利用單臺(tái)測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行隧道網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)

王宇會(huì)，余 旭，李錦城

(廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

隨著我國(guó)軌道交通的發(fā)展、地下空間的開(kāi)發(fā)，使得隧道監(jiān)測(cè)的工作越來(lái)越艱巨，目前常用的進(jìn)行隧道監(jiān)測(cè)方法有:①收斂計(jì)法:該方法是一種傳統(tǒng)的進(jìn)行收斂監(jiān)測(cè)的方法，它具有精度高成本低的特點(diǎn)，但是不能反映隧道圍巖的三維變形信息，而且對(duì)于大斷面隧道操作不便［1-2］;②單臺(tái)測(cè)量機(jī)器人實(shí)時(shí)差分監(jiān)測(cè):該方法可以在無(wú)人值守的情況下自動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)、實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表輸出及提供圖形等［3］，但是監(jiān)測(cè)范圍較小，由于只有一臺(tái)全站儀，且設(shè)站位置固定，無(wú)法組網(wǎng)測(cè)量，要達(dá)到亞毫米級(jí)精度必須采用合理的測(cè)量方案和數(shù)據(jù)處理的方法［4］;③多臺(tái)測(cè)量機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè):該方法將動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)測(cè)量和變形點(diǎn)組織為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)了基準(zhǔn)測(cè)量和變形監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化，且自動(dòng)化精度高，適合于較大變形區(qū)域的監(jiān)測(cè)［5］，但是成本較高。系統(tǒng)建立之后，從監(jiān)測(cè)開(kāi)始至監(jiān)測(cè)結(jié)束，只服務(wù)于一項(xiàng)工程。本文根據(jù)隧道監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)提出了利用單臺(tái)全站儀進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的方法，該方法可以在需要的時(shí)候進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)周期隨意，并且適用于任意形狀的隧道，儀器在兩期觀測(cè)之間還可以服務(wù)于其它的工程。

1 監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建立

1.1 基準(zhǔn)網(wǎng)的構(gòu)建

如圖1所示基準(zhǔn)網(wǎng)的兩端是隧道外的控制點(diǎn)，中間的參考點(diǎn)由監(jiān)測(cè)斷面上的變形點(diǎn)構(gòu)成，在其上方安置圓棱鏡，以便在不同的測(cè)站上都可以對(duì)其進(jìn)行觀測(cè);測(cè)站點(diǎn)的位置可以選擇在隧道中心線上，也可以選擇在隧道的側(cè)壁上用強(qiáng)制對(duì)中的方式來(lái)安置。

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置

圖1 基準(zhǔn)網(wǎng)的建立

首先按照監(jiān)測(cè)等級(jí)確定監(jiān)測(cè)斷面，在監(jiān)測(cè)斷面上確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置(見(jiàn)圖2)。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安置正對(duì)測(cè)站點(diǎn)的棱鏡，為保證監(jiān)測(cè)質(zhì)量，測(cè)站點(diǎn)至參考點(diǎn)之間的監(jiān)測(cè)點(diǎn)均在該測(cè)站進(jìn)行觀測(cè)，即保證每一測(cè)站觀測(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離均小于等于測(cè)站點(diǎn)至參考點(diǎn)的距離。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

在布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、參考點(diǎn)和選擇測(cè)站點(diǎn)的時(shí)候，應(yīng)注意避免望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的棱鏡，否則儀器在進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤代碼 AUT_RC_MULTIPLE_TARGETS，使得程序無(wú)法正常運(yùn)行或搜索到錯(cuò)誤的棱鏡［6］。

2 系統(tǒng)軟件的構(gòu)成

系統(tǒng)軟件主要由三部分構(gòu)成:觀測(cè)部分、數(shù)據(jù)處理部分以及數(shù)據(jù)管理與輸出部分。

2.1 觀測(cè)軟件

觀測(cè)軟件用來(lái)對(duì)所有的參考點(diǎn)和變形點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，其實(shí)質(zhì)是在GeoCOM控制下的全自動(dòng)觀測(cè)。該部分需要處理的關(guān)鍵模塊有:

2.1.1 監(jiān)測(cè)控制模塊

觀測(cè)前的準(zhǔn)備:在進(jìn)行監(jiān)測(cè)之前，在所有的測(cè)站點(diǎn)上對(duì)該測(cè)站上的所有參考點(diǎn)和變形點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，并將觀測(cè)信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)中(一個(gè)測(cè)站一個(gè)數(shù)據(jù)表)作為以后每期監(jiān)測(cè)的控制文件(見(jiàn)圖3)。

圖3 一個(gè)測(cè)站的觀測(cè)

為盡量減少時(shí)間，在進(jìn)行每一期監(jiān)測(cè)時(shí)，安置好儀器之后，該模塊會(huì)提示輸入測(cè)站點(diǎn)號(hào)，并提示照準(zhǔn)該測(cè)站一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)輸入其點(diǎn)名，之后軟件會(huì)自動(dòng)尋找到該測(cè)站的觀測(cè)信息數(shù)據(jù)表，以控制儀器尋找到所要觀測(cè)的所有點(diǎn)。之后軟件控制測(cè)量機(jī)器人按照測(cè)量規(guī)范或用戶設(shè)置的要求進(jìn)行觀測(cè)。

2.1.2 重測(cè)和補(bǔ)測(cè)模塊

該模塊主要解決對(duì)GeoCOM返回代碼不正常(不是RC_OK)的方向進(jìn)行補(bǔ)測(cè)和對(duì)沒(méi)有達(dá)到限差要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行重測(cè)的問(wèn)題。

GeoCOM的每一條指令的返回值用以表明該指令的實(shí)行情況:當(dāng)返回值是RC_OK時(shí)，表明指令被順利執(zhí)行，觀測(cè)數(shù)據(jù)有效;當(dāng)返回值不是 RC_OK時(shí)，需要分情況區(qū)別對(duì)待(如:返回值是RC_TIME_OUT時(shí)表明通訊超時(shí)，應(yīng)重新設(shè)置通訊超時(shí)時(shí)間。返回值為ANG_BAD_ACC時(shí)表明測(cè)角精度達(dá)不到要求，應(yīng)重新進(jìn)行觀測(cè))，以保障后續(xù)的觀測(cè)能夠正常進(jìn)行。

在每一站觀測(cè)結(jié)束之后，軟件會(huì)按照用戶設(shè)置的觀測(cè)限差或觀測(cè)等級(jí)的要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)于精度沒(méi)有達(dá)到要求的方向，軟件會(huì)按照規(guī)范要求進(jìn)行重測(cè)，對(duì)于重測(cè)3次仍不能滿足要求的方向，提示給用戶，采用人工照準(zhǔn)的方式進(jìn)行測(cè)量。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理過(guò)程主要分為兩部分:參考點(diǎn)數(shù)據(jù)的解算、變形量的計(jì)算。

2.2.1 參考點(diǎn)坐標(biāo)的解算

由隧道外的控制點(diǎn)、測(cè)站點(diǎn)和參考點(diǎn)構(gòu)成了隧道內(nèi)的控制網(wǎng)。其中隧道外的控制點(diǎn)是已知點(diǎn)，測(cè)站點(diǎn)和參考點(diǎn)是待求點(diǎn)。對(duì)該控制網(wǎng)的解算采用間接平差的方法［7］。首先求出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo):①由隧道一端的控制點(diǎn)，按照自由設(shè)站的方法解算出測(cè)站點(diǎn)的坐標(biāo);②由測(cè)站點(diǎn)的坐標(biāo)按照極坐標(biāo)的方法計(jì)算參考點(diǎn)的坐標(biāo);③如此類推，直至最后一個(gè)測(cè)站。將上述所有點(diǎn)的坐標(biāo)作為該點(diǎn)的坐標(biāo)初始值。

然后列立誤差方程，組成法方程，最后求解各點(diǎn)的坐標(biāo)。

2.2.2 變形點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算

在一個(gè)測(cè)站上的觀測(cè)，相當(dāng)于一個(gè)單臺(tái)全站儀的全自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而且在隧道中氣象條件相差不大，很適合多重差分技術(shù)的應(yīng)用。所以在計(jì)算出參考點(diǎn)和測(cè)站點(diǎn)的坐標(biāo)之后，利用多重差分技術(shù)［8］在各測(cè)站分別計(jì)算該測(cè)站點(diǎn)觀測(cè)的變形點(diǎn)的坐標(biāo)。

