測量機(jī)器人在地鐵隧道自動(dòng)化變形監(jiān)測中的應(yīng)用

胡衛(wèi)東

合肥市軌道交通集團(tuán)有限公司 安徽 合肥 230000

引言

地鐵隧道保護(hù)區(qū)施工涉及內(nèi)容較多，其中監(jiān)測不僅是保證自身項(xiàng)目施工安全，也是控制施工質(zhì)量﹑掌握運(yùn)營隧道結(jié)構(gòu)的重要手段。地鐵隧道施工中通過變形監(jiān)測及不同時(shí)間變形數(shù)據(jù)的分析，便于知曉圍巖動(dòng)態(tài)以及結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，預(yù)防重大事故的發(fā)生，保證施工與結(jié)構(gòu)安全。常規(guī)地鐵隧道變形監(jiān)測在既有線路內(nèi)工作量大，工作效率低下，因此使得地鐵隧道自動(dòng)化監(jiān)測逐步得到應(yīng)用。通過利用測量機(jī)器人對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)化變形監(jiān)測，改善地鐵隧道變形監(jiān)測現(xiàn)狀，為地鐵保護(hù)區(qū)施工與運(yùn)營管理提供重要依據(jù)。

1 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成分析

1.1 全站儀

全站儀是當(dāng)前工程測量中使用率較高的工具之一，而在現(xiàn)階段科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，通過將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到原有儀器設(shè)備中，可提升不同設(shè)備的智能化水平。徠卡TM50全站儀作為自動(dòng)化全站儀設(shè)備，當(dāng)前在地鐵隧道工程測量﹑變形監(jiān)測中已經(jīng)得到重要應(yīng)用，其不僅具有較高的測量精度，同時(shí)還可以通過監(jiān)測設(shè)備實(shí)時(shí)對(duì)監(jiān)測任務(wù)予以控制，及時(shí)分析并處理監(jiān)測數(shù)據(jù)。測量機(jī)器人多測回自動(dòng)觀測機(jī)載軟件設(shè)備在使用期間，可實(shí)現(xiàn)較多測量任務(wù)的自動(dòng)化，包括自動(dòng)目標(biāo)跟蹤﹑自動(dòng)記錄﹑目標(biāo)識(shí)別﹑角度測量﹑距離測量等，并可在測量后自動(dòng)處理。就徠卡TM50自動(dòng)化全站儀而言，通過人工整平﹑調(diào)焦與安裝棱鏡，則自動(dòng)化全站儀能夠全自動(dòng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)?；趶瓶═M50設(shè)備的上述使用優(yōu)勢，在地鐵隧道變形監(jiān)測中，測量人員只需要簡單對(duì)儀器完成整平﹑聚焦等操作，然后依靠目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別﹑對(duì)準(zhǔn)調(diào)焦﹑自動(dòng)獲取目標(biāo)棱鏡等完成相關(guān)監(jiān)測，使得整個(gè)監(jiān)測過程呈現(xiàn)出自動(dòng)化，避免人工處理可能引起的誤差。不僅如此，徠卡TM50本身還有相應(yīng)的機(jī)載編程平臺(tái)，便于不同用戶根據(jù)需要自行編程，控制測量機(jī)器人完成相關(guān)工作，提升地鐵隧道變形監(jiān)測的自動(dòng)化程度。

1.2 反射棱鏡

反射棱鏡在全站儀測量中發(fā)揮著重要作用，在自動(dòng)化隧道變形監(jiān)測中，需要使用螺栓將反射棱鏡安裝在地鐵隧道拱頂﹑拱腰﹑道床等位置，便于持續(xù)進(jìn)行變形監(jiān)測。棱鏡反射面需要與全站儀的照準(zhǔn)部位相對(duì)，保證所使用的自動(dòng)化全站儀能夠自動(dòng)識(shí)別反射棱鏡并完成對(duì)應(yīng)參數(shù)的監(jiān)測。

1.3 計(jì)算機(jī)及其輔助工具

測量機(jī)器人在地鐵隧道變形監(jiān)測中還需要借助計(jì)算機(jī)以及相關(guān)輔助工具進(jìn)一步豐富自動(dòng)化功能。利用計(jì)算機(jī)與CAD設(shè)計(jì)技術(shù)在地鐵隧道施工以及變形監(jiān)測中發(fā)揮作用。比如在地鐵隧道變形監(jiān)測中，可利用CAD技術(shù)繪制地鐵隧道結(jié)構(gòu)圖，并在繪圖基礎(chǔ)上借助CAD三維建模，形成三維實(shí)體模型，進(jìn)而結(jié)合實(shí)體模型對(duì)地鐵隧道中的主要監(jiān)測點(diǎn)予以分析，通過模型作為監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)的參考。計(jì)算機(jī)技術(shù)可將地鐵隧道變形監(jiān)測中獲取的有關(guān)數(shù)據(jù)以電子形式存儲(chǔ)﹑數(shù)據(jù)分析與處理等，同時(shí)借助計(jì)算機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)分析軟件等，分析出相關(guān)數(shù)據(jù)變化規(guī)律，反饋出地鐵隧道不同區(qū)域的變形特點(diǎn)，為施工與管理提供理論支持。

