测量机器人在地铁隧道自动化变形监测中的应用

胡卫东

合肥市轨道交通集团有限公司 安徽 合肥 230000

引言

地铁隧道保护区施工涉及内容较多，其中监测不仅是保证自身项目施工安全，也是控制施工质量﹑掌握运营隧道结构的重要手段。地铁隧道施工中通过变形监测及不同时间变形数据的分析，便于知晓围岩动态以及结构的工作状态，预防重大事故的发生，保证施工与结构安全。常规地铁隧道变形监测在既有线路内工作量大，工作效率低下，因此使得地铁隧道自动化监测逐步得到应用。通过利用测量机器人对地铁隧道结构进行自动化变形监测，改善地铁隧道变形监测现状，为地铁保护区施工与运营管理提供重要依据。

1 自动化监测系统构成分析

1.1 全站仪

全站仪是当前工程测量中使用率较高的工具之一，而在现阶段科学技术快速发展的背景下，通过将相关技术应用到原有仪器设备中，可提升不同设备的智能化水平。徕卡TM50全站仪作为自动化全站仪设备，当前在地铁隧道工程测量﹑变形监测中已经得到重要应用，其不仅具有较高的测量精度，同时还可以通过监测设备实时对监测任务予以控制，及时分析并处理监测数据。测量机器人多测回自动观测机载软件设备在使用期间，可实现较多测量任务的自动化，包括自动目标跟踪﹑自动记录﹑目标识别﹑角度测量﹑距离测量等，并可在测量后自动处理。就徕卡TM50自动化全站仪而言，通过人工整平﹑调焦与安装棱镜，则自动化全站仪能够全自动采集相关数据。基于徕卡TM50设备的上述使用优势，在地铁隧道变形监测中，测量人员只需要简单对仪器完成整平﹑聚焦等操作，然后依靠目标自动识别﹑对准调焦﹑自动获取目标棱镜等完成相关监测，使得整个监测过程呈现出自动化，避免人工处理可能引起的误差。不仅如此，徕卡TM50本身还有相应的机载编程平台，便于不同用户根据需要自行编程，控制测量机器人完成相关工作，提升地铁隧道变形监测的自动化程度。

1.2 反射棱镜

反射棱镜在全站仪测量中发挥着重要作用，在自动化隧道变形监测中，需要使用螺栓将反射棱镜安装在地铁隧道拱顶﹑拱腰﹑道床等位置，便于持续进行变形监测。棱镜反射面需要与全站仪的照准部位相对，保证所使用的自动化全站仪能够自动识别反射棱镜并完成对应参数的监测。

1.3 计算机及其辅助工具

测量机器人在地铁隧道变形监测中还需要借助计算机以及相关辅助工具进一步丰富自动化功能。利用计算机与CAD设计技术在地铁隧道施工以及变形监测中发挥作用。比如在地铁隧道变形监测中，可利用CAD技术绘制地铁隧道结构图，并在绘图基础上借助CAD三维建模，形成三维实体模型，进而结合实体模型对地铁隧道中的主要监测点予以分析，通过模型作为监测点布设的参考。计算机技术可将地铁隧道变形监测中获取的有关数据以电子形式存储﹑数据分析与处理等，同时借助计算机的相关数据分析软件等，分析出相关数据变化规律，反馈出地铁隧道不同区域的变形特点，为施工与管理提供理论支持。

1.4 主要硬件与软件组成

在使用测量机器人对隧道结构进行自动化变形监测期间，因为变形监测获取监测数据后还需要快速分析，并预测地铁隧道可能出现的较大变形问题，考虑相关变形是否会对整个地铁隧道结构受力﹑结构安全性等产生影响。所以使用的测量机器人需要有对应的硬件与软件，其中硬件主要包括测量机器人﹑无线通信模块﹑系统控制中心。软件构成方面主要包括测量机器人机载软件﹑控制中心软件包﹑无线通信软件模块，通过机器人机载软件能够实现自动测距﹑照准目标﹑自动测角等；控制中心软件包可进行相关指令的发送与接收；无线通信软件模块主要完成通讯连接，完成控制中心指令的解析与发送等。通过相关硬件﹑软件的配合，更好地保证测量机器人可正常工作。

