測量機器人在隧道監測中的應用分析

李由家，單強英，安平利，馮明明，劉 超，史國輝

(1.自然資源部第一大地測量隊，陜西西安 710054；2.廣州市天馳測繪技術有限公司，廣東廣州 510630)

1 引 言

目前，地鐵隧道的監測手段主要有人工測量、自動化靜力水準測量和測量機器人等。人工測量會產生人為照準誤差，費時費力，而且夜間不能進行觀測，出報表周期長；靜力水準測量雖然能實現自動化，但是僅能提供高程沉降信息，存在一定的局限性；測量機器人則能提供高精度、高頻率的三維坐標，廣泛應用于自動化監測領域[1-4]。傳統的隧道變形監測方法主要有測距儀法和全站儀法兩種，但是這兩種方法都具有明顯的缺陷：一是監測點數量受到限制，不能全面反映出隧道整體的變形情況；二是監測周期相對較長，外業工作量大，獲取的監測數據相對滯后；三是傳統方法對作業環境要求較高。

相對于傳統測量方法，測量機器人自動化測量具有操作簡便、自動化程度高、工作效率高、精度高、非接觸式等一系列優點[5-6]。賀磊等[7]介紹了測量機器人自動化實時監測隧道的要點，并對其監測成果進行了精度評估，驗證了測量機器人自動化監測的精度；劉哲強[8]實現了測量機器人自動化監測成果的可視化輸出，并對比分析了自動化監測成果與人工監測的精度，驗證了測量機器人的可靠性；陳昊[9]驗證了自動化監測系統在地鐵隧道變形監測中的應用；何柯等[10]借助曲靖三清高速公路項目，對測量機器人監測系統在高速公路邊坡的監測方式、數據傳輸處理方式、監測效果等方面進行了論述，為后期其他項目的建設提供了經驗和技術指導；靳羽西等[11]基于多臺測量機器人實現地鐵隧道自動變形監測系統，該方法彌補了傳統測量方法效率低、數據反饋滯后等不足，同時克服了一站式測量無法進行長距離地鐵隧道監測的弊端，滿足地鐵隧道監測數據統一、實時、高效且高精度的要求。

本文以某臨近地鐵建筑基坑為例，采用測量機器人自動化監測系統對地鐵結構整體變形情況進行監測，其結果可為同類型項目提供借鑒。

2 點位布設和監測系統建立方法

2.1 基準點、監測點布設

基準點的布設。地鐵隧道內基準點布設于離開隧道兩側50 m以外且穩定的區域，監測區每端布設2組，對稱分布于隧道兩側，各棱鏡盡可能布設在較大的空間。

監測點的布設。每個監測斷面上布設4個監測點，監測點棱鏡安裝在管片的兩腰和道床兩側，且隧道布設的監測點不可影響行車安全。

2.2 監測坐標系統建立

完成基準點(串聯基準點、普通基準點)和工作基點布設后，在正式開始測量前，還應建立監測基準?？紤]本工程為監測基坑工作對隧道相對變形情況的研究，因此，監測坐標系統采用自由坐標系，坐標系的軸線與主要變形方向平行或垂直。

2.3 自動化監測系統的建立

項目監測過程中采用徠卡TM50型測量機器人及自動監測軟件GeoMoS，對隧道進行實時自動化監測。徠卡TM50型測量機器人ATR自動照準精度為0.5 s，GeoMoS是由徠卡測量公司研發的自動化監測軟件，其軟件主要由監測器和分析器兩部分組成。其中監測器已經擁有成熟的測量和計算程序，能為要求極高精度的應用提供理想的解決方案。TM50自動化監測系統的建立包括以下3個步驟：

1)系統架構。自動變形監測系統主要由數據采集、數據傳輸、系統總控、數據處理、數據分析和數據管理等部分組成。

2)系統調試。包括儀器通信調試和服務器穩定性調試。

3)獲取監測點的初始值。系統通信調試完成后，人工操作測量機器人，依次測量各監測點，獲取各監測點的學習點坐標，再通過自動化組網測量系統，采集不少于3 d的數據，取其平均值，作為各監測點初值。圖1為自動化監測系統作業示意圖。

圖1 作業示意圖Fig.1 Operation diagram

3 監測數據處理方法

3.1 沉降數據處理

通過自動化或人工監測得到各管片監測點的高程，再用高程計算各監測點沉降值。各監測點沉降量的計算公式如下：

ΔHi=Hi-Hi-1

(1)

式中：ΔHi為沉降值，Hi為第i次測量的高程，Hi-1為第i-1次的高程。

3.2 水平位移數據處理

通過自動化或人工監測得到各監測點的平面坐標，根據平面坐標變化得到隧道橫向、縱向位移。各監測點的本次橫向位移量為：

ΔXa=Xai-Xa(i-1)

(2)

各監測點的最近縱向位移量為：

ΔYa=Yai-Ya(i-1)

