自動(dòng)極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分監(jiān)測(cè)技術(shù)在地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

劉運(yùn)明

(北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

Application of Automatic Polar Real-time Difference Monitoring Technology

in the Deformation Monitoring of Metro Tunnel Structure

LIU Yunming

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自動(dòng)極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分監(jiān)測(cè)技術(shù)在地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

劉運(yùn)明

(北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

Application of Automatic Polar Real-time Difference Monitoring Technology

in the Deformation Monitoring of Metro Tunnel Structure

LIU Yunming

摘要：自動(dòng)極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)差分處理，以消除和減弱各種誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，大幅度地提高了測(cè)量精度，為安全施工提供了準(zhǔn)確、及時(shí)的指導(dǎo)數(shù)據(jù)，保證了地鐵的安全運(yùn)行，是一種簡(jiǎn)便、靈活、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。工程應(yīng)用表明，它可以進(jìn)一步提高隧道、建筑物等安全監(jiān)測(cè)工作的技術(shù)水平，提高工程安全監(jiān)測(cè)的效率，減少工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省大量的人力、物力和資金，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道等構(gòu)筑物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?？稍诘罔F運(yùn)行間隔內(nèi)迅速完成隧道的三維變形監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)極坐標(biāo)；實(shí)時(shí)差分；地鐵隧道；變形監(jiān)測(cè)

在地鐵隧道的施工和運(yùn)行過程中，為了保證隧道結(jié)構(gòu)的安全，需要對(duì)地鐵隧道進(jìn)行高頻率、高精度的變形監(jiān)測(cè)。由于地鐵隧道施工的特殊條件，傳統(tǒng)的人工測(cè)量耗時(shí)長(zhǎng)、精度低，不但影響正常的隧道施工工序，而且不能及時(shí)、快速、準(zhǔn)確地反映隧道結(jié)構(gòu)變形的情況，因此地鐵隧道自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)相比較，具有連續(xù)、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、精確等顯著優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有近景攝像測(cè)量系統(tǒng)、多通道無線遙測(cè)系統(tǒng)、光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、全站儀自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)、巴賽特結(jié)構(gòu)收斂系統(tǒng)等[1-2]。本文主要介紹全站儀極坐標(biāo)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

一、測(cè)量原理

1. 極坐標(biāo)測(cè)量原理

地鐵隧道全站儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)采用極坐標(biāo)法測(cè)量，如圖1所示，以設(shè)站點(diǎn)O為原點(diǎn)，測(cè)站的鉛垂線為Z軸，以定向方向?yàn)閄軸，建立左手直角坐標(biāo)系O-XYZ。

設(shè)全站儀測(cè)量P點(diǎn)的觀測(cè)值分別為：水平角α，垂直角β，斜距s，則P點(diǎn)在圖1的測(cè)站坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為

(1)

圖1　極坐標(biāo)測(cè)量示意圖

2. 精度分析

在不顧及已知點(diǎn)誤差的情況下討論觀測(cè)點(diǎn)的誤差，由圖1可知OP的平距D=Scosβ，根據(jù)式(1)分別對(duì)觀測(cè)量α、β、s求全微分可得

(2)

轉(zhuǎn)換為中誤差形式并用矩陣表示為

(3)

式中，mx、my、mz分別為點(diǎn)位的三維坐標(biāo)在x、y、z方向的中誤差；ms為測(cè)距中誤差；mα、mβ分別為方位角和豎直角的測(cè)角中誤差。根據(jù)Helmert點(diǎn)位誤差估計(jì)公式可知

(4)

將式(3)代入式(4)可得P點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為

(5)

由式(5)可知， 待定點(diǎn)P的點(diǎn)位精度與儀器的測(cè)角、測(cè)距精度有關(guān)。為使該方法測(cè)量獲得較高的點(diǎn)位精度，應(yīng)盡量控制角度和距離的相互關(guān)系。

3. 觀測(cè)值的改正

在運(yùn)營(yíng)地鐵的監(jiān)測(cè)環(huán)境中，溫度、大氣折光、氣壓、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、空氣擾動(dòng)等環(huán)境因素均會(huì)造成基準(zhǔn)點(diǎn)、測(cè)量機(jī)器人和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的微動(dòng)變化，導(dǎo)致距離測(cè)量和角度測(cè)量的偏差，采用實(shí)時(shí)差分技術(shù)可以減弱這些因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

(1) 斜距的差分改正

在極坐標(biāo)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，溫度、氣壓和濕度等影響距離測(cè)量的結(jié)果，假設(shè)某一時(shí)段內(nèi)基準(zhǔn)點(diǎn)和測(cè)站點(diǎn)的位置是穩(wěn)定的，就可以利用測(cè)站點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)之間的已知距離對(duì)大氣折射率進(jìn)行實(shí)時(shí)差分改正[3-5]。

(6)

(7)

為了保證距離氣象改正比例系數(shù)ΔS的可靠性和準(zhǔn)確性， 實(shí)踐中取多個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)定的距離氣象改正比例系數(shù)ΔS的中數(shù)，用于相似區(qū)域變形點(diǎn)距離測(cè)量的差分氣象改正。

