測量機(jī)器人在地鐵隧道自動化監(jiān)測中的應(yīng)用

摘" 要：在軌道交通的建設(shè)與養(yǎng)護(hù)中受到地質(zhì)條件、軌道交通周圍建筑物、本身承載等各種因素的作用，地鐵軌道可能會發(fā)生變形，而長春所處的地理位置大多處于不透水層及含水性材料極微處，產(chǎn)生變形概率較大，所以采取相應(yīng)的檢測手段變得特別關(guān)鍵，而自動化變形檢測系統(tǒng)可以取代傳統(tǒng)測量方法對地鐵軌道系統(tǒng)進(jìn)行位移與沉降的變化檢測。該文結(jié)合測量機(jī)器人在地鐵隧道自動化監(jiān)測，并結(jié)合工程實際，對利用測量機(jī)器人獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的研究和分析。結(jié)果表明，使用測量機(jī)器人進(jìn)行自動化監(jiān)測具有較高的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：測量機(jī)器人；自動化監(jiān)測；地鐵隧道；穩(wěn)定性；應(yīng)用

中圖分類號：U231.3" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）32-0177-04

Abstract： In the construction and maintenance of rail transit， due to various factors such as geological conditions， buildings around rail transit， and its own bearing capacity， subway tracks may be deformed. However， Changchun's geographical location is mostly located in impermeable water and water-containing materials. In extremely small places， the probability of deformation is high， so adopting corresponding detection methods becomes particularly critical， and automated deformation detection systems can replace traditional measurement methods to detect changes in displacement and settlement of the subway track system. This paper combines the automatic monitoring of subway tunnels by measuring robots and engineering practice， and uses the data obtained by measuring robots to conduct comprehensive research and analysis. The results show that using a measurement robot for automated monitoring has high stability.

Keywords： measuring robot; automated monitoring; subway tunnel; stability; application

現(xiàn)代科技迅速發(fā)展，城市城鎮(zhèn)化步伐不斷推進(jìn)，都市人流不斷增加，因此怎樣降低城市交通壓力成為政府相關(guān)部門和百姓所想要解決的問題。因為城市軌道運(yùn)輸線路通常要規(guī)劃在城市交通擁堵、人口稠密等復(fù)雜的區(qū)域，這就要求對地表沉降的變形控制必須達(dá)到一定的精度，如果施工技術(shù)稍有疏漏，就會造成不可預(yù)測的風(fēng)險[1]。因此，雖然變形監(jiān)測是一項非常重要的措施，但不可能完全抑制地表沉降。目前采用的主要方法是對實時動態(tài)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行高效、準(zhǔn)確的大規(guī)模統(tǒng)計分析，并利用統(tǒng)計方法分析研究后的結(jié)果來進(jìn)行環(huán)境優(yōu)化工程，以便于揭示出地面巖層特性、地下水環(huán)境、對施工過程和地表沉降的影響，以便于可以合理把握中國高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)特性及其和地面巖土環(huán)境之間的相互作用，從而建立最適宜的施工環(huán)境預(yù)測模型，運(yùn)用預(yù)測成果采取相應(yīng)的方法減少對環(huán)境影響，為軌道施工企業(yè)提供技術(shù)支持[2-3]。本論文結(jié)合測量機(jī)器人在地鐵隧道自動化監(jiān)測技術(shù)，并結(jié)合工程實例與傳統(tǒng)方法進(jìn)行分析比較，檢驗自動化監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1" 工程概況

本文以長春軌道交通某線為例，全長29.2 km，某段盾構(gòu)區(qū)間右線長1 819.334 m，左線長1 797.754 m，總長度3 617.088 m，采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)開挖，從某環(huán)路站大里程端開始，從某街道南站小里程端接收，如圖1所示。由于盾構(gòu)區(qū)間的大部分地層都是全風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖以及車輛交織疊雜，因此地下水含量較豐富，并存在埋深大、多階段曲線開挖、對承壓水層接收能力較差等問題，區(qū)間隧道上的建（構(gòu)）筑物較多，隧道埋深和地下渠道豎向距離僅為4.6 m左右，根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，在由基坑施工控制的地鐵某線的隧道左線內(nèi)，對隧道拱頂垂直、水平位移、軌道傾斜等情況均進(jìn)行了監(jiān)測，確保軌道交通施工順利進(jìn)行。

