基于全站机器人监测系统的隧道运营监测分析

赵杨

（中国建筑技术集团有限公司，北京 100013）

0 引言

随着城市的发展以及地表空间资源的逐步紧张，地下空间开发进程不断加速，地铁等大型城市地下空间工程越来越多。在地铁隧道的施工和运营过程中，可能会受到邻近地表加载卸载、保护区内基坑开挖以及近距离隧道穿越等因素的影响，导致土体结构应力发生变化，进而出现结构沉降变形，引发安全问题，因此，需要对隧道结构进行监测，变形监测是其中的重要监测内容。

针对大型盾构隧道的变形监测，目前常见的相关技术如下：第一，精密水准测量技术，该技术凭借测量精度高的优势，在隧道监测工作中得到了广泛应用，但作业效率低、强度大，难以实现自动化；第二，GPS技术，该技术具有全天候、实时性的特点，可在一定程度上达到连续性监测的效果，但在地铁隧道工程中会出现GPS 信号被遮挡而无法使用的问题；第三，三维激光扫描技术，该技术高效、快速且自动化程度高，但精度不足。上述几种技术难以兼顾低成本、大规模布设和准确测量等多方面的监测需要。而测量机器人监测在全站仪的基础上，集成利用自准原理和CCD图像处理功能，可实现对目标的全天候自动识别、找准与跟踪，并获取距离、角度等信息，可配合数据处理软件进行数据采集和处理，在隧道结构监测方面有广阔的应用前景。

1 工程概况

青岛地铁某线进行基坑开挖施工，为监测邻近地铁隧道结构受基坑开挖影响的沉降变形情况，在相应区段布设全站仪机器人监测系统。监测区间沿线的地势相对平稳，地面高程3.33～6.25m，变化不大，地表主要分布厚度1～6.7m 的第四系全新统人工填土，下伏基岩为燕山晚期闪长岩，局部可见花岗斑岩呈脉状产出，局部受构造作用影响发育，构造岩花岗斑岩（块状碎裂岩），强风化层厚4.3～26m；隧道洞身穿越强风化闪长岩地层，地下水主要为岩裂隙水，多为弱透水层，水量较贫，局部接力裂隙发育，受构造影响破碎带裂隙水含量丰富。

监测区段隧道采用复合式盾构开挖，起点里程为K16+975.000，终点里程为K17+917.9，左线全长为805.402m，右线全长为813.000m，左右线均为单洞单线隧道，两线隧道中轴线间距14m。在地铁保护区内基坑开挖施工过程中，监测地铁隧道的结构变形，通过对分布式光纤监测数据的采集、处理和分析，确保地铁隧道结构的安全，保证其正常使用。

2 全站机器人监测系统的实施与运行

2.1 全站机器人监测系统的实施

监测系统主要由监测设备、参考点、监测对象和传输控制设备四个系统组成。其中，监测设备由高精度全自动测量全站仪、自动化变形监测系统组成；参考点由设置在变形影响范围外的基准点（至少2点）组成；监测对象由若干个变形监测点组成；传输控制设备由通信网络及远程电脑组成。

通过测量机器人自动化监测系统监测隧道结构的竖向位移、水平位移情况，基准点分别布设于监测范围大小里程两侧相对稳固的位置，每侧布设3 个徕卡GDR1 棱镜组作为基准点组，左右线合计12 个基准点；于监测范围中部设置工作基点，即自动化监测系统测站，布设时避开隧道内管线，建立固定观测支架、安装全站仪。监测点布设情况见表1。

表1 监测点布设情况

监测项目隧道结构竖向位移、隧道结构水平位移说明测点采用钻孔方式埋设，利用膨胀螺丝将徕卡L型棱镜固定在隧道结构侧壁上，并调整棱镜方向使其正对测站测点间距10～20m，左线19个、右线19个，合计38个数量38个

各监测项目监测预警值和控制值见表2。

表2 监测项目控制值和预报警值

监测项目变化速率控制值/（mm/天）累计变量预警值/mm 控制值/mm隧道结构竖向位移隧道结构水平位移1 1 3 3 5 5

2.2 监测系统的数据采集

通过自动化监测软件的合理配置，完成定时采集数据的任务。监测过程中定期对监测设备进行维护，并采用人工方式对监测数据进行校核。自2020年8月完成隧道内基准点布设、监测点布设、仪器调试、初始数据采集，至2021年11月，整个监测期间历时约500 天，共进行1646 次观测，如表3 所示，顺利实现了对地铁隧道左右两线的连续运行监测。

