測量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)在軌道交通運(yùn)營隧道監(jiān)測中的應(yīng)用

李文雅,趙秀琴

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300000)

0 引 言

軌道交通作為人們?nèi)粘３鲂械闹匾煌üぞ?是城市交通的主動(dòng)脈之一,其運(yùn)營的安全關(guān)乎每個(gè)人的安全及運(yùn)營的成本。測量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)具有精度高、分布式、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、全天候智能遠(yuǎn)程遙測的優(yōu)點(diǎn),在軌道交通線路和隧道工程安全監(jiān)測領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1-5]。其中張賽等結(jié)合某電站的實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了基于歷時(shí)數(shù)據(jù)的測量機(jī)器人的實(shí)時(shí)粗差探測方法[6]。沈雨等開發(fā)了RTU系統(tǒng)和虛擬傳開模塊,利用4G無線傳輸技術(shù),基于徠卡TM30測量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測的遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)的快速傳輸和實(shí)時(shí)更新[7]。陳榮彬等對廣州一地下基礎(chǔ)工程對運(yùn)營地鐵3號(hào)線的影響進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測為實(shí)例,實(shí)現(xiàn)了無人值守的自動(dòng)化監(jiān)測,提高了監(jiān)測的效率[8]。徐玉健等對天津地鐵6號(hào)線的運(yùn)營監(jiān)測采用測量機(jī)器人和靜力水準(zhǔn)兩套監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合的方式進(jìn)行了監(jiān)測,及時(shí)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析和預(yù)警,為6號(hào)線的運(yùn)營安全提供了保障[9]。曹毅、李術(shù)希利用自動(dòng)化變形監(jiān)測的方式研究了市政隧道爆破施工上穿運(yùn)營高鐵隧道產(chǎn)生的影響,實(shí)現(xiàn)了高效率、高精度地對運(yùn)營高鐵隧道進(jìn)行監(jiān)測,保證高鐵運(yùn)營的安全[10]。

本文以天津地鐵4號(hào)線北延工程下穿地鐵1號(hào)線區(qū)間為例,介紹了測量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng),并進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集整理和分析,為盾構(gòu)掘進(jìn)施工提供了高精度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),保證了運(yùn)營線路的安全,也為后續(xù)的施工提供了參考。

1 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)

測量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示,主要由數(shù)據(jù)庫、客戶端、控制箱、現(xiàn)場監(jiān)測端等部位組成?？刂浦行目梢詫?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的人機(jī)交互,將監(jiān)測指令傳遞到控制箱,現(xiàn)場監(jiān)測端根據(jù)監(jiān)測指令通過測量機(jī)器人完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集,根據(jù)系統(tǒng)的指令將采集數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)姆绞絺鬟f到控制中心[11],結(jié)合SQLServer數(shù)據(jù)庫技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)儲(chǔ)存[12],然后對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理預(yù)處理、進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析以及監(jiān)測結(jié)果的輸出。為施工提供高精度、高時(shí)效的監(jiān)測數(shù)據(jù)以滿足施工的需要。

圖1 測量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2 測量機(jī)器人變形監(jiān)測原理

2.1 豎向位移和水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取

測量機(jī)器人變形監(jiān)測根據(jù)情況分兩種,固定全自動(dòng)持續(xù)監(jiān)測方式和移動(dòng)周期性網(wǎng)觀測方式[13]。一般采用固定全自動(dòng)持續(xù)監(jiān)測的方式進(jìn)行觀測,采用多方向后方交會(huì)的方式進(jìn)行三維坐標(biāo)的采集和計(jì)算。多方向后方交會(huì),在設(shè)站時(shí)候方向觀測多于3個(gè)的交會(huì)測量方法[14,15],如圖2所示,全站儀固定在一個(gè)點(diǎn)位,然后通過學(xué)習(xí)測量,記錄基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)的空間位置信息,根據(jù)監(jiān)測的方案按照一定的頻率及限差的要求進(jìn)行自動(dòng)重復(fù)的觀測,在觀測的過程中如出現(xiàn)超限數(shù)據(jù)則進(jìn)行重測。將觀測得到的方向值、距離值和天頂距,根據(jù)觀測的基準(zhǔn)點(diǎn)的平面坐標(biāo)、高程采用條件平差的方法進(jìn)行計(jì)算,從而得到監(jiān)測點(diǎn)的平面坐標(biāo)值和高程[14]。系統(tǒng)工作運(yùn)行前實(shí)現(xiàn)將環(huán)境測量因素(溫濕度、氣壓)內(nèi)置系統(tǒng),以便讓系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算確定誤差常數(shù)。

