测量机器人自动化测量在地铁结构变形监测中的应用

贺磊，许诚权，陆晓勇，袁清龙

(南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏 南京 210005)

1 引 言

随着经济的发展与青奥会的盛大举行，南京市近年正大力兴建地铁工程。地铁隧道建造在地质复杂的闹市中心，周边经常会有地产开发，难免伴随大面积基坑开挖，导致临近地表沉降及地层移动，从而使地铁隧道所处土环境受到扰动，进而引起管片结构变形加大。地铁工程关乎民生大计，对临近基坑施工期间地铁结构安全问题的监测与评价显得尤为重要。

根据《南京市轨道交通管理条例》有关规定，为保证地铁结构的安全，应对临近建筑基坑施工过程中的地铁结构进行全方位监测。通过监测工作的实施，掌握该项目在施工过程中对既有地铁工程结构引起的变化，为建设方及地铁相关方提供及时、可靠的数据和信息，评定施工对既有地铁工程结构的影响，及时判断既有地铁工程的结构安全，对可能发生的事故提供及时、准确的预报，避免恶性事故的发生。

测量机器人以其高精度、自动寻找、识别和精确照准目标等优点，在地铁自动化监测中的应用日益广泛，关于自动化监测系统在地铁变形监测中的应用已有一些研究［1～4］，然而监测过程中技术要点分析的研究还比较少见。本文以南京地铁二号线为例，在某临近建筑基坑施工周期内，采用测量机器人自动化监测系统对地铁结构整体变形情况进行监测的技术要点及精度指标，为相似项目提供监测经验。

2 工程背景

基坑位于南京地铁二号线旁，基坑围护结构边线距二号线最近距离为43.1 m。基坑边线对应二号线里程大概为K4+224.0～K4+445.8，约221.8 m，建筑基坑与二号线平面位置图如图1 所示。项目工程设三层地下室，负一层底板顶标高+0.50 m，负二层底板顶标高－5.50 m，负三层底板顶标高－11.10 m，基坑周长约706.8 m，面积约26 237.8 m2。基坑与二号线车站立面位置图如图2 所示。

图1 建筑基坑与二号线平面位置图

图2 建筑基坑与二号线车站立面位置图

3 监测系统介绍

3.1 仪器设备及监测系统

地铁管线分为左线和右线。隧道结构变形监测共使用8 套Leica TM30(0.5″，0.6+1 ppm)测量机器人(Georobot)进行自动变形数据采集，其中左右线各4台，24 h对地铁隧道进行安全监测，实时发现地铁隧道结构的形变，首次需进行学习测量。监测网测量要求如表1 所示。

监测网测量要求 表1

采用南京市测绘勘察院研发的“地铁隧道结构自动化监测系统”进行管理。国际一流的自动变形数据采集设备与国际领先的自动化结构监测系统的高度融合，形成从自动数据采集、数据处理、数据分析、预警预报和数据传输分发高度智能的自动化安全监测管理系统。监测成果包括:垂直位移、水平位移、差异沉降、垂直度、收敛等测项。

3.2 自动化监测点的布设

项目基坑围护结构边线对应的地铁左、右线区间每10 m各布设一个监测断面(EZ04～EZ29，EY04～EY29)，该范围两侧外延每20 m布设一个监测断面(EZ01～EZ03;EZ30～EZ32;EY01～EY03;EY30～EY32)，左右线各布设32 个监测断面，共64 个监测断面。自动化监测点与人工监测点同一监测断面。

每个断面根据监测需要及现场环境布设6 个监测棱镜，安置永久性L 型迷你棱镜。由各断面监测点的坐标值可解算出监测项值。由各断面监测点X 及Z的变化量可计算出该断面的水平位移和垂直位移;由各断面左右腰线上两个监测点的坐标值可计算出该断面收敛值。工作基点布设图如图3 所示，断面监测棱镜布设图如图4 所示。

图3 工作基点布设图

图4 断面监测棱镜布设图

3.3 监测系统的优势

自动化监测系统能够实时无线向指定人员发送监测成果和预警、预报;能够解决人工监测只能在地铁停运期间监测的弊端，24 h提供监测区域内的建设施工对地铁隧道稳定性的影响，并对施工方案提出调整建议。同时，通过自动监测数据可以分析地铁振动对隧道结构变形产生的影响。采用人工辅助与自动化相结合的监测方案，大大节约了监测成本，定期通过人工辅助监测，一旦发现隧道结构变形异常时，立即实施24 h自动监测，为地铁安全提供准确、及时的检测数据与预警预报。

4 监测效果及分析

该监测项目中，在使用测量机器人进行自动化监测的同时，亦进行人工监测。人工监测的频次根据工况数量与变形量大小来确定。在人工监测数据处理完成后，将结果与同时段的自动化监测成果进行比较，以研究自动化监测系统的可靠性。当人工与自动化监测成果相差大于(m人为当期人工监测中误差，m自为当期自动化监测中误差)时，由控制系统及时调整监测频率，并分析人工与自动化监测成果相差偏大的原因。

监测周期从2013年9月持续到2014年7月。在本项目监测周期内，以人工(精密水准)及自动化垂直位移为例，进行同阶段变化量对比分析，左、右线自动化与人工垂直位移阶段变化量曲线如图5、图6 所示。

工程实例分析显示，人工、自动化垂直位移变化趋势一致，两者整体偏差较小，最大值偏差未超过1.5 mm，自动化垂直位移监测有较高精度和可靠性。本项目同一监测阶段内，自动化监测与传统人工监测各测项数据较差如表2 所示。

图5 地铁左线人工与自动化阶段沉降量(mm)

图6 地铁右线人工与自动化阶段沉降量(mm)

自动化与人工监测数据较差统计表 表2

5 结 论

本文介绍了测量机器人自动化实时监测自动化实时监测在基坑施工导致地铁隧道变形的监测中应用的技术要点。得到以下结论:

(1)自动化监测能够弥补人工检测的不足，不受地铁运营时间的限制，在地铁运营期间内仍能够对地铁结构进行安全监测。

(2)自动化监测具有精度高、快捷高效的优点，其沉降监测成果与精密水准人工监测成果吻合良好，成果可靠，适宜在类似项目中得到应用。

［1］储征伟，钟金宁，段伟等．自动化三维高精度智能监测系统在地铁变形监测中的应用［J］．东南大学学报:自然科学版，2013，43(S2):225～229．

［2］张正禄，孔宁，沈飞飞等．地铁变形监测方案设计与变形分析［J］．测绘信息与工程，2010，35(6):25～26．

［3］肖晓春，何拥军，朱雁飞等．地下空间开发中变形监测的新技术［J］．现代隧道技术，2007，44(1):44～50．

［4］梅文胜，张正禄．测量机器人控制网观测与数据处理自动化研究［J］．测绘通报，2003，28(5)．