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地铁项目中测量机器人自动化监测技术的应用

2021-02-08 462 上传者：管理员

摘要：在地铁的修建及维护中由于地质条件、地铁周边工程、隧道自身负荷等因素的影响，隧道可能会出现变形，因此地铁隧道的变形监测是地铁建设中一项十分重要的工作。结合徕卡TS30测量机器人对X号线X—X区间隧道下穿地铁E号线X中心站自动化监测的实际案例，论述了地铁隧道变形监测理论与自动化监测技术，对测量机器人的工作方法及自动化监测的实施过程进行了介绍，同时结合人工二等水准测量对自动化监测的稳定性进行了试验研究。试验结果表明，利用测量机器人进行自动化监测具有很高的稳定性。

关键词：
二等水准测量
变形监测
地铁隧道
测量机器人
自动化监测
自动化监测技术
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随着科技的发展以及城市化进程的不断加快，城镇人口不断增加，如何缓解城市交通压力已成为相关部门及民众期待解决的问题。在此大背景下城市地铁的发展已是大势所趋。以往地铁的变形监测不但费时费力而且稳定性差，但随着科技的进步，具有智能化、信息化的测量机器人的诞生很好地改善了这一现象[1]。笔者论述了地铁隧道变形监测理论与自动化监测技术，并结合工程实例介绍了测量机器人和徕卡Geomos变形监测系统的优势以及自动化监测的方法和流程，同时采用人工二等水准测量对自动化监测进行稳定性检验，以检验测量机器人自动化监测的精度。

1、地铁隧道变形监测理论与自动化监测技术

1.1 国内外研究现状

国外对于测量机器人的自动化监测研究及应用较早，如Leica公司于20世纪80年代制造了第1台视像马达经纬仪TM3000V，配合监测软件APS组成了高精度自动变形监测系统，并在欧洲和新加坡地铁中获得应用。肯特市SALTWOOD隧道施工监测，用4台全站仪观测埋在隧道壁内的90个观测棱镜，再由APSWINPlus监测软件处理测量结果，并与警戒值自动进行比较。超出允许范围时，系统可以通过计算机调制解调器向规定的移动电话发送隧道变形位移的SMS信息进行提醒。

国外的测量机器人自动化监测技术较为成熟，但是价格昂贵且测量习惯还不能满足国内测量规范要求，因此从20世纪90年代起我国研发了符合我国测量规范的自动化监测设备及软件，如中南大学1998年用2台TCA1800自动全站仪在五强溪水电站工程大坝进行了边长交会试验，试验结果证明连续观测结果可靠，精度可达到毫米级；张学庄教授研究开发了“SMDAMS亚毫米级精度的大坝变形自动监测系统”等都具有很好的应用效果。这些研究和实践工作也为测量机器人的技术发展及其进一步的推广应用提供了动力，使得测量机器人的研究及应用更加广泛。

1.2 仪器介绍及软件系统

测量机器人（见图1）是一种具有高度智能化的现代测量仪器，在测量活动中能够自动瞄准、识别、读数的智能型电子全站仪[1]。同时，测量机器人还是一种基于通用仪器的一体化智能仪和CCD成像系统，并配置了智能控制系统和智能化应用软件发展而成的TPS系统[2]。测量机器人可以对目标进行自动识别、照准与读数，使测量过程变得极其便利，稳定性也很高，对多个测量目标点可在短时间内完成持续的、重复的观测工作[3]，极大地提高了测量效率。

处理软件采用莱卡公司开发的一种实时监测系统———Geomos，可满足现代监测的要求。其软件系统是在MictorkoftVC++开发的，结合MicrosoftSQLServer数据库，主要分为监控系统和与SQLSekrer数据库相连的分析系统[1]。其功能主要分为监测系统功能和分析系统功能（见图2）。

1.3 地铁隧道自动化监测理论方法

地铁隧道变形监测常用的方法一般为极坐标法与自由设站法[4]。

自动测角和量边是测量机器人的最基本功能，测量机器人一般使用极坐标法采集被测量点的三维坐标。在很多精密工程中测量机器人采集系统实际上就是一个极坐标测量系统。它是在测站坐标已知的情况下，通过获取到的目标点到测站的角度和距离，计算出目标点的三维坐标[5]。

自由设站法是基于边角后方交会的测量方法，通过自由设站，测量设站点到已知控制点的方向和距离，通过严密的平差计算确定设站点的坐标，然后完成后续测量任务[6]。

1.4 地铁隧道自动化监测技术

基于智能全站仪（测量机器人）的自动化监测技术，利用远程传输技术对测量机器人进行远程控制管理，指令测量机器人对隧道的监测断面进行实时连续的观测。该监测技术实现了完全自动测量、数据传输和处理，监测精度高、运行成本低，是目前地铁隧道监测中最常用的一种技术。自动变形监测系统主要由数据采集、数据传输、系统总控、数据处理、数据分析和数据管理等部分组成[7]。

2、工程案例

2.1 工程概况

1）地铁X号线X中心站—X东站区间概况。

X中心站—X东站区间西起X中心站，向东下穿E号线X中心站后，沿H四路走向至X东站，单线长1.13km[8]。隧道采用平顶直墙矩形断面。该区间隧道于2019年建成通车，目前已投入使用。

2）地铁E号线X中心站概况。

X中心站位于H新区地铁E号线上，地点在Q街和Y街之间（见图3）。车站为岛式车站，站台宽12m，长163.8m。该车站于2011年建成通车，目前已投入运营。

2.2 自动化监测实施

1）监测断面布置（见图4）。

在隧道影响范围（DK16+193—DK16+300）内，每隔5～10m布置1个监测断面；一般沿隧道轴线方向每隔10m布置1个监测断面；在变形较大区域每隔5m布置1个监测断面。每条隧道内布置14个监测断面，左右线共计28个监测断面，图中闪光点为棱镜布设处[9]。