圖2 測量機(jī)器人監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取

(1)

2.2 隧道結(jié)構(gòu)收斂數(shù)據(jù)的獲取

如圖3所示測量機(jī)器人架設(shè)在P點(diǎn),監(jiān)測點(diǎn)A、B為安置的小棱鏡,通過觀測可以測得P點(diǎn)到A、B兩點(diǎn)的距離值a、b及P點(diǎn)到A、B兩點(diǎn)的夾角α,則根據(jù)三角余弦定理可計(jì)算A、B兩點(diǎn)的距離c。

圖3 收斂監(jiān)測示意圖

(2)

(3)

也可以通過監(jiān)測點(diǎn)A、B的三維坐標(biāo)反算計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)A、B的間距,并與初始狀態(tài)進(jìn)行對比,則期收斂的計(jì)算公式為:

(4)

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

天津地鐵4號(hào)線西于莊站～西站站區(qū)間(以下簡稱西西區(qū)間)下穿地鐵1號(hào)線區(qū)間正線。1號(hào)線結(jié)構(gòu)箱體寬度約 13.1 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+水泥攪拌樁,箱體結(jié)構(gòu)基底設(shè)置鉆孔灌注樁。1號(hào)線變形縫預(yù)留寬度為 30 mm,安裝橋式橡膠止水帶。隧道與既有線區(qū)間結(jié)構(gòu)樁基垂直凈距 0.769 m,隧道與既有線區(qū)間箱體結(jié)構(gòu)垂直凈距10.21～11.24 m,與1號(hào)線2號(hào)風(fēng)道豎向間距為 11.5 m,4號(hào)線與1號(hào)線位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 4號(hào)線西西區(qū)間與1號(hào)線既有區(qū)間結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

3.2 監(jiān)測范圍及基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測點(diǎn)、測量機(jī)器人的布設(shè)安裝

根據(jù)設(shè)計(jì)文件并結(jié)合《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》GB50911—2013的有關(guān)規(guī)定,需要對既有軌道交通隧道結(jié)構(gòu)豎向位移、水平位移和凈空收斂監(jiān)測進(jìn)行檢查,且各監(jiān)測項(xiàng)應(yīng)按照監(jiān)測斷面布設(shè)在同一斷面。既有隧道結(jié)構(gòu)位于施工影響區(qū)的主要影響區(qū)時(shí),監(jiān)測斷面間距不大于 5 m;位于次要影響區(qū)時(shí),監(jiān)測斷面間距不大于 10 m。每個(gè)監(jiān)測斷面布設(shè)的監(jiān)測點(diǎn)在隧道結(jié)構(gòu)頂部或底部、兩側(cè)邊墻。監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)點(diǎn)位應(yīng)充分地考慮對軌道交通行車的影響,避免對既有軌道交通運(yùn)營產(chǎn)生影響。

既有1號(hào)線監(jiān)測采用全站儀機(jī)器人自動(dòng)化測量,范圍總長約 130 m,共計(jì)18個(gè)監(jiān)測斷面,其中主要影響區(qū)監(jiān)測斷面按 5 m劃分;次要影響區(qū)監(jiān)測斷面按 10 m劃分。同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場具體條件,對斷面間距進(jìn)行微小調(diào)整,以適應(yīng)現(xiàn)場情況,變形縫兩側(cè)應(yīng)按加密斷面布置,如圖5所示。

圖5 監(jiān)測范圍及監(jiān)測斷面劃分平面示意圖

基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在變形監(jiān)測區(qū)以外的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)上,不得安裝在隧道內(nèi)的電纜橋架等物體上面,且保證其穩(wěn)固性。根據(jù)現(xiàn)場條件,基準(zhǔn)點(diǎn)可埋在隧道腰部也可在道床上。

