1、全自动全站仪在地铁隧道变形自动化监测中的应用研究摘要: 结合具体工程施工监测方案, 对施工扰动影响的运营中地铁隧道变形的动态监测方法进行了分析, 通过采用基于 TCA 2003 全站仪的全自动动态监测系统, 可以 24h 无人值守连续监测运营中的地铁隧道变形, 且每次监测可在地铁运行间隔内迅速完成。监测方法及数据采集可以实时提供给施工方以指导当前及下一步的施工方案, 在工程应用中收到了良好的效果。 关键词: 地铁隧道; 变形监测; 自动检测 Abstract: This paper combined with the specific project construction monitori
2、ng program, the dynamic monitoring method of subway tunnel deformation influence of construction disturbance in the operation were analyzed, based on the automatic monitoring system TCA 2003 total station, 24h unattended operation can be continuous monitoring of deformation of metro tunnel, and each
3、 monitoring can be done quickly in the subway intervals. The monitoring method and data collection can be provided to the construction side to guide the current and the next step of construction scheme, has received the good effect in engineering application. Key words: subway tunnel; deformation mo
4、nitoring; automatic detection 中图分类号:U231+.1 文献标识码：A 文章编号： 由于地铁建在城市地下,建设与运营期间的变形监测尤为重要。地下铁道在建设中及建成后因地质、地下水、地面建筑开发及本身结构负荷所造成隧道结构的沉降、位移、裂缝和倾斜等变形,某些地段可能会很严重,如不及时连续的进行长期自动变形监测,则难以即时发现和预报险情,将会造成严重后果。因此,地铁的变形监测越来越成为地铁开发与运营的重要保障,而且是长期的。对地铁自动化监测系统进行研究与实践,使之成为地铁安全保证的重要方面,具有非常重要的意义。当地铁工程局部地段受到破坏性影响时,可以连续地进行自动化
5、观测、数据处理和变形分析,实时提供变形大小、变形趋势预报和变形原因分析,迅速采取措施,保证隧道结构和运营的安全。高科技研究成果可在地铁监测及其他精密工程监测中推广应用,亦可对外承担监测任务,有很强的社会和经济效益。当非地铁工程导致地铁变形时,为索赔和反索赔提供可靠的、量化的全过程变形大小依据。总之,地铁自动化监测系统为地铁运营、维护提供高科技的有效管理手段。 1.工程概况 广州地铁六号线号线东山口站区庄站盾构隧道左线于 2008 年 1 月在广州地铁一号线运营隧道及东山口过街隧道下方穿过，地铁一号线与六号线两条隧道竖向间距为 3.55.8m 左右，东山口过街隧道与六号线盾构隧道相距为 11.4
6、m，走向均基本正交。 由于地铁一号线的运营时间一般是 6 ：00 至 23：00，运营期间地铁隧道内实行全封闭管理，人员是不允许进入隧道作业的。因此，为了实现时时监测、时时数据处理传输及预警等功能，必须建立自动测量系统实现对运营地铁隧道结构三维变形位移的自动监测。 2.监测系统的组成 2.1 自动监测系统的组成 为实现本项目监测的自动化，工作基点站应设在隧道侧壁，同时设置四个校核点以校核工作基点。安装于基点站的 TCA2003 全站仪与监测系统机房建立通讯联系，由机房控制全站仪对校核点和变形点按一定的顺序进行逐点扫描、记录、计算及自校，并将测量结果发送至机房入库存储或并进行整编分析，实现了自动
7、观测、记录、处理、储存、变形量报表编制和监测结果自动远程发送等功能。 2.2 徕卡自动全站仪 徕卡 TCA 系列自动化全站仪，又称 “测量机器人” ，该仪器精度高、性能稳定，其内置自动目标识别系统，可以自动搜索目标、精确照准目标、跟踪目标、自动测量、自动记录数据，在几秒内完成一目标点的观测，像机器人一样对多个目标作持续和重复观测，并具有计算机远程控制等优异的性能。采用地铁结构变形自动化监测系统进行变形监测，可以实现无人值守及自动进行监测预报，即实现变形监测全自动化。它不仅便捷、准确，而且可以减少传统意义上形变观测中的人为观测误差及资料整编分析中可能造成的数据差错。 2.3 工作基站及校核点设置
