在自动监测机器人眼里 安全的隧道这么美

​​编者按

如今，地铁已经成为现代城市的交通命脉，其安全性直接关系到广大乘客的生命安全，时刻受到全社会的高度关注。但因城市建设的需要，不可避免的会在已建地铁隧道附近进行各种各样的施工活动，其中包括建筑基坑的开挖，因此地铁隧道的结构安全监测至关重要。

随着科学技术的发展，自动化监测、智能监测已经成为有效控制隧道施工安全、运营安全的重要手段和发展方向。尤其是在光线昏暗、能见度低的隧道之内，人们肉眼看到是漫长、黑暗、冰冷，仿佛永无止境；而通过监测机器人、三维激光激光扫描等技术，我们可以通过多种视角，直观地看到隧道的三维情况，了解各监测点的变形数据。与此同时，我们在监控显示器中看到的不仅是带有温暖颜色的隧道，更能感受到一份稳稳的安全。

地铁隧道结构安全监测的目的主要有——

1.及时发现安全隐患、避免发生突发安全事故；

2.掌握隧道结构变形现状及趋势，信息化指导施工；

3.了解隧道结构长期变形规律，积累工程经验。

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需要进行地铁隧道监测的两种情况——

1.新建地铁线路上跨、下穿、平行近接既有运营地铁线路；

2.在既有运营地铁安保区范围内进行各种施工。

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测量机器人自动化监测技术

自动化监测系统构成

自动化监测系统由五部分组成：测量机器人、监测站、控制计算机房、基准点和变形观测点。远程计算机通过因特网控制中继站计算机，可远程监视和控制监测系统的运行。系统在无须操作人员干预条件下，实现自动观测、记录、处理、存储、变形量报表编制和变形趋势显示等功能。下面分别予以介绍监测系统的组成：

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1.测量机器人

由徕卡公司推出的TS（TM）系列全站仪，是采用马达驱动和软件控制的TPS（Total station Positioning system）系统，它是智能型全站仪结合激光、通讯及CCD技术，集自动目标识别、自动照准、自动测角、自动测距、自动跟踪目标、遥控、自动记录数据于一体的测量系统。TCA、TS系列智能全站仪又称“测量机器人”，它以其独特的智能化、自动化性能应用于地铁变形监测中，使用户轻松自如地获取变形观测数据，及时进行监测预报。目前主要采用的是徕卡自动全站仪TS50，该仪器的测角精度为0.5″，测距精度为0.6mm+1ppm。

图1 监测机器人

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2.监测站

根据现场条件，选择自动变形监测系统的监测站。监测站需在隧道壁上架设观测装置，安置测量机器人，并保证有较好的通视条件。监测站应配备监测通讯模块、不间断UPS电源、气象感应器。监测站的通讯模块根据隧道内的通信信号，选择采用中国移动GPRS接入互联网，或采用中国联通CDMA接入互联网。进行观测时，监测站接受来自控制中心的指令自动开启仪器进行监测，并将监测数据通过互联网实时传输回控制中心，控制中心根据监测质量发出指令进行重测或补测。同时监测站的气象感应器能实时感应气温、气压、湿度，并将感应数据传输到控制中心，以便控制中心，进行数据的改算、修正。

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远程通讯模块组成如图2所示。

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图2 远程通讯模块组成

3.控制计算机房

控制计算机房一般选设在办公室，有较好的供电，能够和互联网相连等条件。机房内的计算机通过互联网和监测站全站仪相联。在控制机房通过互联网和通讯模块相连，能实时了解监测站全站仪的运行情况。

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控制计算机房是本系统的控制中心，通过互联网和全站仪连接，利用安装在计算机中的系统控制软件，实现整个监测过程的全自动化。控制软件采用GeoMoS Monitor5.1智能全站仪自动变形监测软件，根据用户设置的每天各周期测量开始时间、监测顺序、监测方法，自动启动测量过程。

