摘要：為了更好地監(jiān)測基坑水平位移，研發(fā)了一種基于自由設站的測量機器人，它能夠在極端環(huán)境下準確監(jiān)測樁頂水平位移，具有良好的準確性和靈活性。這種技術(shù)不僅可以在深基坑樁頂水平位移監(jiān)測上得以體現(xiàn)，還可以在新建隧道的施工過程中，有效監(jiān)測隧道道床的沉降、收斂和水平位移，為施工帶來更加可靠的數(shù)據(jù)支撐。經(jīng)過多次實驗，發(fā)現(xiàn)測量機器人使用實時自動化監(jiān)控技術(shù)能夠給出準確信息，并且在很大程度上改善了建/構(gòu)造物的三維變形檢查。這種技術(shù)不僅為建設項目的安全提出了參考，而且也為其他領(lǐng)域的研究提出了新的思路。

關(guān)鍵詞：測量機器人??自由設站??基坑樁頂水平位移??既有線

Research?on?the?Application?of?Measurement?Robots?in?the?Deformation?Monitoring?of?Subways

CAI?Shaohui

（Nuclear?Industry?216?Brigade，Urumqi，?Xinjiang?Uygur?Autonomous?Region，830011?China）

Abstract：?In?order?to?better?monitor?the?horizontal?displacement?of?foundation?pits，?this?paper?develops?a?measurement?robot?based?on?free?stations?which?can?accurately?monitor?the?horizontal?displacement?of?pile?tops?in?the?extreme?environment?with?good?accuracy?and?flexibility.?This?technology?can?not?only?be?used?in?the?monitoring?of?the?horizontal?displacement?of?the?pile?top?of?deep?foundation?pits，?but?also?effectively?monitor?the?settlement，?convergence?and?horizontal?displacement?of?the?tunnel?bed?during?the?construction?process?of?new?tunnels，?providing?more?reliable?data?support?for?construction.?After?multiple?experiments，?it?is?found?that?measuring?robots?can?provide?accurate?information?by?real-time?automated?monitoring?technology?and?greatly?improve?the?three-dimensional?deformation?inspection?of?buildings/structures.?This?technology?not?only?provides?a?reference?for?the?safety?of?construction?projects，?but?also?provides?new?ideas?for?research?on?other?fields.

Key?Words：?Measurement?robot;?Free?station;?Horizontal?displacement?of?the?pile?top?of?foundation?pits;?Existing?line

監(jiān)測樁頂水平位移對于明挖基坑施工來說至關(guān)重要，但傳統(tǒng)的視準線法和小角法已經(jīng)無法滿足城市地鐵基坑施工所面臨的復雜環(huán)境[1]。為了解決樁頂水平位移監(jiān)測難題，利用現(xiàn)有的儀器設備，經(jīng)過反復測量、數(shù)據(jù)分析比對，發(fā)現(xiàn)利用測量機器人自動照準功能，采用自由設站技術(shù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)最為穩(wěn)定、精確。本文重點是使用徠卡機器人來監(jiān)測烏魯木齊市2號線一期工程中的明挖基坑和隧道。這種機器人可以更好地了解區(qū)域內(nèi)地面上物體的位置，并且能夠更準確地預測它們是否會發(fā)生偏斜。此外，這種機器還可以更好地檢查和維護區(qū)域內(nèi)地面上物體的穩(wěn)定性。

1測量機器人工作原理與作業(yè)流程

1.1測量機器人

測量機器人是一種能代替人進行自動搜索、跟蹤、辨識和精確照準目標并獲取角度、距離、坐標等信息的智能型速測電子全站儀。它是在全站儀的基礎上集成馬達和CCD影像傳感器等原件構(gòu)成的視頻成像系統(tǒng)，并配置智能化的控制測量及應用平差軟件發(fā)展而形成的[2]。測量機器人通過CCD影像傳感器等對目標進行識別，實現(xiàn)自我控制，并自動完成搜索、照準、讀數(shù)等操作，已完全可以代替人來完成許多測量任務，尤其是人無法到達或觸及的目標與區(qū)域。

