测量机器人在地铁隧道自动化变形监测中的应用

方齐乐

（深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518029）

1 引言

随着城市化进程的加快，地下空间已成为人们生产和生活的重要活动场所。测量机器人是一种能够进行目标自动搜索、识别、跟踪和精确照准，并获得角度、距离和三维坐标等信息的自动化智能型电子全站仪[1]。测量机器人系统集自动目标识别、自动照准、自动测距、自动测角、自动跟踪目标、自动记录于一体，可以实现测量的全自动化[2]。

地铁隧道监测具有高精度、高频率和高时效性特点，但是地下空间环境复杂，存在安全隐患。以往主要有自动化静力水准、人工测量和测量机器人等监测方法。静力水准沉降监测可实现自动化，但仅能提供一维沉降信息，存在一定的局限性；人工测量存在人为照准误差，费时费力，而且无法全天候获取多方位数据，出报表周期长。长期以来测量机器人以其高精度、自动编程、高智能照准和识别目标等优点，在大型水库、大坝、桥梁和山体滑坡自动化监测中的应用日益广泛[3,4]。本文以深圳地铁1 号线自动化变形监测为例，在某临近建筑深基坑施工周期内，采用测量机器人对地铁隧道的结构整体变形情况进行监测，为地铁运行实时提供高准确度的动态监测数据，通过对各变形监测点的变形量与预警值进行比较和分析，研判地铁形变的变化趋势，为地铁隧道施工提供了数据指导，为项目施工期间地铁隧道的结构安全和正常使用提供了保障。

2 工程概况

项目位于城市商务中心的核心地段，城市轨道交通1 号线西南侧，该基坑属超深基坑，长约380m，宽约180m，开挖深度20m ～27m。项目场地东北侧为在运营的地铁1 号线区间隧道，上行线隧道距离坑边最小约37.5m，下行线隧道距离坑边最小约50.7m，东北侧部分基坑在轨道交通设施保护范围内。

受建设项目基坑开挖影响，地铁隧道区间约260m范围隧道发生沉降偏移。目前地铁已限速行驶，考虑后续项目仍需施工，需对影响段隧道进行纠偏回调。为确保地铁运营安全，工程综合采用卸载、注浆加固和控制注浆的方法加固受影响区段地层，并回调隧道变形。在注浆纠偏试验过程中需严密监控隧道及隧道周边土体的变化情况，为现场纠偏施工提供数据指导。

3 技术路线

本项目采用自动化监测为主、人工监测为辅的监测方法，采用Lecia TS50 测量机器人与Geomos 专业监测软件配套使用的方式，实现地铁隧道的自动化监测。同时基于Visual Basic 语言设计海量自动化监测数据处理程序并进行数据处理。监测系统如图1 所示。

图1 自动变形监测系统

监测的基本思路为：接到业主委托任务→资料收集、分析→现场踏勘→组织专业技术人员拟定监测方案、技术标准→组织专家对技术设计文件进行评审论证→进行现场监测布点、仪器布设等工作→仪器调试→自动化监测系统建立→监测内业处理→成果检查、校核→成果表、技术报告→验收→成果归档、交业主→后期服务。

4 监测系统介绍

4.1 仪器设备及监测系统

系统硬件部分主要有徕卡TS50 型自动全站仪、棱镜连接器、目标棱镜、计算机、网络通信设备、电源箱[5-7]。（1）徕卡TS50 型自动全站仪。利用测量机器人高智能自动识别系统对测量目标点进行水平角、垂直角、距离数据的采集。（2）棱镜连接器。将棱镜固定在全站仪脚架上或固定监测墩子点位，使之成为测站或镜站。（3）目标棱镜。目标棱镜一般均匀安装在变形监测目标点和基准点上。（4）计算机。计算机监测软件通过控制测量机器人实现自动化监测。（5）网络通信设备。通过有线或无线方式建立一个专用的通讯链路，实现全站仪和监控计算机之间的数据通信。（6）电源箱。为测量机器人等设备提供不间断电源[8-10]。变形监测设备组成如图2 所示。

图2 变形监测设备组成

结合项目特点和规范要求，监测网测量要求和控制指标如表1 和表2 所示。

表1 监测网测量参数要求

表2 地铁盾构区间结构监测项目控制指标

软件部分采用地铁隧道结构自动化监测系统进行管理。系统集变形监测数据采集、处理、分析、预警预报和传输分发为一体，形成高度智能的自动化安全监测管理系统。

4.2 自动化监测点的布设

根据规范和项目安全评估方案要求，结合基坑与地铁空间位置关系以及本工程应急抢险的特殊性，与基坑对应位置的隧道监测点断面间距按照5m 设置，每个监测断面布设5 个点位，如图3 所示，分别是拱顶1 个、侧壁2 个、道床2 个，隧道左线和右线共布置监测点2395 个，用于监测隧道结构平面位移、竖向位移、相对收敛、隧道尺寸、道床横向和竖向高差等内容。

图3 隧道断面监测点位分布

4.3 监测系统优势

项目解决了人工监测只能地铁停运监测的局限性，实现了实时无线传输监测成果和预警、预报；同时基于Visual Basic 语言设计实现了海量自动化监测数据处理程序，可及时处理分析海量监测数据，大大提高内业工作效率，有效节约成本。海量自动化监测数据处理系统如图4 所示。

图4 基于VB的海量自动化监测数据处理系统

5 监测效果及分析

5.1 监测效果对比

自动化监测数据均由自主开发的程序进行处理，系统接收到各种监测数据后，能及时进行解算，计算变形量，评估隧道结构物的安全性。项目监测周期从2019 年3 月持续到11 月。在隧道区间内左右线共布设342 个监测断面，在监测周期内，项目结合自动化监测和人工水准监测方法，对比分析同时段的两种监测成果，以评估自动化监测系统的可靠性。当自动化与人工监测成果相差大于 （m人为当期人工监测中误差，m自为当期自动化监测中误差）时，通过控制系统调整设备参数，更换监测频率，分析查找两种监测成果差异较大原因，解决列车震动、施工、气流等因素对监测精度的影响。以人工（二等水准和三等导线）和自动化垂直位移为例，对比分析同期左、右线两种监测方式下垂直位移阶段变化量曲线，如图5和图6 所示。

图5 地铁左线自动化与人工阶段沉降量曲线图（mm）

图6 地铁右线自动化与人工阶段沉降量曲线图（mm）

5.2 精度对比分析

（1）距离的差分改正：因气象元素的距离大气折射率等因素，可利用基准站和各监测站的已知距离，解算距离气象改正比例系数，进而实现实时差分改正。

（2）球气差的改正 ：因球气差对高差测量的影响，基于精密水准测量可知监测站和基准点间的高差，利用变形监测高效快捷的特点（球气差改正系数），解出变形点与监测点经球气差改正的三角高差和平距。

（3）方位角的差分改正：因大气水平折光和水平度盘零方向的变化等，无法保证仪器在长期变形监测过程中的绝对稳定，故需考虑水平方位角差分改正。

（4）变形点三维坐标和变形量的计算：基于距离和方位角两项的差分改正，按极坐标计算公式可准确求得每周期各变形点的三维坐标。

6 结语

本文结合项目实施情况，验证了测量机器人自动化实时监测的技术要点，达到预期效果。通过测量机器人在工程中的具体应用，采用网络数字化的监测技术简便灵活，避免了人为测量误差，降低了劳动成本，提高了工作效率。该方法为基坑开挖引起的地基变形提供了准确及时的数据，积累了丰富的监测经验，对于保障地铁隧道安全运营具有重大意义。