城市軌道交通智能監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

文／牟晉勇、范賽男、韓志軍 中建八局第二建設(shè)有限公司 山東濟(jì)南 250000

引言：

軌道交通智能監(jiān)測(cè)技術(shù)是針對(duì)于城市軌道交通地鐵隧道位移監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)安全保障技術(shù)。城市軌道交通地鐵隧道周邊環(huán)境復(fù)雜，地鐵隧道受周邊建筑施工、土壤擾動(dòng)、自然災(zāi)害等因素影響較多，一旦發(fā)生隧道位移極易引發(fā)重大安全事故。傳統(tǒng)城市軌道交通監(jiān)測(cè)依靠專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行儀器測(cè)量，誤差大，操作人員進(jìn)入隧道安全隱患問(wèn)題較多，數(shù)據(jù)傳輸及分析較慢，不能第一時(shí)間反饋數(shù)據(jù)。軌道交通智能監(jiān)測(cè)技術(shù)采用智能監(jiān)測(cè)機(jī)器人，自動(dòng)定時(shí)數(shù)據(jù)采集分析，及時(shí)預(yù)警，精度高，相比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯。

1、某城市軌道交通概述

本次研究以某城市軌道交通3 號(hào)線(xiàn)為例，線(xiàn)路長(zhǎng)度約21.6km，共設(shè)站13 座。其中一處車(chē)站與擬建工程基坑開(kāi)挖線(xiàn)距盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)最小水平凈距約為19.03m（基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外邊緣距盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)最小水平凈距約為17.43m），與區(qū)間風(fēng)井結(jié)構(gòu)最小水平凈距約35.04m（基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外邊緣距區(qū)間風(fēng)井結(jié)構(gòu)最小水平凈距約為33.24m）。基坑開(kāi)挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)軌道交通內(nèi)隧道位移影響較大。

2、軌道交通智能監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

2.1 技術(shù)概況

軌道交通測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)是基于測(cè)量機(jī)器人組建的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)隧道進(jìn)行變形觀測(cè)，包括道床的豎向（水平）觀測(cè)、拱頂?shù)呢Q向（水平）觀測(cè)、隧道相對(duì)收斂、變形縫差異性沉降觀測(cè)以及隧道與風(fēng)井接縫位置變形觀測(cè)。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)施

2.2.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等五部分組成。根據(jù)某工程軌道交通專(zhuān)項(xiàng)變形監(jiān)測(cè)實(shí)際情況采用索佳NET05 高精度測(cè)量機(jī)器人+固定監(jiān)測(cè)棱鏡的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因本項(xiàng)目是在濟(jì)南軌道交通三號(hào)線(xiàn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中實(shí)施監(jiān)測(cè)，為避免監(jiān)測(cè)過(guò)程中全站儀、棱鏡的反光給鐵路機(jī)車(chē)司機(jī)造成干擾，本項(xiàng)目所用的索佳NET05 高精度測(cè)量機(jī)器人在使用過(guò)程中關(guān)閉激光紅外線(xiàn)；監(jiān)測(cè)棱鏡采用微型棱鏡，對(duì)洞內(nèi)機(jī)車(chē)光照不產(chǎn)生反光影響。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的安裝

測(cè)量機(jī)器人的安裝平臺(tái)：選用50mm＊50mm、厚度為5mm 的不銹鋼制作兩塊支撐骨架，制作規(guī)格為：豎支撐長(zhǎng)度為0.4m，在其距兩端各5cm 處鉆取直徑為10mm 的小孔，橫支撐長(zhǎng)度為0.4m，斜支撐長(zhǎng)度為0.6m，兩端制作成45°角。兩塊支撐骨架間距為0.4m。再加工一塊尺寸為0.4m＊0.4m 的不銹鋼板，在鋼板中心處鉆取直徑為20mm 的小孔，便于安裝連接測(cè)量機(jī)器人。再采用焊接方式將斜支撐及橫支撐焊接在一起（兩支撐焊接后形成45°夾角），在兩橫支撐之間水平放置已加工好的不銹鋼板再焊接牢固。制作完成后將豎支撐采用10mm 的螺絲固定在隧道側(cè)壁上，這樣就制作了可以放置測(cè)量機(jī)器人的倒三角平臺(tái)。測(cè)量機(jī)器人大致為方形，規(guī)格為0.3m＊0.3m＊0.4m。測(cè)量機(jī)器人的安裝平臺(tái)示意圖如圖1：

圖1

測(cè)量機(jī)器人安裝前，仔細(xì)檢查平面基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)情況、強(qiáng)制對(duì)中基座的水平程度，不符合要求的進(jìn)行改造或者重造。安裝時(shí)要求測(cè)量機(jī)器人嚴(yán)格整平，測(cè)量機(jī)器人安裝完成后應(yīng)及時(shí)量取并記錄設(shè)備高信息。量測(cè)設(shè)備高時(shí)測(cè)量機(jī)器人安裝是否牢固、穩(wěn)當(dāng)。并對(duì)另一臺(tái)測(cè)量機(jī)器人、檢校點(diǎn)處的2 個(gè)方向的棱鏡讀數(shù)，每次量測(cè)試讀數(shù)三次，取平均值記錄。

2.2.3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的安裝

由于隧道內(nèi)已有4G 網(wǎng)絡(luò)，可采用基于GPRS/CDM A 的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)終端（DTU）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)通信傳輸系統(tǒng)包括自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)區(qū)段的基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的4G流量傳輸。本項(xiàng)目主要采用4G/CDMA 等無(wú)線(xiàn)通訊方式。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況、監(jiān)測(cè)點(diǎn)自身的特點(diǎn)我們綜合考慮后采用無(wú)線(xiàn)GPRS 作為本項(xiàng)目的通訊方案。整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用無(wú)線(xiàn)GPRS 進(jìn)行傳導(dǎo)到控制中心，該系統(tǒng)中2 個(gè)測(cè)量機(jī)器人站點(diǎn)都必須各自獨(dú)立采用無(wú)線(xiàn)GPRS進(jìn)行傳導(dǎo)。具體實(shí)現(xiàn)方法如下圖2：

