測量機器人對既有地鐵隧道監(jiān)測、施工搶險的應用

陳 昊

（中鐵西南科學研究院有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

近接既有線的新建地下軌道交通工程及大型市政工程、工民建基坑工程的施工可能使地鐵結構及軌道產(chǎn)生位移變形，從而可能對地鐵安全運營產(chǎn)生影響。雨季期某晚暴雨后，南方某市地鐵新建路線區(qū)間（下穿既有線）地質突變，盾構機推進所在斷面上方路面發(fā)生塌陷，既有線盾構結構出現(xiàn)輕微拉裂破損，既有隧道原監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，相應位置道床下沉4～15 mm。既有線當天停止運營，業(yè)主、施工單位、監(jiān)測單位馬上組織搶險，確定不間斷實時監(jiān)測方案，并由監(jiān)測數(shù)據(jù)指導注漿搶險施工。

1 對既有隧道監(jiān)測及指導搶險的方案及實施

監(jiān)測方案主要技術要點如下：

1.1 儀器的布設和監(jiān)測頻率

因下穿既有線新建地鐵施工，既有隧道洞內(nèi)原已安置萊卡TS30 測量機器人2 臺（上行線和下行線各一臺），并以每4 小時1 次的頻率進行監(jiān)測。在地質突變險情發(fā)生后，監(jiān)測頻率提高到每小時1 次，對變形區(qū)20 個斷面（斷面間隔距離5 m）進行重點觀測。每個斷面左右兩側設置一對棱鏡（高度在考慮通視情況下盡量維持一致，兼具監(jiān)測盾構左右方向位移和收斂的作用），道床設置一對棱鏡（監(jiān)測道床沉降），一個掃描循環(huán)時間約40 min。每小時觀測一個循環(huán)并24 h×7 不間斷動態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)自動上傳到萊卡監(jiān)測系統(tǒng)平臺，自動處理數(shù)據(jù)并作篩選分析，形成表格+圖文報告發(fā)送。既有隧道斷面監(jiān)測點布置如圖1 所示。

圖1 既有隧道斷面監(jiān)測點布置

1.2 使用絕對坐標系

原監(jiān)測系統(tǒng)使用相對坐標系，僅能體現(xiàn)管片位移變化，而不能體現(xiàn)監(jiān)測斷面的實地位置，故搶險監(jiān)測中改為采用絕對坐標系進行施測。平面控制網(wǎng)從車站軌道道床引出（使用竣工時布設的軌行區(qū)中軸線控制點，經(jīng)檢驗誤差符合規(guī)范要求）引入洞內(nèi)并遠離變形區(qū)的較穩(wěn)定位置布設4 個后視控制點（3 個作為后方交會后視控制，1 個備用），測量機器人使用后方交會方法定向，隨時修正測量機器人所在平面位置坐標。使用絕對坐標的意義如下：

（1）確定既有線監(jiān)測斷面所在實地位置（以及既有線里程標號），與新建地鐵施工路線環(huán)號、加固注漿孔位置重合在一張圖紙上，對施工工況解讀、注漿搶險施工具有重大指導作用。

（2）通過設計院調(diào)用既有路線竣工圖，讀取其區(qū)間平曲線、豎曲線要素，輸入隧道斷面測量分析軟件。將首次觀測的監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入隧道斷面測量分析軟件，自動計算出盾構管片與隧道中線的偏距，得到偏距初始值，后續(xù)對比每次觀測的偏距可以得知管片的位移量和方向。如既有線上行線往大里程方向，右側管片偏距變小表示往左方向移動。如圖2 所示，可以馬上得到的數(shù)據(jù)評估如下：①通過監(jiān)測點坐標計算所在既有線的里程樁號；②通過監(jiān)測點坐標計算偏離中線值，即可換算盾構管片的位移和收斂值；③圖形評估，斷面現(xiàn)狀和竣工斷面的偏差。

圖2 斷面測量分析軟件界面

綜上所述，使用絕對坐標系，對施工指導和監(jiān)測數(shù)據(jù)處理具有雙重意義。

通過當晚實時報送監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析圖文，既有線關鍵部位，即里程K28+355 處道床顯示最大隆起4 mm，里程K28+325～K28+375 的50 m 影響范圍內(nèi)隆起0～1 mm，表明注漿加固有效，并根據(jù)道床隆起速率指導控制注漿速度。至次日凌晨4 點，數(shù)據(jù)顯示既有隧道管片位移趨于穩(wěn)定，遂恢復通車運營。地鐵2號線下行線道床豎向位移時態(tài)曲線如圖3 所示，地鐵2 號線下行線道床沉降速率時態(tài)曲線如圖4 所示。

圖3 下行線道床豎向位移時態(tài)曲線

圖4 下行線道床沉降速率時態(tài)曲線

2 后續(xù)施工指導作用

既有線通車運營后，施工單位持續(xù)對地質突變影響范圍以及盾構即將推進的范圍注漿，時間約1 個月。機器人監(jiān)測系統(tǒng)持續(xù)以高頻率實時報送數(shù)據(jù)，結合監(jiān)測數(shù)據(jù)和注漿施工孔位置圖，在晚間指導注漿施工。整個注漿施工過程，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示既有隧道結構趨于穩(wěn)定。

3 結束語

（1）自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有實時、快速的優(yōu)點，真正意義上的24 h×7 連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)?？梢远滔ⅰ㈦娻]發(fā)送報警信息。全過程自動化管理，無需用戶現(xiàn)場操作，特別是在搶險時可免除人身安全風險。系統(tǒng)對各種傳感器接口豐富，不僅僅可以連接測量機器人，也可以連接GPS、傾斜儀等傳感器。自動化監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖5 所示。

圖5 自動化監(jiān)測系統(tǒng)組成

（2）采用絕對坐標系對注漿搶險施工具有指導意義。使監(jiān)測斷面位置與注漿孔位置結合，即使是因為遠距離導線（一般情況下地鐵區(qū)間長度約2 km，從任一端車站出發(fā)至區(qū)間中心點，總長即1 km）傳導坐標引起誤差，使測量機器人的點位坐標與絕對坐標的較差達到0～10 mm，對注漿施工而言，這個級別的誤差在可接受范圍。

（3）測量機器人系統(tǒng)平臺功能普遍單一，具備報送三維坐標X、Y、Z 變量、速率、累計變量、預報警等功能，但無針對隧道管片位移的分析功能。隧道斷面分析軟件功能完善，也可以與全站儀連接實施測量控制，但缺少與監(jiān)測平臺接口的模塊。因此，對測量機器人軟件平臺的后續(xù)開發(fā)中可以考慮加入隧道斷面計算分析模塊，將隧道分析測量軟件與平臺結合起來，且加入斷面形狀圖形分析功能，增強指導性。