TCA2003测量机器人在隧道变形监测的应用

王常磊 熊 伟

（1. 安徽省第一测绘院，安徽 合肥 230031；2. 安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥 231603）

传统的隧道围岩变形监测方法采用钢尺收敛计接触量测，它与施工相互干扰，人为因素影响较大，量测质量不稳定，导致其难以满足现代隧道快速掘进、安全施工的要求。因此，研究和探索运用高精度的测量机器人在规定精度内对隧道围岩变形进行自动监测、分析和预报的实用系统，具有重要的理论和实际意义。

1 极坐标法测量原理

如图1所示，O为工作基点，测站铅垂线方向为Z轴，以定向方向为X轴建立左手直角坐标系O-XYZ，P为监测点，起算边至施测方向的夹角为α，OP的斜距为S，竖直角为γ；P点在坐标系中的坐标分别为P （XP，YP，ZP）[2]，则有：

图1 极坐标法测量坐标示意图

2 极坐标法精度分析

在隧道监测中，需要准确测定监测点的三维坐标，即（X、Y、Z），并且还需综合分析点位平面和高程精度。以TCA2003测量机器人监测结果为例，分析在不同距离及角度 （5°～50°） 情况下，加入大气折光改正，仪器高中误差，可计算极坐标法点位平面和高程精度并绘制精度曲线。极坐标法平面精度曲线如图2所示，极坐标法高程精度曲线如图3所示。

图2 极坐标法平面精度曲线

图3 极坐标法高程精度曲线

如图2、3所示，在距离200 m，竖直角为20°范围内，极坐标法的平面和高程精度可达1 mm。如果考虑隧道监测基点与监测点的相对位置关系，将极大地提高极坐标法三角高程测量的精度。

3 极坐标法监测数据采集系统

3.1 监测系统框架

在隧道变形监测中，需设立基准点和监测基点、然后对目标点进行观测。

（1） 基准点 （参考点）：基准点是进行变形观测的起算点，用来定期检校工作基点的参考点，至少保证在3个点以上，以相互检校。基准点通常应位于变形区以外，点上放置采用强制对中装置，要求覆盖整个隧道变形监测区域。

（2） 监测基点 （工作基点）：工作基点是直接用来测定各监测点的参考点，应选在靠近观测目标且便于观测监测点位置上。工作基点与基准点构成变形监测的首级网。

监测前，首先，依据变形体上目标点及参考点的分布情况，合理安置TCA2003全站仪，使所有目标点与全站仪的距离均在设置的观测范围内，且避免同一方向上有2个相似监测点，给测量机器人的目标识别带来困难。

（3） 变形监测点：变形监测点应布设在变形体上，能充分反映隧道变形情况。变形监测点与工作基点构成次级网。对隧道各个变形监测断面的间距、变形点的最大变形方向以及变形点的埋设位置，一般应综合考虑确定。在隧道变形体以外的稳定区域也应适当布点，在隧道掘进方向及变形较快的地段，应适当加密。每个监测点上安有对准监测站的反射膜片。

3.2 极坐标法数据采集过程

极坐标法隧道变形监测系统，一般是由测量机器人、反射棱镜 （反射膜片） 组成，一测站TCA2003全站仪的监测工作流程如图4所示。

图4 测量模块工作流程

3.3 极坐标法监测步骤

（1） 在监测基点A架设测量机器人，后视K1点，K2作为参考点；（2） 后视K1点，确定将仪器坐标系统与监测网坐标系统相统一；（3） 启动监测软件，对仪器各项限差进行设置；（4） 利用学习测量， 将监测点的大致坐标通过学习测量，存储到记录文件中；（5） 进行各个监测点 （1～5号点） 自动监测，并记录监测数据。

4 变形计算

在隧道变形监测中，通过极坐标法观测各隧道断面监测点坐标变化，计算变形点位移量，分析隧道变形趋势。由于受实验条件的限制，以及隧道实地监测周期较长，工作情况复杂等情况，没有就相关理论及应用进行实践验证。本文利用某市地铁隧道下行线S1断面16期监测数据进行分析。

4.1 隧道断面监测点变形计算

隧道收敛测量主要是计算隧道断面各变形点平面和高程坐标的变形值，单位为毫米，分析隧道的稳定性，可由相关数据绘制S1断面各点三维坐标在各时段的坐标位移图，如图5所示。

图5 断面S1各点三维坐标变化量

4.2 隧道顶板监测点变形计算

利用某市地铁下行线隧道顶板4个监测点16期监测数据，计算每期相对沉陷量，如图6所示。

图6 顶板监测点沉陷量示意图

4.3 隧道变形分析

根据工程变形监测设计方案要求，监测精度要求为≤±0.5 mm，隧道变形允许值为5 mm，预警值和报警值分别取为2.5 mm和4 mm。

通过图1～5可以看出，断面S1各点的变形比较稳定，16期变形量累计不超过1 mm，变形量在监测系统安全范围内，说明在监测过程中S1断面是比较稳定的。通过图1～6可以看出，XJ1、XJ2点的变形量相对较小，但XJ3、XJ4两点变形量相对较大，是因为XJ3、XJ4在隧道开挖方向，最后开挖完成，受隧道开挖影响较大。总体来说，隧道顶板各点变形量在隧道安全施工允许值范围内，没有超过预警值2.5 mm，证明了监测点位的稳定性。

5 结语

本文主要介绍了利用极坐标法，通过对断面监测点三维坐标变化量以及隧道顶板沉陷量的监测，计算隧道各监测点位移量，分析隧道变形趋势，为隧道稳定性分析提供依据。通过数据分析证明，TCA2003测量机器人在高精度隧道自动变形监测系统中的应用是可靠的，能满足生产实践的要求。