全站仪无定向直接坐标法在地铁抢险监测中的应用

2016-04-11侯金波俞雪薇

测绘通报 2016年2期

关键词：全站仪定向监测点

侯金波，陈　潇，俞雪薇

(天津市勘察院，天津 300191)

全站仪无定向直接坐标法在地铁抢险监测中的应用

侯金波，陈潇，俞雪薇

(天津市勘察院，天津 300191)

Application of Total Station’s Non-oriented Direct Coordinate Method in Monitoring of Metro Rescue

HOU Jinbo，CHEN Xiao，YU Xuewei

摘要：危及隧道安全的变形产生后，如何快速地获取地铁的形态，为应急抢险提供真实、可靠、有针对性的监测数据是测量单位的首要任务。本文结合某次地铁抢险任务，阐述了高精度全站仪无定向直接坐标法的原理及在其中发挥的重要作用。

关键词：全站仪；无定向；直接坐标法；地铁抢险

城市地下轨道交通具有避免城市地面拥挤、充分利用空间、运量大、速度快、无污染等特点[1]。随着我国城市轨道化进程的不断加速，地铁作为城市交通动脉的作用逐渐体现，其安全运营的重要性也日益凸显。地铁在运营阶段受地质条件、工程质量、周边环境施工等影响会产生一定变形。当变形超过一定的限度，便会危及地铁和周边环境的安全，可能造成人民生命财产的重大损失。危险变形产生后，如何快速地获取地铁的形态，为应急抢险提供真实、可靠、有针对性的监测数据是测量单位的首要任务。本文结合某次地铁抢险任务，阐述了高精度全站仪无定向直接坐标差分法的原理及在其中发挥的重要作用。

一、无定向直接坐标法测量方法

全站仪无定向直接坐标法是通过全站仪系统直接获取同一测站上各观测点的三维坐标，通过相应点位坐标之间的简单运算快速获取、分析、评判隧道形态变化情况所需的测量数据。

在进入全站仪测量界面后，全站仪在不设站不定向的情况下会采用默认的测站坐标和默认的零方向，建立如图1所示的空间直角坐标系，其中Z轴为铅直方向，X轴、Y轴为水平方向上互相垂直的两轴，X轴指向系统默认的零方向。

在测站O以极坐标法分别观测A、B两点，若令测站坐标为(X0,Y0,Z0)，A、B点的三维坐标分别为(XA,YA,ZA)、(XB,YB,ZB)，则

图1

(1)

同理

(2)

式中，SA、SB为斜距；TA、TB为天顶距；α为OA的水平投影与X轴的夹角；θ为OA水平投影与OB水平投影的夹角。完成一次目标观测后，全站仪会自动计算出待测点的三维坐标。同一测站同一断面上的观测数据间存在一定的相关性，通过坐标之间的差分可以抵消部分测量误差，获得更准确的监测数据。

两点间的相对位置关系可表示为

两点间的距离可表示为

全站仪测量的误差来源可分为人、仪器、外界环境3种[2]。地铁隧道内的温度、湿度、气压等环境条件在一段时期内处于相对稳定的状态，可认为在一定时期内外界环境对测量结果的影响基本相同，而固定仪器、固定人员在相对固定位置在近似高度进行观测则可以有效减弱部分因人员操作、测量仪器和外界环境所带来的误差。同一隧道监测断面上的点位，所处的环境基本相同，全站仪测量路线上所受到的影响可认为近似相同，观测坐标两两差分在抵消环境及仪器对测量误差的同时，消除了常用的极坐标法因对中和定向所带来的相关误差。在同一测站测量同一隧道断面上一对点在垂直面内的相对位置关系，可以控制好测站与断面的距离及全站仪俯仰角，采用类似与不量仪器高和棱镜高[3-5]的方法，有效地控制了测量误差，直接用其Z坐标相减可得出其垂直间距。

二、施工监测

1. 工程背景

如图2所示，某地铁站附近基坑工程在土方转运的过程中在地铁站不远处的隧道区间上方形成了一个高约8 m的巨大土堆。在土堆重力的作用下，下方的地铁隧道的管片产生了较大的变形，隧道管片出现了不同程度的渗水和开裂，局部伴有碎石剥落。相关部门在获悉险情后，立即制定抢险方案，由测量单位对隧道进行变形监测，为地铁隧道的安全评估、土方的有序清运以及后期的修复工作等提供有效的数据支持。

图2　土堆与地铁位置关系

2. 监测方法

本次抢险工作要求及时获取隧道的形态变化信息，根据现场的实际情况及数据需求，测量单位采用TS30高精度全站仪利用无定向直角坐标法及时获取了隧道横向收敛、隧道净空收敛、隧道横向差异、道床横向差异情况，并利用水准仪测量轨道及站台、出入口等的沉降变化，同时利用静力水准系统对整个区域的隧道沉降情况进行实时监控。

