测量机器人对既有地铁隧道监测、施工抢险的应用

陈 昊

（中铁西南科学研究院有限公司，广东深圳 518000）

0 引言

近接既有线的新建地下轨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铁结构及轨道产生位移变形，从而可能对地铁安全运营产生影响。雨季期某晚暴雨后，南方某市地铁新建路线区间（下穿既有线）地质突变，盾构机推进所在断面上方路面发生塌陷，既有线盾构结构出现轻微拉裂破损，既有隧道原监测系统数据显示，相应位置道床下沉4～15 mm。既有线当天停止运营，业主、施工单位、监测单位马上组织抢险，确定不间断实时监测方案，并由监测数据指导注浆抢险施工。

1 对既有隧道监测及指导抢险的方案及实施

监测方案主要技术要点如下：

1.1 仪器的布设和监测频率

因下穿既有线新建地铁施工，既有隧道洞内原已安置莱卡TS30 测量机器人2 台（上行线和下行线各一台），并以每4 小时1 次的频率进行监测。在地质突变险情发生后，监测频率提高到每小时1 次，对变形区20 个断面（断面间隔距离5 m）进行重点观测。每个断面左右两侧设置一对棱镜（高度在考虑通视情况下尽量维持一致，兼具监测盾构左右方向位移和收敛的作用），道床设置一对棱镜（监测道床沉降），一个扫描循环时间约40 min。每小时观测一个循环并24 h×7 不间断动态监测。监测数据自动上传到莱卡监测系统平台，自动处理数据并作筛选分析，形成表格+图文报告发送。既有隧道断面监测点布置如图1 所示。

图1 既有隧道断面监测点布置

1.2 使用绝对坐标系

原监测系统使用相对坐标系，仅能体现管片位移变化，而不能体现监测断面的实地位置，故抢险监测中改为采用绝对坐标系进行施测。平面控制网从车站轨道道床引出（使用竣工时布设的轨行区中轴线控制点，经检验误差符合规范要求）引入洞内并远离变形区的较稳定位置布设4 个后视控制点（3 个作为后方交会后视控制，1 个备用），测量机器人使用后方交会方法定向，随时修正测量机器人所在平面位置坐标。使用绝对坐标的意义如下：

（1）确定既有线监测断面所在实地位置（以及既有线里程标号），与新建地铁施工路线环号、加固注浆孔位置重合在一张图纸上，对施工工况解读、注浆抢险施工具有重大指导作用。

（2）通过设计院调用既有路线竣工图，读取其区间平曲线、竖曲线要素，输入隧道断面测量分析软件。将首次观测的监测数据输入隧道断面测量分析软件，自动计算出盾构管片与隧道中线的偏距，得到偏距初始值，后续对比每次观测的偏距可以得知管片的位移量和方向。如既有线上行线往大里程方向，右侧管片偏距变小表示往左方向移动。如图2 所示，可以马上得到的数据评估如下：①通过监测点坐标计算所在既有线的里程桩号；②通过监测点坐标计算偏离中线值，即可换算盾构管片的位移和收敛值；③图形评估，断面现状和竣工断面的偏差。

图2 断面测量分析软件界面

综上所述，使用绝对坐标系，对施工指导和监测数据处理具有双重意义。

通过当晚实时报送监测数据和分析图文，既有线关键部位，即里程K28+355 处道床显示最大隆起4 mm，里程K28+325～K28+375 的50 m 影响范围内隆起0～1 mm，表明注浆加固有效，并根据道床隆起速率指导控制注浆速度。至次日凌晨4 点，数据显示既有隧道管片位移趋于稳定，遂恢复通车运营。地铁2号线下行线道床竖向位移时态曲线如图3 所示，地铁2 号线下行线道床沉降速率时态曲线如图4 所示。

图3 下行线道床竖向位移时态曲线

图4 下行线道床沉降速率时态曲线

2 后续施工指导作用

既有线通车运营后，施工单位持续对地质突变影响范围以及盾构即将推进的范围注浆，时间约1 个月。机器人监测系统持续以高频率实时报送数据，结合监测数据和注浆施工孔位置图，在晚间指导注浆施工。整个注浆施工过程，监测数据显示既有隧道结构趋于稳定。

3 结束语

（1）自动化监测系统具有实时、快速的优点，真正意义上的24 h×7 连续自动监测系统。可以短消息、电邮发送报警信息。全过程自动化管理，无需用户现场操作，特别是在抢险时可免除人身安全风险。系统对各种传感器接口丰富，不仅仅可以连接测量机器人，也可以连接GPS、倾斜仪等传感器。自动化监测系统组成如图5 所示。

图5 自动化监测系统组成

（2）采用绝对坐标系对注浆抢险施工具有指导意义。使监测断面位置与注浆孔位置结合，即使是因为远距离导线（一般情况下地铁区间长度约2 km，从任一端车站出发至区间中心点，总长即1 km）传导坐标引起误差，使测量机器人的点位坐标与绝对坐标的较差达到0～10 mm，对注浆施工而言，这个级别的误差在可接受范围。

（3）测量机器人系统平台功能普遍单一，具备报送三维坐标X、Y、Z 变量、速率、累计变量、预报警等功能，但无针对隧道管片位移的分析功能。隧道断面分析软件功能完善，也可以与全站仪连接实施测量控制，但缺少与监测平台接口的模块。因此，对测量机器人软件平台的后续开发中可以考虑加入隧道断面计算分析模块，将隧道分析测量软件与平台结合起来，且加入断面形状图形分析功能，增强指导性。