(3)

式(2)和(3)中：ΔXa為a點最近兩次監測期的橫向位移量，ΔYa為a點最近兩次監測期的縱向位移量，Xai為a點第i次監測得到的X坐標，Xa(i-1)為a點第i-1次監測得到的X坐標，Yai為a點第i次監測得到的Y坐標，Ya(i-1)為a點第i-1次監測得到的Y坐標。

3.3 管片收斂數據處理

通過各監測點的三維坐標數據反算測點間水平、豎向距離，并與上次的測量值進行比較，其差值就是本期水平向、豎向收斂量，計算公式為：

(4)

D=Si-1-Si

(5)

式中：xa、ya、ha為監測點a的三維坐標信息，xb，yb，hb為監測點b的三維坐標信息，Si-1為上次測量隧道內徑值，Si為本次測量隧道內徑值，D為本次隧道收斂量。

4 實例分析

某臨近地鐵建筑基坑開挖深度為20 m，距離隧道水平位置最近為2.5 m，在基坑開挖施工過程中對地鐵隧道結構產生影響，本項目對地鐵隧道布設自動化監測系統和隧道結構進行監測，以保障地鐵安全運營。

4.1 沉降分析

在基坑項目在施工過程中，采用測量機器人自動化監測系統對地鐵結構整體變形情況和人工水準測量數據進行對比分析，沉降數據結果如圖2、圖3所示。

圖3 人工測量與自動化測量沉降互差Fig.3 The mutual settlement difference between manual measurement and automatic measurement

由圖2可知，基坑在施工過程中對臨近地鐵隧道道床造成了明顯的沉降影響，人工測量和自動化測量均顯示監測斷面17為最大沉降量位置，人工測量沉降為29.75 mm、自動化測量沉降為34.18 mm，總體而言，人工測量與自動化測量的監測結果較為一致，沉降趨勢相同。

圖2 人工測量與自動化測量沉降累計量對比分析Fig.2 Comparative analysis of accumulated settlement between manual measurement and automatic measurement

由圖3可知，人工測量與自動化測量沉降互差在5 mm內，其中監測斷面12互差最大，為4.47 mm，全部監測點的整體平均互差為1.80 mm。表明自動化監測系統沉降監測結果與人工監測結果較為一致。

4.2 收斂分析

人工測量與自動化測量收斂累計對比和收斂互差對比分別如圖4、圖5所示。由圖4可知，基坑在施工過程中對臨近地鐵隧道管片造成了一定的變形影響，其中變形最大位置是監測斷面24，人工收斂為-22.30 mm，自動化收斂為-21.50 mm?？傮w而言，管片收斂效果人工測量與自動化測量具有較好的一致性。

圖4 人工測量與自動化測量收斂累計量對比分析Fig.4 Comparative analysis of convergence between manual measurement and automatic measurement

由圖5可知，人工測量與自動化測量收斂互差優于2 mm，監測斷面27的收斂互差最大，為1.98 mm，整體平均互差為-0.39 mm，表明自動化監測系統收斂監測結果與人工監測結果較為一致。

圖5 人工測量與自動化測量收斂互差Fig.5 The convergence difference between manual measurement and automatic measurement

4.3 水平位移分析

人工測量與自動化測量水平位移累計對比和互差對比分別如圖6和圖7所示。由圖6可知，基坑在施工過程中對臨近地鐵隧道造成了一定的水平位移影響，其中監測斷面24的水平位移最大，人工測量水平位移為-5.70 mm，自動化水平測量位移為-6.23 mm?？傮w而言，隧道水平位移人工測量與自動化測量具有較好的一致性。

圖6 人工測量與自動化測量水平位移累計量對比分析Fig.6 Comparative analysis of horizontal displacement accumulation between manual measurement and automatic measurement

由圖7可知，人工測量與自動化測量水平位移互差優于1.50 mm，監測斷面12的互差最大，為1.27 mm，整體平均互差為-0.14 m。表明自動化監測系統位移監測結果與人工監測結果較為一致。

圖7 人工測量與自動化測量水平位移互差Fig.7 The horizontal displacement difference between manual measurement and automatic measurement

5 結束語

本文基于測量機器人建立自動化實時監測系統，實現了地鐵基坑工程多項重點監測項目的數據自動化采集、傳輸、處理以及發布。人工測量與自動化測量顯示道床沉降最大分別為29.75 mm、34.18 mm；管片收斂變形最大分別為-22.30 mm、-21.50 mm；隧道水平位移量最大分別為-5.70 mm、-6.23 mm。人工監測與自動化監測對道床沉降、管片變形、隧道位移的平均互差分別為1.80 mm、-0.39 mm、-0.14 mm，上述結果說明自動化監測與人工監測結果較為一致，測量機器人自動化監測能夠彌補人工監測的不足，但是監測成本較高，本項目監測成果可為今后類似基坑監測項目提供參考。