測量機器人自動化監測在隧道工程中的應用

【摘? ? 要】：針對傳統測量技術不能滿足地鐵隧道監測需求的現狀，以實際工程為例，介紹了測量機器人自動化監測的基準點、布測點布置方案及監測精度；通過與人工測量數據的對比，證明測量機器人自動化監測具有精度高、實時處理、可視化顯示、可靠性強等優點。

【關鍵詞】：機器人；自動化監測；地鐵；隧道

【中圖分類號】：U231.1【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2024）01-22-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.01.007

收稿日期：2023-02-27

課題項目：中鐵第六勘察設計院集團有限公司測繪院科技開發重點項目（CHKY-2022-06）

作者簡介：張文靜（1990 - ）， 女， 碩士， 河南洛陽人， 工程師， 從事地鐵隧道監測與測量工作。

Application of Automatic Monitoring of Measuring Robot

in Subway Tunnel Protection

ZHANG Wenjing

（China Railway Liuyuan Group Co. Ltd. ， Tianjin 300308， China）

【Abstract】：In view of the situation that traditional measurement technology can not meet the needs of subway tunnel monitoring， this paper introduces the reference point， layout scheme of measuring points and accuracy of automatic monitoring of measuring robot in subway tunnel through actual project， which proves by comparing with manual measurement data that the automatic monitoring of the measuring robot has the advantages of high precision， real-time processing， visual display and strong reliability.

【Key words】：robots;automated monitoring; subway; tunnel

在地鐵隧道保護區內施工，勢必會對地鐵產生一些不可預測的影響，如果沒有及時了解隧道安全變化，會給下一道工序的施工以及地鐵未來的運營埋下安全隱患；及時、有效、不間斷掌握施工對地鐵隧道的影響是確保地鐵隧道的穩定性和安全性關鍵，國內外許多學者對地鐵監測方法進行了研究。付翔宇[1]利用徠卡測量機器人的開發平臺研發了一套通用的自動化觀測軟件，使測量機器人能夠實現自動觀測、自動記錄數據，提高了工作效率。蔣晨[2]研究了測量機器人TM30在地鐵變形監測中的應用，重點研究了測量機器人的數據預處理等問題。賀磊等[3]對測量機器人自動化監測進行了詳細的介紹，驗證了其監測精度，證明了測量機器人的可靠性。靳羽西等[4]利用多臺測量機器人對地鐵隧道進行監測，克服了傳統方法效率低、數據滯后的弊端，解決了一站式無法進行長距離監測的問題，實現了對地鐵隧道實時、高效、高精度的監測。He G Z 等[5]研究了三維激光掃描在地鐵隧道變形監測中的應用，地鐵隧道三維模型不僅提高了變形監測的精度，而且也反映了整體變形趨勢。國內外學者對于測量機器人在地鐵監測中缺少在數據采集、處理、傳輸、分析等方面更系統的應用方法。

在地鐵隧道變形監測中，對于監測條件要求高的項目，需要進行連續的、實時的監測，常規手段已經不能滿足工程的需要。本文以實際工程為例，利用機器人自動化監測技術實時監測了聯通通道施工對地鐵隧道的影響，同時與人工監測進行對比。

1 機器人自動化監測技術

機器人自動化監測技術主要由布設于隧道內的監測設備和布設于辦公室的遠程控制設備組成，利用自動變形系統控制測量機器人進行自動變形監測及對監測過程中所采集的數據進行管理與處理。在系統中新建一個數據庫文件，保存該變形監測項目的所有數據，對系統進行初始化設置，監測前以人工監測模式對所要測量的點位進行初始的學習測量，設置觀測時間及頻率，以便機器人實施無人值守的自動觀測；當目標被遮擋及測量超限時智能化地處理目標點坐標的計算和后續的變形分析，實時顯示變形趨勢圖，測量數據報表輸出。

2 工程概況

某下穿高鐵站送客匝道橋地下聯通道長約101.2 m，標準段凈寬8 m、局部凈寬14.5 m，單層單跨矩形結構（局部單層雙跨）；下面為正在建設的地鐵2號線隧道暗挖區間。通道采用明挖法跳倉施工，圍護結構為放坡+土釘墻。鑒于地鐵隧道處于設備安裝及調試階段，多部門作業交叉影響較大，周圍環境復雜，采用測量機器人自動化監測對涉及地鐵隧道區域進行監測。