1.4 主要硬件與軟件組成

在使用測量機(jī)器人對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)化變形監(jiān)測期間，因?yàn)樽冃伪O(jiān)測獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)后還需要快速分析，并預(yù)測地鐵隧道可能出現(xiàn)的較大變形問題，考慮相關(guān)變形是否會(huì)對(duì)整個(gè)地鐵隧道結(jié)構(gòu)受力﹑結(jié)構(gòu)安全性等產(chǎn)生影響。所以使用的測量機(jī)器人需要有對(duì)應(yīng)的硬件與軟件，其中硬件主要包括測量機(jī)器人﹑無線通信模塊﹑系統(tǒng)控制中心。軟件構(gòu)成方面主要包括測量機(jī)器人機(jī)載軟件﹑控制中心軟件包﹑無線通信軟件模塊，通過機(jī)器人機(jī)載軟件能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)測距﹑照準(zhǔn)目標(biāo)﹑自動(dòng)測角等；控制中心軟件包可進(jìn)行相關(guān)指令的發(fā)送與接收；無線通信軟件模塊主要完成通訊連接，完成控制中心指令的解析與發(fā)送等。通過相關(guān)硬件﹑軟件的配合，更好地保證測量機(jī)器人可正常工作。

2 測量機(jī)器人的具體觀測方法分析

了解測量機(jī)器人對(duì)應(yīng)的自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成后，還需要掌握測量機(jī)器人的具體觀測方法。同樣以徠卡TM50全站儀設(shè)備為例展開分析，需要在地鐵隧道中固定全自動(dòng)化全站儀設(shè)備，將全站儀通過通訊鏈與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)需要有監(jiān)測設(shè)施，然后通過計(jì)算機(jī)對(duì)全站儀的監(jiān)測過程予以控制。結(jié)合地鐵隧道保護(hù)區(qū)施工的特點(diǎn)與地鐵隧道變形監(jiān)測經(jīng)驗(yàn)﹑相關(guān)力學(xué)分析等，合理確定出相應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)，明確變形監(jiān)測要求，之后完成監(jiān)測點(diǎn)的測量，對(duì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析﹑預(yù)測等。測量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測后可將相關(guān)數(shù)據(jù)保存到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，軟件還能記錄在變形監(jiān)測中出現(xiàn)的一些異常情況，比如變形異常﹑棱鏡在監(jiān)測中被遮擋或者覆蓋等[1]。結(jié)合地鐵隧道變形監(jiān)測要求，完成某一環(huán)節(jié)相關(guān)變形監(jiān)測并達(dá)到對(duì)應(yīng)監(jiān)測周期后可進(jìn)行后續(xù)環(huán)節(jié)的變形監(jiān)測，通過反復(fù)完成整個(gè)變形監(jiān)測階段不同環(huán)節(jié)的變形監(jiān)測。監(jiān)測完成后對(duì)所有數(shù)據(jù)予以分析，找出其中有問題的監(jiān)測點(diǎn)，并重點(diǎn)對(duì)其實(shí)施重復(fù)變形監(jiān)測，進(jìn)一步核實(shí)相關(guān)地鐵隧道變形監(jiān)測點(diǎn)有無異常。通過計(jì)算機(jī)以及控制軟件等，完成不同監(jiān)測周期內(nèi)的數(shù)據(jù)分析，不同周期測量期間，需要通過基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行多次測回計(jì)算，確定出不同測站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際坐標(biāo)，然后對(duì)別的監(jiān)測點(diǎn)繼續(xù)監(jiān)測，保證所有監(jiān)測點(diǎn)的時(shí)時(shí)坐標(biāo)均可有效獲取。