利用TS30高精度全站仪监测的项目如图3所示，在变形区间按每10m布设一个监测断面，每个断面布置6个监测点，包括1个拱顶监测点、2个拱腰监测点、3个道床监测点。通过固定人员在固定位置大致相同的高度对每个断面的6个监测点进行观测，直接存储各个点位的三维坐标，通过相应点位的坐标数据可获取隧道的相关形态信息。

图3　地铁监测布点

1) 隧道横向收敛监测可表示为

2) 隧道净空收敛监测可表示为

SLV=Z6-Z3

3) 隧道横向差异沉降监测可表示为

SD=Z1-Z5

4) 道床横向差异沉降监测可表示为

DC=Z2-Z4

式中，(Xn，Yn，Zn)(n=1,2,…,6)为同一监测断面上各点的三维坐标。

3. 监测数据分析

监测数据较好地反映了随着土方清运进展隧道形态的变化，为土方清运工作的开展提供了可靠的数据支撑。选取土堆下方具有代表性的3个监测断面(断面编号：12、13、14)进行分析。本次监测周期始于2014年6月23日，止于2014年8月31日，其中土堆清运施工监测于2014年6月28日截止，后续时间为清运完毕后的跟踪监测期。

(1) 敛监测分析

为准确、全面地反映隧道结构的变形，本工程同时观测隧道管片的横向、竖向(即净空)收敛状况，并进行对比分析。如图4、图5所示，在最初的约一周内，隧道横向收敛值迅速减小，监测点SLH12、SLH13和SLH14的累计变化量均超过4 mm，依次为-4.69、-4.31、-4.15 mm；隧道净空收敛值则迅速增大，监测点SLV12、SLV13与SLV14的累计变化量分别为5.60、5.50、4.90 mm。这说明隧道管片之前受土体的重力作用而发生压扁变形，当土堆开始有序清运后，隧道管片会因为卸载而迅速回弹，导致垂直方向的直径变大，水平方向的直径由于隧道两侧土体的挤压而变小。在清土施工结束后，图示曲线仍会沿既有的变化方向小幅走高(低)，然后逐渐趋于稳定。

图4　隧道横向收敛监测

图5　隧道净空收敛监测

此外，同一监测项目中的各监测曲线在变化的时间与幅度上十分吻合，而不同监测项目之间，其对应的时程变化曲线在趋势上表现出明显的“0轴对称性”，图4与图5的对比可以清晰地反映出这一特征。

(2) 横向差异沉降监测分析

由于地铁隧道近土堆一侧承受的压力较大，压力的不平衡会造成隧道结构两侧的不均匀沉降(即倾斜)，因此需要对隧道及道床的横向差异沉降情况进行监测。从图6、图7中不难看出，隧道及道床的横向差异沉降变化也主要发生在清土施工阶段，截止到2014年6月28日，隧道横向差异沉降值介于1.20～1.80mm之间，道床横向差异沉降值介于1.30～1.70mm之间，两者变化范围及变化趋势基本一致。施工完成后，变形并未立即停止，在经历小幅波动后才逐步趋于稳定——在跟踪监测期间，上述监测点的道床横向差异沉降最大标准偏差为0.23mm，隧道横向差异沉降最大标准偏差仅为0.12mm。

图6　道床横向差异沉降监测

图7　隧道横向差异沉降监测

三、结束语

采用全站仪无定向直接坐标法原理简单，无需对中，操作便捷，通过简单计算能够快速获取隧道的相对几何形态，能及时地为地铁应急抢险提供真实、可靠、有针对性的数据，满足了本次地铁抢险测量工作的需要，为以后类似的抢险工程积累了宝贵的经验。同时结合地铁隧道全线长期的沉降观测数据、静力水准数据为后期的维护工作提供了有力数据支持。

参考文献：

[1]秦长利. 城市轨道交通工程测量[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.

[2]武汉大学测绘学院测量平差学科组. 误差理论与测量平差基础[M]. 2版. 武汉: 武汉大学出版社, 2012: 1-2.

[3]张仰燖，朱鹤，康明，等. 不量仪器高、棱镜高的三角高程测量[J]. 测绘通报, 2002(9): 31-34.

[4]高绍伟, 高继晶, 颜亮. 基坑监测中三角高程替代二等水准的探讨[J]. 测绘通报, 2012(8): 55-57.

[5]孙愿平, 姚培军, 刘洪臣. 中间设站法精密三角高程测量在基坑监测中的应用[J]. 岩土工程技术, 2013, 27(4): 163-166.

[6]杨松林, 刘维宁, 师红云, 等. 全站仪自由设站隧道围岩变形非接触监测理论和方法的研究[J]. 土木工程学报, 2006, 39(4): 100-104.

[7]罗建伟, 陈莉雯, 王耀辉, 等. 用全站仪进行隧道围岩收敛监测的实践研究[J]. 土工基础, 2009, 23(6): 82-84.

中图分类号：P258

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2016)02-0110-03

作者简介：侯金波(1985—)，男，硕士，主要从事精密工程测量、变形监测以及数字化成图等方面的研究工作。E-mail：hjblbxy@126.com