在测量过程中，自动判断各测回内和测回间的测量结果是否超限，如果出现目标遮挡（如列车驶过的遮挡），系统自动进行合理等待处理，通过对测量结果是否超限的判断和处理，大大提高了测量结果的精度。每周期自动测量结束后，系统自动解算各观测点三维坐标的周期位移量，并将观测数据、周期平差数据、位移量等，存储在Microsoft Access 数据库中，实现数据的快速存储、检索、实时显示和输出。

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GeoMoS Monitor 5.1系统软件提供位移曲线的图形显示功能,可以浏览和输出各点的三维坐标位移量随时间的变化线，也可以浏览和输出某一周期三维坐标位移量随点位分布的变化曲线，同时自动生成基于Microsoft Word格式的监测数据报表。监测数据报表包括各点各周期的三维变形量的变化值和累加值报表,以及各周期的前两位累加变形值报表。

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图3 监测控制中心实景

4.基准点

基准点必须设在变形区以外，并且要满足观测精度的要求。故在变形区域外的地方埋设至少三个稳定的基准点。一般用徕卡圆棱镜作为基准点标志，将棱镜固定在基坑影响范围外的隧道壁上。

5.变形观测点

根据实际需要，在地铁隧道变形区域内，每隔若干距离布设一个观测断面，观测断面上的每个观测点上安置一个对准监测站的L形棱镜。

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棱镜作为观测标志,利用膨胀螺丝将其固定在隧道壁及道床上,棱镜能被测量机器人自动识别、精确照准和测量。基准点与变形观测点布设顾及仪器的角度观测最小分辨率，保证每个棱镜都能观测到。

图4 隧道内变形点布设示意图（右图中黄色光点为棱镜）

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自动化监测的实现

自动监测系统的实现如图5所示：
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首先在隧道内布设好基准网、变形观测点、监测站，调试好通讯网络，各模块和子系统工作正常后即可开始工作。首先由远程计算机通过互联网向监测站发出指令，监测站接受指令后依次进行基准点稳定性监测和变形点监测，并将监测数据和气象感应数据传回控制计算机，数据处理系统自动将监测数据进行改正，并判断监测数据质量。如质量合格结束观测，监测数据质量不合格发出指令进行重测和补测。

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图5 自动监测系统工作示意图

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自动化监测数据处理

为了充分发挥TS50智能全站仪的优越性，减少作业人员的工作量，测距时不进行温度和气压的测定，直接得到变形点的三维坐标。采用极坐标法进行施测，然后对施测结果进行差分处理。即：按极坐标的方法测量测站点（基准点）至其他基准点和变形点的斜距、水平角和垂直角，将测站点至具有代表性气象条件的基准点测量值与其基准值（基准网的测量值）相比，求得差值。由于变形观测采用同样的仪器和作业方法，并且基准点均埋设在稳定地段，认为基准点是稳定的，故将这一差值认为是受外界条件影响的结果。每站观测可以在短时间内完成，并且是基准点和变形点同时观测，可以认为外界条件对基准点和变形点的影响是相关的，可把基准点的差异加到变形点的观测值上进行差分处理，计算变形点的三维位移量。
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变形点三维坐标和变形量的计算：

按极坐标计算公式可准确求得每周期各变形点的三维坐标。

自动化监测数据的展示与共享
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1.实时监测模式展示
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对于注浆加固期间、下穿上跨既有隧道时，一般需要启用实时监测模式，一般两小时作业测一次数据，系统自动计算并展示各监测点变形时程曲线，超限自动报警。

2.信息化管理平台展示

海量的监测数据没有得到统一管理和共享，给数据的查找、检索和使用带来不便；当出现管理人员变更时数据交接容易出现疏漏；监测数据的发布不能及时通过相关人员审核，易造成误报、错报；重大监测项目涉及监测范围广，需管理的监测仪器较多，数据处理工作量大，监测报告编制整理费时费力，影响工作效率及监测信息的及时反馈。

