【摘? ? 要】：針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)不能滿足地鐵隧道監(jiān)測(cè)需求的現(xiàn)狀，以實(shí)際工程為例，介紹了測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)、布測(cè)點(diǎn)布置方案及監(jiān)測(cè)精度；通過與人工測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比，證明測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)具有精度高、實(shí)時(shí)處理、可視化顯示、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】：機(jī)器人；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；地鐵；隧道

【中圖分類號(hào)】：U231.1【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號(hào)】：1008-3197（2024）01-22-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.01.007

收稿日期：2023-02-27

課題項(xiàng)目：中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司測(cè)繪院科技開發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目（CHKY-2022-06）

作者簡(jiǎn)介：張文靜（1990 - ）， 女， 碩士， 河南洛陽(yáng)人， 工程師， 從事地鐵隧道監(jiān)測(cè)與測(cè)量工作。

Application of Automatic Monitoring of Measuring Robot

in Subway Tunnel Protection

ZHANG Wenjing

（China Railway Liuyuan Group Co. Ltd. ， Tianjin 300308， China）

【Abstract】：In view of the situation that traditional measurement technology can not meet the needs of subway tunnel monitoring， this paper introduces the reference point， layout scheme of measuring points and accuracy of automatic monitoring of measuring robot in subway tunnel through actual project， which proves by comparing with manual measurement data that the automatic monitoring of the measuring robot has the advantages of high precision， real-time processing， visual display and strong reliability.

【Key words】：robots;automated monitoring; subway; tunnel

在地鐵隧道保護(hù)區(qū)內(nèi)施工，勢(shì)必會(huì)對(duì)地鐵產(chǎn)生一些不可預(yù)測(cè)的影響，如果沒有及時(shí)了解隧道安全變化，會(huì)給下一道工序的施工以及地鐵未來(lái)的運(yùn)營(yíng)埋下安全隱患；及時(shí)、有效、不間斷掌握施工對(duì)地鐵隧道的影響是確保地鐵隧道的穩(wěn)定性和安全性關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)地鐵監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了研究。付翔宇[1]利用徠卡測(cè)量機(jī)器人的開發(fā)平臺(tái)研發(fā)了一套通用的自動(dòng)化觀測(cè)軟件，使測(cè)量機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)、自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，提高了工作效率。蔣晨[2]研究了測(cè)量機(jī)器人TM30在地鐵變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，重點(diǎn)研究了測(cè)量機(jī)器人的數(shù)據(jù)預(yù)處理等問題。賀磊等[3]對(duì)測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，驗(yàn)證了其監(jiān)測(cè)精度，證明了測(cè)量機(jī)器人的可靠性。靳羽西等[4]利用多臺(tái)測(cè)量機(jī)器人對(duì)地鐵隧道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，克服了傳統(tǒng)方法效率低、數(shù)據(jù)滯后的弊端，解決了一站式無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)的問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地鐵隧道實(shí)時(shí)、高效、高精度的監(jiān)測(cè)。He G Z 等[5]研究了三維激光掃描在地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，地鐵隧道三維模型不僅提高了變形監(jiān)測(cè)的精度，而且也反映了整體變形趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于測(cè)量機(jī)器人在地鐵監(jiān)測(cè)中缺少在數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、分析等方面更系統(tǒng)的應(yīng)用方法。

在地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)中，對(duì)于監(jiān)測(cè)條件要求高的項(xiàng)目，需要進(jìn)行連續(xù)的、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，常規(guī)手段已經(jīng)不能滿足工程的需要。本文以實(shí)際工程為例，利用機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了聯(lián)通通道施工對(duì)地鐵隧道的影響，同時(shí)與人工監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比。

1 機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)

機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)主要由布設(shè)于隧道內(nèi)的監(jiān)測(cè)設(shè)備和布設(shè)于辦公室的遠(yuǎn)程控制設(shè)備組成，利用自動(dòng)變形系統(tǒng)控制測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)及對(duì)監(jiān)測(cè)過程中所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與處理。在系統(tǒng)中新建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件，保存該變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的所有數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，監(jiān)測(cè)前以人工監(jiān)測(cè)模式對(duì)所要測(cè)量的點(diǎn)位進(jìn)行初始的學(xué)習(xí)測(cè)量，設(shè)置觀測(cè)時(shí)間及頻率，以便機(jī)器人實(shí)施無(wú)人值守的自動(dòng)觀測(cè)；當(dāng)目標(biāo)被遮擋及測(cè)量超限時(shí)智能化地處理目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算和后續(xù)的變形分析，實(shí)時(shí)顯示變形趨勢(shì)圖，測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)表輸出。

2 工程概況

某下穿高鐵站送客匝道橋地下聯(lián)通道長(zhǎng)約101.2 m，標(biāo)準(zhǔn)段凈寬8 m、局部?jī)魧?4.5 m，單層單跨矩形結(jié)構(gòu)（局部單層雙跨）；下面為正在建設(shè)的地鐵2號(hào)線隧道暗挖區(qū)間。通道采用明挖法跳倉(cāng)施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為放坡+土釘墻。鑒于地鐵隧道處于設(shè)備安裝及調(diào)試階段，多部門作業(yè)交叉影響較大，周圍環(huán)境復(fù)雜，采用測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)對(duì)涉及地鐵隧道區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案及實(shí)施

