自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在地鐵隧道安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

劉 帆,何高舉

(廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司,廣州 510670)

地鐵隧道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,周邊施工及土體擾動(dòng)極易對(duì)其產(chǎn)生影響,而隧道一旦發(fā)生異常形變將對(duì)后期通車(chē)運(yùn)營(yíng)造成重大安全隱患,故需對(duì)地鐵隧道進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的全站儀、經(jīng)緯儀等受隧道光線、空間、環(huán)境干擾等因素的影響,施測(cè)難度較大。以S市地鐵Y號(hào)線為例,管廊采用分倉(cāng)跳挖法施工,應(yīng)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),為地鐵隧道施工研究提供參考,以促進(jìn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用及推廣[1-2]。

1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法及原理

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是通過(guò)安全智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警一體化云平臺(tái)遠(yuǎn)程向測(cè)量機(jī)器人發(fā)送測(cè)量指令,完成一系列測(cè)量動(dòng)作并得到數(shù)據(jù),整個(gè)過(guò)程中,測(cè)量機(jī)器人與通信工控系統(tǒng)通過(guò)專(zhuān)用電纜連接,使其同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備供電、數(shù)據(jù)測(cè)量及測(cè)量指令在預(yù)警平臺(tái)的接收發(fā)模式。

應(yīng)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)流程如下:

對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位與標(biāo)定,確定機(jī)器人在地鐵隧道分倉(cāng)跳挖施工現(xiàn)場(chǎng)的位置坐標(biāo),一般是在人工測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)(控制點(diǎn))定向的基礎(chǔ)上進(jìn)行云端自動(dòng)化定向?qū)W習(xí)測(cè)量。校準(zhǔn)機(jī)器人激光測(cè)距儀與攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)及外部參數(shù),確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。啟動(dòng)機(jī)器人的巡航功能,機(jī)器人會(huì)自動(dòng)移動(dòng)并運(yùn)行激光測(cè)距儀及攝像頭,持續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采集到的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中,通過(guò)預(yù)警平臺(tái)進(jìn)行處理分析。

圖1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Automated monitoring system

預(yù)警平臺(tái)通過(guò)定向后形成的方位角、平距、斜距自動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與分析,給出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)系(平面及高程)及點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的角度距離關(guān)系,經(jīng)過(guò)多次測(cè)量平差形成監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位初始值。

通過(guò)設(shè)置預(yù)警平臺(tái)在特定的時(shí)間啟動(dòng)測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行無(wú)間斷連續(xù)測(cè)量,與點(diǎn)位初始值進(jìn)行比對(duì),形成并繪制點(diǎn)位變形的曲線圖。每次測(cè)量時(shí),遵循先控制點(diǎn)(基準(zhǔn)點(diǎn))后監(jiān)測(cè)點(diǎn),按后方交會(huì)方法計(jì)算出儀器坐標(biāo)及高程,再觀測(cè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

計(jì)算機(jī)與測(cè)量?jī)x器之間的通信通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)及工控通信模塊來(lái)實(shí)現(xiàn),使其有CDMA(或GPRS)無(wú)線通信信號(hào),在建隧道內(nèi)無(wú)通信訊號(hào)則采用光纖加光貓模式將洞口信號(hào)引入測(cè)量機(jī)器人工控通信箱內(nèi)完成信號(hào)傳遞,通過(guò)預(yù)警平臺(tái)在任何有Internet網(wǎng)絡(luò)的地方都可以操控測(cè)量?jī)x器。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

S市地鐵Y號(hào)線共建A站至B站區(qū)間,共建管廊位于地鐵Y號(hào)線區(qū)間左線隧道正上方,采用明挖分倉(cāng)跳挖法施工,隧道此時(shí)處于已貫通呈未鋪軌階段。為保證施工過(guò)程中地鐵結(jié)構(gòu)與運(yùn)營(yíng)安全,必須對(duì)地下運(yùn)營(yíng)線進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)監(jiān)控。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)了解地鐵安全狀態(tài),判斷設(shè)計(jì)是否合理,施工方法及工藝是否可行,地下運(yùn)營(yíng)線監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè),每斷面設(shè)置一定數(shù)量監(jiān)測(cè)點(diǎn),通過(guò)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析線路結(jié)構(gòu)變形情況。

2.2 監(jiān)測(cè)實(shí)施

2.2.1 主要設(shè)備選擇

為實(shí)時(shí)監(jiān)控臨近基坑對(duì)地鐵隧道的影響,采用徠卡TM30測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè),數(shù)據(jù)處理采用Leica配套的GeoMoS軟件。該自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)是一種先進(jìn)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備,帶有精確的自動(dòng)照準(zhǔn)、快速可靠的智能自動(dòng)識(shí)別功能,能夠提供高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)和圖像信息,可勝任最?lèi)毫拥墓ぷ鳝h(huán)境,為地鐵隧道分倉(cāng)跳挖施工等領(lǐng)域的工程監(jiān)測(cè)提供有效的解決方案。

2.2.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警控制值確定

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件,綜合制定自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頻率及控制值。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括豎向位移、水平位移、差異變形等,監(jiān)測(cè)周期為一周,監(jiān)測(cè)控制值如表1所示。

表1 地鐵隧道監(jiān)測(cè)預(yù)警控制值Tab.1 Metro tunnel monitoring and early warning control value

