如今，地鐵已經(jīng)成為現(xiàn)代城市的交通命脈，其安全性直接關(guān)系到廣大乘客的生命安全，時(shí)刻受到全社會(huì)的高度關(guān)注。但因城市建設(shè)的需要，不可避免的會(huì)在已建地鐵隧道附近進(jìn)行各種各樣的施工活動(dòng)，其中包括建筑基坑的開(kāi)挖，因此地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。

  隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、智能監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為有效控制隧道施工安全、運(yùn)營(yíng)安全的重要手段和發(fā)展方向。尤其是在光線昏暗、能見(jiàn)度低的隧道之內(nèi)，人們?nèi)庋劭吹绞锹L(zhǎng)、黑暗、冰冷，仿佛永無(wú)止境；而通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)器人、三維激光激光掃描等技術(shù)，我們可以通過(guò)多種視角，直觀地看到隧道的三維情況，了解各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，我們?cè)诒O(jiān)控顯示器中看到的不僅是帶有溫暖顏色的隧道，更能感受到一份穩(wěn)穩(wěn)的安全。

一、地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的目的主要有：

1.及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患、避免發(fā)生突發(fā)安全事故；

2.掌握隧道結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)狀及趨勢(shì)，信息化指導(dǎo)施工；

3.了解隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期變形規(guī)律，積累工程經(jīng)驗(yàn)。

二、需要進(jìn)行地鐵隧道監(jiān)測(cè)的兩種情況：

1.新建地鐵線路上跨、下穿、平行近接既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路；

2.在既有運(yùn)營(yíng)地鐵安保區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行各種施工。

三、測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)

  自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由五部分組成：測(cè)量機(jī)器人、監(jiān)測(cè)站、控制計(jì)算機(jī)房、基準(zhǔn)點(diǎn)和變形觀測(cè)點(diǎn)。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過(guò)因特網(wǎng)控制中繼站計(jì)算機(jī)，可遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行。系統(tǒng)在無(wú)須操作人員干預(yù)條件下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)、記錄、處理、存儲(chǔ)、變形量報(bào)表編制和變形趨勢(shì)顯示等功能。下面分別予以介紹監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成：

1.測(cè)量機(jī)器人

  由徠卡公司推出的TS（TM）系列全站儀，是采用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和軟件控制的TPS（Total station Positioning system）系統(tǒng)，它是智能型全站儀結(jié)合激光、通訊及CCD技術(shù)，集自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、自動(dòng)照準(zhǔn)、自動(dòng)測(cè)角、自動(dòng)測(cè)距、自動(dòng)跟蹤目標(biāo)、遙控、自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)于一體的測(cè)量系統(tǒng)。TCA、TS系列智能全站儀又稱“測(cè)量機(jī)器人”，它以其獨(dú)特的智能化、自動(dòng)化性能應(yīng)用于地鐵變形監(jiān)測(cè)中，使用戶輕松自如地獲取變形觀測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。目前主要采用的是徠卡自動(dòng)全站儀TS50，該儀器的測(cè)角精度為0.5″，測(cè)距精度為0.6mm+1ppm。

圖1 監(jiān)測(cè)機(jī)器人

2.監(jiān)測(cè)站

  根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，選擇自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)站。監(jiān)測(cè)站需在隧道壁上架設(shè)觀測(cè)裝置，安置測(cè)量機(jī)器人，并保證有較好的通視條件。監(jiān)測(cè)站應(yīng)配備監(jiān)測(cè)通訊模塊、不間斷UPS電源、氣象感應(yīng)器。監(jiān)測(cè)站的通訊模塊根據(jù)隧道內(nèi)的通信信號(hào)，選擇采用中國(guó)移動(dòng)GPRS接入互聯(lián)網(wǎng)，或采用中國(guó)聯(lián)通CDMA接入互聯(lián)網(wǎng)。進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，監(jiān)測(cè)站接受來(lái)自控制中心的指令自動(dòng)開(kāi)啟儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸回控制中心，控制中心根據(jù)監(jiān)測(cè)質(zhì)量發(fā)出指令進(jìn)行重測(cè)或補(bǔ)測(cè)。同時(shí)監(jiān)測(cè)站的氣象感應(yīng)器能實(shí)時(shí)感應(yīng)氣溫、氣壓、濕度，并將感應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?，以便控制中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)的改算、修正。

