林新爍

(深圳市博飛儀器有限公司 工程測(cè)量技術(shù)部，廣東 深圳518028)

一、概 述

深圳地鐵環(huán)中線前海灣站地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目位于深圳地鐵環(huán)中線前海灣站與臨海站之間，距前海灣站約700 m。地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)范圍為上、下行雙線各約150 m長(zhǎng)的盾構(gòu)隧道，如圖1所示。鑒于地鐵運(yùn)營(yíng)的特點(diǎn)，變形監(jiān)測(cè)要求全自動(dòng)化運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)在地面某處對(duì)地鐵地下隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化全站儀進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與管理。

圖1 變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目地理位置示意圖

AutoMoS(Automatic Deformation Monitoring System)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)備基本配置：自動(dòng)照準(zhǔn)型全站儀SRX1X 2臺(tái)；全站儀固定支架2套；基準(zhǔn)點(diǎn)棱鏡及支架8套；電源保護(hù)箱(含變壓器、供電、繼電器等)2套；CDMA模塊及CDMA手機(jī)卡 2套；電源線200 m；PC便攜電腦1臺(tái)；變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)棱鏡80個(gè)；安裝電工工具及鉆孔工具2套。

二、無(wú)人值守自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

1) 為了實(shí)現(xiàn)上述地鐵結(jié)構(gòu)三維變形監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化，引進(jìn)了AutoMoS無(wú)人值守自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由自動(dòng)化全站儀(索佳品牌的超級(jí)機(jī)器人SRX1X)、有線或無(wú)線通信系統(tǒng)、基于PC機(jī)運(yùn)行的系統(tǒng)軟件等設(shè)備組成，圖2為雙機(jī)版AutoMoS系統(tǒng)組成框圖。

圖2 雙機(jī)版AutoMoS系統(tǒng)框圖

2) 本變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目位于含有弧線段的盾構(gòu)隧道，監(jiān)測(cè)設(shè)備(包含自動(dòng)化全站儀、變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)棱鏡、變形區(qū)監(jiān)測(cè)棱鏡等)分布示意圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝分布圖

3) 自動(dòng)化全站儀(或稱測(cè)量機(jī)器人)是地鐵結(jié)構(gòu)變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心硬件設(shè)備，在系統(tǒng)軟件的控制下自動(dòng)照準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)的目標(biāo)棱鏡，獲取精確的角度與距離信息。如圖4所示，在地鐵隧道管壁一側(cè)安裝特制的全站儀支撐平臺(tái)，保證全站儀在地鐵列車運(yùn)營(yíng)安全界限范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。前海灣地鐵站隧道變形監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)安裝的是索佳SRX1X(1″級(jí))自動(dòng)化全站儀。

圖4 自動(dòng)化全站儀觀測(cè)站與通信控制箱

4) 通信與供電箱(參見圖4)是自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，其作用一是為全站儀提供不間斷電源，二是實(shí)現(xiàn)全站儀與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。在前海灣監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，采用移動(dòng)無(wú)線接入因特網(wǎng)的方式進(jìn)行地鐵現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)全站儀與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件對(duì)遠(yuǎn)程全站儀的控制與數(shù)據(jù)采集。

5) 基準(zhǔn)點(diǎn)棱鏡為前海灣地鐵站的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)提供穩(wěn)定基準(zhǔn)，因此它們分布在離變形區(qū)較遠(yuǎn)的地方(如圖3所示)，在上行或下行隧道變形監(jiān)測(cè)區(qū)域兩側(cè)分別設(shè)立2個(gè)基準(zhǔn)斷面，共4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)?；鶞?zhǔn)棱鏡為索佳標(biāo)準(zhǔn)圓棱鏡，由鋼制三角形支架支撐，該支架由膨脹螺栓緊密固定在隧道的墻壁上，如圖5所示。

