測(cè)量機(jī)器人在地鐵變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

摘要：為了更好地監(jiān)測(cè)基坑水平位移，研發(fā)了一種基于自由設(shè)站的測(cè)量機(jī)器人，它能夠在極端環(huán)境下準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)樁頂水平位移，具有良好的準(zhǔn)確性和靈活性。這種技術(shù)不僅可以在深基坑樁頂水平位移監(jiān)測(cè)上得以體現(xiàn)，還可以在新建隧道的施工過程中，有效監(jiān)測(cè)隧道道床的沉降、收斂和水平位移，為施工帶來更加可靠的數(shù)據(jù)支撐。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)測(cè)量機(jī)器人使用實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)能夠給出準(zhǔn)確信息，并且在很大程度上改善了建/構(gòu)造物的三維變形檢查。這種技術(shù)不僅為建設(shè)項(xiàng)目的安全提出了參考，而且也為其他領(lǐng)域的研究提出了新的思路。

關(guān)鍵詞：測(cè)量機(jī)器人""自由設(shè)站""基坑樁頂水平位移""既有線

Research"on"the"Application"of"Measurement"Robots"in"the"Deformation"Monitoring"of"Subways

CAI"Shaohui

（Nuclear"Industry"216"Brigade，Urumqi，"Xinjiang"Uygur"Autonomous"Region，830011"China）

Abstract："In"order"to"better"monitor"the"horizontal"displacement"of"foundation"pits，"this"paper"develops"a"measurement"robot"based"on"free"stations"which"can"accurately"monitor"the"horizontal"displacement"of"pile"tops"in"the"extreme"environment"with"good"accuracy"and"flexibility."This"technology"can"not"only"be"used"in"the"monitoring"of"the"horizontal"displacement"of"the"pile"top"of"deep"foundation"pits，"but"also"effectively"monitor"the"settlement，"convergence"and"horizontal"displacement"of"the"tunnel"bed"during"the"construction"process"of"new"tunnels，"providing"more"reliable"data"support"for"construction."After"multiple"experiments，"it"is"found"that"measuring"robots"can"provide"accurate"information"by"real-time"automated"monitoring"technology"and"greatly"improve"the"three-dimensional"deformation"inspection"of"buildings/structures."This"technology"not"only"provides"a"reference"for"the"safety"of"construction"projects，"but"also"provides"new"ideas"for"research"on"other"fields.

Key"Words："Measurement"robot;"Free"station;"Horizontal"displacement"of"the"pile"top"of"foundation"pits;"Existing"line

監(jiān)測(cè)樁頂水平位移對(duì)于明挖基坑施工來說至關(guān)重要，但傳統(tǒng)的視準(zhǔn)線法和小角法已經(jīng)無法滿足城市地鐵基坑施工所面臨的復(fù)雜環(huán)境[1]。為了解決樁頂水平位移監(jiān)測(cè)難題，利用現(xiàn)有的儀器設(shè)備，經(jīng)過反復(fù)測(cè)量、數(shù)據(jù)分析比對(duì)，發(fā)現(xiàn)利用測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)照準(zhǔn)功能，采用自由設(shè)站技術(shù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最為穩(wěn)定、精確。本文重點(diǎn)是使用徠卡機(jī)器人來監(jiān)測(cè)烏魯木齊市2號(hào)線一期工程中的明挖基坑和隧道。這種機(jī)器人可以更好地了解區(qū)域內(nèi)地面上物體的位置，并且能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)它們是否會(huì)發(fā)生偏斜。此外，這種機(jī)器還可以更好地檢查和維護(hù)區(qū)域內(nèi)地面上物體的穩(wěn)定性。

1測(cè)量機(jī)器人工作原理與作業(yè)流程

1.1測(cè)量機(jī)器人

測(cè)量機(jī)器人是一種能代替人進(jìn)行自動(dòng)搜索、跟蹤、辨識(shí)和精確照準(zhǔn)目標(biāo)并獲取角度、距離、坐標(biāo)等信息的智能型速測(cè)電子全站儀。它是在全站儀的基礎(chǔ)上集成馬達(dá)和CCD影像傳感器等原件構(gòu)成的視頻成像系統(tǒng)，并配置智能化的控制測(cè)量及應(yīng)用平差軟件發(fā)展而形成的[2]。測(cè)量機(jī)器人通過CCD影像傳感器等對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)自我控制，并自動(dòng)完成搜索、照準(zhǔn)、讀數(shù)等操作，已完全可以代替人來完成許多測(cè)量任務(wù)，尤其是人無法到達(dá)或觸及的目標(biāo)與區(qū)域。

