自動化監(jiān)測技術(shù)在地鐵隧道安全監(jiān)測中的應(yīng)用

劉 帆,何高舉

(廣東省重工建筑設(shè)計院有限公司,廣州 510670)

地鐵隧道結(jié)構(gòu)較為復雜,周邊施工及土體擾動極易對其產(chǎn)生影響,而隧道一旦發(fā)生異常形變將對后期通車運營造成重大安全隱患,故需對地鐵隧道進行自動化監(jiān)測。傳統(tǒng)的全站儀、經(jīng)緯儀等受隧道光線、空間、環(huán)境干擾等因素的影響,施測難度較大。以S市地鐵Y號線為例,管廊采用分倉跳挖法施工,應(yīng)用自動化監(jiān)測技術(shù)實時監(jiān)測,為地鐵隧道施工研究提供參考,以促進自動化監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用及推廣[1-2]。

1 自動化監(jiān)測方法及原理

自動化監(jiān)測是通過安全智能監(jiān)測與預(yù)警一體化云平臺遠程向測量機器人發(fā)送測量指令,完成一系列測量動作并得到數(shù)據(jù),整個過程中,測量機器人與通信工控系統(tǒng)通過專用電纜連接,使其同時實現(xiàn)設(shè)備供電、數(shù)據(jù)測量及測量指令在預(yù)警平臺的接收發(fā)模式。

應(yīng)用自動化監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測的主要技術(shù)流程如下:

對機器人進行定位與標定,確定機器人在地鐵隧道分倉跳挖施工現(xiàn)場的位置坐標,一般是在人工測量基準點(控制點)定向的基礎(chǔ)上進行云端自動化定向?qū)W習測量。校準機器人激光測距儀與攝像機的內(nèi)部參數(shù)及外部參數(shù),確保測量結(jié)果的準確性。啟動機器人的巡航功能,機器人會自動移動并運行激光測距儀及攝像頭,持續(xù)進行數(shù)據(jù)采集,采集到的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)接嬎銠C中,通過預(yù)警平臺進行處理分析。

圖1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Automated monitoring system

預(yù)警平臺通過定向后形成的方位角、平距、斜距自動對監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行計算與分析,給出各監(jiān)測點的三維坐標系(平面及高程)及點與基準點的角度距離關(guān)系,經(jīng)過多次測量平差形成監(jiān)測點點位初始值。

通過設(shè)置預(yù)警平臺在特定的時間啟動測量機器人進行無間斷連續(xù)測量,與點位初始值進行比對,形成并繪制點位變形的曲線圖。每次測量時,遵循先控制點(基準點)后監(jiān)測點,按后方交會方法計算出儀器坐標及高程,再觀測變形監(jiān)測點。

計算機與測量儀器之間的通信通過Internet網(wǎng)絡(luò)及工控通信模塊來實現(xiàn),使其有CDMA(或GPRS)無線通信信號,在建隧道內(nèi)無通信訊號則采用光纖加光貓模式將洞口信號引入測量機器人工控通信箱內(nèi)完成信號傳遞,通過預(yù)警平臺在任何有Internet網(wǎng)絡(luò)的地方都可以操控測量儀器。

2 工程實例

2.1 工程概況

S市地鐵Y號線共建A站至B站區(qū)間,共建管廊位于地鐵Y號線區(qū)間左線隧道正上方,采用明挖分倉跳挖法施工,隧道此時處于已貫通呈未鋪軌階段。為保證施工過程中地鐵結(jié)構(gòu)與運營安全,必須對地下運營線進行全程監(jiān)測監(jiān)控。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)了解地鐵安全狀態(tài),判斷設(shè)計是否合理,施工方法及工藝是否可行,地下運營線監(jiān)測采用自動化監(jiān)測,每斷面設(shè)置一定數(shù)量監(jiān)測點,通過采集監(jiān)測數(shù)據(jù)分析線路結(jié)構(gòu)變形情況。

2.2 監(jiān)測實施

2.2.1 主要設(shè)備選擇

為實時監(jiān)控臨近基坑對地鐵隧道的影響,采用徠卡TM30測量機器人進行自動化監(jiān)測,數(shù)據(jù)處理采用Leica配套的GeoMoS軟件。該自動化測量系統(tǒng)是一種先進的自動化監(jiān)測設(shè)備,帶有精確的自動照準、快速可靠的智能自動識別功能,能夠提供高精度的測量數(shù)據(jù)和圖像信息,可勝任最惡劣的工作環(huán)境,為地鐵隧道分倉跳挖施工等領(lǐng)域的工程監(jiān)測提供有效的解決方案。

2.2.2 監(jiān)測預(yù)警控制值確定

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求并結(jié)合現(xiàn)場條件,綜合制定自動化實時監(jiān)測頻率及控制值。監(jiān)測項目包括豎向位移、水平位移、差異變形等,監(jiān)測周期為一周,監(jiān)測控制值如表1所示。

表1 地鐵隧道監(jiān)測預(yù)警控制值Tab.1 Metro tunnel monitoring and early warning control value

2.2.3 監(jiān)測點的布設(shè)