8、 为使各点误差均匀并使全站仪容易自动寻找目标，工作基站布设于监测点中部，校核点布设在远离变形区以外，最外观测断面以外 40 米左右的隧道中，先制作全站仪托架，托架安装在隧道侧壁，离道床距离 1.2 米左右，以便全站仪容易自动寻找目标。监测基准点使用位于六号线东山口站台内的平面、高程控制点。 2.4 隧道监测断面布置及监测断面内监测点布置 变形监测点按照设计要求的断面布设，上下行隧道各布置 5 个监测断面，每个断面在轨道附近的道床上布设两个沉降监测点，中腰位置两侧各布设两个水平位移监测点，即每个监测断面布设 6 个监测点。各观测点用连接件（人字形钢架）配小规格反射棱镜，用膨胀螺丝及云石胶锚固于监
9、测位置的侧壁及道床的混凝土中，棱镜反射面指向工作基点，各观测点位的布设见点位布设图。布设监测点应严格注意避免设备侵入限界，可以将监测点布设在图中位置。监测点位置及编号如下图平面及剖面图 1、2 所示。 图 1 监测隧道、仪器及棱镜布设剖面图 图 2 监测仪器及棱镜布设平面图 3.监测方法 本次监测拟采用地铁结构变形自动化监测系统软件进行自动变形监测，该系统由武汉大学测绘学院开发用于自动型 TCA 系列的全站仪的自动监测，具有自动控制及变形数据分析功能，是目前该方面最先进的系统。该系统将自动完成测量周期、实时评价测量成果、实时显示变形趋势等智能化的功能合为一体，是进行自动变形监测的理想系统。 4
10、.观测精度分析 影响变形观测精度的主要因素包括系统误差和偶然误差的影响，对本系统而言，系统误差主要有仪器本身构造引起的误差、测站和目标点固定的对中误差、仪器随时间的度盘零方位的漂移、外界气象条件引起的观测值的变化等；偶然误差主要是仪器测量时的随机误差，主要体现为仪器的标称精度。系统误差可以通过采用差分方法或坐标转换方法予以消除。 4.1 基准点的精度估算 依据点位布置图中的点位，用武汉大学测绘学院商用平差软件“科傻”系统进行模拟平差计算。 模拟控制参数：TCA2003 方向中误差 0.25 秒，距离0.2mm+0.4ppm。 表 1 最弱点及其精度 最弱点“基准点 3”精度为 0.4mm，误差
11、椭圆比较均匀。0.4mm 为基准点最低可接受精度，如再大就不能保证变形点位 1mm 的精度要求，采取差分措施提高测量机器人的测量精度是必须要做的工作，且差分后能达到设计精度要求。 4.2 监测点的精度估算 按极坐标公式求各变形点的三维坐标计算公式为： 极坐标差分三维坐标测量的精度估算公式： 当距离为 100 米时，选取 TCA 角度测量精度为0.5，距离测量精度为 0.4mm，可估算出精度平面点位精度约 0.66mm，高程精度与差分距离有关，据现场情况和有关资料可推算高程精度约为 0.45mm。 与此可见，再加上控制点的点位误差，变形点可达到小于 1mm 的精度要求。 5.监测信息化 实现监测
12、过程的信息化，建立顺畅、快捷的信息反馈渠道，及时、准确地测定各监测项目的变化量及变化速率，及时反馈获取的与施工过程有关的监测信息，供设计、施工及有关工程技术人员决策使用，才能最终实现信息化施工。 对于现场采集到的各项监测数据，首先需利用统计模型进行粗差探测检验，确认不含粗差后再进行整体平差计算及测量精度统计，采用科学、合理的数据处理方法对监测成果进行整理分析，最终形成监测成果报告。 监测成果报告中包含技术说明、监测时间、使用仪器、依据规范、监测方案及所达到精度，列出了监测值、累计值、变形率、变形差值、变形曲线，并根据规范及监测情况提出结论性意见。 6.结论和体会 利用测量机器人及配套的监测软件
13、在运营地铁隧道内进行全自动监测，与传统监测相比较，具有简便、灵活、无人值守、实时、动态的监测特点，并实现了测量数据的自动处理、传输、预警等功能，节省人力物力，是运营地铁隧道变形不间断三维监测的理想手段。 通过全站仪机器人的检测有以下体会： （1）测量机器人自动监测系统完全能够代替传统的测量方法对地铁进行安全保护监测。 （2）列车的震动和气流对监测精度影响不大。 （3）在地铁隧道里由于地下环境差，测量机器人监测距离应控制在 120m 以内，如果离增长或在曲线上应增加全站仪的数量，并在隧道内形成一个测量机器人空间导线控制网。 （4）基准点的距离尽量大于监测点距离。 （5）在空间狭小的隧道内可以用视准线的方法来判断基准点横向位移。 参考文献 1 GB503081999，地下铁道、轻轨交通工程测量规范S.北京：中国计划出版社.2000 2 GB501572003,地下铁道设计规范S.北京：中国计划出版社.2004 3 JGJ 120-99，建筑基坑支护技术规程S.北京：中国建筑工业出版社.1999
