蔡少輝

（核工業(yè)二一六大隊，新疆 烏魯木齊 830011）

在地鐵建設(shè)施工過程中，樁頂水平位移監(jiān)測是明挖基坑開挖施工過程最重要的測項之一，常規(guī)的視準線法、測小角法等觀測方法已經(jīng)不能適應(yīng)城市地鐵基坑施工周邊的復(fù)雜環(huán)境［1］。利用測量機器人自由設(shè)站技術(shù)，可以減少或者避免基坑施工干擾及周邊環(huán)境的影響，方便快速獲得監(jiān)測點的坐標。監(jiān)測數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)利用軟件通過相鄰周期坐標計算可以快速、準確地獲取監(jiān)測點的位移變化量和累計位移量［2-3］，從而使水平位移監(jiān)測更加方便、靈活。同時，利用測量機器人的自動觀測特性，應(yīng)用到新建地鐵隧道下穿既有線過程中，對既有線隧道道床沉降、水平位移、隧道收斂等監(jiān)測項目進行自動化監(jiān)測，獲得高精度的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

本文主要介紹采用基于徠卡TS15 測量機器人的自由設(shè)站技術(shù)，在烏魯木齊市軌道交通2 號線一期工程線第三方監(jiān)測項目中，對明挖基坑樁頂水平位移監(jiān)測的應(yīng)用實踐。通過對測量方法及數(shù)據(jù)的對比分析，得出了基于徠卡TS15 測量機器人在明挖基坑水平位移監(jiān)測的優(yōu)勢。同時，利用該技術(shù)在烏魯木齊機場改擴建工程隧道下穿既有1 號線施工期間，對既有線進行變形監(jiān)測，為既有線的安全運行提供必要的數(shù)據(jù)。該方法觀測靈活，數(shù)據(jù)精度高，工作效率高，得到業(yè)主方的肯定，并在整個烏魯木齊市軌道交通2 號線一期工程施工監(jiān)測中進行了推廣于普及，取得了較好的效益。

1 測量機器人工作原理與作業(yè)流程

1.1 測量機器人

測量機器人是一種能代替人而進行自動搜索、跟蹤、辨識和精確照準目標并獲取角度、距離、坐標等信息的智能型速測電子全站儀。它是在全站儀的基礎(chǔ)上集成馬達和CCD 影像傳感器等原件構(gòu)成的視頻成像系統(tǒng)，并配置智能化的控制測量及應(yīng)用平差軟件發(fā)展而形成的［4］。測量機器人通過CCD 影像傳感器等對目標進行識別，實現(xiàn)自我控制，并自動完成搜索、照準、讀數(shù)等操作，已完全可以代替人來完成許多測量任務(wù)［4］，尤其是人無法到達或觸及的目標與區(qū)域。

1.2 測量機器人工作原理

測量機器人系統(tǒng)是基于一臺測量機器人與多個目標照準棱鏡組成的變形監(jiān)測系統(tǒng)，其實質(zhì)主要是自由設(shè)站后方交會極坐標測量系統(tǒng)。

1）強制觀測基站

強制觀測基站為測量機器人極坐標測量系統(tǒng)的起始點，用一個強制對準裝置來架設(shè)測量機器人。

2）參照點

參照點為后視照準點。該點的平面坐標為已知，點位應(yīng)布設(shè)于變形影響區(qū)域外的穩(wěn)固地帶，一般布設(shè)于變形影響區(qū)域外的樓房等高的建筑物上。參照點采用強制對中裝置，安置棱鏡，一般一個測量機器人應(yīng)布設(shè)3～4 個后視照準點，并要求相鄰后視點方向夾角要大，且要覆蓋整個變形監(jiān)測區(qū)域。

3）目標點

目標點是根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)置在變形體上能夠反映變形特征部位的目標。

1.3 測量機器人作業(yè)流程

測量機器人自由設(shè)站是采用后方交會的方法進行，在強制觀測墩上架設(shè)測量機器人，首先觀測已知后視點，從而得出儀器架設(shè)點的坐標值；然后采用多測回測角，依次觀測目標點；結(jié)束后利用后處理軟件進行平差計算，從而求得觀測點的坐標值。

