自动化监测技术在营业线施工中的应用与研究

侯 学

(中铁四局集团有限公司设计研究院，安徽 合肥 230023)

0 引 言

我国变形监测技术自20世纪50年代开始，发展至20世纪80年代使用自动化遥测，到20世纪90年代开始逐步使用自动化监测技术。随着科学技术的不断创新和新型监测设备的更新换代，目前自动化监测技术已取得长足的进步，也不断延伸至各个领域。随着工程建设领域安全风险意识不断提高，自动化监测系统已然成为当今工程监测领域的主旋律。能更好地满足对工程监测的要求也不断提高。对工程监测系统的高频次、高精度、高效率、及时性、智能化等严格要求。因此，在各类基坑、大坝、隧道、桥涵、铁路等重要的大型项目上，自动化监测技术不断普及，传统的监测方式将面临淘汰。

1 自动化监测系统设计

系统的设计应满足一定的原则，尽量做到可靠、经济、合理。监测系统是提供获取结构变形信息的工具，使决策者可以针对特定目标做出正确的决策，设计原则如下：

(1)保证系统的有效性。

(2)保证系统的可靠性。

(3)保证系统的先进性。

(4)保证系统的可操作和易于维护性。

(5)系统应该具有很好的开放性、兼容性。在满足功能要求的前提下，应充分考虑现代技术的快速发展，以便系统升级。同时能够实现与交通工程、管理养护等系统对接，实现信息共享。

(6)系统具有远程固件升级功能：根据系统自检以及系统需求可对远程固件进行完善，且系统具备各种类型的通信协议和接口，可为后期设备升级服务。

(7)以最优成本控制：监测系统的一个原则就是利用最优布控方式做到既节省项目成本、后期维护投入的人力及物力，又能最大限度发挥出实际监测的效果。

系统坚持贯彻“技术可行、实施可能、经济合理”的基本原则，使监测系统充分发挥作用，为工程施工和营业线运营提供数据上和技术上的支持。

2 全站仪自动化监测技术

全站仪自动化监测技术是由传统全站仪监测方式衍生而来，从自动全站仪基础上开发出的智能化变形监测系统，其测角精度可达到0.5″，测距精度高，测站局部坐标系统的测量精度可达到毫米级[1]。

2.1 全站仪自动化监测技术原理

全站仪自动化监测技术是利用CDMA通信网及因特网远程控制全自动全站仪，实现对项目现场监测棱镜组进行自动循环测量，并将监测数据通过监测终端传输至后台软件，由后台软件对监测数据进行解析、平差、运算、筛选，并绘制成工程所需的监测图表(图1)。

图1 全站仪监测系统架构

2.2 全站仪自动化监测技术特点

2.2.1 全站仪自动化监测技术优势

(1) 自动全站仪监测系统，利用全站仪对多个测点处布设的棱镜进行自动化扫描，监测测点的沉降及位移变化。该系统测量精度高，测点布设方式快捷，并且全站仪和棱镜在施工期间可实时提供监测服务。施工结束后，在运维阶段也可作为日常运维监测系统继续使用，亦可为其他工程测量需求提供服务，设备用途广泛，可持续性好。

(2) 该系统监测效率高，适应性好，地铁、隧道等弱光环境下也不受影响。可实现实时监测，满足涉铁工程监测中监测频次高于1次/2小时的规定。

(3)系统安装简单、快速，能在1～3 d完成仪器及监测点位埋设，项目施工过程中可任意增删监测点和控制点，项目实施阶段发生点位破坏、监测预警、不可抗力因素等也可及时恢复、增设监测点及加密监测频次，极大保证了监测数据的连续性。

《纪效新书》是戚大帅写给不通文墨的部下看的，自然浅显易懂。但像“武经七书”这种东西，骆剑峰等人就读得想死。这套自宋朝流传下来的兵家名著，实为七本兵书的合集，故而名为“七书”，这七本里年代最近的一本，就是之前搞得骆剑峰和成俊麒晕头转向的《李卫公问对》，这本书好歹还是唐初的，另外六本大半传自春秋战国时期，每个字单独拆开来还勉强认得，组合在一起和天书无异！

(4)受施工影响较小。由于仪器架设位置选择在施工影响区外的高处(图2)，因此受施工环境影响较小，减少了监测误差。

图2 监测项目全站仪现场架设图

2.2.2 全站仪自动化监测技术缺陷

(1) 理论上一台全站仪可以覆盖的监测点位是不受限制的，但实际工程实施过程中，由于受到现场地形条件和监测频次限制，可能需要多台全自动全站仪对监测点位进行完全覆盖，加大了监测成本投入。例如合肥市轨道交通3号线合肥站-铜陵北路站区间隧道穿越合肥站东咽喉股道群涉铁工程监测中，需对7条铁路股道路基和轨道几何变形约300余棱镜监测点进行监测，且监测频次需高于1次/2小时，监测单位采用了3台全自动全站仪才得以将监测区域监测点交叉覆盖。