自動(dòng)化監(jiān)測的基準(zhǔn)點(diǎn)采用大棱鏡。同時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測的基準(zhǔn)點(diǎn)與人工監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)布置于同一個(gè)斷面位置處,不應(yīng)相距過遠(yuǎn)。因?yàn)樽笥揖€兩條隧道為兩個(gè)相互獨(dú)立的監(jiān)測系統(tǒng),本工程每條隧道兩端分別布置4個(gè)自動(dòng)化監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)(高程、平面)和4個(gè)人工監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)(高程)。

監(jiān)測點(diǎn)采用L型小棱鏡,隧道結(jié)構(gòu)和車站結(jié)構(gòu)的監(jiān)測點(diǎn)布置于隧道管片腰部或偏下位置以及車站內(nèi)結(jié)構(gòu)側(cè)墻上,軌道道床監(jiān)測點(diǎn)直接安置在道床上,并做保護(hù)罩防止踩踏。每個(gè)斷面布設(shè)4個(gè)小棱鏡,安裝示意如圖6所示。根據(jù)本工程的監(jiān)測范圍和通視條件,每條隧道各布置1臺(tái)0.5″精度測量機(jī)器人,自動(dòng)化監(jiān)測信號(hào)發(fā)射源盡量遠(yuǎn)離運(yùn)營隧道中的AP信號(hào)箱和發(fā)射天線,以免無線傳輸信號(hào)產(chǎn)生干擾。

圖6 監(jiān)測斷面監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)示意圖

3.3 監(jiān)測的周期和頻率

本項(xiàng)目監(jiān)測周期為盾構(gòu)進(jìn)入保護(hù)區(qū)范圍的前一周起到盾構(gòu)下穿1號(hào)線脫出保護(hù)區(qū)范圍外后的3個(gè)月,直至1號(hào)線地鐵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定為止。在工后數(shù)據(jù)恢復(fù)穩(wěn)定,既有1號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)的變形趨于穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)安全、隱患風(fēng)險(xiǎn)消除后申請停測施工。

施工期間采用自動(dòng)化監(jiān)測和人工監(jiān)測校核兩種方式,監(jiān)測頻率與施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)相結(jié)合,根據(jù)施工單位施工進(jìn)度實(shí)時(shí)調(diào)整監(jiān)測頻率,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)增減監(jiān)測頻率。監(jiān)測頻率如下:自動(dòng)化監(jiān)測頻率為1次/h,穿越后1個(gè)月內(nèi)測量頻率為1次/6h,穿越后2～3個(gè)月內(nèi)監(jiān)測頻率為1次/7天。人工監(jiān)測一般根據(jù)天窗點(diǎn)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整,穿越前1次/7d,穿越中為1次/1d,盾體脫出保護(hù)范圍后慢慢降頻1次/2d、1次/3d、1次/7d,數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后1次/30d。當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)異常情況應(yīng)加大監(jiān)測頻率。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析

4號(hào)線西西區(qū)間左線為先行掘進(jìn)始發(fā),下穿1號(hào)線隧道的時(shí)間為2021.7.13進(jìn)入保護(hù)區(qū)→2021.7.20進(jìn)入1號(hào)線左線→2021.7.24脫離1號(hào)線右線→2021.7.27完全脫離保護(hù)區(qū)。在盾構(gòu)下穿之前進(jìn)行試驗(yàn)段的模擬掘進(jìn)總結(jié)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。在下穿過程中推進(jìn)過程注入“克泥效”,管片脫出盾尾后3～5環(huán)后開始二次注漿。下穿1號(hào)線期間,將按試驗(yàn)段掘進(jìn)參數(shù)推進(jìn)并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化。分析曲線選擇左線盾構(gòu)穿越區(qū)域范圍內(nèi)的10-16監(jiān)測斷面,數(shù)據(jù)曲線如圖7所示。

圖7 左線穿越期間1號(hào)線左線軌道結(jié)構(gòu)豎向位移變化歷時(shí)曲線圖

在4號(hào)線左線穿越1號(hào)線的過程中從曲線圖我們可以看出,整體數(shù)據(jù)穿越前是處于平穩(wěn)階段,盾體到達(dá)隧道前由于土倉的壓力,刀盤前方呈現(xiàn)微隆起的現(xiàn)象,盾體在穿越1號(hào)線過程中是下沉階段,下沉趨勢比較明顯,最大下沉量約為 -2.0 mm左右。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)情況,在盾尾脫出管片后3～5環(huán)后立刻開始采用多點(diǎn)位少量多次的二次注漿,防止隧道結(jié)構(gòu)的持續(xù)下沉,在曲線圖中可以明顯看出多次的注漿過程,每次注漿隧道結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)隆起狀態(tài),尤其是7月25日,注漿隆起0.5～0.7 mm,速率接近預(yù)警。在此過程中及時(shí)提醒施工單位,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的情況及時(shí)調(diào)整注漿量和注漿壓力,防止監(jiān)測數(shù)據(jù)的突變,速率預(yù)警。在盾體通過后的一周后,監(jiān)測數(shù)據(jù)基本趨于穩(wěn)定。