測量機器人作業(yè)流程主要包括工程項目管理、系統(tǒng)初始化、學(xué)習(xí)測量、自動觀測、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)查詢、成果輸出等功能［5］。工程項目管理：用來管理項目的工程文件，保存該項目所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)［6］。系統(tǒng)初始化：測量機器人的各項單位、2C 互差、指標差和自動目標識別照準差等設(shè)置；學(xué)習(xí)測量：通過人為操作全站儀，逐一照準目標點，訓(xùn)練獲取目標點概略空間位置信息的過程；自動測量：按照監(jiān)測方案設(shè)計，測量機器人根據(jù)學(xué)習(xí)測量程序自動搜索目標點做周期觀測；數(shù)據(jù)處理：主要對原始觀測值進行處理前的檢查，數(shù)據(jù)的投影、平差計算，得出目標點坐標成果，為下一步變形分析提供數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)查詢與成果輸出：主要是各類報表的輸出以及目標點的變形分析等查詢輸出。

2 地鐵明挖基坑水平位移監(jiān)測實例

2.1 工程概況

烏魯木齊市軌道交通2 號線華山街站為一座明挖車站，車站主體結(jié)構(gòu)采用明挖法，連接車站小里程端區(qū)間隧道采用暗挖法，車站大里程端區(qū)間隧道采用明挖法施工。

本車站總長286.26 m，車站標準段寬度為21.8 m，南、北端車站高度分別為23.64 m、21.1 m。站中心頂板覆土厚度為3.525 m。站址范圍內(nèi)維泰北路地勢呈南高北低，車站南北端地面高差約5.05 m，圍護結(jié)構(gòu)基坑長度為286.26 m，基坑深度約24.6～28.6 m。

2.2 基坑水平位移監(jiān)測方案

1）水平位移工作基點的布設(shè)

為了保證監(jiān)測精度，根據(jù)工程特點監(jiān)測作業(yè)過程至少需要聯(lián)測3～4 工作基點，為確保工作基點的穩(wěn)定性，點位應(yīng)布設(shè)于施工基坑開挖深度2 倍距離之外的穩(wěn)定區(qū)域。為減少對中誤差的影響，從而提高監(jiān)測精度，工作基點應(yīng)埋設(shè)強制對中觀測墩或強制對中標志。布點及觀測滿足《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》［7］、《城市軌道交通工程測量規(guī)范》［8］的要求進行。

2）基坑監(jiān)測點的布設(shè)

明挖基坑樁頂水平位移測點布設(shè)在基坑各邊冠梁上。本車站在基坑的長邊按間距20 m 布設(shè)樁頂水平位移測點，短邊中間位置各布置1 個測點，在基坑陽角及基坑的關(guān)鍵部位加密布設(shè)監(jiān)測點［9］，共布設(shè)30 個水平位移監(jiān)測點。為減少監(jiān)測點的對中誤差，監(jiān)測點布設(shè)采用強制對中的方式，在冠梁上布設(shè)固定的小棱鏡。

3）測量機器人強制觀測墩的布設(shè)

測量機器人強制觀測墩根據(jù)工程的特點，沿基坑周邊布設(shè)，數(shù)量不少于2 個。本車站比較長，所以在基坑四周制作了4 個強制觀測墩，確保能觀測全部的水平位移監(jiān)測點。

