基于智能型全站仪的地铁隧道变形自动化监测技术及应用

基于智能型全站仪的地铁隧道变形自动化监测技术及应用

冼定华

广东省重工建筑设计院有限公司     广东广州510700

摘 要：在地铁建设和运行的时候，要始终监测隧道结构的变形情况，以往使用的人工监测技术很难达到预期的目标。为了使地铁既有线路正常运行和在建项目顺利施工，可利用智能型全站仪自动化监测技术，实现对地铁隧道变形情况的实时监测。文章从全站仪变形监测的原理入手，具体包含三维坐标监测原理、围岩收敛变形监测的目的与原理等内容，并围绕其设计和实现展开探讨，结合实际案例探讨其应用，保证地铁既有工程的正常运行和在建工程施工的顺利实施。

关键词：智能型全站仪；自动化监测；地铁隧道

引 言

由于新建地铁工程工作量大，施工、计量工作繁杂，各种工作过程错综复杂，对邻近运营的轨道交通监控造成了一定的影响，故对已经投入运营的地铁进行实时监控。智能全站仪的自动监控技术能够实现地下隧道的实时数据采集，从而准确、及时地掌握和了解隧道的变形情况，因此，采用智能全站仪对地下隧道的变形进行自动监控有着十分重要的意义。

地铁隧道变形监测精度高、频次高、时效性强，但是隧道变形监测环境复杂，天窗时间段，存在着一定的安全风险，常规的手工操作方式很难适应地铁监控的需要。采用全天候自动化的变形监测方法，是目前地铁隧道监控的最佳方法。全站仪自动化变形监控系统能够全天候、高精度、高频率、安全稳定地进行变形监测，并能实时、准确、快速、安全、稳定地进行变形监测，并产生变形曲线、变形报告，对安全事故进行预测，消除隐患，确保地铁的安全施工和运行。

1.地铁隧道施工监测现状
  目前国内隧道工程监测主要采用手工监测，其优点是简单、技术成熟可靠，但其缺点是时间短、监测效率低、成本高、危险性大。采用自动监控技术对地铁隧道施工进行实时监控，是目前地铁隧道工程监控发展的必然趋势，通过自动监控技术，可以实现对隧道工程的实时监控，并对其进行快速、高效的分析，对解决人工测量弊端具有很强的实际意义。目前，我国隧道工程监测的重点是隧道纵向变形监测、隧道横向变形监测、隧道管径收敛变形监测。在此基础上，采用了电子标尺和静态标定系统对隧道的纵向变形进行了监控。静力水平监测是目前监测地下管线纵向变形最常用的方法，具有较高的精度和较宽的监测范围。由于电子水平尺测量方法的局限性，其测量精度较低，测量精度较低。对于隧道的横向变形和管径的收敛性，一般都是采用全站仪进行，但由于有目标识别功能的全站仪可能会受到通视因素影响精准度，从而使其在较大范围的监控中不能达到精度要求。
2.智能型全站仪的监测原理

2.1全站仪的三维坐标监测原理

地铁隧道变形监测的参考点，也可称作基准点，获得与监测点的边角角度后，通过边角的角度可以测算出平面的坐标和高度，如图1所示。

图1 监测点坐标和高程示意图

图1中的代表三个参考指定的坐标和高程，点代表全站仪的置镜区域，是监测点。通过后方交会测量技术，可以先算出点的坐标和高程，从而可以测算出点的坐标与高程。如果监测点的初始周期的坐标点为（初始值），那么各个监测点的第n期相比于初始周期的变形量为，，。

2.2围岩收敛变形监测原理

如图2所示，两点代表位于地铁隧道管片两侧的监测点上的棱镜，点为全站仪的监测站，为两个棱镜间的距离，分别为全站仪与监测点间的测量距离和角度，可以根据三角函数中的余弦公式得出在不同测量时期值的变化，以此来反映地铁隧道双面侧壁的变形状况。如果初始周期的弦长被设置为初始值，那么第期相比于初始周期的变形量。

图 2 地铁隧道双面侧壁变形量示意图

3.在运营隧道中开展监测工作的困难
  采用全站仪自动化监测系统对运营隧道结构沉降、收敛及水平位移进行监测，能有效克服在实际监测工作中的以下几个难点：
  （1）隧道在试车之前，隧道内接触网不通电，24小时可作业，采用人工监测的方法，完成隧道结构的收敛、沉降、水平位移监测具有作业条件，但是采用传统工作方法，效率低，需要的监测人员多，很难做到连续有效的监测；
  （2）试车后，接触网通电，作业时间缩短，若要跟踪监测很难完成，并且隧道内列车通行，存在较大的安全隐患；
  （3）在隧道内采用自动全站仪测沉降、收敛、位移及电子水平尺等监测手段，在提高效率的同时，精度也有较大提高。自动化监测系统在前期的监测点布设、控制点测设方案、自动化设备的安装调试，前期阶段要做好充分准备；
  （4）隧道进行试车阶段后，若遇跟踪监测，人工监测的方法很难完成高频率的监测工作，要有效的实施自动化监测，还要解决通信、数据传输、远程控制等内容；
  （5）采用0.5秒级的自动全站仪在150米范围内，采用优化的监测设计方案，水平位移精度优于1mm，沉降精度优于1.5mm，再辅以电子水平尺等多种自动化监测设备相互检校，并采用人工水准检校的方式，增加了数据的准确性及可判别性。