2" 技術(shù)依據(jù)

GB 50308—2008《城市軌道交通工程測量規(guī)范》；DB11/489—2007《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》；GB 50299—2003《地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范》；GB 50026—2007《工程測量規(guī)范》；JGJ 8—2007《建筑物變形測量規(guī)范》；CJJ 8—99《城市測量規(guī)范》。

3" 監(jiān)測內(nèi)容及變形監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)

由于長春所處的地理位置大部分屬于不透水層或含水性極微層，引起變形可能性最大。所以采取有效的監(jiān)測手段顯得尤其重要。需要對施工區(qū)域的地質(zhì)特點、施工方法和環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)研究。變形觀測計劃的編制直接關(guān)系到觀測的時間、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所以必須充分考慮。

3.1" 監(jiān)測內(nèi)容

地鐵隧道主影響區(qū)內(nèi)每隔5 m設(shè)置一個監(jiān)測斷面，次影響區(qū)內(nèi)每10 m設(shè)置一個監(jiān)測斷面，共有109個監(jiān)測斷面布置在左右線上。測量項目包括隧道徑向收斂、水平位移觀測、垂直位移觀測和不均勻沉降監(jiān)測等。

3.2" 點位布設(shè)

3.2.1" 基準(zhǔn)點布設(shè)

基準(zhǔn)點應(yīng)分布在施工現(xiàn)場兩側(cè)，并在安全、穩(wěn)定和施工影響范圍之外。應(yīng)定期進(jìn)行校對，以防止因自身變化而造成的誤差?；鶞?zhǔn)點的埋設(shè)應(yīng)按以下3點進(jìn)行[4]：①基準(zhǔn)點與測量點的距離應(yīng)在100 m以內(nèi)，保持良好的能見度，確保高精度的測量結(jié)果，如圖2所示；②基準(zhǔn)點應(yīng)埋設(shè)在土質(zhì)堅硬，高水位處，以確?；鶞?zhǔn)點本身的穩(wěn)定性；③基準(zhǔn)點采用鉆機(jī)鉆孔，預(yù)埋鋼筋，澆筑混凝土進(jìn)行振動壓實，如圖3所示。它周圍建有一個保護(hù)井，頂部安裝一個鋼制保護(hù)罩。

3.2.2" 工作點布設(shè)

工作基點通過在人工挖掘或鉆具土中成孔的方法完成埋設(shè)，如圖4、圖5所示。整個埋設(shè)過程如下：①使用洛陽鏟進(jìn)行人工挖掘土質(zhì)地表或利用Φ80 mm鉆具挖掘較硬的表面，使其直徑達(dá)到80 mm，深度大于3 m；②夯實底部；③清理土壤，向隧道內(nèi)倒入少量清水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；④澆筑等級不低于C20的水泥，并使用振動設(shè)備將其澆筑密實，確保水泥頂部距離地面5 cm以內(nèi)；⑤在孔內(nèi)放置直徑不小于80 cm的鋼筋標(biāo)志，露出混凝土表面約1～2 cm；⑥在上部安裝鋼制保護(hù)罩；⑦維護(hù)超過15 d。

3.2.3" 變形監(jiān)測點的布設(shè)

變形監(jiān)測點的布置符合新建工程的要求，見表1。監(jiān)測點布設(shè)在原工程相對落到范圍內(nèi)每隔10 m布設(shè)一個。每個監(jiān)測斷面由1個隧道拱頂沉降點、2個隧道水平位移點和2個軌道垂直位移監(jiān)測點組成，共計23個監(jiān)測斷面。

本工程高程基準(zhǔn)網(wǎng)以長春市地鐵施工高程系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以軌道交通現(xiàn)場精確標(biāo)準(zhǔn)點為起點，并附于軌道交通現(xiàn)場精密標(biāo)準(zhǔn)點，針對工地實際狀況，為便于檢查站引測，另布置3處測量基點。根據(jù)使用的具體高程基準(zhǔn)點、工作點和監(jiān)測點，將點的獨立閉環(huán)布置在一起，形成由附合路線組成的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。

