自動化監測技術在營業線施工中的應用與研究

侯 學

(中鐵四局集團有限公司設計研究院，安徽 合肥 230023)

0 引 言

我國變形監測技術自20世紀50年代開始，發展至20世紀80年代使用自動化遙測，到20世紀90年代開始逐步使用自動化監測技術。隨著科學技術的不斷創新和新型監測設備的更新換代，目前自動化監測技術已取得長足的進步，也不斷延伸至各個領域。隨著工程建設領域安全風險意識不斷提高，自動化監測系統已然成為當今工程監測領域的主旋律。能更好地滿足對工程監測的要求也不斷提高。對工程監測系統的高頻次、高精度、高效率、及時性、智能化等嚴格要求。因此，在各類基坑、大壩、隧道、橋涵、鐵路等重要的大型項目上，自動化監測技術不斷普及，傳統的監測方式將面臨淘汰。

1 自動化監測系統設計

系統的設計應滿足一定的原則，盡量做到可靠、經濟、合理。監測系統是提供獲取結構變形信息的工具，使決策者可以針對特定目標做出正確的決策，設計原則如下：

(1)保證系統的有效性。

(2)保證系統的可靠性。

(3)保證系統的先進性。

(4)保證系統的可操作和易于維護性。

(5)系統應該具有很好的開放性、兼容性。在滿足功能要求的前提下，應充分考慮現代技術的快速發展，以便系統升級。同時能夠實現與交通工程、管理養護等系統對接，實現信息共享。

(6)系統具有遠程固件升級功能：根據系統自檢以及系統需求可對遠程固件進行完善，且系統具備各種類型的通信協議和接口，可為后期設備升級服務。

(7)以最優成本控制：監測系統的一個原則就是利用最優布控方式做到既節省項目成本、后期維護投入的人力及物力，又能最大限度發揮出實際監測的效果。

系統堅持貫徹“技術可行、實施可能、經濟合理”的基本原則，使監測系統充分發揮作用，為工程施工和營業線運營提供數據上和技術上的支持。

2 全站儀自動化監測技術

全站儀自動化監測技術是由傳統全站儀監測方式衍生而來，從自動全站儀基礎上開發出的智能化變形監測系統，其測角精度可達到0.5″，測距精度高，測站局部坐標系統的測量精度可達到毫米級[1]。

2.1 全站儀自動化監測技術原理

全站儀自動化監測技術是利用CDMA通信網及因特網遠程控制全自動全站儀，實現對項目現場監測棱鏡組進行自動循環測量，并將監測數據通過監測終端傳輸至后臺軟件，由后臺軟件對監測數據進行解析、平差、運算、篩選，并繪制成工程所需的監測圖表(圖1)。

圖1 全站儀監測系統架構

2.2 全站儀自動化監測技術特點

2.2.1 全站儀自動化監測技術優勢

(1) 自動全站儀監測系統，利用全站儀對多個測點處布設的棱鏡進行自動化掃描，監測測點的沉降及位移變化。該系統測量精度高，測點布設方式快捷，并且全站儀和棱鏡在施工期間可實時提供監測服務。施工結束后，在運維階段也可作為日常運維監測系統繼續使用，亦可為其他工程測量需求提供服務，設備用途廣泛，可持續性好。

(2) 該系統監測效率高，適應性好，地鐵、隧道等弱光環境下也不受影響。可實現實時監測，滿足涉鐵工程監測中監測頻次高于1次/2小時的規定。

(3)系統安裝簡單、快速，能在1～3 d完成儀器及監測點位埋設，項目施工過程中可任意增刪監測點和控制點，項目實施階段發生點位破壞、監測預警、不可抗力因素等也可及時恢復、增設監測點及加密監測頻次，極大保證了監測數據的連續性。

《紀效新書》是戚大帥寫給不通文墨的部下看的，自然淺顯易懂。但像“武經七書”這種東西，駱劍峰等人就讀得想死。這套自宋朝流傳下來的兵家名著，實為七本兵書的合集，故而名為“七書”，這七本里年代最近的一本，就是之前搞得駱劍峰和成俊麒暈頭轉向的《李衛公問對》，這本書好歹還是唐初的，另外六本大半傳自春秋戰國時期，每個字單獨拆開來還勉強認得，組合在一起和天書無異！

(4)受施工影響較小。由于儀器架設位置選擇在施工影響區外的高處(圖2)，因此受施工環境影響較小，減少了監測誤差。

圖2 監測項目全站儀現場架設圖

2.2.2 全站儀自動化監測技術缺陷

(1) 理論上一臺全站儀可以覆蓋的監測點位是不受限制的，但實際工程實施過程中，由于受到現場地形條件和監測頻次限制，可能需要多臺全自動全站儀對監測點位進行完全覆蓋，加大了監測成本投入。例如合肥市軌道交通3號線合肥站-銅陵北路站區間隧道穿越合肥站東咽喉股道群涉鐵工程監測中，需對7條鐵路股道路基和軌道幾何變形約300余棱鏡監測點進行監測，且監測頻次需高于1次/2小時，監測單位采用了3臺全自動全站儀才得以將監測區域監測點交叉覆蓋。