4.工程应用

4.1工程概述

某地铁工程土建施工01标段包括三站（A站、B站、C站）三区间（Z站-A站区间、A站-B站区间、B站-C站区间）及Y综合基地土石方，车站及区间均采用明挖法施工。区间基坑周边环境空旷，场地开阔，建（构）筑物及管线较少，但由于基坑采用放坡开挖，A站到Z站要穿过一个湖，现场需要加强巡视。A站-B站区间和B站-C站区间根据勘探孔揭露的地层结构、岩性特征、埋藏条件及物理力学性质，场地勘探深度以内地层岩性由填土、第四系全新统冲积层、第四系上更新统冲积层、第四系上更新统和白垩系上统南雄组红层组成。

  某地铁工程监测内容：按类别分为周边环境监测与结构本身监测两个部分；按监测对象可分为基坑围护结构体系监测、基坑周边环境监测。监测周期主要涉及到以下方面：第一，围护结构监测工作必须从施工开始之前进行，直至地下结构工程施工结束；第二，周边环境从施工准备阶段开始，直至施工可能影响结束为止，工程影响范围内的建（构）筑物、道路、地表等变形监测应依据实际情况适当延长。
4.2监测控制网
4.2.1布设沉降监测控制网
  垂直沉降监测控制网由基准点和工作基点组成。这些控制点应布设在远离基坑影响范围之外，为重复测量提供便利，并保证通视条件良好、稳固。
4.2.2水平位移监测控制网的布设
  水平位移监测控制网由基准点和工作基点组成。平面坐标系统与施工坐标系统应该统一，针对部分可以直接使用的施工控制点，可以直接纳入水平位移监测基准网。每次观测前，应检核基准点，确认稳定后进行监测点的观测工作。基坑施工准备阶段，相关人员应对垂直沉降及水平位移监测控制网测量2-3次，取其平均值作为初始值。
4.3坡顶水平位移监测
4.3.1监测目的
  当斜坡顶部出现较大水平位移时，将会对基坑的施工空间和周边环境产生不利的影响。通过对位移的监测，可以合理地调节基坑的开挖顺序和速度，反算地层的水压，以确保基坑及其周边环境的安全，判断其安全性和对周边环境的影响，确保开挖方案的正确性，及时准确地预测各种风险，防止意外的发生。

4.3.2测点布置和埋设
  在布设和埋设测点时，要按总的规定，每隔20~30米设置一处监测点，并根据设计图纸的规定进行。横向位移监测点分为三类：基准点、工作基点和变形监测点。在这些控制点中，基准点和工作基点都是监控变形的关键。基准点通常远离工地，并设置在影响区域之外，以便检验和恢复工作基点的可靠性；工作基点布置在基坑附近相对稳定的地方，并在工作基点处设置测量仪器，对其进行水平变形的监测。

4.4监测方法
4.4.1极坐标法
  4极坐标法是利用数学中的极坐标原理，将两个已知点作为坐标轴，以其中一个点为极点建立极坐标系，测量观测点至极点的距离、观测点与极点的连线、两个已知点的连线之间的角度，从而求出观测点的座标。利用极坐标作为测量点的座标，可以获得各观测点在任何方向上的位移。此外，极坐标法设站更具弹性，只需知道某一点的座标及反观方向，即可在此位置设站、测量。同时，该方法还能在同一时间对多个方向上的观测点进行测量，大大提高了工作效率。

4.4.2视准线法
  视准线法是一种用于观察基坑内直线边和直立支杆的水平位移的方法。当场地狭窄时，可以将测点置于基坑周边的拐角处，以求出相应的基坑拐角处的位移。在整个站仪安装完毕后，以与基坑相对的工作基点为基准，用带有刻划的读数站或T型尺，设置在观测点上，读取数值。通常，测量员会用经纬仪或全站仪正倒镜读数四次，以中间的数字为一次观察。在初值观测时，要进行两次观测，以保证测量资料的准确性，并将每次观测的结果与初始值进行对比，得出各测点的横向位移量。

4.4.3小角度法
  该方法适用于观测点零乱、不在同一直线上的情况。
4.4.4前方交会法
  一般采用前向交叉法在周围建筑物顶部设置一个对中观测墩，并在上面设置一个观测台，这样就可以基本观察到整个基坑的各个点。但此法需同时在两座台基上设置观测台，其观测量相当大。由于两个观测台间的中转站位于两幢建筑物之间，耗费的时间和人力都较多，而且由于前面交会对图形条件的要求较高，因此很大程度上限制了大范围的使用，通常仅限于几个地点，尤其适合于工作基点的稳定性检验。

4.4.5后方交会法
  采用后交会法对工作基点墩进行稳定性检验是可行的。在不确定的情况下，后方交会只需在不确定的地点设置一个站点，这样做的工作量要小。而且，后方交会可以采用基坑周围的固定屋角作为观察对象，使用起来更加方便，应用也更加广泛。

结束语

综上所述，智能型全站仪有效监测了地铁隧道的变形情况，并将所获得的数据信息传送到控制中心，在特殊情况下可以发送预警信息，显著提升了地铁隧道工程的施工安全性和稳定性，使智慧城市安全发展得以真正实现。智能型全站仪自动化监测系统可以实时监测地铁隧道变形情况，详细分析监测信息以后制定出有效的解决办法，控制了沉降趋势的延伸，使在线线路施工建设工作和既有线路正常营运能够有序开展。受监测环境比较复杂的影响，监测时如果监测点被遮挡或者是监测点被损坏，要安排专人到现场检修，同时做好监测机器人定期保养工作，使其获取的监测信息更加的真实、可靠，保证最终的监测结论准确、无误。

参考文献

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