1.2測量機器人工作原理

通過使用一臺高精度的測量機器人和一套先進的極坐標測量技術(shù)，可以對物體進行精確的變形監(jiān)控。

1.2.1強制觀測基站

強制觀測基站為測量機器人極坐標測量系統(tǒng)的起始點，用一個強制對準裝置來架設測量機器人。

1.2.2參照點

參照點為后視照準點。該點的平面坐標為已知，點位應布設于變形影響區(qū)域外的穩(wěn)固地帶，一般布設于變形影響區(qū)域外的樓房等高大建筑物上。

1.2.3目標點

目標點是根據(jù)設計要求，設置在變形體上能夠反映變形特征部位的目標。

1.3?測量機器人作業(yè)流程

（1）測量機器人的任務流程涵蓋了多個方面，其中最重要的是：首先，完成工程項目的管理，以便對相關(guān)的技術(shù)參考資料進行準確的記錄和數(shù)據(jù)分析；其次，完成系統(tǒng)的初始化，完成對各種參考資料的即時追蹤和數(shù)據(jù)分析，并將結(jié)果予以實時可視化顯示。（2）重新組織這句話：首先，需要開啟系統(tǒng)，并確保它能夠正確地完成后續(xù)任務。（3）調(diào)整機器人的參考標準，包括2C差異、指標差異、目標識別照準差[3]。（4）實施自動測量，即依照預定的監(jiān)控策劃，讓機器人能夠自動尋找目標，并定時予以觀察。（5）完成后，需要將所有的數(shù)據(jù)經(jīng)過精心的處理，以確保它們能夠準確地反映出實際情況。通過對數(shù)據(jù)的投射和平差處理，可以獲取到有關(guān)目標點的精確位置信息，從而為開展進一步研究奠定基礎。此外，還可用于對相關(guān)報告和結(jié)構(gòu)加以檢索和統(tǒng)計。

2?地鐵明挖基坑水平位移監(jiān)測實例

2.1工程概況

烏魯木齊市軌道交通2號線華山街站為一座明挖車站，車站主體結(jié)構(gòu)采用明挖法，連接車站小里程端區(qū)間隧道采用暗挖法、車站大里程端區(qū)間隧道采用明挖法施工。

2.2基坑水平位移監(jiān)測方案

2.2.1水平位移工作基點的布設

為了確保監(jiān)測的準確性，根據(jù)工程的特點，必須在施工基坑開挖深度的2倍范圍內(nèi)建立3～4個聯(lián)測基點，并在其周圍設置強制對中觀測墩和標志，以減少對中誤差的影響，進而提升監(jiān)測的精度。

2.2.2基坑監(jiān)測點的布設

為了更準確地測量樁頂水平位移，將測點分布于每個樁頂。對整個基坑進行測量，并將測點分布于其兩側(cè)。每側(cè)的測點之間的間隔為40?m。此外，還對基坑的陽角和重要區(qū)域進行加固[4]，總計布置16個水平位移測點。通過安裝一個固定的小棱鏡，可以有效地降低監(jiān)測點的偏移率，從而達到更準確的結(jié)果。

2.2.3測量機器人強制觀測墩的布設

為了更好地監(jiān)測工程的水平位移，在基坑周圍布置了4個強制觀測墩，每個墩至少有2個。由于該車站的長度較大，因此采取上述措施來確保能夠完整地監(jiān)測到所有的水平位移。

2.3監(jiān)測的作業(yè)方法

經(jīng)過嚴格的安裝和調(diào)試，完成對所有工作位置和水平位移的監(jiān)控。把測量機器人安裝在了預先安排好的位置，使它能夠按照要求正確移動，并對它的性能和能力進行評估，以便它能夠更好地完成任務。為了確保地下建筑物的穩(wěn)固，使用高精度的小型攝像頭來進行標識和記錄。在完成標識和記錄之后，使用清華山維平差軟件來確認每個標識和記錄的位置。同時，對每個標識和記錄進行投影，以獲得與建筑物方向平行的矢量位移。最后，根據(jù)以上獲得信息來評估建筑物的穩(wěn)定性，為保證建筑物的安全提供依據(jù)[5]。

