测量机器人自动化监测系统在轨道交通运营隧道监测中的应用

李文雅,赵秀琴

(中铁第六勘察设计院集团有限公司,天津 300000)

0 引 言

轨道交通作为人们日常出行的重要交通工具,是城市交通的主动脉之一,其运营的安全关乎每个人的安全及运营的成本。测量机器人自动化监测系统具有精度高、分布式、实时动态、全天候智能远程遥测的优点,在轨道交通线路和隧道工程安全监测领域有着广泛的应用前景[1-5]。其中张赛等结合某电站的实测数据验证了基于历时数据的测量机器人的实时粗差探测方法[6]。沈雨等开发了RTU系统和虚拟传开模块,利用4G无线传输技术,基于徕卡TM30测量机器人实现了监测的远程控制、数据的快速传输和实时更新[7]。陈荣彬等对广州一地下基础工程对运营地铁3号线的影响进行自动化监测为实例,实现了无人值守的自动化监测,提高了监测的效率[8]。徐玉健等对天津地铁6号线的运营监测采用测量机器人和静力水准两套监测系统相结合的方式进行了监测,及时对监测数据进行了数据分析和预警,为6号线的运营安全提供了保障[9]。曹毅、李术希利用自动化变形监测的方式研究了市政隧道爆破施工上穿运营高铁隧道产生的影响,实现了高效率、高精度地对运营高铁隧道进行监测,保证高铁运营的安全[10]。

本文以天津地铁4号线北延工程下穿地铁1号线区间为例,介绍了测量机器人自动化监测系统,并进行数据的采集整理和分析,为盾构掘进施工提供了高精度的基础数据,保证了运营线路的安全,也为后续的施工提供了参考。

1 自动化监测系统

测量机器人自动化监测系统如图1所示,主要由数据库、客户端、控制箱、现场监测端等部位组成。控制中心可以实现远程的人机交互,将监测指令传递到控制箱,现场监测端根据监测指令通过测量机器人完成监测数据的采集,根据系统的指令将采集数据通过无线传输的方式传递到控制中心[11],结合SQLServer数据库技术对数据进行自动储存[12],然后对监测数据进行统一的管理预处理、进行监测数据的查询、监测数据的分析以及监测结果的输出。为施工提供高精度、高时效的监测数据以满足施工的需要。

图1 测量机器人自动化监测系统拓扑图

2 测量机器人变形监测原理

2.1 竖向位移和水平位移监测数据的获取

测量机器人变形监测根据情况分两种,固定全自动持续监测方式和移动周期性网观测方式[13]。一般采用固定全自动持续监测的方式进行观测,采用多方向后方交会的方式进行三维坐标的采集和计算。多方向后方交会,在设站时候方向观测多于3个的交会测量方法[14,15],如图2所示,全站仪固定在一个点位,然后通过学习测量,记录基准点和监测点的空间位置信息,根据监测的方案按照一定的频率及限差的要求进行自动重复的观测,在观测的过程中如出现超限数据则进行重测。将观测得到的方向值、距离值和天顶距,根据观测的基准点的平面坐标、高程采用条件平差的方法进行计算,从而得到监测点的平面坐标值和高程[14]。系统工作运行前实现将环境测量因素(温湿度、气压)内置系统,以便让系统自动计算确定误差常数。

图2 测量机器人监测数据的获取

(1)

2.2 隧道结构收敛数据的获取

如图3所示测量机器人架设在P点,监测点A、B为安置的小棱镜,通过观测可以测得P点到A、B两点的距离值a、b及P点到A、B两点的夹角α,则根据三角余弦定理可计算A、B两点的距离c。

图3 收敛监测示意图

(2)

(3)

也可以通过监测点A、B的三维坐标反算计算监测点A、B的间距,并与初始状态进行对比,则期收敛的计算公式为:

(4)