2 测量机器人的具体观测方法分析

了解测量机器人对应的自动化监测系统构成后，还需要掌握测量机器人的具体观测方法。同样以徕卡TM50全站仪设备为例展开分析，需要在地铁隧道中固定全自动化全站仪设备，将全站仪通过通讯链与计算机连接，计算机需要有监测设施，然后通过计算机对全站仪的监测过程予以控制。结合地铁隧道保护区施工的特点与地铁隧道变形监测经验﹑相关力学分析等，合理确定出相应的监测点，明确变形监测要求，之后完成监测点的测量，对监测结果进行数据分析﹑预测等。测量机器人自动监测后可将相关数据保存到对应的数据库中，软件还能记录在变形监测中出现的一些异常情况，比如变形异常﹑棱镜在监测中被遮挡或者覆盖等[1]。结合地铁隧道变形监测要求，完成某一环节相关变形监测并达到对应监测周期后可进行后续环节的变形监测，通过反复完成整个变形监测阶段不同环节的变形监测。监测完成后对所有数据予以分析，找出其中有问题的监测点，并重点对其实施重复变形监测，进一步核实相关地铁隧道变形监测点有无异常。通过计算机以及控制软件等，完成不同监测周期内的数据分析，不同周期测量期间，需要通过基准点进行多次测回计算，确定出不同测站点对应的实际坐标，然后对别的监测点继续监测，保证所有监测点的时时坐标均可有效获取。

3 数据分析

测量机器人在地铁隧道自动化变形监测过程中会获取大量的数据信息，所以数据分析与处理是保证最终地铁隧道变形监测质量的关键。地铁隧道变形监测期间需要合理利用机器人测量控制设备的作用。依据保护区项目施工工艺﹑主要施工进度等，同时结合已经获取的变形监测数据，综合分析﹑判断，隧道结构局部或整体在施工中出现的变形情况，比如速率﹑变形量；明确对应的地铁隧道施工变形风险，依据风险等级不同合理设定地铁隧道安全等级与质量防范措施；并指导下一步的施工方法﹑改进施工工艺。测量机器人在地铁隧道自动化变形监测应用中，需要灵活使用不同质量控制设备，并以变形监测结果为依据，确保隧道结构安全可控[2]。

测量机器人自动监测系统在获取数据并时时数据分析中，尽可能选择专业性较强的分析软件，主要方法包括坐标转换法﹑多重差分析法。坐标转换法在使用期间主要是通过监测周期内的坐标数据计算出现在监测坐标系相对于首期监测坐标系的转换系数，计算出现在监测点相对于首期监测点的坐标，进而得到不同监测点的变化量。多重差分析法在数据分析中采取差分处理方法，该方法在使用期间需要保证监测周期内监测站点未改变。数据分析期间可适当加入人工数据判断与分析，便于剔除监测数据中差距较大的部分数据，进而计算出监测周期内数据的平均值，得到最终的监测结果[3]。地铁隧道变形监测完成后还需要绘制出监测点的位移时程曲线图，形成对应的监测报表与文件，得到地铁隧道变形监测结果与建议，进而及时反馈，按照监测结果采取措施，做好现场施工管理。

4 监测精度分析

测量机器人在地铁隧道自动化变形监测中相较于人工变形监测，减少了仪器架设﹑立监测点的次数；消除了人工地铁隧道变形监测中可能出现的误差。测量机器人在进行地铁隧道自动化变形监测中，能够提高监测精度，提升地铁隧道变形监测工作效率，监测结果以及监测精度可满足地铁隧道施工中的监测精度要求，为大型地铁隧道开挖与施工中的变形监测与应用提供重要依据，改善传统变形监测作业模式与方法，全方位指导地铁隧道保护区项目施工与管理。