表3 监测工作量统计表

序号1234测试天数/次数477 346 477 346项目隧道结构竖向位移（右线）隧道结构竖向位移（左线）隧道结构水平位移（右线）隧道结构水平位移（左线）

各监测项目特征监测数据汇总情况见表4。

表4 特征监测数据统计表

过程累计变量序号监测结论监测项目位置最大值/mm-1.4-1.6 1.4 1.1最后100天平均变化速率最大值/mm位置（时间）1 2隧道结构竖向位移隧道结构水平位移左线右线左线右线YSK17+271.000（2021年7月31日）ZSK17+131.000（2021年3月29日）YSK17+291.000（2020年12月24日）ZSK17+071.000（2021年5月11日）最终累计变量最大值/mm 0.5 0.5 0.5 0.8 YSK17+351.000 ZSK17+051.000 YSK17+051.000 ZSK17+311.000 0.01 0.01 0.01 0.01正常正常正常正常

2.3 全站仪监测系统分析总结

自2020年8月5日完成隧道内基准点布设、监测点布设、仪器调试、初始数据采集，至2021年11月24日，整个监测期间该监测段隧道结构竖向位移、水平位移等多个监测项目的监测数据均处于正常范围。

隧道结构竖向位移监测数据显示：监测过程中累计变量在-1.6～1.3mm 范围，最大值为-1.6mm（ZSK17+131.000，2021年3月29日）；最终累计变量最大值为0.5mm（YSK17+351.000）；最后100 天平均变化速率最大值为0.01mm/天；监测数据均处于正常范围。隧道结构19 个测点处竖向位移累计变量时程曲线见图1、图2。

图1 隧道结构19 个测点处竖向位移（左线）累计变量时程曲线

图2 隧道结构19 个测点处竖向位移（右线）累计变量时程曲线

隧道结构水平位移监测数据显示：监测过程中累计变量在-1.4～1.4mm 范围，最大值为1.4mm（YSK17+291.000，2020年12月24日）；最终累计变量最大值为0.8mm（ZSK17+311.000）；最后100 天平均变化速率最大值为0.01mm/天；监测数据均处于正常范围。隧道结构19 个测点处水平位移累计变量时程曲线见图3、图4。

图3 隧道结构19 个测点处水平位移（左线）累计变量时程曲线

图4 隧道结构19 个测点处水平位移（右线）累计变量时程曲线

监测期间现场巡查，隧道结构正常使用，未见明显病害；外部作业工程、周边环境未见异常；监测设施设备未发生被破坏情况。

在整个基坑施工过程中，通过对全站机器人监测系统监测数据的处理分析发现，在邻近基坑开挖过程中，隧道结构没有出现较大的变形，隧道的整体安全状况良好。可以认为，该地铁隧道区段布设实施的全站机器人监测系统的监测数据可在邻近基坑开挖过程中保证地铁运营的安全。

3 结论

为了自动化监测邻近基坑开挖过程中隧道结构的变形情况，掌握变形程度及变形趋势，保证地铁隧道的运营安全，提出在隧道结构中布设全站机器人监测系统，及时掌握地铁隧道的安全状态。工程实践证明，相较于传统的监测手段，全站机器人监测系统具有如下优势：

第一，全站机器人监测是一种人为影响因素少、自动化程度高的监测方法，能够实现连续自动监测，监测效率较高；第二，采用光学测量，结果为直观的位移数据，可信度较高，数据可接受度高；第三，受地铁运营时间的限制较小，可实现全天候实时自动监测，能够很好地满足连续性监测的需要，且系统稳定性高；第四，工作人员不进入实地即可采集到数据，可以消除一些安全风险，且能节约人力成本。

该监测项目的成功实施，对于积累全站机器人自动化监测经验、提高监测系统水平等有指导意义，且表明全站机器人监测系统在地铁隧道结构变形监测中效果良好，可保证地铁隧道结构安全，有较高的推广与使用价值。