基于測量機(jī)器人的隧道多測站變形監(jiān)測方法分析

張海濤 李正文

一、引言

隧道變形監(jiān)測是利用各種測量儀器，對(duì)隧道某一橫斷面上圍巖或襯砌斷面幾何形狀的數(shù)據(jù)采集；通過連續(xù)觀測斷面上的監(jiān)測點(diǎn)，來監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)的幾何變形，為施工、運(yùn)營的隧道提供可靠的數(shù)據(jù)，使工程得到重要保證。隧道變形監(jiān)測技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的更新而不斷發(fā)展變化，最初測量所用的儀器是專門用于斷面測量的激光斷面測量儀，自從測量機(jī)器人出現(xiàn)以后，現(xiàn)代隧道變形測量方法一般都是采用測量機(jī)器人和計(jì)算機(jī)斷面自動(dòng)極坐標(biāo)測量系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

目前大部分隧道變形監(jiān)測均是基于單測站即單臺(tái)測量機(jī)器人，多測站變形監(jiān)測首先可以使得監(jiān)測的變形區(qū)域擴(kuò)大，拓寬單臺(tái)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，多測站測量機(jī)器人變形監(jiān)測實(shí)質(zhì)上是對(duì)多個(gè)自動(dòng)極坐標(biāo)變形監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)集成，其基本單元依然是自動(dòng)極坐標(biāo)變形監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也基本一樣。

二、極坐標(biāo)測量原理

1.基本原理

極坐標(biāo)測量是指獲取目標(biāo)點(diǎn)至測站點(diǎn)的角度和距離，如果測站點(diǎn)坐標(biāo)已知的情況下，那么就可以獲取目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。其基本原理如下圖所示：

圖1 極坐標(biāo)測量原理圖

以隧道測量為例，以測站點(diǎn)O點(diǎn)（架設(shè)測量機(jī)器人的工作基點(diǎn)）為坐標(biāo)原點(diǎn)，以測站沿鉛垂線的反方向?yàn)閆軸，以平行于隧道縱方向?yàn)閄軸，建立空間直角坐標(biāo)系O-XYZ（左手坐標(biāo)系）。P點(diǎn)為被測目標(biāo)點(diǎn)的位置，α為測站點(diǎn)O點(diǎn)與P點(diǎn)連線的水平角，β為測站點(diǎn)O與P點(diǎn)連線的垂直角，S為測站點(diǎn)O與P點(diǎn)連線距離，即斜距，則根據(jù)測站坐標(biāo)可得出P點(diǎn)三維坐標(biāo)：

上式可以得出測站點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)空間位置關(guān)系，當(dāng)不知道測站點(diǎn)的坐標(biāo)時(shí)，它們是相對(duì)位置關(guān)系，但同時(shí)聯(lián)測3個(gè)或以上的基準(zhǔn)點(diǎn)(已知控制點(diǎn))時(shí)，通過后方交會(huì)或其他方法可算出測站點(diǎn)三維坐標(biāo)，此時(shí)控制點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)處于同一個(gè)坐標(biāo)當(dāng)中，從而可得到P點(diǎn)絕對(duì)坐標(biāo)值。

2.精度分析

將上式轉(zhuǎn)換為中誤差形式并用矩陣表示為：

其中：mx、my、mz分別為點(diǎn)位坐標(biāo)x、y、z的中誤差，ms為測邊中誤差，mα、mβ分別為水平角和天頂距的測量誤差。根據(jù)赫爾默特點(diǎn)位誤差估計(jì)公式有：

通過以上兩式可得到P點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為：

三、變形監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)和要求

變形監(jiān)測網(wǎng)一般分為相對(duì)監(jiān)測網(wǎng)和絕對(duì)監(jiān)測網(wǎng)。絕對(duì)監(jiān)測網(wǎng)是指有部分點(diǎn)位于變形體外；相對(duì)監(jiān)測網(wǎng)是指所有點(diǎn)均位于變形體上。當(dāng)變形體的范圍(包括變形影響范圍)比較小時(shí)，可以將監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)成絕對(duì)監(jiān)測網(wǎng)的形式。所以，絕對(duì)監(jiān)測網(wǎng)多用于工程建筑變形監(jiān)測，如高層或超高層建筑變形監(jiān)測、大壩壩體變形監(jiān)測等工程。當(dāng)變形區(qū)域特別大，或者變形監(jiān)測范圍比較難確定時(shí)，只有采用相對(duì)監(jiān)測網(wǎng)的形式。

