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地鐵隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)精度分析

吳燦鑫，胡雷鳴，付和寬

(上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200032)

一、引言

地鐵保護(hù)區(qū)因其特殊性，通常人工測(cè)量在測(cè)量精度、監(jiān)測(cè)頻率等方面無法滿足地鐵隧道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。高精度的測(cè)量機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)24 h的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，受地鐵運(yùn)營(yíng)影響較小，在地鐵隧道保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。本文以杭州地鐵1號(hào)線某隧道保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)為例，介紹了由Leica TM30全站儀組成的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的精度及可靠性進(jìn)行了探討。

二、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為實(shí)時(shí)監(jiān)控臨近基坑對(duì)地鐵隧道的影響，本工程采用Leica TM30測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，配合L型小棱鏡測(cè)量隧道的水平位移、收斂變形和沉降。數(shù)據(jù)處理采用Leica配套的GeoMoS軟件，包含Monitor監(jiān)測(cè)器和Analyzer分析器兩個(gè)模塊。

在192 m的監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)上、下行線各布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面25個(gè)，距離儀器最遠(yuǎn)約112 m。每個(gè)斷面分別在兩腰和道床上布設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。

由于隧道本身并非直線敷設(shè)，因此選擇將全站

儀安置于測(cè)區(qū)中間位置，在遠(yuǎn)離測(cè)區(qū)范圍的管壁上布設(shè)控制點(diǎn)，通過后方交會(huì)計(jì)算儀器坐標(biāo)和方位。根據(jù)儀器坐標(biāo)及穩(wěn)定的后視點(diǎn)，采用極坐標(biāo)法測(cè)量各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，計(jì)算其水平位移、沉降及收斂變形(如圖2所示)。

圖2　現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)照片

三、測(cè)量精度分析

本工程采用高精度的Leica TM30測(cè)量機(jī)器人，測(cè)角精度達(dá)0.5″，測(cè)距精度0.6 mm+1×10-6×D。從測(cè)量角度講，在條件允許的情況下，儀器精度完全可滿足120 m范圍內(nèi)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)需求。為驗(yàn)證自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度與可靠性，避免基坑開挖擾動(dòng)及開挖后土體徐變的影響，選取基坑施工前比較穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從儀器設(shè)站點(diǎn)的精度、折光影響、列車運(yùn)行影響等方面進(jìn)行探討。

1. 全站儀后方交會(huì)的精度

限于地鐵隧道空間狹窄的特點(diǎn)，控制網(wǎng)網(wǎng)形較差。為比較后視控制點(diǎn)對(duì)儀器設(shè)站點(diǎn)的精度影響，在原有控制點(diǎn)附近增加5個(gè)后視點(diǎn)，且盡量沿隧道圓形方向均勻分布，如圖3所示。

圖3

比較加密控制點(diǎn)前后的儀器設(shè)站點(diǎn)坐標(biāo)在不同時(shí)段的改正量，如圖4、圖5所示。

從圖4、圖5可以看出，增加5個(gè)控制點(diǎn)后，后方交會(huì)計(jì)算儀器設(shè)站點(diǎn)的坐標(biāo)精度有明顯提高。合理布設(shè)后視控制點(diǎn)，且盡量沿隧道圓形方向均勻敷設(shè)，可有效提高控制網(wǎng)的可靠性。

2. 不考慮管壁折光時(shí)的測(cè)量精度

根據(jù)地鐵隧道特點(diǎn)，布設(shè)于全站儀對(duì)側(cè)管壁的監(jiān)測(cè)點(diǎn)通常不受管壁折光的影響。統(tǒng)計(jì)本工程對(duì)側(cè)管片點(diǎn)和隧道中央道床沉降點(diǎn)測(cè)量精度如圖6所示。

由圖6可以看出，橫向坐標(biāo)和高程精度相當(dāng)，基本都在0.5 mm以內(nèi)，可滿足監(jiān)測(cè)要求。

圖4　加密控制點(diǎn)前儀器后方交會(huì)坐標(biāo)改正量

圖5　加密控制點(diǎn)后儀器后方交會(huì)坐標(biāo)改正量

圖6　對(duì)側(cè)管片測(cè)點(diǎn)測(cè)量誤差

3. 列車運(yùn)行的影響

地鐵列車在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，由于視線遮擋及振動(dòng)無法進(jìn)行觀測(cè)。為分析列車振動(dòng)后對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響，分別統(tǒng)計(jì)運(yùn)營(yíng)期間和非運(yùn)營(yíng)期間所有測(cè)點(diǎn)中誤差的算數(shù)平均值，結(jié)果見表1。

表1　mm

從表1可以看出，運(yùn)營(yíng)期間列車的振動(dòng)對(duì)測(cè)量精度影響較小，采用固定儀器臺(tái)及鉆孔埋設(shè)的方式可有效提高自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。另外，列車的長(zhǎng)期高頻率振動(dòng)勢(shì)必對(duì)儀器產(chǎn)生影響，因此須定期進(jìn)行檢查校準(zhǔn)。

4. 管壁旁折光的影響

統(tǒng)計(jì)本工程25個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，計(jì)算儀器對(duì)側(cè)、同測(cè)、道床面的不同測(cè)點(diǎn)精度。

與儀器同側(cè)且相距較遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)易受管壁旁折光的影響，可能造成測(cè)量數(shù)據(jù)的失真。因此，在測(cè)點(diǎn)布設(shè)時(shí)須充分考慮管壁折光的影響，檢查數(shù)據(jù)的可用性，對(duì)受折光影響的測(cè)點(diǎn)需重新布設(shè)。

四、監(jiān)測(cè)成果分析

本工程對(duì)受折光影響的測(cè)點(diǎn)重新布點(diǎn)，并人工測(cè)量沉降測(cè)點(diǎn)及水平收斂測(cè)點(diǎn)，以驗(yàn)證和檢查自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性。比較自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工測(cè)量成果，如圖7、圖8所示。

圖7　管片累計(jì)收斂量對(duì)比

圖8　道床累計(jì)沉降量對(duì)比

由圖7、圖8可以看出，臨近的基坑施工造成地鐵隧道向基坑一側(cè)的水平位移、沉降和隧道直徑的增大，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性。

五、結(jié)論

總結(jié)本工程各項(xiàng)監(jiān)測(cè)成果，可以得出以下結(jié)論：

1) 高精度的測(cè)量機(jī)器人是隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)精度的保證，在復(fù)雜條件下儀器的可靠性對(duì)測(cè)量精度至關(guān)重要，從項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)效果看，Leica TM30 0.5″儀器完全可以達(dá)到要求。

2) 地鐵隧道空間狹小，控制網(wǎng)的布設(shè)難度較大，采用后方交會(huì)法布設(shè)時(shí)，可盡量均勻布設(shè)足夠多的后視控制點(diǎn)，以提高相對(duì)精度。

3) 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)受隧道管壁折光、空氣粉塵影響較大，布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)須避免出現(xiàn)“多棱鏡”的情況，應(yīng)充分考慮儀器與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置，提高測(cè)量可視角度。

4) 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受外界影響因素較多，定期檢查與人工監(jiān)測(cè)可有效提高監(jiān)測(cè)的可靠性。

(本專欄由徠卡測(cè)量系統(tǒng)和本刊編輯部共同主辦)

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