1.2測(cè)量機(jī)器人工作原理

通過使用一臺(tái)高精度的測(cè)量機(jī)器人和一套先進(jìn)的極坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)，可以對(duì)物體進(jìn)行精確的變形監(jiān)控。

1.2.1強(qiáng)制觀測(cè)基站

強(qiáng)制觀測(cè)基站為測(cè)量機(jī)器人極坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的起始點(diǎn)，用一個(gè)強(qiáng)制對(duì)準(zhǔn)裝置來架設(shè)測(cè)量機(jī)器人。

1.2.2參照點(diǎn)

參照點(diǎn)為后視照準(zhǔn)點(diǎn)。該點(diǎn)的平面坐標(biāo)為已知，點(diǎn)位應(yīng)布設(shè)于變形影響區(qū)域外的穩(wěn)固地帶，一般布設(shè)于變形影響區(qū)域外的樓房等高大建筑物上。

1.2.3目標(biāo)點(diǎn)

目標(biāo)點(diǎn)是根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)置在變形體上能夠反映變形特征部位的目標(biāo)。

1.3"測(cè)量機(jī)器人作業(yè)流程

（1）測(cè)量機(jī)器人的任務(wù)流程涵蓋了多個(gè)方面，其中最重要的是：首先，完成工程項(xiàng)目的管理，以便對(duì)相關(guān)的技術(shù)參考資料進(jìn)行準(zhǔn)確的記錄和數(shù)據(jù)分析；其次，完成系統(tǒng)的初始化，完成對(duì)各種參考資料的即時(shí)追蹤和數(shù)據(jù)分析，并將結(jié)果予以實(shí)時(shí)可視化顯示。（2）重新組織這句話：首先，需要開啟系統(tǒng)，并確保它能夠正確地完成后續(xù)任務(wù)。（3）調(diào)整機(jī)器人的參考標(biāo)準(zhǔn)，包括2C差異、指標(biāo)差異、目標(biāo)識(shí)別照準(zhǔn)差[3]。（4）實(shí)施自動(dòng)測(cè)量，即依照預(yù)定的監(jiān)控策劃，讓機(jī)器人能夠自動(dòng)尋找目標(biāo)，并定時(shí)予以觀察。（5）完成后，需要將所有的數(shù)據(jù)經(jīng)過精心的處理，以確保它們能夠準(zhǔn)確地反映出實(shí)際情況。通過對(duì)數(shù)據(jù)的投射和平差處理，可以獲取到有關(guān)目標(biāo)點(diǎn)的精確位置信息，從而為開展進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。此外，還可用于對(duì)相關(guān)報(bào)告和結(jié)構(gòu)加以檢索和統(tǒng)計(jì)。

2"地鐵明挖基坑水平位移監(jiān)測(cè)實(shí)例

2.1工程概況

烏魯木齊市軌道交通2號(hào)線華山街站為一座明挖車站，車站主體結(jié)構(gòu)采用明挖法，連接車站小里程端區(qū)間隧道采用暗挖法、車站大里程端區(qū)間隧道采用明挖法施工。

2.2基坑水平位移監(jiān)測(cè)方案

2.2.1水平位移工作基點(diǎn)的布設(shè)

為了確保監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，根據(jù)工程的特點(diǎn)，必須在施工基坑開挖深度的2倍范圍內(nèi)建立3～4個(gè)聯(lián)測(cè)基點(diǎn)，并在其周圍設(shè)置強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩和標(biāo)志，以減少對(duì)中誤差的影響，進(jìn)而提升監(jiān)測(cè)的精度。

2.2.2基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

為了更準(zhǔn)確地測(cè)量樁頂水平位移，將測(cè)點(diǎn)分布于每個(gè)樁頂。對(duì)整個(gè)基坑進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)點(diǎn)分布于其兩側(cè)。每側(cè)的測(cè)點(diǎn)之間的間隔為40"m。此外，還對(duì)基坑的陽角和重要區(qū)域進(jìn)行加固[4]，總計(jì)布置16個(gè)水平位移測(cè)點(diǎn)。通過安裝一個(gè)固定的小棱鏡，可以有效地降低監(jiān)測(cè)點(diǎn)的偏移率，從而達(dá)到更準(zhǔn)確的結(jié)果。

2.2.3測(cè)量機(jī)器人強(qiáng)制觀測(cè)墩的布設(shè)

