自动化监测技术在地铁隧道安全监测中的应用

刘 帆,何高举

(广东省重工建筑设计院有限公司,广州 510670)

地铁隧道结构较为复杂,周边施工及土体扰动极易对其产生影响,而隧道一旦发生异常形变将对后期通车运营造成重大安全隐患,故需对地铁隧道进行自动化监测。传统的全站仪、经纬仪等受隧道光线、空间、环境干扰等因素的影响,施测难度较大。以S市地铁Y号线为例,管廊采用分仓跳挖法施工,应用自动化监测技术实时监测,为地铁隧道施工研究提供参考,以促进自动化监测技术的应用及推广[1-2]。

1 自动化监测方法及原理

自动化监测是通过安全智能监测与预警一体化云平台远程向测量机器人发送测量指令,完成一系列测量动作并得到数据,整个过程中,测量机器人与通信工控系统通过专用电缆连接,使其同时实现设备供电、数据测量及测量指令在预警平台的接收发模式。

应用自动化监测系统进行监测的主要技术流程如下:

对机器人进行定位与标定,确定机器人在地铁隧道分仓跳挖施工现场的位置坐标,一般是在人工测量基准点(控制点)定向的基础上进行云端自动化定向学习测量。校准机器人激光测距仪与摄像机的内部参数及外部参数,确保测量结果的准确性。启动机器人的巡航功能,机器人会自动移动并运行激光测距仪及摄像头,持续进行数据采集,采集到的数据被传输到计算机中,通过预警平台进行处理分析。

图1 自动化监测系统Fig.1 Automated monitoring system

预警平台通过定向后形成的方位角、平距、斜距自动对监测点数据进行计算与分析,给出各监测点的三维坐标系(平面及高程)及点与基准点的角度距离关系,经过多次测量平差形成监测点点位初始值。

通过设置预警平台在特定的时间启动测量机器人进行无间断连续测量,与点位初始值进行比对,形成并绘制点位变形的曲线图。每次测量时,遵循先控制点(基准点)后监测点,按后方交会方法计算出仪器坐标及高程,再观测变形监测点。

计算机与测量仪器之间的通信通过Internet网络及工控通信模块来实现,使其有CDMA(或GPRS)无线通信信号,在建隧道内无通信讯号则采用光纤加光猫模式将洞口信号引入测量机器人工控通信箱内完成信号传递,通过预警平台在任何有Internet网络的地方都可以操控测量仪器。

2 工程实例

2.1 工程概况

S市地铁Y号线共建A站至B站区间,共建管廊位于地铁Y号线区间左线隧道正上方,采用明挖分仓跳挖法施工,隧道此时处于已贯通呈未铺轨阶段。为保证施工过程中地铁结构与运营安全,必须对地下运营线进行全程监测监控。根据监测数据了解地铁安全状态,判断设计是否合理,施工方法及工艺是否可行,地下运营线监测采用自动化监测,每断面设置一定数量监测点,通过采集监测数据分析线路结构变形情况。

2.2 监测实施

2.2.1 主要设备选择

为实时监控临近基坑对地铁隧道的影响,采用徕卡TM30测量机器人进行自动化监测,数据处理采用Leica配套的GeoMoS软件。该自动化测量系统是一种先进的自动化监测设备,带有精确的自动照准、快速可靠的智能自动识别功能,能够提供高精度的测量数据和图像信息,可胜任最恶劣的工作环境,为地铁隧道分仓跳挖施工等领域的工程监测提供有效的解决方案。

2.2.2 监测预警控制值确定

根据相关规范要求并结合现场条件,综合制定自动化实时监测频率及控制值。监测项目包括竖向位移、水平位移、差异变形等,监测周期为一周,监测控制值如表1所示。

表1 地铁隧道监测预警控制值Tab.1 Metro tunnel monitoring and early warning control value

2.2.3 监测点的布设

对本段监测区间左右线各设计88个断面,每个断面各布设5个三维变形监测点,分别位于隧道底两侧(2点)、隧道中腰线(2点),隧道顶部(1点),监测断面测点布置如图2。监测点采用以L型小棱镜为主的元器件,布点时用冲击钻打孔及对应膨胀螺丝安装固定,对于通视条件较差的区域采用吊杆模式安装,如图2(左)所示。

图2 外业监测点布设及仪器安装Fig.2 Layout of field monitoring points and installation of instruments

2.2.4 仪器位置及通信控制系统安装

根据施工进度,保证监测范围大于隧道顶部管廊开挖面。布设自动化监测设备时,本隧道处于洞通未铺轨状态,隧道内全站仪采用专用支架固定在隧道内一侧的侧壁上,支架位置处于监测点通视良好区域,全站仪支架附近安装工控箱,工控箱内包含供电电源、全站仪远程控制系统组件及通信设备。支架附近用膨胀螺丝固定一个电箱,包含自动化通信模块系统。在建隧道自动化监测信号系统由光纤加无线发射装置组成,光纤沿隧道侧壁,一端接入控制箱,另一端拉倒盾构井的出口,保证有通信信号,在此处安装一个无线信号引入装置连接光纤端[3]。

自动化监测仪器需在计量检定有效期内,下放隧道作业前需进行全站仪ATR校正,监测仪器支架需安装牢固(不可出现轻微松动),仪器安装调试完成后需定期进行维护,监测仪器尽量固定不动,待监测点位布设和仪器安装完成后,测量机器人、监测点及通信工控系统安装调试完毕后进入安全智能监测与预警一体化云平台,找到对应操作学习测量界面,测量机器人在人工测量基准点(控制点)定向的基础上进行云端自动化定向学习测量。定向完成后按预警平台设定的测量程序进行监测点逐个点位的学习测量,测量完成后保存所有测量数据,传输到监测软件云端服务器,实现地铁隧道分仓跳挖施工的自动化监测[4-5]。

3 数据分析

地铁隧道变形自动监测的重要环节是数据处理,应用WebMos软件进行数据平差计算、数据分析及成果输出。考虑到隧道内现场不可控因素,部分监测点可能会被遮挡、损坏,势必造成监测数据的缺失或异常,梳理分析异常点附近同断面点或相邻断面其他点数据,在地铁监测工程中运用神经网络分析模型进一步分析基准点的稳定性,预测工作基点的最合适值及监测点变形量,运用小波理论对监测数据进行偏差过滤等,S市Y号线A站至B站区间监测统计结果如表2所示。

表2 自动化监测左线情况Tab.2 Automatic monitoring of the left line

监测结果分析:本监测周期内,管廊基坑影响地铁Y号线隧道左线隧道结构自动监测变形值变化较小,未超报警值,仍处于安全可控状态。

表中高程正值表示上升,负值表示下沉;横向正值表示A站往B站方向左侧方向位移,负值表示A站往B站方向右侧位移;纵向正值表示往A站方向位移,负值表示往B站方向位移;本区间监测范围为ZDK14+809.472～ZDK15+679.472。

根据表2统计结果,结合表1预警控制值,对此分析可得出S市地铁Y号线共建管廊采用分仓跳挖法开挖施工对既有地铁隧道影响较小,可将分仓跳挖开挖法推广到类似项目上施工。

4 结束语

变形自动化监测系统能有效提供准确的监测数据,提高工程质量及安全水平。但是针对一些在建地铁隧道的狭长性、封闭性、复杂性及前期无通信弊端,目前只能通过光纤网络形式进行自动化监测。应继续加强对隧道自动化监测系统的研发,实现隧道无线通信传递功能及各种数据的对接转换,利用监控网络摄像头安全传输监测自动化指令及监测数据,便于施工管理,提升监测效率。