3 數(shù)據(jù)分析

測量機(jī)器人在地鐵隧道自動(dòng)化變形監(jiān)測過程中會(huì)獲取大量的數(shù)據(jù)信息，所以數(shù)據(jù)分析與處理是保證最終地鐵隧道變形監(jiān)測質(zhì)量的關(guān)鍵。地鐵隧道變形監(jiān)測期間需要合理利用機(jī)器人測量控制設(shè)備的作用。依據(jù)保護(hù)區(qū)項(xiàng)目施工工藝﹑主要施工進(jìn)度等，同時(shí)結(jié)合已經(jīng)獲取的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合分析﹑判斷，隧道結(jié)構(gòu)局部或整體在施工中出現(xiàn)的變形情況，比如速率﹑變形量；明確對(duì)應(yīng)的地鐵隧道施工變形風(fēng)險(xiǎn)，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不同合理設(shè)定地鐵隧道安全等級(jí)與質(zhì)量防范措施；并指導(dǎo)下一步的施工方法﹑改進(jìn)施工工藝。測量機(jī)器人在地鐵隧道自動(dòng)化變形監(jiān)測應(yīng)用中，需要靈活使用不同質(zhì)量控制設(shè)備，并以變形監(jiān)測結(jié)果為依據(jù)，確保隧道結(jié)構(gòu)安全可控[2]。

測量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)在獲取數(shù)據(jù)并時(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析中，盡可能選擇專業(yè)性較強(qiáng)的分析軟件，主要方法包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法﹑多重差分析法。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法在使用期間主要是通過監(jiān)測周期內(nèi)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算出現(xiàn)在監(jiān)測坐標(biāo)系相對(duì)于首期監(jiān)測坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換系數(shù)，計(jì)算出現(xiàn)在監(jiān)測點(diǎn)相對(duì)于首期監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而得到不同監(jiān)測點(diǎn)的變化量。多重差分析法在數(shù)據(jù)分析中采取差分處理方法，該方法在使用期間需要保證監(jiān)測周期內(nèi)監(jiān)測站點(diǎn)未改變。數(shù)據(jù)分析期間可適當(dāng)加入人工數(shù)據(jù)判斷與分析，便于剔除監(jiān)測數(shù)據(jù)中差距較大的部分?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算出監(jiān)測周期內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值，得到最終的監(jiān)測結(jié)果[3]。地鐵隧道變形監(jiān)測完成后還需要繪制出監(jiān)測點(diǎn)的位移時(shí)程曲線圖，形成對(duì)應(yīng)的監(jiān)測報(bào)表與文件，得到地鐵隧道變形監(jiān)測結(jié)果與建議，進(jìn)而及時(shí)反饋，按照監(jiān)測結(jié)果采取措施，做好現(xiàn)場施工管理。

4 監(jiān)測精度分析

測量機(jī)器人在地鐵隧道自動(dòng)化變形監(jiān)測中相較于人工變形監(jiān)測，減少了儀器架設(shè)﹑立監(jiān)測點(diǎn)的次數(shù)；消除了人工地鐵隧道變形監(jiān)測中可能出現(xiàn)的誤差。測量機(jī)器人在進(jìn)行地鐵隧道自動(dòng)化變形監(jiān)測中，能夠提高監(jiān)測精度，提升地鐵隧道變形監(jiān)測工作效率，監(jiān)測結(jié)果以及監(jiān)測精度可滿足地鐵隧道施工中的監(jiān)測精度要求，為大型地鐵隧道開挖與施工中的變形監(jiān)測與應(yīng)用提供重要依據(jù)，改善傳統(tǒng)變形監(jiān)測作業(yè)模式與方法，全方位指導(dǎo)地鐵隧道保護(hù)區(qū)項(xiàng)目施工與管理。

5 實(shí)例分析

根據(jù)某地區(qū)地鐵1號(hào)線隧道正上方有繞城高速下穿高鐵南站廣場改建工程為例，改建工程在地鐵1號(hào)線區(qū)間正上方，范圍為改建繞城高速K31+840~K31＋920段與地鐵1號(hào)線K15+394.494～右K15+470.263段，施工前該區(qū)域?yàn)榭盏亍＝徊娣秶鷥?nèi)需要進(jìn)行大范圍的土方卸載，新建高速公路，開挖深度約12～16m，基本土層為雜填土﹑黏土層。高速公路路基開挖最底面距離1號(hào)線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)頂板土厚度約約為4.15～5.07m，土方開挖方式為明挖放坡法。