2.3 數(shù)據(jù)的管理與輸出

為方便檢索、存儲(chǔ)及輸出，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理各項(xiàng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)主要有兩個(gè):控制文件數(shù)據(jù)庫(kù)和成果數(shù)據(jù)庫(kù)。其中控制文件數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)表的個(gè)數(shù)與測(cè)站點(diǎn)數(shù)相同，一個(gè)數(shù)據(jù)表用于存儲(chǔ)一個(gè)測(cè)站的信息(包括參考點(diǎn)和變形點(diǎn)位置數(shù)據(jù))，用以在觀測(cè)時(shí)控制儀器尋找目標(biāo)。成果數(shù)據(jù)庫(kù)包含兩個(gè)數(shù)據(jù)表，一個(gè)數(shù)據(jù)表用來(lái)存儲(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)(包括水平度盤讀數(shù)、豎直度盤讀數(shù)、斜距等)，另一個(gè)數(shù)據(jù)表用以存儲(chǔ)坐標(biāo)及變形信息(包括坐標(biāo)、本期位移及總體位移等)。

數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件可以提供用戶查詢數(shù)據(jù)、用曲線圖形顯示變形信息以及報(bào)表的輸出功能。

3 系統(tǒng)在隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

某地鐵出口有一條“L”形的過(guò)街隧道，該隧道所處區(qū)域是一個(gè)大面積的正在施工的場(chǎng)地，在該隧道進(jìn)行支護(hù)之后，由于周圍其他構(gòu)筑物的施工需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于在“L”形的隧道中，采用1臺(tái)全站儀1個(gè)測(cè)站無(wú)法觀測(cè)到所有的點(diǎn)，另外監(jiān)測(cè)的周期又與施工的進(jìn)度有很大的關(guān)系，于是選擇了利用單臺(tái)全站儀網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的方法。

3.1 監(jiān)測(cè)網(wǎng)的設(shè)置

隧道的兩個(gè)洞口分別有3個(gè)控制點(diǎn)，在整個(gè)隧道共布置監(jiān)測(cè)斷面25個(gè)，每個(gè)斷面有12個(gè)點(diǎn)，每隔6～9個(gè)斷面設(shè)置一個(gè)測(cè)站點(diǎn)，測(cè)站點(diǎn)用鋼架固定在隧道壁上，儀器采用強(qiáng)制對(duì)中的方式。在兩個(gè)測(cè)站中間的斷面上選擇3～5個(gè)通視條件較好的點(diǎn)作為參考點(diǎn)，其上安置360°Leica圓棱鏡，其余點(diǎn)上安置普通棱鏡。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)和參考點(diǎn)的編號(hào)按照6位數(shù)字進(jìn)行，其中前三個(gè)字符表示所在斷面的編號(hào)，后三位數(shù)字表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的編號(hào)，后三位數(shù)字中第一個(gè)字符為“0”或“1”，用于區(qū)分參考點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中“1”表示參考點(diǎn)，“0”表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)，后兩個(gè)字符用于表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)號(hào)。如點(diǎn)“001008”表示該點(diǎn)是在第一個(gè)斷面上的第八個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn);“005101”表示該點(diǎn)是在第五個(gè)斷面上的第一個(gè)參考點(diǎn)。

3.2 系統(tǒng)的運(yùn)行

系統(tǒng)利用一臺(tái)Leica TCA1800、一個(gè)筆記本電腦進(jìn)行觀測(cè)。從第一期觀測(cè)開(kāi)始，每期需要進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，將儀器搬至變形區(qū)與筆記本電腦相連，運(yùn)行監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行觀測(cè)。一個(gè)測(cè)站的觀測(cè)結(jié)束之后，人工將儀器搬至下一測(cè)站，直至另一端。全部觀測(cè)結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的解算、報(bào)表的輸出。