(2) 高差的差分改正

在極坐標(biāo)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，高差測(cè)量的精度與球氣差的影響有關(guān)[3-5]，為了準(zhǔn)確測(cè)定變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)，必須考慮球氣差對(duì)高差測(cè)量的影響。監(jiān)測(cè)站與各基準(zhǔn)點(diǎn)之間經(jīng)精密水準(zhǔn)測(cè)量高差Δh0是已知的。如果某一時(shí)刻測(cè)得監(jiān)測(cè)站與某基準(zhǔn)點(diǎn)間的單向三角高差hJ為

hJ=SJ·sinβ+iJ-tJ

(8)

式中，β為垂直角;iJ為儀器高;tJ為目標(biāo)高。球氣差改正系數(shù)c可表示為

(9)

變形點(diǎn)與監(jiān)測(cè)站之間經(jīng)球氣差改正的三角高差hP可表示為

(10)

根據(jù)變形觀測(cè)點(diǎn)的斜距改正數(shù)和高差改正數(shù)即可求出平距的改正值為

(11)

(3) 方位角的差分改正

(12)

(13)

(4) 變形點(diǎn)三維坐標(biāo)和變形量的計(jì)算

經(jīng)過對(duì)距離、高差和方位角三者的差分改正，根據(jù)極坐標(biāo)計(jì)算公式求得變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)為

(14)

式中，(X0,Y0,Z0)為監(jiān)測(cè)站的坐標(biāo)值。

(15)

二、自動(dòng)極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

自動(dòng)極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由控制單元、無線通信單元和數(shù)據(jù)采集與處理單元組成。該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1. 硬件構(gòu)成

自動(dòng)極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件主要由測(cè)量機(jī)器人、無線通信模塊和系統(tǒng)控制中心構(gòu)成(見表1)。

表1　自動(dòng)極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要儀器設(shè)備

1) 測(cè)量機(jī)器人：為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)要求測(cè)量機(jī)器人具有馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和目標(biāo)自動(dòng)搜索、識(shí)別、跟蹤等功能。

2) 無線通信模塊：要實(shí)現(xiàn)控制中心控制測(cè)量機(jī)器人采集數(shù)據(jù)，必須在兩者之間建立可靠的通信鏈路。通過Internet建立的通信鏈路可分為有線和無線兩種方式。

3) 系統(tǒng)控制中心，系統(tǒng)控制中心的服務(wù)器或工作站上需要安裝可以連接公網(wǎng)的調(diào)制解調(diào)器或網(wǎng)卡，并擁有路由器分配的可通過公網(wǎng)訪問的固定IP地址，來接收通過公網(wǎng)傳輸?shù)幕騁PRS/CDMA無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

2. 軟件構(gòu)成

自動(dòng)極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件主要由3部分組成：即測(cè)量機(jī)器人機(jī)載軟件、無線通信模塊軟件和控制中心軟件包。

1) 測(cè)量機(jī)器人機(jī)載軟件，主要是測(cè)量機(jī)器人極坐標(biāo)多測(cè)回自動(dòng)觀測(cè)軟件，負(fù)責(zé)自動(dòng)搜索、識(shí)別、照準(zhǔn)、跟蹤目標(biāo)、自動(dòng)測(cè)角、測(cè)距及超限或目標(biāo)丟失等異常情況的自動(dòng)處理。

2) 無線通信模塊程序，主要負(fù)責(zé)建立通信鏈路，用來轉(zhuǎn)發(fā)指令或數(shù)據(jù)。

3) 控制中心軟件，主要實(shí)現(xiàn)發(fā)送開關(guān)機(jī)、邊角觀測(cè)、氣象觀測(cè)等控制指令和接收觀測(cè)狀態(tài)、測(cè)量數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理和報(bào)表輸出的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)真正意義上的測(cè)量自動(dòng)化和一體化。

三、應(yīng)用實(shí)例

1. 工程概況

新建六號(hào)線天河客運(yùn)站—長(zhǎng)湴站位于既有3號(hào)線的西側(cè)，采用盾構(gòu)法施工。3號(hào)線天河客運(yùn)站于2006年12月建成通車。6號(hào)線盾構(gòu)隧道與3號(hào)線天河客運(yùn)站主體建筑平面相互關(guān)系如圖3所示，其中，6號(hào)線隧道右線與既有線路兩線之間距離為4.4～10.6 m；六號(hào)線埋深約32.4 m；既有3號(hào)線埋深約20.8 m。

圖3　開挖基坑與既有線車站平面位置圖

2. 監(jiān)測(cè)實(shí)施

(1) 基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)系統(tǒng)布設(shè)原理，擬在左、右線各設(shè)置1條測(cè)線，每條測(cè)線設(shè)置2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，10個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在遠(yuǎn)離變形區(qū)以外，距離最外側(cè)觀測(cè)斷面50 m左右的軌道結(jié)構(gòu)外側(cè)，基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)采用獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)。

