測量機器人自動化測量在地鐵結構變形監測中的應用

賀磊，許誠權，陸曉勇，袁清龍

(南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210005)

1 引 言

隨著經濟的發展與青奧會的盛大舉行，南京市近年正大力興建地鐵工程。地鐵隧道建造在地質復雜的鬧市中心，周邊經常會有地產開發，難免伴隨大面積基坑開挖，導致臨近地表沉降及地層移動，從而使地鐵隧道所處土環境受到擾動，進而引起管片結構變形加大。地鐵工程關乎民生大計，對臨近基坑施工期間地鐵結構安全問題的監測與評價顯得尤為重要。

根據《南京市軌道交通管理條例》有關規定，為保證地鐵結構的安全，應對臨近建筑基坑施工過程中的地鐵結構進行全方位監測。通過監測工作的實施，掌握該項目在施工過程中對既有地鐵工程結構引起的變化，為建設方及地鐵相關方提供及時、可靠的數據和信息，評定施工對既有地鐵工程結構的影響，及時判斷既有地鐵工程的結構安全，對可能發生的事故提供及時、準確的預報，避免惡性事故的發生。

測量機器人以其高精度、自動尋找、識別和精確照準目標等優點，在地鐵自動化監測中的應用日益廣泛，關于自動化監測系統在地鐵變形監測中的應用已有一些研究［1～4］，然而監測過程中技術要點分析的研究還比較少見。本文以南京地鐵二號線為例，在某臨近建筑基坑施工周期內，采用測量機器人自動化監測系統對地鐵結構整體變形情況進行監測的技術要點及精度指標，為相似項目提供監測經驗。

2 工程背景

基坑位于南京地鐵二號線旁，基坑圍護結構邊線距二號線最近距離為43.1 m。基坑邊線對應二號線里程大概為K4+224.0～K4+445.8，約221.8 m，建筑基坑與二號線平面位置圖如圖1 所示。項目工程設三層地下室，負一層底板頂標高+0.50 m，負二層底板頂標高－5.50 m，負三層底板頂標高－11.10 m，基坑周長約706.8 m，面積約26 237.8 m2。基坑與二號線車站立面位置圖如圖2 所示。

圖1 建筑基坑與二號線平面位置圖

圖2 建筑基坑與二號線車站立面位置圖

3 監測系統介紹

3.1 儀器設備及監測系統

地鐵管線分為左線和右線。隧道結構變形監測共使用8 套Leica TM30(0.5″，0.6+1 ppm)測量機器人(Georobot)進行自動變形數據采集，其中左右線各4臺，24 h對地鐵隧道進行安全監測，實時發現地鐵隧道結構的形變，首次需進行學習測量。監測網測量要求如表1 所示。

監測網測量要求 表1

采用南京市測繪勘察院研發的“地鐵隧道結構自動化監測系統”進行管理。國際一流的自動變形數據采集設備與國際領先的自動化結構監測系統的高度融合，形成從自動數據采集、數據處理、數據分析、預警預報和數據傳輸分發高度智能的自動化安全監測管理系統。監測成果包括:垂直位移、水平位移、差異沉降、垂直度、收斂等測項。

3.2 自動化監測點的布設

項目基坑圍護結構邊線對應的地鐵左、右線區間每10 m各布設一個監測斷面(EZ04～EZ29，EY04～EY29)，該范圍兩側外延每20 m布設一個監測斷面(EZ01～EZ03;EZ30～EZ32;EY01～EY03;EY30～EY32)，左右線各布設32 個監測斷面，共64 個監測斷面。自動化監測點與人工監測點同一監測斷面。

每個斷面根據監測需要及現場環境布設6 個監測棱鏡，安置永久性L 型迷你棱鏡。由各斷面監測點的坐標值可解算出監測項值。由各斷面監測點X 及Z的變化量可計算出該斷面的水平位移和垂直位移;由各斷面左右腰線上兩個監測點的坐標值可計算出該斷面收斂值。工作基點布設圖如圖3 所示，斷面監測棱鏡布設圖如圖4 所示。

圖3 工作基點布設圖

圖4 斷面監測棱鏡布設圖

3.3 監測系統的優勢

自動化監測系統能夠實時無線向指定人員發送監測成果和預警、預報;能夠解決人工監測只能在地鐵停運期間監測的弊端，24 h提供監測區域內的建設施工對地鐵隧道穩定性的影響，并對施工方案提出調整建議。同時，通過自動監測數據可以分析地鐵振動對隧道結構變形產生的影響。采用人工輔助與自動化相結合的監測方案，大大節約了監測成本，定期通過人工輔助監測，一旦發現隧道結構變形異常時，立即實施24 h自動監測，為地鐵安全提供準確、及時的檢測數據與預警預報。

4 監測效果及分析

該監測項目中，在使用測量機器人進行自動化監測的同時，亦進行人工監測。人工監測的頻次根據工況數量與變形量大小來確定。在人工監測數據處理完成后，將結果與同時段的自動化監測成果進行比較，以研究自動化監測系統的可靠性。當人工與自動化監測成果相差大于(m人為當期人工監測中誤差，m自為當期自動化監測中誤差)時，由控制系統及時調整監測頻率，并分析人工與自動化監測成果相差偏大的原因。

監測周期從2013年9月持續到2014年7月。在本項目監測周期內，以人工(精密水準)及自動化垂直位移為例，進行同階段變化量對比分析，左、右線自動化與人工垂直位移階段變化量曲線如圖5、圖6 所示。

工程實例分析顯示，人工、自動化垂直位移變化趨勢一致，兩者整體偏差較小，最大值偏差未超過1.5 mm，自動化垂直位移監測有較高精度和可靠性。本項目同一監測階段內，自動化監測與傳統人工監測各測項數據較差如表2 所示。

圖5 地鐵左線人工與自動化階段沉降量(mm)

圖6 地鐵右線人工與自動化階段沉降量(mm)

自動化與人工監測數據較差統計表 表2

5 結 論

本文介紹了測量機器人自動化實時監測自動化實時監測在基坑施工導致地鐵隧道變形的監測中應用的技術要點。得到以下結論:

(1)自動化監測能夠彌補人工檢測的不足，不受地鐵運營時間的限制，在地鐵運營期間內仍能夠對地鐵結構進行安全監測。

(2)自動化監測具有精度高、快捷高效的優點，其沉降監測成果與精密水準人工監測成果吻合良好，成果可靠，適宜在類似項目中得到應用。

［1］儲征偉，鐘金寧，段偉等．自動化三維高精度智能監測系統在地鐵變形監測中的應用［J］．東南大學學報:自然科學版，2013，43(S2):225～229．

［2］張正祿，孔寧，沈飛飛等．地鐵變形監測方案設計與變形分析［J］．測繪信息與工程，2010，35(6):25～26．

［3］肖曉春，何擁軍，朱雁飛等．地下空間開發中變形監測的新技術［J］．現代隧道技術，2007，44(1):44～50．

［4］梅文勝，張正祿．測量機器人控制網觀測與數據處理自動化研究［J］．測繪通報，2003，28(5)．