3 自動化監測方案及實施

3.1 測點布置

通道底板與暗挖區間的凈距為2.03～3.32 m，對應地鐵2號線里程右DK22+460.861（左DK22+455.077）—右DK22+562.061（左DK22+556.277），兩端向外各延伸30 m，斷面布設范圍分別為161.2 m（上行左線）、161.2 m（下行右線），共計布設54個監測斷面（左DM01—左DM27和右DM01—右DM27）。為實時獲取測站點精密三維坐標，在測站兩側、施工影響范圍之外，布設8個基準點。基準點為整個系統提供穩定不動的參照系，采用Leica GDR1圓棱鏡，基準點應埋設穩固，保證整個監測過程中不受破壞。監測點采用Leica L型棱鏡，用膨脹螺絲固定在隧道壁上，并使棱鏡面正對測站。每個監測斷面布設4個監測點，均勻布設在道床和結構上。根據現場條件實施調整，保證不影響行車安全且在通視條件良好的位置布設[6]。見圖1。

3.2 自動化監測

3.2.1 數據處理

1）沉降。獲得各管片監測點的高程，計算各個監測點的沉降值。

式中：[?Hi]為沉降值；[Hi]為第i次測量的高程；[Hi-1]為第i-1次的高程。

2）水平位移。獲得各監測點的平面坐標，根據平面坐標的變化獲得隧道橫向和縱向位移。

式中：[?Xa]為a點兩次監測期的橫向位移量；[?Ya]為a點兩次監測期的縱向位移量；[Xai]為a點第i次監測獲得的X坐標；[Xa（i-1）]為a點第i-1次監測得到的X坐標；[Yai]為a點第i次監測得到的Y坐標；[Ya（i-1）]為a點第i-1次監測得到的Y坐標。

3）管片收斂。利用各監測點的三維坐標數據反算測點間水平和豎向距離，然后與上次的測量值進行比較，較差為本期水平和豎向收斂值。

式中：[xa、ya、ha]為監測點a的三維坐標；[xb、yb、hb]為監測點b的三維坐標；[Si-1]為上次測量隧道內徑值；[Si]為本次測量隧道內徑值；D為隧道收斂量。

3.2.2 監測精度

隧道各監測對象監測精度見表1。

3.2.3 預警標準

根據CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結構安全保護技術規范》要求，分為A、B、C、D四級預警進行反饋和控制。見表2。

3.3 監測結果

3.3.1 隧道結構豎向位移

在聯通通道施工過程中對斷面15的影響最大且此斷面處于影響范圍的中間位置。人工測量和自動化監測此處豎向位移累計最大值分別為-1.4、-2.09 mm，監測數據較為一致，沉降趨勢相同。聯通通道施工對隧道的影響較小，地鐵隧道處于安全穩定狀態。見圖2。

3.3.2 隧道結構水平位移

施工在水平位移上對隧道的影響不大，隧道處于安全可控狀態。人工測量值和自動化測量值較差最大為1.0 mm，兩者變化趨勢相似，表明兩種測量方法在隧道水平位移監測中具有較好的一致性。見圖3。

3.3.3 隧道結構徑向收斂

施工對隧道管片產生了一定影響，但在可控范圍內。人工測量值和自動化測量值較差最大為1.4 mm，兩者變化趨勢相似，表明兩種測量方法在管片收斂監測中具有較好的一致性。見圖4。

4 結論和建議

機器人自動化監測技術在地鐵隧道保護監測中可以實現全天實時監測，能夠提供完整性的監測信息，確保后續數據處理、分析和傳遞的效率，為監測工作的科學性和高效性創造了良好的條件，人工數據與自動化數據的對比也表明自動化監測的可行性。不足之處是對于未運營的地鐵隧道，由于存在多工種交叉作業，在進行自動化監測過程中需要多次人工復核，以免監測過程中會受到列車運行和工作人員的干擾。對變形量較大和突變的數據進行人工復核，可以最大限度的消除外界干擾，以確保數據的穩定性和真實性。

參考文獻：

[1]付翔宇.TCA2003測量機器人的開發與應用研究[D].北京：北京建筑工程學院，2008.

[2]蔣? ? 晨.測量機器人在線控制及其在地鐵隧道自動化監測中的應用[D].徐州：中國礦業大學，2015.

[3]賀? ? 磊，許誠權，陸曉勇，等.測量機器人自動化測量在地鐵結構變形監測中的應用[J].城市勘測，2015，（1）：137-139.

[4]靳羽西，紀萬坤，孫立坤.多臺測量機器人監測系統在地鐵隧道中的應用[J].北京測繪，2020，34（10）：1338-1342.

[5]He G Z，Yang J.Deformation Monitoring for subway Tunnels Based on TLS[J].Advanced Materials Research，2013，864-867（864-867）：2744-2749.

[6]陳慶華，李? ? 鋒，趙? ? 磊，等.自動化監測技術在地鐵基坑工程監測中的應用分析[J].新型工業化，2021，11（8）：112-113.