6) 變形監(jiān)測(cè)斷面及棱鏡分布為：

a. 變形監(jiān)測(cè)斷面與棱鏡布設(shè)編號(hào)規(guī)則：變形監(jiān)測(cè)斷面從西(臨海站方向)至東(前海灣方向)上、下行線各有12個(gè)(如圖3所示，DJ1—DJ12)，每個(gè)斷面計(jì)劃安裝3個(gè)變形監(jiān)測(cè)棱鏡，其中2個(gè)位于軌道地面上(已安裝，如圖5所示)，另1個(gè)計(jì)劃安裝在圓形隧道頂部(調(diào)試運(yùn)行時(shí)暫未安裝)；變形監(jiān)測(cè)斷面棱鏡編號(hào)用4～5位字母和數(shù)字表示(如DJ6-1)，前兩位字母為DJ，第三、四位數(shù)字代表斷面號(hào)(1—12)，最后一個(gè)數(shù)字代表斷面內(nèi)的棱鏡編號(hào)。如“DJ6-1”表示為下行線第6個(gè)斷面上的第1號(hào)監(jiān)測(cè)棱鏡。圖6分別給出了上、下行隧道變形監(jiān)測(cè)斷面棱鏡分布與編號(hào)示意圖。

圖5 基準(zhǔn)點(diǎn)棱鏡

圖6 上行和下行線斷面棱鏡分布示意圖

b. 變形監(jiān)測(cè)斷面棱鏡的安裝：變形監(jiān)測(cè)斷面上的棱鏡為L(zhǎng)型小棱鏡，在正常情況下，把L支架直接固定在墻體或地面上即可。圖7給出了隧道監(jiān)測(cè)斷面棱鏡分布實(shí)景圖，其中軌道中間的反光亮點(diǎn)即為變形監(jiān)測(cè)棱鏡。

圖7 隧道變形監(jiān)測(cè)斷面棱鏡安裝實(shí)景圖

7) 在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目管理人員辦公室等合適地點(diǎn)布設(shè)有線登錄因特網(wǎng)的設(shè)備，為監(jiān)測(cè)專用的計(jì)算機(jī)提供上網(wǎng)條件。同時(shí)，在監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)中安裝AutoMoS監(jiān)測(cè)軟件(如圖8所示)，在監(jiān)測(cè)軟件定時(shí)器的控制下，智能化、周期性地定時(shí)啟動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過因特網(wǎng)對(duì)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化全站儀的控制與數(shù)據(jù)采集。監(jiān)控中心的主要安裝調(diào)試工作有：計(jì)算機(jī)登錄因特網(wǎng)；啟動(dòng)AutoMoS監(jiān)測(cè)軟件；初始化全站儀，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與遠(yuǎn)端自動(dòng)化全站儀的聯(lián)機(jī)通信；學(xué)習(xí)基準(zhǔn)點(diǎn)和變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)棱鏡；配置點(diǎn)組與定時(shí)器；配置自動(dòng)化測(cè)量有關(guān)的設(shè)置項(xiàng)；啟動(dòng)定時(shí)器，啟動(dòng)自動(dòng)化測(cè)量，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)人值守智能化運(yùn)行。

圖8 AutoMoS監(jiān)測(cè)軟件

三、地鐵結(jié)構(gòu)斷面變形監(jiān)測(cè)精度統(tǒng)計(jì)

2012年2月22日，基本完成了前海灣站地鐵結(jié)構(gòu)變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有關(guān)設(shè)備的安裝之后，于凌晨6點(diǎn)左右開始，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開始投入無(wú)人值守的全自動(dòng)化測(cè)試運(yùn)行。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)周期間隔為30 min，至早上8點(diǎn)左右，順利實(shí)現(xiàn)了上下行線2個(gè)監(jiān)測(cè)站4個(gè)周期(周期號(hào)為2—5)的連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)。在2 h左右的時(shí)間內(nèi)，可以近似認(rèn)為地鐵隧道穩(wěn)定不變，其變形量近似為零。因此分別計(jì)算各變形點(diǎn)2—5號(hào)周期三維坐標(biāo)的平均值作為參考(本底基準(zhǔn))周期(周期號(hào)為1)的數(shù)據(jù)，并把2—5號(hào)周期相對(duì)第1周期(參考周期)的三維坐標(biāo)變形量當(dāng)作偶然誤差來(lái)處理，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)的實(shí)測(cè)精度，結(jié)果見表1。