為了更好地監(jiān)測(cè)工程的水平位移，在基坑周圍布置了4個(gè)強(qiáng)制觀測(cè)墩，每個(gè)墩至少有2個(gè)。由于該車站的長(zhǎng)度較大，因此采取上述措施來確保能夠完整地監(jiān)測(cè)到所有的水平位移。

2.3監(jiān)測(cè)的作業(yè)方法

經(jīng)過嚴(yán)格的安裝和調(diào)試，完成對(duì)所有工作位置和水平位移的監(jiān)控。把測(cè)量機(jī)器人安裝在了預(yù)先安排好的位置，使它能夠按照要求正確移動(dòng)，并對(duì)它的性能和能力進(jìn)行評(píng)估，以便它能夠更好地完成任務(wù)。為了確保地下建筑物的穩(wěn)固，使用高精度的小型攝像頭來進(jìn)行標(biāo)識(shí)和記錄。在完成標(biāo)識(shí)和記錄之后，使用清華山維平差軟件來確認(rèn)每個(gè)標(biāo)識(shí)和記錄的位置。同時(shí)，對(duì)每個(gè)標(biāo)識(shí)和記錄進(jìn)行投影，以獲得與建筑物方向平行的矢量位移。最后，根據(jù)以上獲得信息來評(píng)估建筑物的穩(wěn)定性，為保證建筑物的安全提供依據(jù)[5]。

2.4基坑樁頂水平位移監(jiān)測(cè)成果分析

為保證安全性，對(duì)地基的移動(dòng)情況實(shí)行全面的監(jiān)控[6]。首先，對(duì)移動(dòng)情況進(jìn)行詳細(xì)檢查，并保證它們處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果發(fā)生了任何異常或外部條件發(fā)生了巨大的改變，將會(huì)增加對(duì)移動(dòng)的檢查頻率，直到工程完工。經(jīng)過對(duì)16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的全面檢查，發(fā)現(xiàn)其對(duì)地基的影響力較弱，其最大偏差僅有5.4"mm，低于預(yù)定的移動(dòng)限額30"mm。

根據(jù)基坑特點(diǎn)及變形影響，選取基坑西側(cè)影響較大區(qū)域ZQS-03監(jiān)測(cè)點(diǎn)，繪制監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化的時(shí)程曲線圖，監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線如圖1所示。

對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)受基坑開挖施工影響，分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形規(guī)律，具體如下。

工況①：土方開挖初期，當(dāng)開挖地表一下2"m位置時(shí)，架設(shè)第一道鋼支撐，此時(shí)監(jiān)測(cè)值比較穩(wěn)定，最大變形為1.1"mm。

工況②：土方開挖至第二道鋼支撐以下0.5"m（約-8"m），架設(shè)第二道鋼支撐。在此段時(shí)間內(nèi)測(cè)點(diǎn)變形速率有增大趨勢(shì)，經(jīng)分析基坑西側(cè)為運(yùn)輸?shù)缆罚淋囕v及大型機(jī)械吊裝作業(yè)造成西側(cè)土體向基坑內(nèi)偏移5.4"mm，此時(shí)該變形點(diǎn)碾壓附近地表沉降點(diǎn)監(jiān)測(cè)值變化不大。

工況③：周邊荷載消除，第二道鋼支撐架設(shè)完成后，調(diào)整預(yù)加軸力值，基坑變形發(fā)生回彈。

工況④：基坑開挖到底，底板混凝土澆筑。與工況②類似，澆筑底板過程中，因混凝土罐車引起基坑西側(cè)向基坑內(nèi)偏移。

工況⑤：底板澆筑帶來的偏載消失后，與工況④類似，變形發(fā)生一定量的回彈。隨著鋼支撐拆除，邊墻結(jié)構(gòu)施工，中板及頂板鋼筋綁扎，變形趨于穩(wěn)定。

3地鐵隧道下穿既有線監(jiān)測(cè)實(shí)例

3.1工程概況

2號(hào)線二期的烏魯木齊市機(jī)場(chǎng)改造計(jì)劃，將以國際機(jī)場(chǎng)站作為開端，沿著機(jī)場(chǎng)第一跑道向西延伸，最終抵達(dá)T4航站樓站。這條新的航班線路將繼續(xù)沿著原來的軌道交通系統(tǒng)，使烏魯木齊機(jī)場(chǎng)更加便捷、安全。這個(gè)區(qū)域的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是使用了馬蹄型斷面。這條隧道的拱門處的高度在32～35"m之間，所經(jīng)過的地層大多是卵石，而且屬于V級(jí)。