2.4基坑樁頂水平位移監(jiān)測成果分析

為保證安全性，對地基的移動情況實行全面的監(jiān)控[6]。首先，對移動情況進行詳細檢查，并保證它們處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果發(fā)生了任何異?；蛲獠織l件發(fā)生了巨大的改變，將會增加對移動的檢查頻率，直到工程完工。經(jīng)過對16個監(jiān)測點的全面檢查，發(fā)現(xiàn)其對地基的影響力較弱，其最大偏差僅有5.4?mm，低于預定的移動限額30?mm。

根據(jù)基坑特點及變形影響，選取基坑西側(cè)影響較大區(qū)域ZQS-03監(jiān)測點，繪制監(jiān)測點變化的時程曲線圖，監(jiān)測點時程曲線如圖1所示。

對于監(jiān)測點受基坑開挖施工影響，分析監(jiān)測點的變形規(guī)律，具體如下。

工況①：土方開挖初期，當開挖地表一下2?m位置時，架設第一道鋼支撐，此時監(jiān)測值比較穩(wěn)定，最大變形為1.1?mm。

工況②：土方開挖至第二道鋼支撐以下0.5?m（約-8?m），架設第二道鋼支撐。在此段時間內(nèi)測點變形速率有增大趨勢，經(jīng)分析基坑西側(cè)為運輸?shù)缆?，渣土車輛及大型機械吊裝作業(yè)造成西側(cè)土體向基坑內(nèi)偏移5.4?mm，此時該變形點碾壓附近地表沉降點監(jiān)測值變化不大。

工況③：周邊荷載消除，第二道鋼支撐架設完成后，調(diào)整預加軸力值，基坑變形發(fā)生回彈。

工況④：基坑開挖到底，底板混凝土澆筑。與工況②類似，澆筑底板過程中，因混凝土罐車引起基坑西側(cè)向基坑內(nèi)偏移。

工況⑤：底板澆筑帶來的偏載消失后，與工況④類似，變形發(fā)生一定量的回彈。隨著鋼支撐拆除，邊墻結(jié)構(gòu)施工，中板及頂板鋼筋綁扎，變形趨于穩(wěn)定。

3地鐵隧道下穿既有線監(jiān)測實例

3.1工程概況

2號線二期的烏魯木齊市機場改造計劃，將以國際機場站作為開端，沿著機場第一跑道向西延伸，最終抵達T4航站樓站。這條新的航班線路將繼續(xù)沿著原來的軌道交通系統(tǒng)，使烏魯木齊機場更加便捷、安全。這個區(qū)域的結(jié)構(gòu)特點是使用了馬蹄型斷面。這條隧道的拱門處的高度在32～35?m之間，所經(jīng)過的地層大多是卵石，而且屬于V級。

3.2監(jiān)測內(nèi)容及要求

為確保地鐵系統(tǒng)的穩(wěn)健性和可靠性，使用先進的測量技術(shù)來檢查和評估在隧道下方的情況。這些技術(shù)能夠更準確、更快速地發(fā)現(xiàn)和識別可能存在的問題，并及時采取必要的補救和修復措施。這樣才能確保系統(tǒng)能夠在最短的時間內(nèi)恢復原狀，并且能夠確保系統(tǒng)順利完成工作。為了確保新建的隧道的安全[7]，將會對其進行詳細的檢查和評估，以便提供有效的指引。

3.3監(jiān)測方案

根據(jù)《城市地上地下工程建設風險管理技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，對現(xiàn)存的隧道結(jié)構(gòu)的檢查應當采取分步實施的措施：首先，在線路的兩側(cè)分別安裝監(jiān)測點，以便檢查其水平位移；其次，在結(jié)構(gòu)沉降、隧道收縮和水平位移的位置，也分別安裝監(jiān)測點；最后，在道床上安裝監(jiān)測點。

3.4監(jiān)測方法

通過使用先進的技術(shù)，可以對線道床的下降、收斂和水平位移實行智能化監(jiān)控。這個監(jiān)測系統(tǒng)包括了多個部分，如基準點、工作基點、變形點、全站儀和控制中心[8]。（1）基準點、工作基點：為了確保精度，還建立了3個或更多的穩(wěn)定的基準點。（2）變形點：通常需要放置3個或更多的基準測量點，這些測試點都要求具備足夠的視覺和力學性能，并且要求具備良好的角度和方向監(jiān)測能力。（3）全站儀：采用徠卡TS15測試機器人，測距精度為1?mm＋1.5?mm×10-6×D（D為邊長，單位：km）。（4）計算機機房：在計算機室，使用了一條高速的通信線路，將所有的計算機連接到了一個高精度的傳感器系統(tǒng)，以便對整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)提供實時監(jiān)測[9]。