2.3 監(jiān)測的作業(yè)方法

工作基點及水平位移觀測點棱鏡全部固定后，進行監(jiān)測點觀測。將徠卡TS15 測量機器人架設(shè)在制作好的強制觀測墩上，精確整平，然后進行一系列工程設(shè)置。選擇適合于本測站的定向點、監(jiān)測點，測量機器人進行學(xué)習(xí)后，自動照準并測量方位角、距離。觀測標志均采用小棱鏡觀測標志，并統(tǒng)一編號。觀測結(jié)束后，導(dǎo)出測量數(shù)據(jù)，并通過清華山維平差軟件，計算出各監(jiān)測點坐標值。通過將變形監(jiān)測點的二維平面坐標值投影計算至垂直于基坑方向的矢量位移，并計算各期階段累計變形量、階段變形速率等數(shù)據(jù)［10］，從而判斷基坑的穩(wěn)定性，指導(dǎo)地鐵安全施工。監(jiān)測點坐標系與基坑坐標系關(guān)系見圖1，坐標系轉(zhuǎn)換公式如下：

圖1 監(jiān)測坐標系與基坑坐標系關(guān)系Fig.1 Relations of monitoring coordinate system to foundation pit coordinate system

式中：dx—沿縱向X 軸的變量/mm；dy—沿橫向Y 軸的變量/mm；α’—基坑縱向X 軸方位角/°；x0，y0—監(jiān)測點初始坐標；x1，y1—監(jiān)測點坐標；x’，y’—基坑坐標。

采用Excel 列表計算各監(jiān)測點的階段累計變形值、階段變形速率。監(jiān)測點變形曲線示意圖見圖2。

圖2 水平位移監(jiān)測點變形時程曲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of time history curve of horizontal displacement in monitoring point

2.4 基坑樁頂水平位移監(jiān)測成果分析

基坑在土方開挖前進行水平位移監(jiān)測點的布設(shè)，待其穩(wěn)定后進行監(jiān)測點初始值的采集，根據(jù)監(jiān)測計劃的頻次進行水平位移的監(jiān)測。但出現(xiàn)監(jiān)測異常及周邊環(huán)境有重大變化時，需加強監(jiān)測頻次，車站封頂后停止監(jiān)測。本次所布設(shè)的30 個監(jiān)測點中，在整個施工期間的監(jiān)測過程中，監(jiān)測值向基坑內(nèi)偏移量最大累計值為5.3 mm，小于累計位移控制指標30 mm。

根據(jù)基坑特點及變形影響，選取基坑西側(cè)影響較大區(qū)域的3 個變形監(jiān)測點，繪制監(jiān)測點變化的時程曲線圖，監(jiān)測點時程曲線見圖3。

圖3 測點變形時程曲線Fig.3 Deformation time history curve of measuring point注：ZQS-27、ZQS-28、ZQS-29 為坑西側(cè)影響較大區(qū)域的3 個變形監(jiān)測點。

對于監(jiān)測點受基坑開挖施工影響，分析監(jiān)測點的變形規(guī)律：

工況①：土方開挖初期，當開挖地表以下2 m位置時，架設(shè)第一道鋼支撐，此時監(jiān)測值比較穩(wěn)定，最大變形為1.2 mm。

工況②：土方開挖至第二道鋼支撐以下0.5 m（約－8 m），架設(shè)第二道鋼支撐。在此段時間內(nèi)測點變形速率有增大趨勢，經(jīng)分析基坑西側(cè)為運輸?shù)缆?，渣土車輛及大型機械碾壓造成西側(cè)土體向基坑內(nèi)偏移5.3 mm，此時該變形點附近地表沉降點監(jiān)測值變化不大，但該點旁邊的樁體水平位移監(jiān)測點變化較大，向基坑內(nèi)偏移3.5 mm。