3.2監(jiān)測(cè)內(nèi)容及要求

為確保地鐵系統(tǒng)的穩(wěn)健性和可靠性，使用先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)來檢查和評(píng)估在隧道下方的情況。這些技術(shù)能夠更準(zhǔn)確、更快速地發(fā)現(xiàn)和識(shí)別可能存在的問題，并及時(shí)采取必要的補(bǔ)救和修復(fù)措施。這樣才能確保系統(tǒng)能夠在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)原狀，并且能夠確保系統(tǒng)順利完成工作。為了確保新建的隧道的安全[7]，將會(huì)對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的檢查和評(píng)估，以便提供有效的指引。

3.3監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)《城市地上地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，對(duì)現(xiàn)存的隧道結(jié)構(gòu)的檢查應(yīng)當(dāng)采取分步實(shí)施的措施：首先，在線路的兩側(cè)分別安裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以便檢查其水平位移；其次，在結(jié)構(gòu)沉降、隧道收縮和水平位移的位置，也分別安裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)；最后，在道床上安裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.4監(jiān)測(cè)方法

通過使用先進(jìn)的技術(shù)，可以對(duì)線道床的下降、收斂和水平位移實(shí)行智能化監(jiān)控。這個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括了多個(gè)部分，如基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)、變形點(diǎn)、全站儀和控制中心[8]。（1）基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)：為了確保精度，還建立了3個(gè)或更多的穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)。（2）變形點(diǎn)：通常需要放置3個(gè)或更多的基準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)，這些測(cè)試點(diǎn)都要求具備足夠的視覺和力學(xué)性能，并且要求具備良好的角度和方向監(jiān)測(cè)能力。（3）全站儀：采用徠卡TS15測(cè)試機(jī)器人，測(cè)距精度為1"mm＋1.5"mm×10-6×D（D為邊長(zhǎng)，單位：km）。（4）計(jì)算機(jī)機(jī)房：在計(jì)算機(jī)室，使用了一條高速的通信線路，將所有的計(jì)算機(jī)連接到了一個(gè)高精度的傳感器系統(tǒng)，以便對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[9]。

3.5成果分析

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，國際機(jī)場(chǎng)站至T4航站樓站區(qū)間（現(xiàn)存1號(hào)線）的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量均處于-4～4"mm范圍內(nèi)，且變形速率保持穩(wěn)定，風(fēng)險(xiǎn)可控。

3.5.1道床結(jié)構(gòu)沉降

通過對(duì)道床結(jié)構(gòu)的沉降監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)了一些明顯的變形，其中最嚴(yán)重的變形點(diǎn)，如圖2所示。但從變形曲線圖來看，這些沉降量都很低，符合了相關(guān)規(guī)范的要求。

3.5.2道床水平位移

通過對(duì)道床結(jié)構(gòu)的水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)左右兩條線的變形量都小于控制值±10"mm，并且變化趨勢(shì)相當(dāng)穩(wěn)定，如圖3、圖4所示。

3.5.3隧道收斂變形

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，隧道下穿既有1號(hào)線隧道時(shí)，其變形量介于-1～2"mm之間，低于規(guī)范要求的±10"mm，如圖5所示。說明施工對(duì)隧道的影響較小，屬于正常變形情況。

經(jīng)過全面的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)當(dāng)隧道橫跨現(xiàn)存鐵路干線時(shí)，它所造成的沉降、水平位移、結(jié)構(gòu)收縮等問題幾乎沒有受到任何影響，其累積變形量與變化頻率都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此它并未給現(xiàn)存鐵路的正常使用帶來任何負(fù)面影響。

4"結(jié)語

（1）通過安裝具有高效率的測(cè)量機(jī)器人，并配備具有高性能的傳感器，能夠有效地抑制儀器與目標(biāo)之間的偏差。此外，利用具有高性能的傳感器，還能夠?qū)崿F(xiàn)多次重復(fù)的自動(dòng)校正，進(jìn)而大大降低人員動(dòng)作的錯(cuò)誤，保證監(jiān)控的準(zhǔn)確性。

（2）由于施工過程中的動(dòng)荷載作用，基坑樁頂水平位移發(fā)生了顯著的變形，但在荷載消除之后，這種變形會(huì)出現(xiàn)一定的回彈。因此，應(yīng)采取措施盡可能地減少坑邊堆載對(duì)基坑安全的不利影響。

（3）通過采用測(cè)量機(jī)器人自由設(shè)站技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜外形的建筑物三維變形的快速、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，這種技術(shù)不僅適用于已有的隧道，而且還可以拓展到更多的領(lǐng)域。

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