4號(hào)線西西區(qū)間右線2021.11.1進(jìn)入1號(hào)線的保護(hù)區(qū)→2021.11.3進(jìn)入1號(hào)線左線→2021.11.6脫離1號(hào)線右線→2021.11.10盾構(gòu)機(jī)駛出保護(hù)區(qū)。分析曲線選擇右線盾構(gòu)穿越區(qū)域范圍內(nèi)的3-10監(jiān)測斷面,數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。

圖8 右線穿越期間1號(hào)線左線軌道結(jié)構(gòu)豎向位移變化歷時(shí)曲線圖

根據(jù)4號(hào)線右線盾構(gòu)下穿1號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移變化歷時(shí)曲線圖我們可以看出,盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入1號(hào)線控制保護(hù)區(qū)后軌道結(jié)構(gòu)沉降受土倉壓力的影響呈現(xiàn)短暫的略微隆起上升,同時(shí)也存在二次擾動(dòng)。從2021.11.2～2021.11.6盾構(gòu)機(jī)完成脫離1號(hào)線右線,隧道結(jié)構(gòu)一直呈現(xiàn)緩慢下沉趨勢,同步注漿效果不明顯。11月7日進(jìn)行了二次注漿,注漿隆起后仍繼續(xù)下沉,到11月9日累計(jì)沉降量達(dá)到最大值為 -3.3 mm,為了阻止隧道的持續(xù)變形,施工單位持續(xù)多次地進(jìn)行二次注漿,直至隧道結(jié)構(gòu)的下沉趨穩(wěn)定。

在左右線穿越過重也進(jìn)行了人工輔助性監(jiān)測,測量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測與人工輔助性監(jiān)測的成果變化趨勢一致,監(jiān)測累計(jì)變化量較差在-0.5～0.8 mm之間,變形發(fā)展趨勢基本吻合,監(jiān)測精度滿足需求。

4 結(jié) 語

(1)本文介紹了自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的組成和變形監(jiān)測原理并以天津地鐵4號(hào)線下穿既有1號(hào)線為例驗(yàn)證了自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)可以高精度、高頻率地為施工提供有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)并以指導(dǎo)施工,天津地鐵4號(hào)線西西區(qū)間盾構(gòu)施工,在穿越過程中測量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)及人工輔助性監(jiān)測工作及時(shí)跟進(jìn),變形發(fā)展趨勢基本吻合,自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)未出現(xiàn)中斷及停滯現(xiàn)象,較好地完成了該階段的工作任務(wù)。在掘進(jìn)的過程中采用了科學(xué)的施工流程,周密的監(jiān)測手段將高精度、高頻率的監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋到掘進(jìn)現(xiàn)場,及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)、同步二次注漿量、注漿壓力等,截至停測既有1號(hào)線累計(jì)最大值隧道結(jié)構(gòu)沉降 -3.6 mm、隧道結(jié)構(gòu)水平位移和收斂變化±1.5 mm之內(nèi)變形較小,各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)均在允許值范圍內(nèi),成功地保障既有運(yùn)營線路的安全運(yùn)行,可以廣泛應(yīng)用到保護(hù)區(qū)監(jiān)測。

(2)本工程施工周期相對較短,監(jiān)測元器件受外界條件影響較小。若施工周期較長,在監(jiān)測過程中,測量機(jī)器人、小棱鏡易受行車及隧道內(nèi)煙塵等環(huán)境的影響較大,應(yīng)定期對監(jiān)測元器件進(jìn)行保養(yǎng)檢查。同時(shí),基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性對監(jiān)測的精度影響較大,在自動(dòng)化監(jiān)測過程中仍需人工定期對基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測更新以保證監(jiān)測的精度滿足要求。