地鐵保護(hù)區(qū)多測站串聯(lián)監(jiān)測方法探討

黃小斌，胡雷鳴，吳燦鑫

(1. 杭州杭港地鐵有限公司，浙江 杭州 310014; 2. 上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200032)

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徠卡測量新技術(shù)應(yīng)用專欄

地鐵保護(hù)區(qū)多測站串聯(lián)監(jiān)測方法探討

黃小斌1，胡雷鳴2，吳燦鑫2

(1. 杭州杭港地鐵有限公司，浙江 杭州 310014; 2. 上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200032)

介紹了地鐵保護(hù)區(qū)監(jiān)測的特點(diǎn)，探討了將多臺(tái)全站儀串聯(lián)的觀測方式應(yīng)用于運(yùn)營地鐵隧道自動(dòng)化監(jiān)測的可行性；通過分析基于偏置棱鏡的串聯(lián)觀測與計(jì)算方法，并結(jié)合杭州地區(qū)某項(xiàng)目的自動(dòng)化監(jiān)測成果，表明基于偏置棱鏡的多測站聯(lián)測精度基本能滿足要求。

地鐵保護(hù)區(qū)；自動(dòng)化監(jiān)測；全站儀串聯(lián)；偏置棱鏡

徠卡TM系列全站儀正在越來越多地應(yīng)用于運(yùn)營地鐵隧道的自動(dòng)化保護(hù)監(jiān)測中，已經(jīng)在多個(gè)城市得到了廣泛的應(yīng)用[1～2]。通常情況下，對于一般項(xiàng)目單條隧道的自動(dòng)化監(jiān)測，采用1臺(tái)全站儀即可覆蓋整個(gè)測區(qū)。隨著地鐵沿線地塊深、大基坑的不斷涌現(xiàn)，隧道保護(hù)監(jiān)測范圍越來越長，采用單臺(tái)全站儀單測站的布網(wǎng)形式往往無法滿足測區(qū)要求，采用多臺(tái)全站儀進(jìn)行串聯(lián)組網(wǎng)觀測可大大增加監(jiān)測范圍，并能達(dá)到較好的精度效果，已經(jīng)在眾多超大、深基坑地鐵保護(hù)監(jiān)測中得到應(yīng)用。

1 多測站串聯(lián)的控制網(wǎng)問題

由于隧道通視條件的限制，管壁折光、粉塵、列車振動(dòng)等因素對儀器觀測精度影響非常大[3]。對于長距離的保護(hù)區(qū)監(jiān)測，采用多臺(tái)儀器串聯(lián)觀測，首先要解決的問題是多測站之間的聯(lián)測，即通過測站與測區(qū)兩端控制點(diǎn)之間的聯(lián)測來確定各測站的三維坐標(biāo)。

根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件，在全站儀上方安裝同軸360°棱鏡可實(shí)現(xiàn)全站儀之間的實(shí)時(shí)對向觀測，布網(wǎng)方式如圖1所示。

圖1 多測站360°棱鏡同軸聯(lián)測示意圖

徐亞明等對徠卡360°棱鏡的精度進(jìn)行了詳細(xì)測試[4]，由于棱鏡自身的結(jié)構(gòu)，在不同的觀測視角上存在周期性偏差，所引起的水平方向觀測中誤差約為±4″，水平距離觀測中誤差約為±2 mm?？紤]到地鐵隧道的變形控制值較小，通常允許水平位移、沉降變形不超過±5 mm。因此，采用圖1中同軸串聯(lián)的方式難以滿足地鐵保護(hù)區(qū)多測站聯(lián)測的需求。

潘國榮等探討了基于公共點(diǎn)的多臺(tái)全站儀串聯(lián)觀測[5]，通過在靠近相鄰測站中間的位置設(shè)置一個(gè)360°棱鏡作為公共點(diǎn)棱鏡，平差計(jì)算時(shí)引入旋轉(zhuǎn)矩陣進(jìn)行各個(gè)測站之間的坐標(biāo)傳遞，在100 m左右測區(qū)范圍內(nèi)采用2臺(tái)全站儀串聯(lián)觀測，得到了較好的精度效果。

2 基于偏置棱鏡的多測站聯(lián)測

偏置棱鏡是指在全站儀的固定儀器臺(tái)上，安裝一個(gè)小棱鏡，作為傳遞觀測棱鏡。由于隧道管片通過螺栓連接，當(dāng)臨近基坑施工時(shí)，易發(fā)生沉降、位移、管片收斂等變形，但是兩環(huán)管片之間難以發(fā)生水平方向的旋轉(zhuǎn)。因此，固定在儀器臺(tái)上的全站儀與偏置小棱鏡之間的坐標(biāo)方位角相對穩(wěn)定、可靠。在固定儀器臺(tái)上安裝偏置小棱鏡，使儀器之間通過偏置小棱鏡進(jìn)行傳遞測量；同時(shí)，固定全站儀與偏置小棱鏡之間的坐標(biāo)方位角作為平差計(jì)算條件，可完成平差計(jì)算?；谄美忡R的組網(wǎng)方式如圖2所示。