監(jiān)測區(qū)域隧道區(qū)間投影區(qū)域向兩端分別延伸50m，監(jiān)測范圍為兩個(gè)站點(diǎn)之間上行線﹑下行線，對(duì)應(yīng)隧道里程K15+344.494～K15+520.263，上行線與下行線中對(duì)應(yīng)的監(jiān)測范圍整體長度為176m。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，在變形監(jiān)測中進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)，具體如下：于監(jiān)測范圍50m之外布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，并分別布設(shè)4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)在監(jiān)測區(qū)域外大小里程兩側(cè)，這樣上行線﹑下行線對(duì)應(yīng)的監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)均為8個(gè)。具體布設(shè)于隧道側(cè)壁上將小棱鏡有效固定，定期校核基準(zhǔn)點(diǎn)，確保整個(gè)變形監(jiān)測結(jié)果的可靠性。

自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)及儀器布設(shè)：監(jiān)測斷面設(shè)置間隔控制在5m，每個(gè)隧道監(jiān)測斷面設(shè)置小棱鏡4個(gè)。2個(gè)小棱鏡設(shè)置在隧道水平直徑腰點(diǎn)處，這樣可較好的進(jìn)行隧道收斂監(jiān)測；2個(gè)小棱鏡分別布設(shè)在隧道道床和隧道頂部，用于對(duì)道床沉降﹑道床水平位移變化和隧道豎向收斂監(jiān)測，進(jìn)而系統(tǒng)性了解隧道內(nèi)的變形情況。測量機(jī)器人設(shè)置在能夠?qū)蓚?cè)不同監(jiān)測點(diǎn)實(shí)施監(jiān)測的中間區(qū)域，而且監(jiān)測結(jié)果精度也符合要求，并滿足通視要求。測量機(jī)器人需要安裝在隧道側(cè)壁上。監(jiān)測點(diǎn)和儀器在布設(shè)過程中還需要確保有效固定﹑未侵限﹑未影響行車安全。對(duì)不同監(jiān)測斷面做好編號(hào)。

隧道儀器和測點(diǎn)布設(shè)完成后將測量機(jī)器人的監(jiān)測時(shí)間﹑監(jiān)測頻率設(shè)置完成，則自動(dòng)化監(jiān)測儀依靠軟件將會(huì)測出不同監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并計(jì)算分析數(shù)據(jù)變化情況，以報(bào)表的形式呈現(xiàn)出來。

為確保自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)﹑有效，并在監(jiān)測過程中剔除異常數(shù)據(jù)；本次監(jiān)測過程中在自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)的旁邊布設(shè)了人工監(jiān)測點(diǎn)，人工監(jiān)測頻率為一周一次，主要復(fù)核自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)。

本項(xiàng)目整個(gè)施工工期內(nèi)，同一個(gè)位置的監(jiān)測點(diǎn)人工監(jiān)測累計(jì)變化量與自動(dòng)化監(jiān)測累計(jì)變化量基本一致，誤差均在±2mm內(nèi)，因本項(xiàng)目下行線15+444（HNX29）處最終累計(jì)變化量達(dá)到為+14.8mm，累計(jì)變化量已超過《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值±20mm的70%規(guī)定，且隧道出現(xiàn)滲漏水﹑結(jié)構(gòu)病害；為掌握隧道結(jié)構(gòu)隆起﹑滲漏水及管片破損等病害對(duì)結(jié)構(gòu)自身及軌道﹑接觸網(wǎng)其他設(shè)備的影響，消除運(yùn)營安全隱患，確保行車安全，項(xiàng)目施工完成后業(yè)主單位邀請(qǐng)了某大學(xué)對(duì)該區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估。通過大型三維有限元數(shù)值分析軟件abaqus根據(jù)施工工況進(jìn)行計(jì)算﹑分析與現(xiàn)有的監(jiān)測數(shù)據(jù)基本耦合；充分說明了自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備在地鐵隧道施工中應(yīng)用是合理的﹑正確的。 為整個(gè)地鐵隧道的安全施工奠定了基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

在地鐵隧道保護(hù)區(qū)施工期間，為確保行車安全和地鐵結(jié)構(gòu)安全，保證列車正常運(yùn)營，傳統(tǒng)人工監(jiān)測會(huì)因隧道行車而無法隨時(shí)進(jìn)入，且人工監(jiān)測工作量大﹑風(fēng)險(xiǎn)高﹑夜間作業(yè)效率低下﹑不安全等因素?zé)o法隨時(shí)掌握隧道結(jié)構(gòu)的變化情況。測量機(jī)器人以及智能化系統(tǒng)在地鐵隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用，可提升監(jiān)測結(jié)果的可靠性，減少人為干預(yù)，提升變形監(jiān)測的安全性﹑可靠性，時(shí)時(shí)掌握隧道結(jié)構(gòu)變化，更好地為現(xiàn)代隧道施工中變形監(jiān)測與分析提供參考，指導(dǎo)地鐵隧道施工與運(yùn)營管理。