表1 地鐵前海灣站結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)精度統(tǒng)計(jì) mm

注： 上下行線分別參加實(shí)測(cè)精度統(tǒng)計(jì)的各有4個(gè)周期23個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)；變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)離測(cè)站的最遠(yuǎn)距離約100 m。

上行線DJ8-4、下行線DJ4-2參考周期數(shù)據(jù)有誤(后已處理)，故未參加本次變形監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)精度統(tǒng)計(jì)。

從表1中可以看出：① 上下行線變形點(diǎn)三維坐標(biāo)實(shí)際監(jiān)測(cè)精度基本一致，標(biāo)準(zhǔn)偏差都不大于0.5 mm，可以達(dá)到亞毫米級(jí)的變形監(jiān)測(cè)精度要求；② 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)順利獲取的首期4個(gè)周期的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，除了極個(gè)別點(diǎn)某坐標(biāo)分量值大于1 mm，其余所有變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)分量的變形值都小于1 mm，由此可以說明變形監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)精度高，而且數(shù)值一致性很好，變形監(jiān)測(cè)結(jié)果穩(wěn)定可靠。

四、總結(jié)與建議

通過2月22日—23日兩天的調(diào)試運(yùn)行，上述AutoMoS無(wú)人值守自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)論在地鐵暫停運(yùn)營(yíng)的時(shí)間段(0∶00—5∶00)還是在運(yùn)營(yíng)時(shí)間段(6∶00—23∶00)都能正常運(yùn)行，并能獲取合格的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。自動(dòng)化全站儀一般采用方便實(shí)用的極坐標(biāo)方法進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。從極坐標(biāo)原理可知，要想獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，必須有效解決大氣折射率對(duì)測(cè)距的影響，以及地球大氣差對(duì)三角高程測(cè)量的影響。AutoMoS無(wú)人值守監(jiān)測(cè)自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的創(chuàng)新技術(shù)體現(xiàn)在：在穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)站采用多重差分技術(shù)和在欠穩(wěn)定的工作基站點(diǎn)設(shè)站采用自適擬穩(wěn)定技術(shù)，無(wú)需觀測(cè)大氣氣象參數(shù)，并顧及地球大氣差對(duì)單向三角高程觀測(cè)的影響。AutoMoS無(wú)人值守監(jiān)測(cè)自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是地鐵變形監(jiān)測(cè)實(shí)施的一整套成熟、完善的技術(shù)方案，明確了地鐵變形監(jiān)測(cè)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，可作為今后地鐵變形監(jiān)測(cè)的重要借鑒。

建議地鐵及其他城市軌道等工程項(xiàng)目,在施工期間及竣工運(yùn)營(yíng)后,把對(duì)主體結(jié)構(gòu)的沉降、水平位移、收斂等變形監(jiān)測(cè)工作提到議事日程，重視資料的整理和積累，給出主體結(jié)構(gòu)的變形情況,以及主體結(jié)構(gòu)變形的發(fā)展趨勢(shì),并提出整治方案。逐步修正理論依據(jù)，完善監(jiān)測(cè)方法，使地鐵監(jiān)測(cè)成為保障地鐵安全運(yùn)營(yíng)的重要環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB 50308—2008城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范[S]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008．

[2] JGJ 8—2007建筑變形測(cè)量規(guī)范[S]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007．

[3] 包歡，徐忠陽(yáng)，張良琚.自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪學(xué)院學(xué)報(bào)，2003,20(2)：103-105.

[4] 衛(wèi)建東，包歡，徐忠陽(yáng)，等.基于多臺(tái)測(cè)量機(jī)器人的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[J].測(cè)繪學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，22(2)：154-156.