智能全站儀在地鐵隧道工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的應(yīng)用★

金 鴻 王賓賓

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

1 概述

地鐵是一種特殊的地下工程，空間狹小、環(huán)境復(fù)雜，隧道在地面建筑設(shè)施和地下施工環(huán)境的影響下時(shí)常出現(xiàn)變形，而隨著我國(guó)地鐵線路開通數(shù)的增加，相應(yīng)的地鐵事故頻繁發(fā)生，給國(guó)家和個(gè)人帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。為確保地鐵周邊環(huán)境及設(shè)施的安全，使地鐵隧道施工能夠順利進(jìn)行，加強(qiáng)施工過程中的地鐵隧道監(jiān)測(cè)和基坑具有非常重要的意義。

地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)具有高精度、高頻率和高時(shí)效性的特點(diǎn)，但是地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)[2]環(huán)境復(fù)雜，天窗時(shí)間段，存在安全隱患，傳統(tǒng)人工作業(yè)模式難以滿足地鐵監(jiān)測(cè)的要求。采用全天候、自動(dòng)化的變形監(jiān)測(cè)[3]方式是地鐵隧道監(jiān)測(cè)的最優(yōu)方案，全站儀自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)變形監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行全天候、高精度、高頻率、安全穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集分析[4]，生成變形曲線和變形報(bào)告，預(yù)測(cè)安全事故、消除隱患，保證地鐵的安全施工和運(yùn)營(yíng)。

2 智能全站儀[5]自動(dòng)化監(jiān)測(cè)原理

基于瑞士徠卡TS50智能型全站儀(測(cè)角精度：±0.5″；測(cè)距精度：±(0.6 mm+1 ppm))和自動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示。測(cè)量地表在三維方向——X,Y,Z方向(其中：X,Y為水平方向，Z為垂直沉降方向)的變形變位值。采用全站儀極坐標(biāo)法[6]和三角高程法[7]自動(dòng)觀測(cè)隧道每個(gè)斷面的監(jiān)測(cè)棱鏡，利用每個(gè)棱鏡觀測(cè)的三維坐標(biāo)，分別進(jìn)行隧道豎直位移、隧道水平位移和徑向收斂的計(jì)算，其中，利用拱頂棱鏡的Z值計(jì)算隧道豎向位移，利用隧道拱腰位置兩個(gè)棱鏡的X值計(jì)算水平位移和水平收斂，利用拱頂棱鏡和軌道上棱鏡計(jì)算豎向收斂[8]。采用全站儀極坐標(biāo)法和三角高程法自動(dòng)觀測(cè)隧道每個(gè)斷面對(duì)應(yīng)道床的2個(gè)監(jiān)測(cè)棱鏡，利用每個(gè)棱鏡觀測(cè)的坐標(biāo)Z值和斷面間距，分別進(jìn)行道床橫向高差和徑向高差計(jì)算。

3 工程概況

某地塊工程場(chǎng)地位于西安市科技六路以南、唐延路以東、木塔寺公園以北；場(chǎng)地西北角為地鐵六號(hào)線車站施工工地。項(xiàng)目北側(cè)為地鐵六號(hào)線木塔寺站，基坑北側(cè)開挖底邊線距離地鐵征地范圍線約7.9 m，距離木塔寺站點(diǎn)基坑圍護(hù)樁約21.3 m；西側(cè)臨近地鐵六號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間，基坑西側(cè)開挖底邊線距離地鐵范圍線約12.2 m，盾構(gòu)區(qū)間軌頂標(biāo)高為392.076 m～394.648 m。地鐵六號(hào)線科技八路—木塔寺右線盾構(gòu)區(qū)間(YDK25+133～YDK25+371)，長(zhǎng)度為238 m，要求對(duì)該工程影響范圍內(nèi)的相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

首先建立智能監(jiān)測(cè)終端和測(cè)量機(jī)器人的通信，將智能監(jiān)測(cè)終端的串口通信參數(shù)設(shè)置成與智能全站儀一致，然后對(duì)全站儀設(shè)站，為全站儀建立獨(dú)立坐標(biāo)系，其測(cè)站坐標(biāo)和軸向可任意設(shè)置，但通常將Y軸設(shè)置為沿隧道方向，接著按照順序?qū)Ω鞅O(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，主要獲取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平角、垂直角和斜距，最后為監(jiān)測(cè)點(diǎn)分組并制定監(jiān)測(cè)計(jì)劃進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[9]，得到各變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)、變形量及變形曲線圖，根據(jù)設(shè)置軟件還可以將原始觀測(cè)數(shù)據(jù)及差分處理后數(shù)據(jù)通過報(bào)警模塊發(fā)送至聯(lián)系人。

結(jié)合本項(xiàng)目的特點(diǎn)及規(guī)范[10]的要求，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及控制指標(biāo)如表1所示。

表1 地鐵盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制指標(biāo)

4.1 基準(zhǔn)的選取及布設(shè)與建立

基準(zhǔn)點(diǎn)通常布設(shè)在變形區(qū)50 m以外的隧道中，布點(diǎn)個(gè)數(shù)可根據(jù)內(nèi)部環(huán)境靈活設(shè)置，但應(yīng)盡量大于3個(gè)，高程和平面共用，控制點(diǎn)選用大棱鏡，安裝在隧道主體結(jié)構(gòu)上，以提高監(jiān)測(cè)精度?；鶞?zhǔn)點(diǎn)和測(cè)站點(diǎn)的點(diǎn)位布設(shè)位置如圖2所示。

監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行鉆孔方式埋設(shè)，基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)在相對(duì)穩(wěn)定和方便使用的位置，遠(yuǎn)離震動(dòng)設(shè)備，便于長(zhǎng)期保存，通視條件良好，并定期檢查基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性。