(2) 该监测系统对现场通视条件要求高。利用全站仪对棱镜点进行扫描监测，现场受建筑物、电气化立柱、树木草丛等影响，对仪器和棱镜之间的通视条件有较高的要求。

(3)自然环境因素会影响监测数据，恶劣天气会对监测设备造成损坏。由于全站仪监测受大气折射率影响，因此大面积水域或温差较大区域会直接影响监测数据。全天不同时间段内监测数据会受气温和大气气压等影响，因此进行实时监测时必然要搭配环境监测设备，对气温和大气气压等进行同期修正，才能保证数据的准确性。

(4)全站仪架设、监测点、控制点埋设要求较高。必须牢固稳定，才能保证监测数据的有效性。营业线项目技术标准更高，路基监测点和轨道几何变形监测点(图3)都有特殊要求，测点埋设更为严格。

图3 轨道几何变形监测点示意图

2.3 全站仪自动化监测数据成果

在合肥市轨道交通3号线合-铜区间下穿合肥站东股道群涉铁工程监测项目中，营业线栅栏网内股道路基采用了全站仪自动化监测技术，栅栏往外地表沉降采用传统水准仪人工监测方式进行。在左线盾构下穿过程中，人工水准仪监测显示沉降主要体现在盾构机正上方，最大累计变化值为DB 1-6，累计变化量为-17.40 mm，超出报警值(图4)。

图4 DB 1-6监测数据曲线图

图5 库2线监测数据曲线图

由图4、图5并结合施工工况分析可得：盾构机盾构下穿铁路过程中，盾构机头前方地表、路基产生轻微隆起；盾构机通过时发生轻微沉降；盾构机盾尾脱离时，盾构区间上方发生较大沉降，沉降主要集中在盾构区间隧道正上方，即监测断面中的5、6、7号点，库2线中路基自动化监测数据显示沉降最大点是7号点，最大累计沉降达到了15 mm，与人工监测数据曲线基本重合，可证明该自动化监测技术的可靠性。该项目盾构下穿过程中发生了报警，部分报警时段发生在夜间，证明全站仪监测系统在夜间仍不间断监测，及时准确地将监测数据反馈至施工单位，为施工提供了有力、及时的数据支持，为项目安全生产提供了保障。

2.4 全站仪自动化监测技术应用

目前全站仪自动化监测技术广泛应用于高铁、地铁、隧道、边坡等各类监测领域，尤其适用于涉铁工程监测领域，其无须监测人员频繁进入营业线内的实时监控方式，极大程度上满足了营业线监测要求，保障了运营列车和监测人员的安全。该类技术适合营业线监测中的盾构下穿、铁路、公路上跨、箱涵下穿顶进施工、管线直埋、顶进下穿营业线路基或桥涵等工程。

但是，由于受大气折射率影响，该类技术并不适用于大面积水域环境。跨河、海、湖泊等大面积水域的桥梁监测中，该类监测手段将难以适用。

3 结 论

目前，选择自动化监测已然成为工程建设发展的必然趋势。传统的人工监测无论从精度、效率、频次都已无法满足施工建设对于安全监测的需求。各类重要工程监测频次基本要求为一天8～12次，传统人工监测要想满足目前的监测要求势必要投入更大的资源力量。而自动化监测目前处于快速发展阶段，市场前景广阔，应用范围广泛，安全保障提高，经济增效明显，所以无论从经济性、安全性，还是从数据的精度、效率、频次等各方面都具有强大的优势。

自动化监测系统具有集成化、一体化的特征，具有遥测、遥控、数据远程传输、预警、一体化网络功能。在实际工程运用中更能体现其优势，通过自动化监测系统可以对监测目标实时监控。不同时段监测数据自动传输至监测平台，进行数据存储、查询和比较验证。并且可以借助系统，迅速对不同时段、不同监测区域数据进行比较、分析，从而可以更为直观和全面地把握监测目标的变形状态，对结构健康状态进行评估，及时向施工、设计、运营单位反馈信息，确保了施工过程中形成更为及时有效的信息反馈机制，确保工程顺利进展。

从工程经济效益上，可以极大提高工程施工的安全性，节约劳动力成本，为工程效益增值。从社会影响来看，自动化监测技术避免了人为因素影响，系统具有极高的可信度。该系统扰动小，测点和设备的可循环利用性也节约了资源，有利于循环利用和节能环保。整个系统发展前景广阔，不仅在工程建设领域，而且在电力、水利、自然灾害预警等各方面也具有良好的市场前景，具有较高的研究及应用价值。

自动化监测系统在工程变形测量中可以大大缩减人力资源的投入，有效节约人员成本。可以实现全过程远程操控、监测数据实时共享，这为工程安全建设提供了强力的数据支持，有效减少工程建设领域安全事故的发生，为工程建设增值。与此同时，该类技术也可应用于监测各类自然灾害(如山体滑坡、泥石流等)，存在巨大的社会价值。

自动化监测与传统人工监测方式对比，目前已有大量文献及工程实践证明自动化监测技术的可靠性、优越性。未来的监测项目中，自动化监测技术势必会替代传统人工监测技术。通过实践证明：全站仪自动化监测技术应用最为广泛，适用性最强，除特定监测项目外，基本适用于各类监测项目，能直接反映监测目标的空间变化。

随着科学技术的发展创新，监测仪器的推陈出新，自动化监测技术也将不断完善，发展前景广阔，潜在社会价值较高。