针对以上问题，市政院研究开发了监测项目信息管理平台，该平台能够实现数据的统一管理、报告自动生成、审核流程自动化等主要业务功能。该系统的成功开发和应用不仅能解决上述的难题，而且能将专业技术人员从大量的、文档性质的工作中解放出来，有时间做更多专业的事情，提高项目组的整体工作效率。

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监测项目信息管理平台的主要特点如下——

①全面掌握项目明细，定位项目所在位置；

②构架清晰，监测内容一目了然；

③快速录入数据，实现数据的实时共享；

④自动整编，方便快捷；

⑤自动生成各种曲线；

⑥自动生成报告，并实时共享；

⑦趋势预测，自动报警。

三维激光扫描技术

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术。它是利用激光测距的原理，记录被测物体表面大量密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息。结合计算机视觉与图像处理技术，将其扫描结果直接显示为点云（pointcloud：无数的点以测量的规则在计算机里呈现物体的结果），可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。这样全面的信息能给人一种物体在电脑里真实再现的感觉。因此，三维扫描技术在测绘领域被誉为“继GPS技术之后的一次技术革命”。

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作为测绘领域里的高新技术，三维激光扫描技术已经广泛应用于文物保护、城市建筑测量、地形测绘、采矿业、变形监测、管道设计、飞机船舶制造、公路铁路建设、隧道工程、桥梁改建等领域。地铁集团引进这项技术，目的是为了更好地了解隧道的现状信息，判断隧道的健康状况，从而确保地铁隧道的安全运营。

图6 徕卡 ScanStation P40新一代超高速三维激光扫描仪

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三维激光扫描的应用有以下特点：

1.隧道扫描结果可以记录隧道的真实状态，直观地展现隧道三维情况，通过多种视角的呈现，给人身临其境的感觉。

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图7 深圳地铁1号线某区段扫描结果整体视角图

图8 深圳地铁1号线某区段扫描结果内部视角图

2.可以记录隧道的缺陷信息，并可以进行量化，如标注渗水区域或破损区域的面积等等。

3.通过扫描隧道结构获得的点云信息，与隧道设计值进行比较，可以得知隧道结构与设计图纸的偏差。通过对比不同时期的两次隧道扫描结果，也可以得知隧道结构在此期间的变形情况。

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图9 隧道结构的变形情况

图10 隧道净空水平最大宽度实测曲线图

4.利用三维点云图可以直观展示隧道监测点的变形数据——利用三维点云图作为数据载体，可直观显示各个监测点的变形数据。

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图11 各个监测点的变形数据

5.三维点云数据可发布为IE浏览器格式，即使没有专业软件，也可以进行信息查询。

隧道收敛实时监测技术

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深圳市政院自行研发了一套运营隧道自动实时断面监测系统（已经获得实用新型专利，专利号: ZL201620701032.9），该系统提供一种地铁运营隧道实时变形监测装置，包括：激光测距仪主机，用于测量隧道断面的宽度；控制与传输设备，用于接收远程指令、控制激光测距仪并自动发送数据至远程数据服务器；数据服务器，用于存储与管理数据；应用端控制分析软件，用于发送控制指令及数据分析显示。其中，激光测距仪和控制与传输设备可形成一体，传输数据采用移动2G/3G/4G信号，应用端控制分析软件可安装在电脑或手机上。可通过手机访问显示实时监测数据，最高5秒钟采集一次数据，特别是在注浆加固期间非常实用，可及时指导注浆参数的调整。

该设备目前在深圳前海几个项目中已经推广使用，如前海交易广场项目、桂庙路快速化改造工程项目、5号线南延线桂湾站项目，实时监测隧道水平收敛情况，有效控制了隧道的运营安全和结构安全。

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作者 / 余海忠 王天孝 曾奇

作者单位 / 深圳市市政设计研究院有限公司