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。 8 q, J7 Q K' G, f" Q
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。 2 Q' S6 r# ~8 o }; T( y
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。 7 X9 q: n- ^' e+ ~$ Q( a1 n7 [
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
3 c6 ]9 G( G/ N# d( i* v, X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: 7 s) Y; m% u5 L: ~) o) c$ n3 ]( X
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。
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图1 监测机器人 5 W; N# ^6 P! d% _* b( }
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。
: W7 M8 F) j, ~$ g) g; s9 }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 ' q' X7 z8 P+ J+ C6 M
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。 / T, u9 i- I* t, c6 O
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。 & @9 |( U3 ^! Z" L, `* D
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。 5 ]" P( @5 L2 P3 D2 y8 f
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
) b- ?; o& X1 M& D4.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。 @. ~) O6 L7 H* l
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。 8 z' |, o2 ~# X* z/ d1 b
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。
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图4 隧道内变形点布设示意图(右图中黄色光点为棱镜) 6 ?" M: i( n* E5 _+ L- V* {
自动化监测的实现 自动监测系统的实现如图5所示:& ]# t* c1 i, _$ z0 }" B( i, _6 V3 b
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 2 U4 B3 S5 T; r! J! T2 v. |
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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3 r' v# D4 G& N 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。
# F3 U+ ]" H+ z i2.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。
' P5 _# Y0 r( w% r/ C7 Z: ]1 \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。 3 H: P, c: M$ D5 U# R4 Z2 B
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。
* y& S o5 N0 h0 x1 |, a. O6 g三维激光扫描技术
5 g# @. ]- |: E; K" o7 ^$ y5 n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”。 & X* g4 T ~# a9 N/ J9 o
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。 7 ^$ c6 k6 x- r, @

图6 徕卡 ScanStation P40新一代超高速三维激光扫描仪
, `$ w9 l+ U6 F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。 , C) l9 M" _8 U# E

图7 深圳地铁1号线某区段扫描结果整体视角图
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图8 深圳地铁1号线某区段扫描结果内部视角图 . U3 h$ T$ n7 M) U! a
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。 9 c: \# ?- ~, Q# C( i, f" {
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 ' z' }* h. Z9 S; _; C

图10 隧道净空水平最大宽度实测曲线图 * c" k' ?; Y) i6 n
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
+ v; O" e% M V) `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。 q6 @/ q4 z# x3 D8 X! N! v: Y; @; n6 G
隧道收敛实时监测技术 , l: H1 _# c/ b- }/ j
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。 9 @. l6 s2 r0 @, t) [
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。
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 & `- k4 {. J3 F/ B; \$ B
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