3 工程实例

3.1 工程概况

天津地铁4号线西于庄站～西站站区间(以下简称西西区间)下穿地铁1号线区间正线。1号线结构箱体宽度约 13.1 m,围护结构采用钻孔灌注桩+水泥搅拌桩,箱体结构基底设置钻孔灌注桩。1号线变形缝预留宽度为 30 mm,安装桥式橡胶止水带。隧道与既有线区间结构桩基垂直净距 0.769 m,隧道与既有线区间箱体结构垂直净距10.21～11.24 m,与1号线2号风道竖向间距为 11.5 m,4号线与1号线位置关系如图4所示。

图4 4号线西西区间与1号线既有区间结构关系图

3.2 监测范围及基准点、监测点、测量机器人的布设安装

根据设计文件并结合《城市轨道交通工程监测技术规范》GB50911—2013的有关规定,需要对既有轨道交通隧道结构竖向位移、水平位移和净空收敛监测进行检查,且各监测项应按照监测断面布设在同一断面。既有隧道结构位于施工影响区的主要影响区时,监测断面间距不大于 5 m;位于次要影响区时,监测断面间距不大于 10 m。每个监测断面布设的监测点在隧道结构顶部或底部、两侧边墙。监测点布设点位应充分地考虑对轨道交通行车的影响,避免对既有轨道交通运营产生影响。

既有1号线监测采用全站仪机器人自动化测量,范围总长约 130 m,共计18个监测断面,其中主要影响区监测断面按 5 m划分;次要影响区监测断面按 10 m划分。同时结合现场具体条件,对断面间距进行微小调整,以适应现场情况,变形缝两侧应按加密断面布置,如图5所示。

图5 监测范围及监测断面划分平面示意图

基准点设置在变形监测区以外的稳定结构上,不得安装在隧道内的电缆桥架等物体上面,且保证其稳固性。根据现场条件,基准点可埋在隧道腰部也可在道床上。

自动化监测的基准点采用大棱镜。同时自动化监测的基准点与人工监测基准点布置于同一个断面位置处,不应相距过远。因为左右线两条隧道为两个相互独立的监测系统,本工程每条隧道两端分别布置4个自动化监测基准点(高程、平面)和4个人工监测基准点(高程)。

监测点采用L型小棱镜,隧道结构和车站结构的监测点布置于隧道管片腰部或偏下位置以及车站内结构侧墙上,轨道道床监测点直接安置在道床上,并做保护罩防止踩踏。每个断面布设4个小棱镜,安装示意如图6所示。根据本工程的监测范围和通视条件,每条隧道各布置1台0.5″精度测量机器人,自动化监测信号发射源尽量远离运营隧道中的AP信号箱和发射天线,以免无线传输信号产生干扰。

图6 监测断面监测点布设示意图

3.3 监测的周期和频率

本项目监测周期为盾构进入保护区范围的前一周起到盾构下穿1号线脱出保护区范围外后的3个月,直至1号线地铁结构稳定为止。在工后数据恢复稳定,既有1号线隧道结构的变形趋于稳定,结构安全、隐患风险消除后申请停测施工。

施工期间采用自动化监测和人工监测校核两种方式,监测频率与施工进度动态相结合,根据施工单位施工进度实时调整监测频率,根据监测数据及时增减监测频率。监测频率如下:自动化监测频率为1次/h,穿越后1个月内测量频率为1次/6h,穿越后2～3个月内监测频率为1次/7天。人工监测一般根据天窗点适当地调整,穿越前1次/7d,穿越中为1次/1d,盾体脱出保护范围后慢慢降频1次/2d、1次/3d、1次/7d,数据趋于稳定后1次/30d。当出现风险异常情况应加大监测频率。