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

通道底板與暗挖區(qū)間的凈距為2.03～3.32 m，對(duì)應(yīng)地鐵2號(hào)線里程右DK22+460.861（左DK22+455.077）—右DK22+562.061（左DK22+556.277），兩端向外各延伸30 m，斷面布設(shè)范圍分別為161.2 m（上行左線）、161.2 m（下行右線），共計(jì)布設(shè)54個(gè)監(jiān)測(cè)斷面（左DM01—左DM27和右DM01—右DM27）。為實(shí)時(shí)獲取測(cè)站點(diǎn)精密三維坐標(biāo)，在測(cè)站兩側(cè)、施工影響范圍之外，布設(shè)8個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。基準(zhǔn)點(diǎn)為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定不動(dòng)的參照系，采用Leica GDR1圓棱鏡，基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)穩(wěn)固，保證整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中不受破壞。監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用Leica L型棱鏡，用膨脹螺絲固定在隧道壁上，并使棱鏡面正對(duì)測(cè)站。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，均勻布設(shè)在道床和結(jié)構(gòu)上。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件實(shí)施調(diào)整，保證不影響行車安全且在通視條件良好的位置布設(shè)[6]。見圖1。

3.2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

3.2.1 數(shù)據(jù)處理

1）沉降。獲得各管片監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程，計(jì)算各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值。

式中：[?Hi]為沉降值；[Hi]為第i次測(cè)量的高程；[Hi-1]為第i-1次的高程。

2）水平位移。獲得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)，根據(jù)平面坐標(biāo)的變化獲得隧道橫向和縱向位移。

式中：[?Xa]為a點(diǎn)兩次監(jiān)測(cè)期的橫向位移量；[?Ya]為a點(diǎn)兩次監(jiān)測(cè)期的縱向位移量；[Xai]為a點(diǎn)第i次監(jiān)測(cè)獲得的X坐標(biāo)；[Xa（i-1）]為a點(diǎn)第i-1次監(jiān)測(cè)得到的X坐標(biāo)；[Yai]為a點(diǎn)第i次監(jiān)測(cè)得到的Y坐標(biāo)；[Ya（i-1）]為a點(diǎn)第i-1次監(jiān)測(cè)得到的Y坐標(biāo)。

3）管片收斂。利用各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)反算測(cè)點(diǎn)間水平和豎向距離，然后與上次的測(cè)量值進(jìn)行比較，較差為本期水平和豎向收斂值。

式中：[xa、ya、ha]為監(jiān)測(cè)點(diǎn)a的三維坐標(biāo)；[xb、yb、hb]為監(jiān)測(cè)點(diǎn)b的三維坐標(biāo)；[Si-1]為上次測(cè)量隧道內(nèi)徑值；[Si]為本次測(cè)量隧道內(nèi)徑值；D為隧道收斂量。

3.2.2 監(jiān)測(cè)精度

隧道各監(jiān)測(cè)對(duì)象監(jiān)測(cè)精度見表1。

3.2.3 預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》要求，分為A、B、C、D四級(jí)預(yù)警進(jìn)行反饋和控制。見表2。

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.3.1 隧道結(jié)構(gòu)豎向位移

在聯(lián)通通道施工過程中對(duì)斷面15的影響最大且此斷面處于影響范圍的中間位置。人工測(cè)量和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)此處豎向位移累計(jì)最大值分別為-1.4、-2.09 mm，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為一致，沉降趨勢(shì)相同。聯(lián)通通道施工對(duì)隧道的影響較小，地鐵隧道處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。見圖2。

3.3.2 隧道結(jié)構(gòu)水平位移

施工在水平位移上對(duì)隧道的影響不大，隧道處于安全可控狀態(tài)。人工測(cè)量值和自動(dòng)化測(cè)量值較差最大為1.0 mm，兩者變化趨勢(shì)相似，表明兩種測(cè)量方法在隧道水平位移監(jiān)測(cè)中具有較好的一致性。見圖3。

3.3.3 隧道結(jié)構(gòu)徑向收斂

施工對(duì)隧道管片產(chǎn)生了一定影響，但在可控范圍內(nèi)。人工測(cè)量值和自動(dòng)化測(cè)量值較差最大為1.4 mm，兩者變化趨勢(shì)相似，表明兩種測(cè)量方法在管片收斂監(jiān)測(cè)中具有較好的一致性。見圖4。

4 結(jié)論和建議

機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在地鐵隧道保護(hù)監(jiān)測(cè)中可以實(shí)現(xiàn)全天實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠提供完整性的監(jiān)測(cè)信息，確保后續(xù)數(shù)據(jù)處理、分析和傳遞的效率，為監(jiān)測(cè)工作的科學(xué)性和高效性創(chuàng)造了良好的條件，人工數(shù)據(jù)與自動(dòng)化數(shù)據(jù)的對(duì)比也表明自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的可行性。不足之處是對(duì)于未運(yùn)營(yíng)的地鐵隧道，由于存在多工種交叉作業(yè)，在進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)過程中需要多次人工復(fù)核，以免監(jiān)測(cè)過程中會(huì)受到列車運(yùn)行和工作人員的干擾。對(duì)變形量較大和突變的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工復(fù)核，可以最大限度的消除外界干擾，以確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和真實(shí)性。

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[4]靳羽西，紀(jì)萬(wàn)坤，孫立坤.多臺(tái)測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵隧道中的應(yīng)用[J].北京測(cè)繪，2020，34（10）：1338-1342.

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