對本段監(jiān)測區(qū)間左右線各設(shè)計88個斷面,每個斷面各布設(shè)5個三維變形監(jiān)測點,分別位于隧道底兩側(cè)(2點)、隧道中腰線(2點),隧道頂部(1點),監(jiān)測斷面測點布置如圖2。監(jiān)測點采用以L型小棱鏡為主的元器件,布點時用沖擊鉆打孔及對應(yīng)膨脹螺絲安裝固定,對于通視條件較差的區(qū)域采用吊桿模式安裝,如圖2(左)所示。

圖2 外業(yè)監(jiān)測點布設(shè)及儀器安裝Fig.2 Layout of field monitoring points and installation of instruments

2.2.4 儀器位置及通信控制系統(tǒng)安裝

根據(jù)施工進度,保證監(jiān)測范圍大于隧道頂部管廊開挖面。布設(shè)自動化監(jiān)測設(shè)備時,本隧道處于洞通未鋪軌狀態(tài),隧道內(nèi)全站儀采用專用支架固定在隧道內(nèi)一側(cè)的側(cè)壁上,支架位置處于監(jiān)測點通視良好區(qū)域,全站儀支架附近安裝工控箱,工控箱內(nèi)包含供電電源、全站儀遠程控制系統(tǒng)組件及通信設(shè)備。支架附近用膨脹螺絲固定一個電箱,包含自動化通信模塊系統(tǒng)。在建隧道自動化監(jiān)測信號系統(tǒng)由光纖加無線發(fā)射裝置組成,光纖沿隧道側(cè)壁,一端接入控制箱,另一端拉倒盾構(gòu)井的出口,保證有通信信號,在此處安裝一個無線信號引入裝置連接光纖端[3]。

自動化監(jiān)測儀器需在計量檢定有效期內(nèi),下放隧道作業(yè)前需進行全站儀ATR校正,監(jiān)測儀器支架需安裝牢固(不可出現(xiàn)輕微松動),儀器安裝調(diào)試完成后需定期進行維護,監(jiān)測儀器盡量固定不動,待監(jiān)測點位布設(shè)和儀器安裝完成后,測量機器人、監(jiān)測點及通信工控系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后進入安全智能監(jiān)測與預(yù)警一體化云平臺,找到對應(yīng)操作學習測量界面,測量機器人在人工測量基準點(控制點)定向的基礎(chǔ)上進行云端自動化定向?qū)W習測量。定向完成后按預(yù)警平臺設(shè)定的測量程序進行監(jiān)測點逐個點位的學習測量,測量完成后保存所有測量數(shù)據(jù),傳輸?shù)奖O(jiān)測軟件云端服務(wù)器,實現(xiàn)地鐵隧道分倉跳挖施工的自動化監(jiān)測[4-5]。

3 數(shù)據(jù)分析

地鐵隧道變形自動監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)處理,應(yīng)用WebMos軟件進行數(shù)據(jù)平差計算、數(shù)據(jù)分析及成果輸出?？紤]到隧道內(nèi)現(xiàn)場不可控因素,部分監(jiān)測點可能會被遮擋、損壞,勢必造成監(jiān)測數(shù)據(jù)的缺失或異常,梳理分析異常點附近同斷面點或相鄰斷面其他點數(shù)據(jù),在地鐵監(jiān)測工程中運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析模型進一步分析基準點的穩(wěn)定性,預(yù)測工作基點的最合適值及監(jiān)測點變形量,運用小波理論對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行偏差過濾等,S市Y號線A站至B站區(qū)間監(jiān)測統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 自動化監(jiān)測左線情況Tab.2 Automatic monitoring of the left line

監(jiān)測結(jié)果分析:本監(jiān)測周期內(nèi),管廊基坑影響地鐵Y號線隧道左線隧道結(jié)構(gòu)自動監(jiān)測變形值變化較小,未超報警值,仍處于安全可控狀態(tài)。

表中高程正值表示上升,負值表示下沉;橫向正值表示A站往B站方向左側(cè)方向位移,負值表示A站往B站方向右側(cè)位移;縱向正值表示往A站方向位移,負值表示往B站方向位移;本區(qū)間監(jiān)測范圍為ZDK14+809.472～ZDK15+679.472。

根據(jù)表2統(tǒng)計結(jié)果,結(jié)合表1預(yù)警控制值,對此分析可得出S市地鐵Y號線共建管廊采用分倉跳挖法開挖施工對既有地鐵隧道影響較小,可將分倉跳挖開挖法推廣到類似項目上施工。

4 結(jié)束語

變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)能有效提供準確的監(jiān)測數(shù)據(jù),提高工程質(zhì)量及安全水平。但是針對一些在建地鐵隧道的狹長性、封閉性、復雜性及前期無通信弊端,目前只能通過光纖網(wǎng)絡(luò)形式進行自動化監(jiān)測。應(yīng)繼續(xù)加強對隧道自動化監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā),實現(xiàn)隧道無線通信傳遞功能及各種數(shù)據(jù)的對接轉(zhuǎn)換,利用監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)攝像頭安全傳輸監(jiān)測自動化指令及監(jiān)測數(shù)據(jù),便于施工管理,提升監(jiān)測效率。