全新統(tǒng)人工填土，下伏基巖為燕山晚期閃長巖，局部可見花崗斑巖呈脈狀產(chǎn)出，局部受構(gòu)造作用影響發(fā)育，構(gòu)造巖花崗斑巖（塊狀碎裂巖），強風(fēng)化層厚4.3～26m；隧道洞身穿越強風(fēng)化閃長巖地層，地下水主要為巖裂隙水，多為弱透水層，水量較貧，局部接力裂隙發(fā)育，受構(gòu)造影響破碎帶裂隙水含量豐富。

監(jiān)測區(qū)段隧道采用復(fù)合式盾構(gòu)開挖，起點里程為K16+975.000，終點里程為K17+917.9，左線全長為805.402m，右線全長為813.000m，左右線均為單洞單線隧道，兩線隧道中軸線間距14m。在地鐵保護區(qū)內(nèi)基坑開挖施工過程中，監(jiān)測地鐵隧道的結(jié)構(gòu)變形，通過對分布式光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，確保地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全，保證其正常使用。

2 全站機器人監(jiān)測系統(tǒng)的實施與運行

2.1 全站機器人監(jiān)測系統(tǒng)的實施

監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測設(shè)備、參考點、監(jiān)測對象和傳輸控制設(shè)備四個系統(tǒng)組成。其中，監(jiān)測設(shè)備由高精度全自動測量全站儀、自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)組成；參考點由設(shè)置在變形影響范圍外的基準點（至少2點）組成；監(jiān)測對象由若干個變形監(jiān)測點組成；傳輸控制設(shè)備由通信網(wǎng)絡(luò)及遠程電腦組成。

通過測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移、水平位移情況，基準點分別布設(shè)于監(jiān)測范圍大小里程兩側(cè)相對穩(wěn)固的位置，每側(cè)布設(shè)3 個徠卡GDR1 棱鏡組作為基準點組，左右線合計12 個基準點；于監(jiān)測范圍中部設(shè)置工作基點，即自動化監(jiān)測系統(tǒng)測站，布設(shè)時避開隧道內(nèi)管線，建立固定觀測支架、安裝全站儀。監(jiān)測點布設(shè)情況見表1。

表1 監(jiān)測點布設(shè)情況

監(jiān)測項目隧道結(jié)構(gòu)豎向位移、隧道結(jié)構(gòu)水平位移說明測點采用鉆孔方式埋設(shè)，利用膨脹螺絲將徠卡L型棱鏡固定在隧道結(jié)構(gòu)側(cè)壁上，并調(diào)整棱鏡方向使其正對測站測點間距10～20m，左線19個、右線19個，合計38個數(shù)量38個

各監(jiān)測項目監(jiān)測預(yù)警值和控制值見表2。

表2 監(jiān)測項目控制值和預(yù)報警值

監(jiān)測項目變化速率控制值/（mm/天）累計變量預(yù)警值/mm 控制值/mm隧道結(jié)構(gòu)豎向位移隧道結(jié)構(gòu)水平位移1 1 3 3 5 5

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

通過自動化監(jiān)測軟件的合理配置，完成定時采集數(shù)據(jù)的任務(wù)。監(jiān)測過程中定期對監(jiān)測設(shè)備進行維護，并采用人工方式對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行校核。自2020年8月完成隧道內(nèi)基準點布設(shè)、監(jiān)測點布設(shè)、儀器調(diào)試、初始數(shù)據(jù)采集，至2021年11月，整個監(jiān)測期間歷時約500 天，共進行1646 次觀測，如表3 所示，順利實現(xiàn)了對地鐵隧道左右兩線的連續(xù)運行監(jiān)測。

表3 監(jiān)測工作量統(tǒng)計表

序號1234測試天數(shù)/次數(shù)477 346 477 346項目隧道結(jié)構(gòu)豎向位移（右線）隧道結(jié)構(gòu)豎向位移（左線）隧道結(jié)構(gòu)水平位移（右線）隧道結(jié)構(gòu)水平位移（左線）