基準(zhǔn)網(wǎng)的建立通過空間自由設(shè)站邊角交會(huì)[11]的方式取得。

4.2 工作基點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取及布設(shè)

4.2.1工作基點(diǎn)布設(shè)

全站儀布置在監(jiān)測(cè)區(qū)段的中部，使全站儀兩側(cè)范圍基本相同，從而使各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的誤差盡量均勻。全站儀托架采用不銹鋼材料制作，安置于隧道側(cè)壁，離道床1.2 m左右。其最外側(cè)距墻壁40 cm，儀器距離設(shè)備限界約60 cm，距線路中心線1.7 m，在空間上足以架設(shè)測(cè)量?jī)x器，可有效避免各種設(shè)備阻擋測(cè)量視線及傳輸信號(hào)之間的相互干擾，方便全站儀自動(dòng)尋找目標(biāo)并保證測(cè)量精度智能全站儀安裝見圖3，現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)工作基點(diǎn)2個(gè)。

4.2.2監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)及埋設(shè)

根據(jù)規(guī)范和項(xiàng)目安全評(píng)估方案要求，地鐵盾構(gòu)區(qū)間段落，結(jié)合基坑與地鐵既有結(jié)構(gòu)的關(guān)系，與基坑對(duì)應(yīng)位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面間距按照5 m布置(總長(zhǎng)度約190 m，小計(jì)布設(shè)39個(gè))，其余監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的斷面間距按10 m布置(總長(zhǎng)度約50 m，小計(jì)布設(shè)8個(gè))，共計(jì)布設(shè)44個(gè)斷面，在每個(gè)斷面道床軌道兩側(cè)、隧道兩側(cè)拱腰位置、拱頂(根據(jù)實(shí)際情況避開高壓接觸網(wǎng)線位置)各設(shè)立1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)斷面布設(shè)5個(gè)點(diǎn)位，用于監(jiān)測(cè)隧道結(jié)構(gòu)豎向位移、平面位移、相對(duì)收斂、隧道尺寸、道床橫向高差、道床豎向高差等內(nèi)容，棱鏡距隧道壁3 cm～5 cm，監(jiān)測(cè)斷面點(diǎn)位布設(shè)如圖4所示。盾構(gòu)區(qū)間斷面編號(hào)從小里程由左至右分別編號(hào)為SGC1-1,SGC1-2，…，SCG1-5,SCG44-1，SCG44-2，…，SCG44-5，如圖5所示。在對(duì)應(yīng)斷面相鄰的管片上加裝棱鏡，位置在隧道腰部平行，用于監(jiān)測(cè)隧道管片張開量，共計(jì)布設(shè)44個(gè)。

4.3 觀測(cè)要求及監(jiān)測(cè)精度

1)采用徠卡TM50智能型全站儀，該全站儀具有自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別和精確瞄準(zhǔn)的功能，而且具有小視場(chǎng)模式，尤其適用于地鐵隧道狹長(zhǎng)工程。全站儀外接數(shù)據(jù)傳輸模塊(DTU)，接受DTU的指令調(diào)度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到服務(wù)器。

2)每次測(cè)量應(yīng)采集控制點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，以控制點(diǎn)坐標(biāo)為基準(zhǔn)對(duì)全站儀進(jìn)行后方交會(huì)，計(jì)算出全站儀的三維坐標(biāo)值，以此來推算各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

3)變形分析前應(yīng)首先設(shè)置初值，全站儀在經(jīng)過一段時(shí)間觀測(cè)后，選擇前面幾期較為穩(wěn)定的數(shù)值取平均后作為初值，后續(xù)測(cè)量以該初值為基準(zhǔn)進(jìn)行變形分析。

平面控制點(diǎn)要定期與附近的控制基標(biāo)進(jìn)行連測(cè)，當(dāng)控制點(diǎn)發(fā)生位移時(shí)，在進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)把控制點(diǎn)的位移累加進(jìn)去，作為最終的位移值。

監(jiān)測(cè)觀測(cè)要求及精度要求如表2～表5所示。

表2 水平角測(cè)量

水平角測(cè)量采用方向觀測(cè)法，當(dāng)連測(cè)時(shí)方向數(shù)超過三時(shí)，應(yīng)進(jìn)行歸零。

表3 豎角測(cè)量

表4 距離測(cè)量

表5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)精度要求 mm

4.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果輸出

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理與管理，當(dāng)取得各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，能及時(shí)進(jìn)行處理，繪制各種類型的表格及曲線圖，計(jì)算變形量，評(píng)估結(jié)構(gòu)物的安全性，確定工程技術(shù)措施。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)將所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程云計(jì)算中心，遠(yuǎn)程云計(jì)算中心可將海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算分析，并將分析結(jié)果以云平臺(tái)的形式展現(xiàn)給用戶。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本次監(jiān)測(cè)獲得一個(gè)周期7 d的沉降量同首期對(duì)比分析，通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后臺(tái)自動(dòng)處理，監(jiān)測(cè)成果分析見表6。

表6 一個(gè)周期內(nèi)的沉降量與首期對(duì)比分析

由表6可知，對(duì)一個(gè)周期內(nèi)10個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，本次各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目最大周變化量2.04 mm,累計(jì)最大變化量-3.58 mm,沒有出現(xiàn)異常情況。

6 結(jié)語

結(jié)合項(xiàng)目實(shí)施的情況，驗(yàn)證了采取自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案的可行性，達(dá)到預(yù)期的效果。全部采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化，避免人為誤差，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到了快速處理數(shù)據(jù)并反饋結(jié)果。預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)物的安全性，及時(shí)反饋指導(dǎo)施工，調(diào)整施工參數(shù)，達(dá)到安全、快速、高效施工之目的。