5 实例分析

根据某地区地铁1号线隧道正上方有绕城高速下穿高铁南站广场改建工程为例，改建工程在地铁1号线区间正上方，范围为改建绕城高速K31+840~K31＋920段与地铁1号线K15+394.494～右K15+470.263段，施工前该区域为空地。交叉范围内需要进行大范围的土方卸载，新建高速公路，开挖深度约12～16m，基本土层为杂填土﹑黏土层。高速公路路基开挖最底面距离1号线盾构隧道结构顶板土厚度约约为4.15～5.07m，土方开挖方式为明挖放坡法。

监测区域隧道区间投影区域向两端分别延伸50m，监测范围为两个站点之间上行线﹑下行线，对应隧道里程K15+344.494～K15+520.263，上行线与下行线中对应的监测范围整体长度为176m。

结合现场实际情况，在变形监测中进行基准点布设，具体如下：于监测范围50m之外布设基准点，并分别布设4个基准点在监测区域外大小里程两侧，这样上行线﹑下行线对应的监测基准点均为8个。具体布设于隧道侧壁上将小棱镜有效固定，定期校核基准点，确保整个变形监测结果的可靠性。

自动化监测点及仪器布设：监测断面设置间隔控制在5m，每个隧道监测断面设置小棱镜4个。2个小棱镜设置在隧道水平直径腰点处，这样可较好的进行隧道收敛监测；2个小棱镜分别布设在隧道道床和隧道顶部，用于对道床沉降﹑道床水平位移变化和隧道竖向收敛监测，进而系统性了解隧道内的变形情况。测量机器人设置在能够对两侧不同监测点实施监测的中间区域，而且监测结果精度也符合要求，并满足通视要求。测量机器人需要安装在隧道侧壁上。监测点和仪器在布设过程中还需要确保有效固定﹑未侵限﹑未影响行车安全。对不同监测断面做好编号。

隧道仪器和测点布设完成后将测量机器人的监测时间﹑监测频率设置完成，则自动化监测仪依靠软件将会测出不同监测点的监测数据，并计算分析数据变化情况，以报表的形式呈现出来。

为确保自动化监测数据的真实﹑有效，并在监测过程中剔除异常数据；本次监测过程中在自动化监测点的旁边布设了人工监测点，人工监测频率为一周一次，主要复核自动化监测数据。

本项目整个施工工期内，同一个位置的监测点人工监测累计变化量与自动化监测累计变化量基本一致，误差均在±2mm内，因本项目下行线15+444（HNX29）处最终累计变化量达到为+14.8mm，累计变化量已超过《城市轨道交通结构安全保护技术规范》中城市轨道交通结构安全控制指标值±20mm的70%规定，且隧道出现渗漏水﹑结构病害；为掌握隧道结构隆起﹑渗漏水及管片破损等病害对结构自身及轨道﹑接触网其他设备的影响，消除运营安全隐患，确保行车安全，项目施工完成后业主单位邀请了某大学对该区间隧道结构进行安全评估。通过大型三维有限元数值分析软件abaqus根据施工工况进行计算﹑分析与现有的监测数据基本耦合；充分说明了自动化监测设备在地铁隧道施工中应用是合理的﹑正确的。 为整个地铁隧道的安全施工奠定了基础。

6 结束语

在地铁隧道保护区施工期间，为确保行车安全和地铁结构安全，保证列车正常运营，传统人工监测会因隧道行车而无法随时进入，且人工监测工作量大﹑风险高﹑夜间作业效率低下﹑不安全等因素无法随时掌握隧道结构的变化情况。测量机器人以及智能化系统在地铁隧道变形监测中的应用，可提升监测结果的可靠性，减少人为干预，提升变形监测的安全性﹑可靠性，时时掌握隧道结构变化，更好地为现代隧道施工中变形监测与分析提供参考，指导地铁隧道施工与运营管理。