各監(jiān)測項目特征監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總情況見表4。

表4 特征監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

過程累計變量序號監(jiān)測結(jié)論監(jiān)測項目位置最大值/mm-1.4-1.6 1.4 1.1最后100天平均變化速率最大值/mm位置（時間）1 2隧道結(jié)構(gòu)豎向位移隧道結(jié)構(gòu)水平位移左線右線左線右線YSK17+271.000（2021年7月31日）ZSK17+131.000（2021年3月29日）YSK17+291.000（2020年12月24日）ZSK17+071.000（2021年5月11日）最終累計變量最大值/mm 0.5 0.5 0.5 0.8 YSK17+351.000 ZSK17+051.000 YSK17+051.000 ZSK17+311.000 0.01 0.01 0.01 0.01正常正常正常正常

2.3 全站儀監(jiān)測系統(tǒng)分析總結(jié)

自2020年8月5日完成隧道內(nèi)基準點布設(shè)、監(jiān)測點布設(shè)、儀器調(diào)試、初始數(shù)據(jù)采集，至2021年11月24日，整個監(jiān)測期間該監(jiān)測段隧道結(jié)構(gòu)豎向位移、水平位移等多個監(jiān)測項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)均處于正常范圍。

隧道結(jié)構(gòu)豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：監(jiān)測過程中累計變量在-1.6～1.3mm 范圍，最大值為-1.6mm（ZSK17+131.000，2021年3月29日）；最終累計變量最大值為0.5mm（YSK17+351.000）；最后100 天平均變化速率最大值為0.01mm/天；監(jiān)測數(shù)據(jù)均處于正常范圍。隧道結(jié)構(gòu)19 個測點處豎向位移累計變量時程曲線見圖1、圖2。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)19 個測點處豎向位移（左線）累計變量時程曲線

圖2 隧道結(jié)構(gòu)19 個測點處豎向位移（右線）累計變量時程曲線

隧道結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：監(jiān)測過程中累計變量在-1.4～1.4mm 范圍，最大值為1.4mm（YSK17+291.000，2020年12月24日）；最終累計變量最大值為0.8mm（ZSK17+311.000）；最后100 天平均變化速率最大值為0.01mm/天；監(jiān)測數(shù)據(jù)均處于正常范圍。隧道結(jié)構(gòu)19 個測點處水平位移累計變量時程曲線見圖3、圖4。

圖3 隧道結(jié)構(gòu)19 個測點處水平位移（左線）累計變量時程曲線

圖4 隧道結(jié)構(gòu)19 個測點處水平位移（右線）累計變量時程曲線

監(jiān)測期間現(xiàn)場巡查，隧道結(jié)構(gòu)正常使用，未見明顯病害；外部作業(yè)工程、周邊環(huán)境未見異常；監(jiān)測設(shè)施設(shè)備未發(fā)生被破壞情況。

在整個基坑施工過程中，通過對全站機器人監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理分析發(fā)現(xiàn)，在鄰近基坑開挖過程中，隧道結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)較大的變形，隧道的整體安全狀況良好?？梢哉J為，該地鐵隧道區(qū)段布設(shè)實施的全站機器人監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)可在鄰近基坑開挖過程中保證地鐵運營的安全。

3 結(jié)論

為了自動化監(jiān)測鄰近基坑開挖過程中隧道結(jié)構(gòu)的變形情況，掌握變形程度及變形趨勢，保證地鐵隧道的運營安全，提出在隧道結(jié)構(gòu)中布設(shè)全站機器人監(jiān)測系統(tǒng)，及時掌握地鐵隧道的安全狀態(tài)。工程實踐證明，相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，全站機器人監(jiān)測系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：

第一，全站機器人監(jiān)測是一種人為影響因素少、自動化程度高的監(jiān)測方法，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)自動監(jiān)測，監(jiān)測效率較高；第二，采用光學(xué)測量，結(jié)果為直觀的位移數(shù)據(jù)，可信度較高，數(shù)據(jù)可接受度高；第三，受地鐵運營時間的限制較小，可實現(xiàn)全天候?qū)崟r自動監(jiān)測，能夠很好地滿足連續(xù)性監(jiān)測的需要，且系統(tǒng)穩(wěn)定性高；第四，工作人員不進入實地即可采集到數(shù)據(jù)，可以消除一些安全風(fēng)險，且能節(jié)約人力成本。

該監(jiān)測項目的成功實施，對于積累全站機器人自動化監(jiān)測經(jīng)驗、提高監(jiān)測系統(tǒng)水平等有指導(dǎo)意義，且表明全站機器人監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中效果良好，可保證地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全，有較高的推廣與使用價值。