柏文鋒

(廣州地鐵設(shè)計(jì)院研究有限公司，廣東廣州 510010)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市交通壓力的加大，越來(lái)越多的城市開(kāi)始興建地鐵，地鐵的修建帶動(dòng)了其沿線的物業(yè)建設(shè)，而毗鄰地鐵的建筑施工尤其是深基坑施工，不可避免地對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。因此，對(duì)于地鐵建(構(gòu))筑物進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，以確保其主體結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境的安全是保障地鐵正常運(yùn)行、保障施工安全的重要環(huán)節(jié)。

對(duì)于目前已處于運(yùn)營(yíng)期間的地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括區(qū)間隧道拱頂及道床的沉降、隧道管片的側(cè)向位移及隧道結(jié)構(gòu)的收斂變形等。運(yùn)營(yíng)隧道在地鐵運(yùn)行期間是不允許作業(yè)人員進(jìn)入軌行區(qū)的，所以傳統(tǒng)的人工作業(yè)模式無(wú)法保證監(jiān)測(cè)的連續(xù)性，這就要求在地鐵隧道中實(shí)施無(wú)人值守的自動(dòng)化的變形監(jiān)測(cè)［1～3］。

徠卡公司基于徠卡測(cè)量機(jī)器人開(kāi)發(fā)的GeoMos變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是目前地鐵變形監(jiān)測(cè)中常用的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［4，5］，國(guó)內(nèi)的解放軍信息工程大學(xué)、武漢大學(xué)等也針對(duì)國(guó)內(nèi)的測(cè)量規(guī)范研制了遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［6～8］。地鐵監(jiān)測(cè)行業(yè)的發(fā)展對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出了更高的要求，針對(duì)越來(lái)越多的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目需求，廣州地鐵設(shè)計(jì)院研究有限公司與武漢大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了一套能夠遠(yuǎn)程控制管理多項(xiàng)目的自動(dòng)化地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)需求分析

廣州地鐵設(shè)計(jì)院研究有限公司目前正在運(yùn)行的無(wú)人值守自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作站有多個(gè)，隨著測(cè)站的增多，工作站的壓力逐漸增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性的要求也日益增強(qiáng)，傳統(tǒng)的“單任務(wù)，單測(cè)站”的模式已成為制約系統(tǒng)規(guī)模化的瓶頸。因此，建立一套能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)一控制、管理的系統(tǒng)，減少工作站的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，建立C/S(客戶端/服務(wù)器)架構(gòu)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)迫在眉睫。

基于工程項(xiàng)目中的實(shí)際情況及經(jīng)驗(yàn)，對(duì)自動(dòng)化地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出以下需求:

(1)實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)期間地鐵隧道內(nèi)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集;

(2)搭建便攜穩(wěn)定的數(shù)據(jù)服務(wù)器;

(3)通過(guò)無(wú)線通訊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程多項(xiàng)目多任務(wù)控制以及數(shù)據(jù)接收;

(4)組建C/S架構(gòu)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)平臺(tái);

(5)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理及分析;

(6)數(shù)據(jù)、成果的科學(xué)管理;

(7)圖形報(bào)表的顯示和輸出，報(bào)告草稿的自動(dòng)化生成。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)需求對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，系統(tǒng)由服務(wù)器(Server)、控制端(Controller)、客戶端(Client)三部分組成，各部分之間通過(guò)因特網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。各部分具體設(shè)計(jì)如下:

服務(wù)器是數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)中心和控制端與客戶端的網(wǎng)絡(luò)交互平臺(tái)，具有固定的IP地址，主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)器管理軟件以及通訊軟件?？刂贫藶槿我獍惭b了控制端管理軟件的已聯(lián)網(wǎng)電腦，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的查詢、控制以及查詢、輸出數(shù)據(jù)庫(kù)中的監(jiān)測(cè)記錄、結(jié)果文件?？蛻舳税惭b在地鐵隧道監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，包括工控機(jī)、徠卡高精度測(cè)量機(jī)器人以及電纜、無(wú)線通訊裝置等，用于完成變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集以及與服務(wù)器管理軟件、客戶端管理軟件的通訊。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)為SQL Server，針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)不同項(xiàng)目以及項(xiàng)目數(shù)據(jù)信息的管理需求，將數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)為兩個(gè)層次如圖2所示:

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

中心管理數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)管理所有項(xiàng)目的基本信息，每個(gè)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)一個(gè)工程數(shù)據(jù)庫(kù)，包括該項(xiàng)目的所有配置信息以及監(jiān)測(cè)信息。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)主要由工程表、用戶信息表、異常登錄信息表構(gòu)成。

工程數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)管理每個(gè)工程項(xiàng)目的配置信息以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、結(jié)果，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)表主要包含了工程中的配置信息以及工程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息。

3.2 數(shù)據(jù)通訊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的總體架構(gòu)，客戶端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集工作并發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器端管理軟件需接收來(lái)自不同的客戶端的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)控制端和服務(wù)器端管理軟件還需對(duì)客戶端的設(shè)備實(shí)現(xiàn)查詢、控制，基于此設(shè)計(jì)了各部分之間的數(shù)據(jù)通訊模式如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)各部分?jǐn)?shù)據(jù)通訊模式

服務(wù)器具有固定的IP地址，各控制端、客戶端具有唯一的標(biāo)識(shí)ID，控制端、客戶端主動(dòng)連接服務(wù)器并定時(shí)發(fā)送心跳包，服務(wù)器實(shí)時(shí)獲取更新各控制端、客戶端的IP地址以及在線狀態(tài)。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)在Visual 2010的平臺(tái)上采用Visual C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)通訊模塊采用多線程實(shí)現(xiàn)。服務(wù)器端管理軟件和控制端管理軟件需要同時(shí)與不同客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，在程序啟動(dòng)階段開(kāi)啟工作主線程和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)線程直到程序被退出，同時(shí)根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)開(kāi)啟多個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送線程和數(shù)據(jù)接收線程。工作主線程完成的工作包括獲取并更新系統(tǒng)項(xiàng)目中全部客戶端設(shè)備的在線狀態(tài)信息、檢查各數(shù)據(jù)接收線程是否超時(shí)并完成超時(shí)處理、檢查管理軟件是否連接上服務(wù)器進(jìn)行掉線自動(dòng)重連等。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)線程實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)，獲取服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的消息完成指令編譯并做出對(duì)應(yīng)的操作。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集方式采用方向觀測(cè)法，根據(jù)《國(guó)家三角測(cè)量規(guī)范(GB/T 17942－2000)》方向法的操作順序制定觀測(cè)流程。觀測(cè)限差根據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范(GB50026－2007)》中平面控制測(cè)量、高程控制測(cè)量中的要求設(shè)置，同時(shí)用戶也可以根據(jù)項(xiàng)目的需求自定義觀測(cè)限差。采用單機(jī)版數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)完成初始測(cè)量后，根據(jù)初始測(cè)量信息完成自動(dòng)測(cè)量。同時(shí)由于運(yùn)營(yíng)隧道中行車間隔短，數(shù)據(jù)采集模塊充分考慮目標(biāo)被遮擋、測(cè)量超時(shí)等異常測(cè)量的智能處理。數(shù)據(jù)采集模塊在Visual 2010的平臺(tái)上采用Visual C#語(yǔ)言進(jìn)行Windows組件開(kāi)發(fā)，以服務(wù)的形式安裝在工控機(jī)中，通過(guò)電纜線控制測(cè)量機(jī)器人完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集工作。

3.4 數(shù)據(jù)處理、報(bào)表輸出模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)目前采用的數(shù)據(jù)處理方法為根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)組的后方交會(huì)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算，測(cè)站坐標(biāo)后采用極坐標(biāo)法計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。考慮到目前主要工程項(xiàng)目中的設(shè)站類型，測(cè)站類型分為固定測(cè)站、平面固定測(cè)站、待判定測(cè)站和變化測(cè)站幾種，根據(jù)測(cè)站類型和后方交會(huì)觀測(cè)數(shù)據(jù)判斷是否進(jìn)行后方交會(huì)計(jì)算。同時(shí)充分考慮到地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)范圍狹窄以及地鐵隧道變形特點(diǎn)增加方向基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)網(wǎng)形進(jìn)行優(yōu)化，提高后方交會(huì)計(jì)算測(cè)站坐標(biāo)的精度。