工況③：第二道鋼支撐架設(shè)完成后，調(diào)整預(yù)加軸力值，是基坑回彈至穩(wěn)定狀態(tài)。

工況④：土方開挖至第三道鋼支撐以下0.5 m（約－16 m），該部位鋼支撐架設(shè)滯后，使基坑北側(cè)土體向基坑內(nèi)偏移。

工況⑤：基坑開挖到底，進行底板施工，鋼支撐增加了預(yù)加軸力，變形發(fā)生了一定量的回彈，最后趨于穩(wěn)定。

3 地鐵隧道下穿既有線監(jiān)測工程實例

3.1 工程概況

烏魯木齊市機場改擴建工程項目（2 號線二期），起始于國際機場站，終點為T4 航站樓站，該區(qū)間線路從國際機場站后出發(fā)，下穿既有1 號線及機場第一跑道之后到達T4 航站樓站。場地內(nèi)主要地層由第四系上更新洪積圓礫、卵石構(gòu)成，場地地表普遍分布厚度不均的人工填土［11］。本區(qū)間暗區(qū)間道為單洞單線隧道，隧道穿越地層主要為卵石層，挖隧道采用礦山法施工，施工過程中架設(shè)臨時橫撐。區(qū)間主要采用馬蹄形斷面。該段隧道拱頂埋深32～35 m，穿越地層主要為卵石，圍巖級別為V 級。

3.2 監(jiān)測內(nèi)容及要求

由于區(qū)間隧道下穿既有線，隧道開挖時會對該既有線產(chǎn)生一定的形變，變形如果超出了一定的范圍，就會影響既有地鐵的結(jié)構(gòu)安全。由于烏魯木齊軌道交通1 號線是運營路線，結(jié)構(gòu)漏水可能會引發(fā)漏電現(xiàn)象，造成人員傷亡。區(qū)間下穿期間對既有線的監(jiān)測采用測量機器人進行自動監(jiān)測，通過對各項監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判定隧道下穿期間對既有線產(chǎn)生的變形有多大、是否有預(yù)警、要不要采取相應(yīng)的措施，保證既有線的正常運行，同時對新隧道的安全施工進行評估評價，指導(dǎo)隧道的正常安全施工。

3.3 監(jiān)測方案

既有線隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測點布設(shè)按《城市軌道交通地下工程建設(shè)風險管理規(guī)范》［12］要求進行。隧道水平位移監(jiān)測點沿線路方向進行布設(shè)，結(jié)構(gòu)沉降、隧道結(jié)構(gòu)收斂與水平位移同點位布設(shè)，道床沉降監(jiān)測點沿地鐵線路方向布設(shè)。

3.4 監(jiān)測方法

既有線道床結(jié)構(gòu)沉降、隧道收斂、水平位移等測項均采用測量機器人自動化監(jiān)測。自動變形監(jiān)測系統(tǒng)由基準點、工作基點、變形點、全站儀、控制計算機機房組成。基準點：設(shè)置在變形區(qū)以外，需要設(shè)置至少3 個以上的穩(wěn)定基準點。工作基點：直接用于觀測變形點的基準點，一般至少布置3 個以上。變形點：布設(shè)在變形體上特征部位的監(jiān)測點，每個監(jiān)測點位應(yīng)安裝有強制對準的棱鏡［13］。全站儀：本次使用徠卡TS15 測量機器人，其標稱測角精度為1″，測距精度為（1 mm＋1.5 mm×10-6×D（D 為邊長/km））。計算機機房：計算機機房內(nèi)的計算機通過通訊電纜或數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)電臺和全站儀相聯(lián)，實時監(jiān)控全站儀的監(jiān)測運行情況［14］。

3.5 成果分析

國際機場站—T4 航站樓站區(qū)間（既有1 號線）典型數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析見表1。從表中分析可得出：既有線各項監(jiān)測點變形趨于－2～2 mm區(qū)間，速率穩(wěn)定，風險可控。

表1 監(jiān)測特征數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 1 Statistics of monitoring characteristic data

1）道床結(jié)構(gòu)沉降

對道床結(jié)構(gòu)進行沉降監(jiān)測，對沉降變形較大點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行變形分析，變形曲線如圖4 所示，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)變形曲線圖可以看出，道床結(jié)構(gòu)的沉降量是非常小，在規(guī)范要求的范圍內(nèi)［15］。

圖4 道床結(jié)構(gòu)沉降時程曲線Fig.4 Time history curve of track bed structure settlement