考慮到隧道的特殊狀況，不論基準(zhǔn)點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)還是測站點(diǎn)都只能布設(shè)在隧道的狹長空間中，為了發(fā)揮測量機(jī)器人自動(dòng)測量優(yōu)勢，通常將變形監(jiān)測控制網(wǎng)布設(shè)成最簡單的控制網(wǎng)形式，也就是極坐標(biāo)測量形式。極坐標(biāo)測量的簡單控制網(wǎng)中包含三類點(diǎn)：基準(zhǔn)點(diǎn)、測站點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)。基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)是監(jiān)測網(wǎng)系統(tǒng)必須的，且一般是已知坐標(biāo)點(diǎn)，它不僅為監(jiān)測網(wǎng)提供方位基準(zhǔn)還為角度差分、距離差分和高程差分提供基準(zhǔn)。對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的基本要求是方便適用和穩(wěn)定可靠。控制網(wǎng)建設(shè)時(shí)就需考慮基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性，如要埋設(shè)到隧道壁上，一般都位于隧道兩端穩(wěn)定或相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域且離變形區(qū)域有足夠遠(yuǎn)距離。為了保證基準(zhǔn)點(diǎn)能提供可靠的基準(zhǔn)，基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)目應(yīng)不少于3個(gè)，原則上隧道兩端應(yīng)各布設(shè)2個(gè)。目標(biāo)點(diǎn)(監(jiān)測點(diǎn))應(yīng)盡量均勻布設(shè)在整個(gè)變形區(qū)域內(nèi)，且能最大程度反映變形區(qū)域的位置，目標(biāo)點(diǎn)上需安置有類似基準(zhǔn)點(diǎn)的對(duì)準(zhǔn)測站點(diǎn)站的反射棱鏡。隧道中的測站點(diǎn)一般只能布設(shè)在變形區(qū)域內(nèi)，應(yīng)選在能與基準(zhǔn)點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)通視的位置，以便觀測。

以上是單個(gè)測站上的監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)，而多個(gè)測站之間通過共同觀測基準(zhǔn)斷面進(jìn)行坐標(biāo)的傳遞，共同觀測的基準(zhǔn)點(diǎn)上安裝360°棱鏡，而在變形區(qū)域兩端也布設(shè)若干基準(zhǔn)點(diǎn)，如圖2所示：

圖2 變形監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)示意圖

四、多測站變形監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多測站變形監(jiān)測系統(tǒng)可由單臺(tái)或幾臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)控制多個(gè)測站上的測量機(jī)器人進(jìn)行持續(xù)的周期監(jiān)測。對(duì)于那些交叉區(qū)域的點(diǎn)來說就可以進(jìn)行交匯測量，可以提高精度和可靠性，同時(shí)可監(jiān)測的范圍也擴(kuò)大了，但范圍擴(kuò)大的同時(shí)也帶來了新的問題，很難找到多個(gè)滿足要求的穩(wěn)定不動(dòng)的測站位置，多測站往往有部分甚至是全部位于變形區(qū)域之內(nèi)，變形區(qū)內(nèi)的測站可能大部分都找不到穩(wěn)定的參考點(diǎn)，這時(shí)就需要通過測站測量機(jī)器人之間的觀測來傳遞參考基準(zhǔn)，或通過觀測共同基準(zhǔn)點(diǎn)傳遞基準(zhǔn)，測站測量機(jī)器人與參考點(diǎn)之間組成一個(gè)網(wǎng)，適時(shí)觀測并解算測站坐標(biāo)，為極坐標(biāo)測量提供動(dòng)態(tài)的參照基準(zhǔn)。一般多測站測量機(jī)器人變形監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 多測站測量機(jī)器人變形監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.系統(tǒng)組成

隧道多測站變形監(jiān)測系統(tǒng)一般由設(shè)備和軟件組成：

（1）系統(tǒng)設(shè)備

為滿足動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)組網(wǎng)測量和變形點(diǎn)監(jiān)測的需要，考慮以下配置:

① 在每一個(gè)測站點(diǎn)上安置一臺(tái)測量機(jī)器人；

② 在每一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)上安置棱鏡：測站間的基準(zhǔn)點(diǎn)上安裝360°圓棱鏡，監(jiān)測區(qū)域兩端基準(zhǔn)點(diǎn)及監(jiān)測點(diǎn)上安裝徠卡圓棱鏡；

③ 一臺(tái)主控計(jì)算機(jī)（服務(wù)器）和多臺(tái)工控機(jī)；

④ 系統(tǒng)采用有線通信和無線通訊相結(jié)合，工控機(jī)與測量機(jī)器人之間通過通信及供電電纜連接，主控計(jì)算機(jī)和工控機(jī)之間采用無線通訊。

（2）系統(tǒng)軟件

隧道多測站變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件包括服務(wù)器上的數(shù)據(jù)管理軟件和各工控機(jī)上的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集軟件兩大部分。

數(shù)據(jù)管理軟件用來獲取各測站點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，其實(shí)質(zhì)是控制網(wǎng)的全自動(dòng)測量。管理各工控機(jī)寫來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行測量流程控制，網(wǎng)絡(luò)控制和數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)自動(dòng)采集軟件用來控制各測量機(jī)器人按要求的觀測時(shí)間、測量限差、觀測點(diǎn)組進(jìn)行測量，并將測量的結(jié)果傳入服務(wù)器上的管理數(shù)據(jù)庫中。

五、結(jié)語

本文闡述了隧道變形監(jiān)測中常見的極坐標(biāo)測量方法基本原理和精度，分析了變形監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)和要求，最后介紹了基于測量機(jī)器人的隧道多測站變形監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成，為開展隧道變形監(jiān)測提供了科學(xué)、合理的測量方法。