2.2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

對(duì)本段監(jiān)測(cè)區(qū)間左右線各設(shè)計(jì)88個(gè)斷面,每個(gè)斷面各布設(shè)5個(gè)三維變形監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別位于隧道底兩側(cè)(2點(diǎn))、隧道中腰線(2點(diǎn)),隧道頂部(1點(diǎn)),監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置如圖2。監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用以L型小棱鏡為主的元器件,布點(diǎn)時(shí)用沖擊鉆打孔及對(duì)應(yīng)膨脹螺絲安裝固定,對(duì)于通視條件較差的區(qū)域采用吊桿模式安裝,如圖2(左)所示。

圖2 外業(yè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)及儀器安裝Fig.2 Layout of field monitoring points and installation of instruments

2.2.4 儀器位置及通信控制系統(tǒng)安裝

根據(jù)施工進(jìn)度,保證監(jiān)測(cè)范圍大于隧道頂部管廊開(kāi)挖面。布設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí),本隧道處于洞通未鋪軌狀態(tài),隧道內(nèi)全站儀采用專(zhuān)用支架固定在隧道內(nèi)一側(cè)的側(cè)壁上,支架位置處于監(jiān)測(cè)點(diǎn)通視良好區(qū)域,全站儀支架附近安裝工控箱,工控箱內(nèi)包含供電電源、全站儀遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)組件及通信設(shè)備。支架附近用膨脹螺絲固定一個(gè)電箱,包含自動(dòng)化通信模塊系統(tǒng)。在建隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)信號(hào)系統(tǒng)由光纖加無(wú)線發(fā)射裝置組成,光纖沿隧道側(cè)壁,一端接入控制箱,另一端拉倒盾構(gòu)井的出口,保證有通信信號(hào),在此處安裝一個(gè)無(wú)線信號(hào)引入裝置連接光纖端[3]。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器需在計(jì)量檢定有效期內(nèi),下放隧道作業(yè)前需進(jìn)行全站儀ATR校正,監(jiān)測(cè)儀器支架需安裝牢固(不可出現(xiàn)輕微松動(dòng)),儀器安裝調(diào)試完成后需定期進(jìn)行維護(hù),監(jiān)測(cè)儀器盡量固定不動(dòng),待監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)和儀器安裝完成后,測(cè)量機(jī)器人、監(jiān)測(cè)點(diǎn)及通信工控系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后進(jìn)入安全智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警一體化云平臺(tái),找到對(duì)應(yīng)操作學(xué)習(xí)測(cè)量界面,測(cè)量機(jī)器人在人工測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)(控制點(diǎn))定向的基礎(chǔ)上進(jìn)行云端自動(dòng)化定向?qū)W習(xí)測(cè)量。定向完成后按預(yù)警平臺(tái)設(shè)定的測(cè)量程序進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐個(gè)點(diǎn)位的學(xué)習(xí)測(cè)量,測(cè)量完成后保存所有測(cè)量數(shù)據(jù),傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)軟件云端服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)地鐵隧道分倉(cāng)跳挖施工的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)[4-5]。

3 數(shù)據(jù)分析

地鐵隧道變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)的重要環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)處理,應(yīng)用WebMos軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)平差計(jì)算、數(shù)據(jù)分析及成果輸出。考慮到隧道內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)不可控因素,部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)可能會(huì)被遮擋、損壞,勢(shì)必造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的缺失或異常,梳理分析異常點(diǎn)附近同斷面點(diǎn)或相鄰斷面其他點(diǎn)數(shù)據(jù),在地鐵監(jiān)測(cè)工程中運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析模型進(jìn)一步分析基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性,預(yù)測(cè)工作基點(diǎn)的最合適值及監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量,運(yùn)用小波理論對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差過(guò)濾等,S市Y號(hào)線A站至B站區(qū)間監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)左線情況Tab.2 Automatic monitoring of the left line

監(jiān)測(cè)結(jié)果分析:本監(jiān)測(cè)周期內(nèi),管廊基坑影響地鐵Y號(hào)線隧道左線隧道結(jié)構(gòu)自動(dòng)監(jiān)測(cè)變形值變化較小,未超報(bào)警值,仍處于安全可控狀態(tài)。

表中高程正值表示上升,負(fù)值表示下沉;橫向正值表示A站往B站方向左側(cè)方向位移,負(fù)值表示A站往B站方向右側(cè)位移;縱向正值表示往A站方向位移,負(fù)值表示往B站方向位移;本區(qū)間監(jiān)測(cè)范圍為ZDK14+809.472～ZDK15+679.472。

根據(jù)表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果,結(jié)合表1預(yù)警控制值,對(duì)此分析可得出S市地鐵Y號(hào)線共建管廊采用分倉(cāng)跳挖法開(kāi)挖施工對(duì)既有地鐵隧道影響較小,可將分倉(cāng)跳挖開(kāi)挖法推廣到類(lèi)似項(xiàng)目上施工。

4 結(jié)束語(yǔ)

變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能有效提供準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),提高工程質(zhì)量及安全水平。但是針對(duì)一些在建地鐵隧道的狹長(zhǎng)性、封閉性、復(fù)雜性及前期無(wú)通信弊端,目前只能通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)形式進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā),實(shí)現(xiàn)隧道無(wú)線通信傳遞功能及各種數(shù)據(jù)的對(duì)接轉(zhuǎn)換,利用監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)攝像頭安全傳輸監(jiān)測(cè)自動(dòng)化指令及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),便于施工管理,提升監(jiān)測(cè)效率。