3.3" 監(jiān)測點布置優(yōu)化情況

根據(jù)本項目的監(jiān)測對象和監(jiān)測項目，本監(jiān)測方案中監(jiān)測點的具體優(yōu)化布置見表2。

根據(jù)建筑物測量點標(biāo)記下不同的施工范圍，選擇不同類型的埋點?？蚣芎痛u混組合結(jié)構(gòu)的施工對象通常采用鉆孔法埋在標(biāo)志下方的檢查點處。對于特殊安裝要求較好的施工范圍，采用隱蔽檢查點。埋設(shè)沉降監(jiān)測的各種測點時，應(yīng)注意避開妨礙標(biāo)志如雨水管道、窗臺、電氣開關(guān)等障礙物。立尺應(yīng)與墻壁和地面保持一定距離，一般高出室內(nèi)地面0.2～0.5 m。埋設(shè)測量點后，在立尺末端涂上防腐劑[5]。

3.4" 監(jiān)測周期與頻率

變形觀測周期的確定應(yīng)以能夠系統(tǒng)地反映測量建筑變形的變化過程而不錯過其變化時間為原則，并綜合考慮單位時間變形的大小和特征、觀測精度要求及外界因素影響情況，建筑變形測量的第一次（即零周期）觀測應(yīng)連續(xù)進(jìn)行2次獨立觀測，對其得到的中值確定為變形測量的初始值，周期監(jiān)測頻率見表3。

4" 數(shù)據(jù)處理

截至最后一期觀測，統(tǒng)計最大累計沉降量0.46 mm（2CK-GD-03-03觀測點），最小累計沉降量為0.02 mm（2CK-GD-01-02觀測點），平均累計沉降量為0.34 mm。

觀測點的穩(wěn)定性分析基于以穩(wěn)定參考點為基準(zhǔn)的平差計算結(jié)果。

通過比較2個相鄰周期的最大沉降量和最大沉降觀測誤差，對相鄰觀測點進(jìn)行沉降分析。若測量點在2個周期內(nèi)沒有發(fā)生沉降是由于當(dāng)前沉降量小于最大誤差。

對于多周期觀測結(jié)果，當(dāng)相鄰2個周期的沉降較小，但在多個周期內(nèi)有顯著變化趨勢時，視為沉降。

當(dāng)觀測周期進(jìn)入最后100 d時，此時沉降速度小于0.01～0.04 mm/d時，此時可認(rèn)為進(jìn)入穩(wěn)固階段。具體數(shù)值根據(jù)各區(qū)域地基土的抗壓性能確定。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)得出結(jié)論，當(dāng)前進(jìn)入穩(wěn)定階段。

5" 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

本項目使用儀器為萊卡TS30全站儀，南方SMOS自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)。其組成主要包括3個部分：數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)等[6]。

主要包括設(shè)置基本參數(shù)、自動測量參數(shù)、自動測量和輸出結(jié)果等參數(shù)設(shè)置。通過自動化監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測工作真正實現(xiàn)了信息化施工，為設(shè)計和施工單位提供了準(zhǔn)確、可靠、及時的監(jiān)測結(jié)果，確保了施工、隧道結(jié)構(gòu)等周邊環(huán)境的安全，確保了工程施工的順利進(jìn)行[7]。監(jiān)測技術(shù)路線如圖7所示。

6" 結(jié)論

自動變形監(jiān)測系統(tǒng)可以取代傳統(tǒng)的測量方法，快速完成地鐵隧道位移、沉降等變形監(jiān)測。

減少了額外的氣象設(shè)備，并使用了實時差分測量方案，以最大限度地減少或消除各種誤差影響。自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了全自動、高精度的監(jiān)測。

實時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)分析、報表輸出及提供圖形信息等。

利用手機(jī)通信信息提供自動報警，通過相應(yīng)措施確保隧道結(jié)構(gòu)和地鐵運(yùn)營的安全。

目前在地鐵隧道的安全監(jiān)測中采用的手段大多比較復(fù)雜，不但費時費力， 而且監(jiān)測投資的成本也高。本論文采用自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)可以極大地節(jié)約工作時間，而且操作十分簡單，在短期內(nèi)即可完成地鐵的健康狀況的評估。為適應(yīng)現(xiàn)代軌道交通工程建設(shè)對檢測技術(shù)的需求，開發(fā)契合東北地區(qū)適用的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，保障自動化監(jiān)測發(fā)展，從而為國民經(jīng)濟(jì)高速增長提供源源不斷的動力。

參考文獻(xiàn)：

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