報(bào)表輸出模塊使用NPOI控件開(kāi)發(fā)，該控件直接讀寫(xiě)Office格式文檔，不需要在服務(wù)器上安裝微軟的Office，可以避免版權(quán)問(wèn)題。報(bào)表生成采用向?qū)Ｊ捷斎氡匾畔⒅笞詣?dòng)生成，靈活方便，支持圖片導(dǎo)入，生成的報(bào)表內(nèi)容圖文并茂。

4 工程應(yīng)用

某工程基坑位于廣州市越秀區(qū)中山一路和農(nóng)林東路交匯處，基坑設(shè)二層地下室，采用鉆(沖)孔樁基礎(chǔ)，基坑周邊總長(zhǎng)度約 250 m;基坑開(kāi)挖深度約 12 m，基坑四周環(huán)境比較復(fù)雜，且毗鄰廣州地鐵一號(hào)線東山口至楊箕區(qū)間。由于基坑施工過(guò)程中的卸載、失水等必然引起隧道周邊的環(huán)境的變化，環(huán)境的變化會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因此對(duì)隧道結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)于指導(dǎo)信息化施工，保障地鐵安全具有重大意義。

本項(xiàng)目采用上文所述的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括隧道結(jié)構(gòu)體的拱頂沉降、隧道側(cè)向位移等。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布于基坑施工可能造成影響的隧道部分區(qū)段，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)以 10 m間距布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面，各監(jiān)測(cè)斷面布點(diǎn)情況如圖4所示。

圖4 隧道斷面圖

通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，某斷面各測(cè)點(diǎn)Z方向(豎直方向)的變形過(guò)程線如圖5所示。

通過(guò)上述過(guò)程線可以發(fā)現(xiàn)，在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，數(shù)據(jù)曲線變化平穩(wěn)且呈逐步增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，符合現(xiàn)場(chǎng)施工情況及原設(shè)計(jì)評(píng)估的變化規(guī)律。通過(guò)變化曲線可以看出，基坑施工對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一個(gè)逐步累積的不利影響，但本項(xiàng)目中整體影響較小。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)隧道內(nèi)觀的檢查，隧道結(jié)構(gòu)情況良好，未出現(xiàn)裂紋、滲水等不良病害，并結(jié)合隧道日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)監(jiān)測(cè)的情況，兩者反映的隧道結(jié)構(gòu)情況也基本相符。

圖5 某斷面變形過(guò)程線

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了結(jié)合現(xiàn)代化地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的隧道結(jié)構(gòu)變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)，針對(duì)本系統(tǒng)多項(xiàng)目管理的特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了其數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)通訊模式。最后通過(guò)在廣州某項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了本系統(tǒng)的實(shí)用性。

［1］包歡，徐忠陽(yáng)，張良琚.自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.測(cè)繪學(xué)院學(xué)報(bào)，2003(6).

［2］范百興.TCA全站儀實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的全自動(dòng)化處理［J］.北京測(cè)繪，2003(2).

［3］尤相駿，潘國(guó)榮，孫成剛.用GeoBASIC開(kāi)發(fā)測(cè)量機(jī)器人機(jī)載程序［J］.鐵路航測(cè)，2002(1).

［4］張書(shū)華，蔣瑞波.基于測(cè)量機(jī)器人的隧道變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.測(cè)繪科學(xué)，2009(5).

［5］范百興.GeoBasic開(kāi)發(fā)TPS1100全站儀機(jī)載程序［J］.四川測(cè)繪，2003(3).

［6］梅文勝，張正祿，黃全義.測(cè)量機(jī)器人在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究［J］.大壩與安全，2002(5).

［7］黃騰，李桂華，孫景領(lǐng)等.地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.測(cè)繪工程，2006(12).

［8］梅文勝，張正祿，郭際明等.測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2002(2)