2）基准点布设（见图5）。

根据隧道内实际情况，在影响区外隧道内的稳定位置布设两对基准点，共8次固定观测。采用固定棱镜作为测点进行布设。

3）工作基点位置（见图6）。

根据位置条件，在隧道左右两侧适当位置选择隧道变形自动监测系统的工作基点。工作基点在洞壁处设有观测装置，同时要确保测量机器人具有良好的视觉条件。隧道内通信信号开通后，通信模块中国移动GPRS选择连接互联网或中国联合通信CDMA，观测时机器人接收控制中心的指令，自动打开测量装置，并通过互联网将监控数据实时传输到控制中心。控制中心根据监控质量下达指令，进行测量和分析。

4）监测点布设（见图7）。

监测点必须布设在各监测断面的结构和道床上。每处安装4个反射棱镜（2个在道床上，2个在结构上）。所有反射棱镜直径为52mm，在确定变形点位置时，必须利用计量器的小视场功能，使计量器望远镜的视场均匀地分布，不进行相互干扰。

5）测量机器人自动化测量。

根据测量指令和频率检查方法，自动设置测量机器人的监测点。特别是利用计算机设置水平和垂直测量命令，测量机器人会依照指令自动找寻、照准、读取目标监测点。该命令使一般位置的搜索和检测自动识别加快，测量机器人正确观察监测点，并向计算机发送信息。

2.3 人工测量

在地铁X号线施工过程中，既有站中的远程自动化监测存在环境影响因素，所以对既有站结构及地铁轨道结构进行人工二等水准测量十分重要，只有及时复核检查远程自动化监测数据，才能确保既有线结构和运营的安全。采用几何物位测量法，使用TrimbleDINI03电子水准仪进行观测。电子水准仪有自己的测量程序及外业观测数据记录文件。采取在夜间地铁停运期间，对监测点进行监测，人工点位布设见图8。按照国家二等水准测量技术要求进行监测，夜间测量，需要在条码尺上粘贴灯带，往测时奇数站满足后-前-前-后，偶数站满足前-后-后-前，在监测点上立尺，依次测出监测点的高程，最后附和到另一侧基准点，查看闭合差是否满足要求，如果不满足则采用重新测量，直至满足限差要求[10]。

2.4 预警系统

该工程实例竖直位移允许值为：上升最大值为2mm，下沉最大值为4mm。水平位移允许值为5mm。当实测数据达到极限值的75%～85%时，系统会进行黄色预警；当实测数据达到极限值时，系统会进行红色报警。

3、精度对比分析

住房和城乡建设部发布的《国家二等水准测量规范》中，偶然中误差计算公式如下：公式1。

式中：MΔ为偶然中误差，mm；Δ为测段往返测高差不符值，mm;R为测段长度，km;n为测段数。

根据公式，计算自动化监测和人工二等水准测量对同一监测断面的监测数据，以检验自动化检测系统的稳定性。

1）竖直位移监测对比：节选右线道床CZDM01—CZDM14测段作为检测对象，对比结果见图9。测量机器人自动化监测与人工二等水准测量的整体走向趋势基本一致，但2种方法的监测结果在每个监测断面上都存在较差，其中自动化监测结果与二等水准测量结果最大较差为0.40mm，位于08监测断面上；最小较差为0.06mm，位于11监测断面上。

2）水平位移监测对比：节选了LDM14—LDM28测段作为检测对象，对比结果见图10。可以看出，在下穿过程中隧道监测断面水平位移值变化很小，小于1mm。自动化监测精度很可靠。

4、结语

上述工程案例中，测量机器人自动化监测与人工二等水准测量存在较差，竖直方向为0.06～0.40mm，水平方向均在1mm内，符合《国家二等水准测量规范》每千米高差偶然中误差在1mm内的极限要求，因此可以用于实际生产。相比于人工测量，测量机器人可以更加稳定、更加快捷地获取数据，效率大大超过了人工监测，如再配以人工二等水准测量定期检核，可以达到安全监测的目的，适宜在类似工程中应用。

参考文献：

[1]刘春,倪涵.Geomos自动监测系统与观测数据精度分析[J].水电自动化与大坝监测,2006,2(9):41-44.

[3]蒋晨,张书毕.基于VB的TM30测量机器人变形监测系统开发[J].金属矿山,2015,1(24):104-107.

[4]张正禄.工程测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2005:140-141.

[5]曾勇.基于TS30测量机器人地壳形变自动数据采集系统的研究与应用[D].西安:西安科技大学,2014.

[6]范亚军,黄腾,李东升,等.地铁隧道保护区水平位移监测方法的研究[J].测绘工程,2013,3(22):88-92.

[7]李剑波.自动化监测在既有地铁隧道抢险项目中的应用效果评述[J].四川建筑,2013,33(6):187-190.

[8]宾胜林,赵伟.地下交叉工程下穿有轨电车路基的影响分析[J].河北工业科技,2018(35):322-328.

[9]孙佳羽.基坑开挖引起周边既有隧道变形的预测分析[D].天津:天津大学,2016.

[10]路前程.无砟轨道线下工程沉降观测与评估技术的研究[D].成都:西南交通大学,2014.

陈立达.测量机器人自动化监测在某地铁项目中的应用[J].市政技术,2021,39(02):152-156.