(2) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

本次監(jiān)測(cè)對(duì)影響段100 m范圍區(qū)間進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，主要通過自動(dòng)極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)該影響區(qū)間的隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維位移監(jiān)測(cè)。在100 m區(qū)間范圍內(nèi)的左、右線各設(shè)置10個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面在隧道頂部、底部各安裝一個(gè)監(jiān)測(cè)棱鏡，在站臺(tái)對(duì)面的側(cè)墻上從上往下等間距布設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)棱鏡，左右線共布設(shè)50個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)斷面的布設(shè)位置如圖4所示。

圖4　監(jiān)測(cè)斷面點(diǎn)位分布

3. 數(shù)據(jù)處理及分析

本工程監(jiān)測(cè)工作從2011年2月19日進(jìn)場(chǎng)至2011年10月25日結(jié)束，歷時(shí)8個(gè)月時(shí)間。在整個(gè)施工過程中進(jìn)行全過程監(jiān)測(cè)，實(shí)施過程中，業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理及承包商等密切配合，采用綜合分析方法，包括對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)施工情況、施工工況及監(jiān)測(cè)資料，對(duì)每一施工工況進(jìn)行有針對(duì)性的預(yù)測(cè)，更好地指導(dǎo)了施工。

由表2可以看出，結(jié)構(gòu)絕對(duì)變形量最大為-3.46 mm(S7-2，DY方向)，小于預(yù)警值10 mm；隧道相對(duì)變形量最大為-4.19 mm(S7-2)，大于預(yù)警值3 mm，小于報(bào)警值4.8 mm，此時(shí)若采取相應(yīng)的安全技術(shù)措施，完全可以控制隧道的變形。

選取距離開挖基坑最近的面4為例來分析土建施工對(duì)既有線結(jié)構(gòu)變形的影響。斷面4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)累計(jì)變形量統(tǒng)計(jì)見表3。

表2　各監(jiān)測(cè)斷面坐標(biāo)分量最終累計(jì)變形量最大值統(tǒng)計(jì)表　mm

表3　斷面4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)累計(jì)變形量　mm

從表3可以看出，X方向累積變形量最大為-1.86 mm(X4-2)，Y方向累積變形量最大為-0.43 mm(S4-2)，Z方向累積變形量最大為-1.83 mm(S4-1)，均小于結(jié)構(gòu)絕對(duì)變形量的預(yù)警值10 mm，由此可以判定臨近基坑開挖對(duì)斷面4的影響較小。斷面4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)監(jiān)測(cè)頻次-累計(jì)變形量曲線如圖5—圖10所示。

圖5　上行斷面4監(jiān)測(cè)點(diǎn)X坐標(biāo)變形曲線

圖6　上行斷面4監(jiān)測(cè)點(diǎn)Y坐標(biāo)變形曲線

圖7　上行斷面4監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z坐標(biāo)變形曲線

圖8　下行斷面4監(jiān)測(cè)點(diǎn)X坐標(biāo)變形曲線

圖9　下行斷面4監(jiān)測(cè)點(diǎn)Y坐標(biāo)變形曲線

圖10　下行斷面4監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z坐標(biāo)變形曲線

從表3及圖5—圖10的曲線可以看出，從2011年2月19日至2011年10月25日，斷面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)變化量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)提供的控制標(biāo)準(zhǔn)，且各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化速率穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，整個(gè)施工過程對(duì)既有線的影響較小。各項(xiàng)累計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化較小，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降速率較穩(wěn)定。

四、結(jié)束語

自動(dòng)極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)，具有以下明顯的特點(diǎn):

1) 在地鐵隧道監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)的基礎(chǔ)上 采用差分式測(cè)量技術(shù)可以消除或減弱各種誤差(外部環(huán)境條件影響和儀器內(nèi)部系統(tǒng)誤差) 對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，使變形點(diǎn)三維坐標(biāo)的監(jiān)測(cè)精度達(dá)到了亞毫米級(jí)。

2) 在計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)了對(duì)地鐵隧道全天候、無人值守、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高精度的變形監(jiān)測(cè)，并且實(shí)現(xiàn)了變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳輸、管理、在線分析、綜合成圖、成果預(yù)警等功能，提高了變形監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化、智能化水平。

3) 可在地鐵運(yùn)行間隔內(nèi)迅速完成隧道的變形監(jiān)測(cè)，同時(shí)獲取變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面和垂直位移信息，提高了工程安全監(jiān)測(cè)的效率，減少了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，克服了以往平面位移監(jiān)測(cè)和垂直位移監(jiān)測(cè)分別實(shí)施的缺陷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道等構(gòu)筑物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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引文格式： 劉運(yùn)明. 自動(dòng)極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分監(jiān)測(cè)技術(shù)在地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(1)：99-103.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0025.

作者簡(jiǎn)介：劉運(yùn)明(1980—)，男，碩士，工程師，主要從事精密工程測(cè)量及變形監(jiān)測(cè)工作。E-mail:985122935@qq.com

收稿日期：2014-10-23

中圖分類號(hào)：P258

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)01-0099-05