監(jiān)測(cè)頻率一般為每天4次，施工進(jìn)度較快時(shí)，每天觀測(cè)的次數(shù)稍微有所增加;施工進(jìn)度比較慢時(shí)，每天觀測(cè)的次數(shù)略微有所減少，直至外圍所有工程停止施工，監(jiān)測(cè)周期逐步加大，直至隧道穩(wěn)定。

整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程一直持續(xù)到外部施工結(jié)束，并且隧道變形穩(wěn)定，共計(jì)獲得300多期觀測(cè)數(shù)據(jù)。從這些數(shù)據(jù)中可以看出，最弱點(diǎn)的周期平均精度為1.0 mm，周期的最大點(diǎn)位誤差為1.7 mm，其它點(diǎn)的周期平均精度0.7 mm，周期最大點(diǎn)位中誤差1.5 mm，可以滿足地下結(jié)構(gòu)物變形監(jiān)測(cè)的要求。

4 結(jié)論與建議

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)繼承了單臺(tái)全站儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，又?jǐn)U大了其應(yīng)用的范圍，其優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)有:

1)系統(tǒng)采用了自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，每個(gè)測(cè)站的觀測(cè)，均不需人工干預(yù)，儀器自動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)、自動(dòng)記錄、自動(dòng)篩查數(shù)據(jù)、自動(dòng)對(duì)不合格的數(shù)據(jù)進(jìn)行重測(cè)或補(bǔ)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)測(cè)站觀測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化。

2)雖然測(cè)站點(diǎn)和參考點(diǎn)均在變形區(qū)域范圍內(nèi)，但是每次監(jiān)測(cè)結(jié)束后，數(shù)據(jù)解算均采用洞口外的控制點(diǎn)作為已知數(shù)據(jù)，有效地防止了測(cè)站點(diǎn)位移和參考點(diǎn)不穩(wěn)定對(duì)變形數(shù)據(jù)的影響。

3)在兩個(gè)測(cè)站點(diǎn)之間的斷面上選擇參考點(diǎn)，利用該斷面上的參考點(diǎn)對(duì)參考點(diǎn)與測(cè)站點(diǎn)之間的變形點(diǎn)進(jìn)行差分計(jì)算，確保了參考點(diǎn)至測(cè)站點(diǎn)的距離不小于變形點(diǎn)至測(cè)站點(diǎn)的距離，有效地保證了變形點(diǎn)的監(jiān)測(cè)精度［9］。

4)在監(jiān)測(cè)周期比較長(zhǎng)的時(shí)候，一臺(tái)儀器在服務(wù)于該工程的同時(shí)，可以服務(wù)于其它的工程，大大提高了儀器的使用效率。

本變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行需要人工將儀器從第一個(gè)測(cè)站搬至最后一個(gè)測(cè)站，并進(jìn)行每個(gè)測(cè)站的初始照準(zhǔn)，雖然沒(méi)有達(dá)到完全自動(dòng)化，但是造價(jià)低，可以發(fā)揮儀器的最大效率，適合于任意形狀的隧道監(jiān)測(cè)，但是為防止觀測(cè)過(guò)程中的誤差積累，隧道的長(zhǎng)度不宜過(guò)大。

［1］ 劉紹棠，王志武．隧道圍巖收斂監(jiān)測(cè)方法及其特點(diǎn)［J］．鐵道建筑，2008(4):44-46．

［2］ 張先軍，王玉鎖，葉躍忠．西格嶺隧道施工監(jiān)控量測(cè)技術(shù)研究［J］．鐵道建筑，2010(11):57-59．

［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．基于測(cè)量機(jī)器人的自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］．測(cè)繪通報(bào)，2006(12):41-44．

［5］ 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．

［6］ 王宇會(huì)，蔣利龍．測(cè)量機(jī)器人視場(chǎng)內(nèi)多目標(biāo)問(wèn)題的研究［J］．工程勘察，2011(1):84-86．

［7］ 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院測(cè)量平差學(xué)科組．誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)［M］．武漢:武漢大學(xué)出版社，2006．

［8］ 包歡．差分方法在測(cè)量中的應(yīng)用［J］．測(cè)繪通報(bào)，2003(5):29-31．

［9］ 徐忠陽(yáng)，張良琚，包歡．自動(dòng)極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其在大壩外部變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］．測(cè)繪通報(bào)，2001(9):28-30．