圖2

無(wú)線(xiàn)GPRS 通訊安裝及架設(shè)要求：由于測(cè)量機(jī)器人安裝在區(qū)間隧道內(nèi)不存在避雷措施的安裝埋設(shè)；必須固定在設(shè)備保護(hù)箱內(nèi)做好防水處理；必須保證能接收到手機(jī)信號(hào)；不要把天線(xiàn)固定在設(shè)備保護(hù)箱內(nèi),應(yīng)固定在設(shè)備保護(hù)箱外。完成設(shè)備的安裝。無(wú)線(xiàn)GPRS 模塊與天線(xiàn)間的線(xiàn)纜。天線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)GPRS 模塊的線(xiàn)纜通常稱(chēng)為饋線(xiàn)。長(zhǎng)度一般要求不超過(guò)1m 但不短于20cm，其質(zhì)量和長(zhǎng)度對(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)的影響很大。

無(wú)線(xiàn)GPRS 的施工：（1）安裝流程：組裝設(shè)備－安裝固定產(chǎn)品的設(shè)備保護(hù)箱－設(shè)備天線(xiàn)的安裝－接地－連接線(xiàn)纜－給設(shè)備供應(yīng)電源－調(diào)試設(shè)備正常工作。（2）產(chǎn)品的組裝：在此組裝過(guò)程要求要把饋線(xiàn)與設(shè)備之間的螺絲旋扭旋緊，避免引起設(shè)備與天線(xiàn)之間螺絲松動(dòng)致使設(shè)備脫落，造成設(shè)備損壞或是不能實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)的接入。（3）設(shè)備的安裝：我們將首先對(duì)GPRS 模塊擺放的位置進(jìn)行選擇，先做假安裝畫(huà)好設(shè)備的安裝圖，在設(shè)備保護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行取點(diǎn)打孔，然后用螺絲進(jìn)行固定，注意螺絲上應(yīng)用膠圈進(jìn)行隔離防止靜電，對(duì)設(shè)備的干擾然后通過(guò)饋線(xiàn)與GPRS 天線(xiàn)連接。（4）接地：無(wú)線(xiàn)設(shè)備在安裝的時(shí)候要嚴(yán)格處理接地。（5）給設(shè)備供電：所有的線(xiàn)纜連接完成后可以給設(shè)備供電。此時(shí)只須將POE 電源模塊的電源插在電源接接線(xiàn)板上。（6）調(diào)試設(shè)備運(yùn)行工作。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理分析與管理

本項(xiàng)目擬采用巖石科技RocMoS 自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)軟件，它主要包括以下三部分內(nèi)容：一是監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)，二是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析系統(tǒng)，三是監(jiān)測(cè)信息反饋系統(tǒng)。

信息管理系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)錄入和監(jiān)測(cè)資料的管理，將工程自建設(shè)以來(lái)的不同部位所有自動(dòng)采集、人工觀測(cè)資料、規(guī)程規(guī)范、圖紙、技術(shù)報(bào)告、各種報(bào)表及工程檔案等納入本系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析系統(tǒng)主要包括信息可視化系統(tǒng)、圖形報(bào)表生成、信息查詢(xún)及監(jiān)測(cè)成果報(bào)警功能等，滿(mǎn)足一般數(shù)據(jù)的計(jì)算分析、報(bào)表制作、曲線(xiàn)繪制、查詢(xún)等。

監(jiān)測(cè)信息反饋系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)在線(xiàn)快速安全評(píng)估和采集饋控兩部分?？焖侔踩u(píng)估是指一次采集完成后，利用該次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)體的安全狀況作一個(gè)簡(jiǎn)便、快速的評(píng)估，為監(jiān)測(cè)管理人員提供一個(gè)啟示性的信息，引起他們的重視，進(jìn)而開(kāi)展更詳細(xì)的安全分析和評(píng)估工作。采集饋控作用于采集工作，對(duì)自動(dòng)和人工采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查分析，若有可疑測(cè)點(diǎn)，則反饋錯(cuò)誤信息到數(shù)據(jù)采集信息管理系統(tǒng)，讓管理人員能做出相關(guān)干涉，排除錯(cuò)誤信息，重新復(fù)測(cè)等。

通過(guò)外業(yè)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，軟件根據(jù)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理分析，得出各測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，得出各測(cè)點(diǎn)變形情況。通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理得出相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位分布圖，通過(guò)軟件數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)瀏覽監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)變化量，并可計(jì)算處各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的變化量。（圖3）

圖3

通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算變形量，軟件自動(dòng)繪制變形曲線(xiàn)圖。（圖4）

圖4

根據(jù)需求，繪制日?qǐng)?bào)表、周報(bào)表測(cè)點(diǎn)變形曲線(xiàn)圖。（圖5、6）

圖5

結(jié)語(yǔ)：

城市軌道交通智能監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)軌道交通測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)軌道交通隧道位移實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集匯總分析，通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)曲線(xiàn)圖對(duì)隧道位移進(jìn)行把控，第一時(shí)間掌握周邊建筑施工過(guò)程中對(duì)軌道交通隧道的影響，節(jié)約了人力，提高了數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確度和數(shù)據(jù)分析及時(shí)性，確保了軌道交通運(yùn)營(yíng)安全。

圖6