3.4 监测数据的分析

4号线西西区间左线为先行掘进始发,下穿1号线隧道的时间为2021.7.13进入保护区→2021.7.20进入1号线左线→2021.7.24脱离1号线右线→2021.7.27完全脱离保护区。在盾构下穿之前进行试验段的模拟掘进总结盾构掘进参数。在下穿过程中推进过程注入“克泥效”,管片脱出盾尾后3～5环后开始二次注浆。下穿1号线期间,将按试验段掘进参数推进并结合监测数据进行细化。分析曲线选择左线盾构穿越区域范围内的10-16监测断面,数据曲线如图7所示。

图7 左线穿越期间1号线左线轨道结构竖向位移变化历时曲线图

在4号线左线穿越1号线的过程中从曲线图我们可以看出,整体数据穿越前是处于平稳阶段,盾体到达隧道前由于土仓的压力,刀盘前方呈现微隆起的现象,盾体在穿越1号线过程中是下沉阶段,下沉趋势比较明显,最大下沉量约为 -2.0 mm左右。根据监测数据情况,在盾尾脱出管片后3～5环后立刻开始采用多点位少量多次的二次注浆,防止隧道结构的持续下沉,在曲线图中可以明显看出多次的注浆过程,每次注浆隧道结构呈现隆起状态,尤其是7月25日,注浆隆起0.5～0.7 mm,速率接近预警。在此过程中及时提醒施工单位,根据监测数据的情况及时调整注浆量和注浆压力,防止监测数据的突变,速率预警。在盾体通过后的一周后,监测数据基本趋于稳定。

4号线西西区间右线2021.11.1进入1号线的保护区→2021.11.3进入1号线左线→2021.11.6脱离1号线右线→2021.11.10盾构机驶出保护区。分析曲线选择右线盾构穿越区域范围内的3-10监测断面,数据曲线如图8所示。

图8 右线穿越期间1号线左线轨道结构竖向位移变化历时曲线图

根据4号线右线盾构下穿1号线隧道结构的竖向位移变化历时曲线图我们可以看出,盾构机进入1号线控制保护区后轨道结构沉降受土仓压力的影响呈现短暂的略微隆起上升,同时也存在二次扰动。从2021.11.2～2021.11.6盾构机完成脱离1号线右线,隧道结构一直呈现缓慢下沉趋势,同步注浆效果不明显。11月7日进行了二次注浆,注浆隆起后仍继续下沉,到11月9日累计沉降量达到最大值为 -3.3 mm,为了阻止隧道的持续变形,施工单位持续多次地进行二次注浆,直至隧道结构的下沉趋稳定。

在左右线穿越过重也进行了人工辅助性监测,测量机器人自动化监测与人工辅助性监测的成果变化趋势一致,监测累计变化量较差在-0.5～0.8 mm之间,变形发展趋势基本吻合,监测精度满足需求。

4 结 语

(1)本文介绍了自动化监测系统的组成和变形监测原理并以天津地铁4号线下穿既有1号线为例验证了自动化监测系统可以高精度、高频率地为施工提供有效的监测数据并以指导施工,天津地铁4号线西西区间盾构施工,在穿越过程中测量机器人自动化监测系统及人工辅助性监测工作及时跟进,变形发展趋势基本吻合,自动化监测系统未出现中断及停滞现象,较好地完成了该阶段的工作任务。在掘进的过程中采用了科学的施工流程,周密的监测手段将高精度、高频率的监测数据反馈到掘进现场,及时调整掘进参数、同步二次注浆量、注浆压力等,截至停测既有1号线累计最大值隧道结构沉降 -3.6 mm、隧道结构水平位移和收敛变化±1.5 mm之内变形较小,各项监测数据均在允许值范围内,成功地保障既有运营线路的安全运行,可以广泛应用到保护区监测。

(2)本工程施工周期相对较短,监测元器件受外界条件影响较小。若施工周期较长,在监测过程中,测量机器人、小棱镜易受行车及隧道内烟尘等环境的影响较大,应定期对监测元器件进行保养检查。同时,基准点的稳定性对监测的精度影响较大,在自动化监测过程中仍需人工定期对基准点进行复测更新以保证监测的精度满足要求。