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

郭 峰，刘 琴

（长江三峡勘测研究院有限公司（武汉））

1 引言

新建地铁的工程量较大且施工和测量复杂，各项工序都是交错进行，对临近运行中的地铁的监测形成了一定的干扰，因此，对已投入运行的地铁隧道要进行实时监测。由于智能型全站仪的自动化监测技术可以有效地对地铁隧道现场进行数据监测，并且可采集相应的数据，准确、及时地掌握和了解地铁隧道的变形情况，所以，使用智能型全站仪对地铁隧道变形自动化监测具有重要的意义。

图1 监测点坐标和高程示意图

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中的A、B、C代表三个参考指定的坐标和高程，P点代表全站仪的置镜区域，i是监测点。通过后方交会测量技术，可以先算出P点的坐标和高程（Xp，Yp，Hp），从而可以测算出i点的坐标与高程（Xi，Yi，Hi）[1]。如果监测点的初始周期的坐标点为（Xi1，Yi1，Hi1）（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 ΔX=Xin-Xi1，ΔY=Yin-Yi1，ΔH=Hin-Hi1。

2.2 围岩收敛变形监测原理

如图2所示，A、B两点代表位于地铁隧道管片两侧的监测点上的棱镜，S点为全站仪的监测站，d为两个棱镜间的距离，b、a、α分别为全站仪与监测点A、B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d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d1被设置为初始值，那么第n期相比于初始周期的变形量ΔS=dn-d1。

图2 地铁隧道双面侧壁变形量示意图

3 智能全站仪系统设计与应用

3.1 系统的设置

在地铁隧道变形监测中，智能全站仪可以通过测量机器人的强大功能来进行工作。智能机器人可以实现自动搜索、自动找准、自动测量等功能，技术人员可预先对机器人进行编程，实现人机互动、远程遥控、数据传输、数据存储和分析的功能，以此实现对地铁隧道变形状况的自动监测，同时，对地铁隧道内发生的变形状况进行实时反馈。机器人应用于地铁隧道监测主要分为以下三个部分：

1）监测数据采集系统

机器人经过更加深层次的开发，可实现功能上的扩展，具备自动搜索、自动找准、自动测量等功能，并根据指令进行控制，采集相关数据。在数据采集的过程中，机器人搭载的软件为GeoMoS与ADM-SL2及机载软件。

2）无线通信系统

测量地铁轨道的机器人利用无线连接的模式进行远程作业，操作人员通过无线技术将指令传达到数据采集系统中，采集系统又将所收集到的数据传输到控制中心。

3）控制系统

控制系统通常放置在办公室内，利用IP网络下达和接收指令，同时可以分析机器人所获取到的信息。

3.2 监测数据采集

在机器人进行监测前，全站仪首先要进行测量学习，这里的测量学习是指专业操作人员需要对机器人的参数进行调整，然后对监测点进行人工校准，即校准机器人相较于定向点的水平角度与监测站的天顶距，并且保存其初始值数据。地铁隧道变形自动化监测技术的核心功能就是地铁隧道自动测量系统。由控制中心通过网络传输指令，对机器人进行指挥，控制机器人对地铁隧道的监测点和位置进行自动搜索、瞄准和测量，并通过之前设置好的各项参数，设置手动或自动的监测方式对数据进行实时监测，并及时地将数据传输到返回控制中心。

3.3 监测数据传输

GPRS DTU采用ARM9高性能处理器，通过软件平台对系统进行实时操作，在硬件配置上，采用超大内存，且在其内部采用TCP/IP协议,可以为用户在数据采集上提供高效稳定的传输模式、始终在线的数据终端和多协议转换的虚拟网络。在应用机器人前，首先要对机器人进行参数设置，通过软件设置确定控制中心的IP和端口，令窜口和采集器进行对接，最后通过之前设置好的IP和端口连接，实现双接口的数据透明传输。

4 智能型全站仪在智慧城市中的实际应用

本文以某市地铁5号线为例介绍智能型全站仪在智慧城市中的实际应用。在地铁5号线的一期、二期工程中，由于有3号线通过，所以，在5号线的施工过程中，务必保证3号线的安全运行。因此，在5号线施工过程中要对3号线的地铁隧道变形情况进行实时监测。此项工程的监测内容包括地铁3号线隧道管片结构的沉降、水位监测和道床沉降，等等。由于监测区域大、易产生变形区域较多、监测的频率较高及数据量庞大，且面临在地铁3号线运行时，监测人员无法进场的难题，所以此时，只能使用自动化监测设备来为3号线和5号线地铁的正常运行提供监测数据。

4.1 基准点的排布设置

在变形影响区域外的一定范围内，在地铁3号线分布了3个基准点，这样可以有效保障监测结果的准确性。同时，定期对监测基准点的稳定性进行观察，严格控制基准点与置镜点的距离，使置镜点与基准点的距离大于与监测点的距离，以保证监测点的准确度。

4.2 监测点的排布设置

在地铁隧道变形影响区域内的范围内，要做到每个隧道中每5m作业设置1个监测断面，在每个断面上要再设置5个监测点。其中，2个监测点为水平位置监测点，2个为道床沉降监测点，1个为拱顶沉降监测点。在监测中，由于全站仪的三角形高程测量的精确度比较低，所以，为了保证测量的精确度，在隧道中还排布了静力水准测量系统来保证监测的精准度。

5 监测数据分析

根据设计要求，地铁隧道变形水平和垂直位移的最大值不可以超过±10mm，并且设置最大值的1/3作为报警值，即±3.3mm；设置最大值的2/3作为警戒值，即±6.7mm。另外，对于沉降的速率也有极高的要求，要求控制在2.0mm/d，且道床的最大沉降值为4mm，在最大值达到70%时为警戒值，即2.8mm。在监测过程中，如果发生超出以上各个数值的情况，监测系统会向相关人员发送报警信息。而在实际监测中，道床沉降值超出了警戒值，沉降的速率也超过了设计值。为了验证监测系统的准确性，操作人员与静力水准测量数据进行了对比。监测对比结果表明，智能型全站仪的监测系统准确无误，数据可靠。针对该情况的发生，相关部门组织了专家研讨会，并在会议上对所发生的状况提供了解决办法。经过专家的建议，在隧道变形处采用了注浆加固的处理方式，在实施过程中，效果良好，并且，在之后的施工和监测中，沉降状态趋于稳定。

6 结语

智能全站仪不仅可以对地铁隧道的变形状况进行监测，还可以将获取到的数据输送到检查中心，必要时还可以发送报警信息，为地铁工程的施工和运行提供强大的安全保障，从而促进智慧城市的安全发展。