圖2 基于偏置棱鏡的多測站聯(lián)測示意圖

將每臺(tái)全站儀與其上的偏置小棱鏡之間的坐標(biāo)方位角作為附加參數(shù)，采用附有限制條件的間接平差方式，即可對每臺(tái)全站儀、偏置小棱鏡的平面坐標(biāo)進(jìn)行平差計(jì)算。

對于儀器臺(tái)的高程值計(jì)算，由于全站儀與偏置小棱鏡空間方位固定，在儀器臺(tái)與偏置小棱鏡安裝完成后，可簡單測得儀器中心與偏置小棱鏡的固定高差。平差計(jì)算時(shí)，只需將實(shí)測全站儀與偏置棱鏡之間的高差減去其固定高差，即可得到相鄰全站儀中心的高差。

3 基于偏置棱鏡的案例應(yīng)用

蕭政儲(chǔ)出(2012)23號(hào)地塊項(xiàng)目采用2臺(tái)全站儀串聯(lián)觀測，儀器臺(tái)之間的距離約95 m，監(jiān)測范圍約260 m，在測區(qū)兩側(cè)受基坑施工影響范圍外的管片上各布設(shè)8個(gè)后視大棱鏡作為控制點(diǎn)，控制網(wǎng)計(jì)算采用MicroSurvey公司的StarNet平差軟件。GeoMos測得的原始數(shù)據(jù)無法直接導(dǎo)入StarNet平差軟件進(jìn)行計(jì)算，為此徠卡公司開發(fā)了一套數(shù)據(jù)編輯小程序——GeoMos自動(dòng)平差工具，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)從SQL數(shù)據(jù)庫中獲取GeoMos測量的控制網(wǎng)原始數(shù)據(jù)，并按照StarNet軟件能夠識(shí)別的格式進(jìn)行整理，保存為可進(jìn)行平差計(jì)算的DAT文件。數(shù)據(jù)編輯小程序如圖3所示。

圖3 自動(dòng)平差小程序

統(tǒng)計(jì)基坑施工前的12月6日至12月30日期間實(shí)測儀器臺(tái)的水平位移與豎向位移(沉降)的變化情況，如圖4—圖6所示。

從以上數(shù)據(jù)變化可以看出，基于偏置棱鏡的多測站聯(lián)測，儀器臺(tái)的坐標(biāo)精度及控制點(diǎn)觀測精度基本優(yōu)于1 mm，能夠滿足自動(dòng)化監(jiān)測精度要求。

圖4 兩臺(tái)全站儀平面坐標(biāo)歷史變化曲線

圖5 兩臺(tái)全站儀高程歷時(shí)變化曲線

圖6 監(jiān)測點(diǎn)平面位移歷時(shí)變化曲線

4 結(jié) 論

(1) 地鐵隧道受自身狹長、直伸分布的形式，以及各種環(huán)境因素的影響，單臺(tái)全站儀的控制范圍有限，采用多臺(tái)全站儀串聯(lián)組網(wǎng)觀測能有效解決大測區(qū)自動(dòng)化監(jiān)測精度問題，這將成為目前地鐵保護(hù)區(qū)監(jiān)測的發(fā)展趨勢之一。

(2) 采用基于偏置棱鏡的組網(wǎng)方式，成本較為低廉，計(jì)算相對簡單。從本文案例情況來看，該方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性，精度基本滿足要求。

(3) 基于偏置棱鏡的觀測方式，其前提條件是假設(shè)偏置小棱鏡與儀器臺(tái)的方位角固定不變，因此，從本質(zhì)上講屬于有偏估計(jì)，其數(shù)學(xué)模型精度仍有待提高。

[1] 鐘金寧，段偉，田有良．應(yīng)用TM30進(jìn)行地鐵隧道變形自動(dòng)監(jiān)測的研究[J]．測繪通報(bào)，2011(7)：85-88．

[2] 陳喜鳳，黃騰，劉嶺，等. GeoMos在地鐵保護(hù)區(qū)自動(dòng)化監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 測繪工程, 2013,22(2):64-69.

[3] 吳燦鑫, 胡雷鳴. 地鐵隧道自動(dòng)化監(jiān)測精度分析[J]. 測繪通報(bào)，2015(1):137-138.

[4] 徐亞明，施斌，劉冠蘭. 360°棱鏡定位精度分析[J]. 測繪通報(bào)，2013(S1):270-272.

[5] 潘國榮，李偉. 多臺(tái)測量機(jī)器人在自動(dòng)化監(jiān)測中的開發(fā)應(yīng)用[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016,22(2):64-69.