(2) 該監測系統對現場通視條件要求高。利用全站儀對棱鏡點進行掃描監測，現場受建筑物、電氣化立柱、樹木草叢等影響，對儀器和棱鏡之間的通視條件有較高的要求。

(3)自然環境因素會影響監測數據，惡劣天氣會對監測設備造成損壞。由于全站儀監測受大氣折射率影響，因此大面積水域或溫差較大區域會直接影響監測數據。全天不同時間段內監測數據會受氣溫和大氣氣壓等影響，因此進行實時監測時必然要搭配環境監測設備，對氣溫和大氣氣壓等進行同期修正，才能保證數據的準確性。

(4)全站儀架設、監測點、控制點埋設要求較高。必須牢固穩定，才能保證監測數據的有效性。營業線項目技術標準更高，路基監測點和軌道幾何變形監測點(圖3)都有特殊要求，測點埋設更為嚴格。

圖3 軌道幾何變形監測點示意圖

2.3 全站儀自動化監測數據成果

在合肥市軌道交通3號線合-銅區間下穿合肥站東股道群涉鐵工程監測項目中，營業線柵欄網內股道路基采用了全站儀自動化監測技術，柵欄往外地表沉降采用傳統水準儀人工監測方式進行。在左線盾構下穿過程中，人工水準儀監測顯示沉降主要體現在盾構機正上方，最大累計變化值為DB 1-6，累計變化量為-17.40 mm，超出報警值(圖4)。

圖4 DB 1-6監測數據曲線圖

圖5 庫2線監測數據曲線圖

由圖4、圖5并結合施工工況分析可得：盾構機盾構下穿鐵路過程中，盾構機頭前方地表、路基產生輕微隆起；盾構機通過時發生輕微沉降；盾構機盾尾脫離時，盾構區間上方發生較大沉降，沉降主要集中在盾構區間隧道正上方，即監測斷面中的5、6、7號點，庫2線中路基自動化監測數據顯示沉降最大點是7號點，最大累計沉降達到了15 mm，與人工監測數據曲線基本重合，可證明該自動化監測技術的可靠性。該項目盾構下穿過程中發生了報警，部分報警時段發生在夜間，證明全站儀監測系統在夜間仍不間斷監測，及時準確地將監測數據反饋至施工單位，為施工提供了有力、及時的數據支持，為項目安全生產提供了保障。

2.4 全站儀自動化監測技術應用

目前全站儀自動化監測技術廣泛應用于高鐵、地鐵、隧道、邊坡等各類監測領域，尤其適用于涉鐵工程監測領域，其無須監測人員頻繁進入營業線內的實時監控方式，極大程度上滿足了營業線監測要求，保障了運營列車和監測人員的安全。該類技術適合營業線監測中的盾構下穿、鐵路、公路上跨、箱涵下穿頂進施工、管線直埋、頂進下穿營業線路基或橋涵等工程。

但是，由于受大氣折射率影響，該類技術并不適用于大面積水域環境。跨河、海、湖泊等大面積水域的橋梁監測中，該類監測手段將難以適用。

3 結 論

目前，選擇自動化監測已然成為工程建設發展的必然趨勢。傳統的人工監測無論從精度、效率、頻次都已無法滿足施工建設對于安全監測的需求。各類重要工程監測頻次基本要求為一天8～12次，傳統人工監測要想滿足目前的監測要求勢必要投入更大的資源力量。而自動化監測目前處于快速發展階段，市場前景廣闊，應用范圍廣泛，安全保障提高，經濟增效明顯，所以無論從經濟性、安全性，還是從數據的精度、效率、頻次等各方面都具有強大的優勢。

自動化監測系統具有集成化、一體化的特征，具有遙測、遙控、數據遠程傳輸、預警、一體化網絡功能。在實際工程運用中更能體現其優勢，通過自動化監測系統可以對監測目標實時監控。不同時段監測數據自動傳輸至監測平臺，進行數據存儲、查詢和比較驗證。并且可以借助系統，迅速對不同時段、不同監測區域數據進行比較、分析，從而可以更為直觀和全面地把握監測目標的變形狀態，對結構健康狀態進行評估，及時向施工、設計、運營單位反饋信息，確保了施工過程中形成更為及時有效的信息反饋機制，確保工程順利進展。

從工程經濟效益上，可以極大提高工程施工的安全性，節約勞動力成本，為工程效益增值。從社會影響來看，自動化監測技術避免了人為因素影響，系統具有極高的可信度。該系統擾動小，測點和設備的可循環利用性也節約了資源，有利于循環利用和節能環保。整個系統發展前景廣闊，不僅在工程建設領域，而且在電力、水利、自然災害預警等各方面也具有良好的市場前景，具有較高的研究及應用價值。

自動化監測系統在工程變形測量中可以大大縮減人力資源的投入，有效節約人員成本。可以實現全過程遠程操控、監測數據實時共享，這為工程安全建設提供了強力的數據支持，有效減少工程建設領域安全事故的發生，為工程建設增值。與此同時，該類技術也可應用于監測各類自然災害(如山體滑坡、泥石流等)，存在巨大的社會價值。

自動化監測與傳統人工監測方式對比，目前已有大量文獻及工程實踐證明自動化監測技術的可靠性、優越性。未來的監測項目中，自動化監測技術勢必會替代傳統人工監測技術。通過實踐證明：全站儀自動化監測技術應用最為廣泛，適用性最強，除特定監測項目外，基本適用于各類監測項目，能直接反映監測目標的空間變化。

隨著科學技術的發展創新，監測儀器的推陳出新，自動化監測技術也將不斷完善，發展前景廣闊，潛在社會價值較高。