地鐵隧道全站儀自動化監測的技術難點問題及解決方案

黃鴻偉

(廣州廣瑞測繪儀器有限公司, 廣東 廣州 510000)

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地鐵隧道全站儀自動化監測的技術難點問題及解決方案

黃鴻偉

(廣州廣瑞測繪儀器有限公司, 廣東 廣州 510000)

地鐵旁的基坑開挖可能引起的地鐵外部荷載的變化會對地鐵結構安全造成影響，因此對地鐵結構進行監測，了解其變形情況和原因并采取有效措施，對于預防工程事故、保證地鐵的正常運營是非常重要的。

深圳前海自貿區在開展大規模開發建設的同時，注意對運營地鐵結構的保護監測。前海地鐵保護監測項目是針對前海灣的羅寶線、環中線地鐵結構進行的全自動監測。項目監測區間長，工作基點位于變形區內，極易受地鐵運行列車振動和氣流變化、基坑施工中打樁引起振動等不利因素的影響，現場部分區間沒有網絡信號，因此如何確保監測數據的精度和傳輸成為面臨的關鍵問題。本項目采用6臺索佳NET05AXII測量機器人和南方SMOS監測系統，通過連續監測，及時準確地掌握了地鐵結構的變形情況。

一、監測系統組成

自動監測系統主要由索佳NET05AXII測量機器人、南方SMOS監測系統軟件、通信控制系統和監測棱鏡組成。

1. 索佳NET05AXII測量機器人

地鐵運營期保護監測項目特點決定了只能采用自動化監測，而且系統安裝調試只能在地鐵運營窗口期間進行，實施時間非常短。項目采用了索佳NET05AXII測量機器人(如圖1所示)，它具有目標自動識別、照準及自動測量功能，測角精度0.5″，測距精度0.8 mm+1×10-6D。索佳NET05AXII的目標照明和激光指向功能在快速發現并照準目標時大大提高了安裝調試的速度。

2. 監測棱鏡

目標棱鏡設置在基準點和變形點上。目標棱鏡采用標準圓棱鏡或L型小棱鏡(如圖2所示)，目標距離較近時選用L型微棱鏡，較遠時選用標準圓棱鏡或L型棱鏡。在隧道壁上牢固安裝好棱鏡，并使棱鏡面正對工作基點(即測站點)，安裝棱鏡時注意不能穿透防水層，對于在隧道下方的監測點，為了防止碰動點位可加角鋼進行保護。

圖1　索佳NET05AXII測量機器人

圖2　標準棱鏡和L型棱鏡

從基坑施工開始直至主體結構回填完成土體變形穩定為止，對受施工影響的地鐵隧道結構進行變形自動監測，從而準確測量出地鐵隧道結構在三維方向的局部變形和隧道整體的變形值、變形的準確位置、最大最小值、變形方向和變形速率等(如圖3所示)。

3. 通信控制系統

監測系統中一般通過GPRS無線網絡控制全站儀進行自動化監測。本項目在部分區間沒有網絡信號采用了光纖延長至有無線網絡的區間，再通過GPRS實現網絡遠程通信，并支持遠程電源管理(如圖4所示)。

圖3　盾構隧道斷面測點布置圖明挖隧道斷面測點布置圖

圖4　通信控制系統

4. 南方SMOS監測系統軟件

南方SMOS監測系統軟件是一款專業實時自動監測軟件，支持各主流品牌測量機器人，多種限差實時檢核和報警，通過軟件的控制和數據分析，利用實時差分改正技術，消除了現場無固定規律的氣象條件和各種外界條件所帶來的影響，使測量值更接近于真值，達到高精度實時顯示各監測點的變形趨勢。SMOS監測系統軟件具有儀器參數遠程檢查及設置、電源管理和測站檢查等功能，可確保監測系統穩定可靠運行。

1) SMOS監測系統軟件支持多個監測任務同時運行(如圖5所示)。

2) 通過實時測量已知點組的三維成果，軟件自動計算所有實測已知點與理論數據的差分值，并將其實時配賦到每一個監測點，最大化地消除綜合氣象條件導致的不固定誤差，從而得到最或是監測成果。監測數據曲線繪制功能可提供監測過程曲線，如監測量、監測量變化、監測量速率的時間過程曲線及進尺過程曲線，監測量、監測量變化、監測量速率的分布曲線等；同時還能將地面與地下監測變形量值進行關聯分析，在地鐵運營期起到地鐵隧道結構保護作用(如圖6、圖7所示)。

圖5　任務運行管理

圖6　實時三維成果

圖7　回歸分析

二、技術難點問題及解決方案

地鐵隧道是狹長形的空間環境，同時，地下列車一般以平均5 min左右的時間間隔車次在地鐵隧道中高速運行。地鐵環境的這些特點及保證地鐵正常運營等因素的制約，使得自動變形監測系統在地鐵變形監測中的應用遇到比其他工程中更多的技術問題。同時，這些制約因素也使得在地鐵變形監測中，自動變形監測手段有著常規測量無法比擬的優越性。

南方SMOS自動監測系統可以在無人值守的情況下，全天24 h連續地自動監測，實時地進行數據處理、數據分析、報表輸出、圖形提供和自動報警等，完全可以在列車正常運行的情況下進行自動測量。

三、結束語

1) 項目所采用的6臺索佳NET05AXII測量機器人一直運行良好，無論在精度還是在可靠性方面都滿足長期精密監測的要求，為監測系統長期運行提供了基礎保障。

2) 索佳NET05AXII測量機器人具有的目標照明和激光指向功能，能快速發現并照準目標，大大提高了安裝調試的速度。

3) 南方SMOS監測系統特有的測量系統控制設計，考慮了多種異常狀況的影響。

4) 嚴格的測量數據質量檢查機制，從測量采集控制到測站點和控制點檢查，為確保監測成果質量提供了有力保障。

5) 嚴密的數據處理技術模型消除了各種外界條件所帶來的影響，使測量值更接近于真值，準確地反映出隧道結構的變形情況。

6) 遠程通信控制系統的可靠性在長期自動化監測任務中對整個監測系統的可靠性至關重要。

全站儀自動化監測在地鐵保護監測中已廣泛使用，在實際監測過程中面臨影響監測精度、系統可靠性和實施可行性等諸多問題。本項目過去一年半的監測工作證明，索佳NET05AXII測量機器人結合南方SMOS監測系統能克服長期運行中的各種可能問題，系統穩定可靠，自動化程度高，能夠滿足地鐵隧道變形監測工作的需求。

測繪4.0：拓普康索佳應用方案專欄