3.5成果分析

經(jīng)過統(tǒng)計分析，國際機場站至T4航站樓站區(qū)間（現(xiàn)存1號線）的各項監(jiān)測點變形量均處于-4～4?mm范圍內(nèi)，且變形速率保持穩(wěn)定，風險可控。

3.5.1道床結(jié)構(gòu)沉降

通過對道床結(jié)構(gòu)的沉降監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)了一些明顯的變形，其中最嚴重的變形點，如圖2所示。但從變形曲線圖來看，這些沉降量都很低，符合了相關(guān)規(guī)范的要求。

3.5.2道床水平位移

通過對道床結(jié)構(gòu)的水平位移進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)左右兩條線的變形量都小于控制值±10?mm，并且變化趨勢相當穩(wěn)定，如圖3、圖4所示。

3.5.3隧道收斂變形

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，隧道下穿既有1號線隧道時，其變形量介于-1～2?mm之間，低于規(guī)范要求的±10?mm，如圖5所示。說明施工對隧道的影響較小，屬于正常變形情況。

經(jīng)過全面的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)當隧道橫跨現(xiàn)存鐵路干線時，它所造成的沉降、水平位移、結(jié)構(gòu)收縮等問題幾乎沒有受到任何影響，其累積變形量與變化頻率都符合相關(guān)標準，因此它并未給現(xiàn)存鐵路的正常使用帶來任何負面影響。

4?結(jié)語

（1）通過安裝具有高效率的測量機器人，并配備具有高性能的傳感器，能夠有效地抑制儀器與目標之間的偏差。此外，利用具有高性能的傳感器，還能夠?qū)崿F(xiàn)多次重復的自動校正，進而大大降低人員動作的錯誤，保證監(jiān)控的準確性。

（2）由于施工過程中的動荷載作用，基坑樁頂水平位移發(fā)生了顯著的變形，但在荷載消除之后，這種變形會出現(xiàn)一定的回彈。因此，應采取措施盡可能地減少坑邊堆載對基坑安全的不利影響。

（3）通過采用測量機器人自由設站技術(shù)，可以實現(xiàn)對復雜外形的建筑物三維變形的快速、準確的監(jiān)測，這種技術(shù)不僅適用于已有的隧道，而且還可以拓展到更多的領(lǐng)域。

參考文獻

• 張建坤，王智，谷冰峰，等.GNSS技術(shù)在基坑水平位移監(jiān)測中的應用研究[J].工程勘察，2016，44（10）：61-65.
• 高愛林，許文學，蔡軍.全站儀自由設站法在地鐵基坑水平位移監(jiān)測中的應用[J].都市快軌交通，2013，26（5）：93-96.
• 梅文勝，張正祿，黃全義.測量機器人在變形監(jiān)測中的應用研究[J].大壩與安全，2012（5）：33-35.
• 張愛國.地下立體交通工程樁-撐體系深基坑監(jiān)測淺析[J].甘肅科技，2018，34（19）：122-124.?
• 蔡少輝，唐強，張映寧.?TS15測量機器人在地鐵基坑水平位移監(jiān)測中的應用[J].科技資訊，2023，21（6）：1-6.?
• 何勇.自由測站邊角交會法在地鐵基坑水平位移變形監(jiān)測中的應用[J].運輸經(jīng)理世界，?2022（13）：1-3.
• 李雪，陳霖，趙衛(wèi)星，等.暗挖隧道下穿既有地鐵線路變形控制對比研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，?2023，53?（S2）：2709-2714.
• 蔡少輝.地鐵隧道下穿既有線風險監(jiān)測分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2022（23）：90-92.
• 蔡少輝.測量機器人自由設站技術(shù)在地鐵施工風險監(jiān)測中的應用[J].鈾礦地質(zhì)，2023，?39（4）：673-680.