2）道床水平位移

對道床結(jié)構(gòu)水平位移進行監(jiān)測，左、右線變形較大點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，監(jiān)測點變形曲線如圖5、6 所示，左、右線水平位移最大變形量均小于控制值±10 mm，速率穩(wěn)定。

圖5 左線道床結(jié)構(gòu)水平位移時程曲線Fig.5 Time history curve of horizontal displacement in left line tunnel structure

圖6 右線道床結(jié)構(gòu)水平位移時程曲線Fig.6 Time history curve of horizontal displacement in right line tunnel structure

3）隧道收斂變形

隧道下穿既有1 號線隧道收斂變形在－1～2 mm 之間，小于規(guī)范要求的控制值±10 mm。監(jiān)測變形曲線如圖7 所示，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判定，下穿期間對既有隧道受施工影響較小，屬于正常變形。

圖7 隧道收斂變形時程曲線Fig.7 Time history curve of track gauge deformation

通過各項監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可以得出，隧道下穿既有線時對道床結(jié)構(gòu)沉降、水平位移、隧道結(jié)構(gòu)收斂等的影響較小，累計變形值和變形速率均在規(guī)范的要求范圍內(nèi)，從而不會對既有線的運營產(chǎn)生影響。

核工業(yè)二一六大隊作為烏魯木齊市軌道交通2 號線一期工程及機場改擴建項目（2 號線二期）02 標段第三方監(jiān)測單位，除了按照合同要求完成監(jiān)測任務(wù)外，還要對所在標段的施工監(jiān)測單位進行監(jiān)督和指導(dǎo)。由于所管轄標段施工單位較多，施工監(jiān)測方法良莠不齊，監(jiān)測精度無法保證。通過測量機器人自由設(shè)站技術(shù)在水平位移和下穿既有線的監(jiān)測實踐，認為該方法不僅觀測方便、工作效率高，而且減小了儀器和棱鏡的對中誤差，提高了監(jiān)測精度，得到了建設(shè)單位的肯定。尤其是測量機器人自由設(shè)站技術(shù)針對基坑水平位移的監(jiān)測方法，由建設(shè)單位組織，核工業(yè)二一六大隊對烏魯木齊市軌道交通2 號線全線施工單位的施工監(jiān)測人員進行現(xiàn)場培訓(xùn)，并在烏魯木齊市軌道交通2 號線一期工程全線推廣應(yīng)用，取得了良好的效果。

測量機器人自由設(shè)站技術(shù)可以應(yīng)用到外形復(fù)雜的建、構(gòu)筑物以及人無法觸及或無法到達區(qū)域的三維變形監(jiān)測當中，可以有更為積極的作用。

4 結(jié)論

1）與常規(guī)測量方法比較發(fā)現(xiàn)，測量機器人自由設(shè)站在基坑水平位移監(jiān)測中能夠快速獲得較高精度的坐標。測量機器人架設(shè)在強制觀測墩、監(jiān)測點采用強制對中的棱鏡，避免儀器和目標點對中誤差；使用帶馬達驅(qū)動的測量機器人施測，可進行多測回的自動照準測量，減少了人為觀測的偶然誤差，保證了監(jiān)測精度。

2）本次通過測量機器人自由設(shè)站技術(shù)在基坑水平位移監(jiān)測的應(yīng)用實踐，方法先進，監(jiān)測數(shù)據(jù)準確，得到了建設(shè)單位的肯定，并在烏魯木齊市軌道交通2 號線一期工程全線推廣應(yīng)用。這種監(jiān)測方法保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準與可靠，為地鐵明挖基坑的安全施工提供準確的數(shù)據(jù)指導(dǎo)，從而確?；拥陌踩┕?。

3）測量機器人自由設(shè)站技術(shù)在烏魯木齊機場改擴建工程（2 號線二期）下穿隧道監(jiān)測中也得到了較好的應(yīng)用，既保證了監(jiān)測精度，又提高了工作效益。