遠(yuǎn)程通訊模塊組成如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程通訊模塊組成

3.控制計(jì)算機(jī)房

  控制計(jì)算機(jī)房一般選設(shè)在辦公室，有較好的供電，能夠和互聯(lián)網(wǎng)相連等條件。機(jī)房?jī)?nèi)的計(jì)算機(jī)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)測(cè)站全站儀相聯(lián)。在控制機(jī)房通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和通訊模塊相連，能實(shí)時(shí)了解監(jiān)測(cè)站全站儀的運(yùn)行情況。

  控制計(jì)算機(jī)房是本系統(tǒng)的控制中心，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和全站儀連接，利用安裝在計(jì)算機(jī)中的系統(tǒng)控制軟件，實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程的全自動(dòng)化?？刂栖浖捎?/span>GeoMoS Monitor5.1智能全站儀自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)軟件，根據(jù)用戶設(shè)置的每天各周期測(cè)量開(kāi)始時(shí)間、監(jiān)測(cè)順序、監(jiān)測(cè)方法，自動(dòng)啟動(dòng)測(cè)量過(guò)程。

  在測(cè)量過(guò)程中，自動(dòng)判斷各測(cè)回內(nèi)和測(cè)回間的測(cè)量結(jié)果是否超限，如果出現(xiàn)目標(biāo)遮擋（如列車駛過(guò)的遮擋），系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行合理等待處理，通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果是否超限的判斷和處理，大大提高了測(cè)量結(jié)果的精度。每周期自動(dòng)測(cè)量結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)解算各觀測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)的周期位移量，并將觀測(cè)數(shù)據(jù)、周期平差數(shù)據(jù)、位移量等，存儲(chǔ)在Microsoft Access 數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速存儲(chǔ)、檢索、實(shí)時(shí)顯示和輸出。

  GeoMoS Monitor 5.1系統(tǒng)軟件提供位移曲線的圖形顯示功能,可以瀏覽和輸出各點(diǎn)的三維坐標(biāo)位移量隨時(shí)間的變化線，也可以瀏覽和輸出某一周期三維坐標(biāo)位移量隨點(diǎn)位分布的變化曲線，同時(shí)自動(dòng)生成基于Microsoft Word格式的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表包括各點(diǎn)各周期的三維變形量的變化值和累加值報(bào)表,以及各周期的前兩位累加變形值報(bào)表。

圖3 監(jiān)測(cè)控制中心實(shí)景

4.基準(zhǔn)點(diǎn)

  基準(zhǔn)點(diǎn)必須設(shè)在變形區(qū)以外，并且要滿足觀測(cè)精度的要求。故在變形區(qū)域外的地方埋設(shè)至少三個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)。一般用徠卡圓棱鏡作為基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)志，將棱鏡固定在基坑影響范圍外的隧道壁上。

5.變形觀測(cè)點(diǎn)

  根據(jù)實(shí)際需要，在地鐵隧道變形區(qū)域內(nèi)，每隔若干距離布設(shè)一個(gè)觀測(cè)斷面，觀測(cè)斷面上的每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)上安置一個(gè)對(duì)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)站的L形棱鏡。

  棱鏡作為觀測(cè)標(biāo)志,利用膨脹螺絲將其固定在隧道壁及道床上,棱鏡能被測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)識(shí)別、精確照準(zhǔn)和測(cè)量。基準(zhǔn)點(diǎn)與變形觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)顧及儀器的角度觀測(cè)最小分辨率，保證每個(gè)棱鏡都能觀測(cè)到。

圖4 隧道內(nèi)變形點(diǎn)布設(shè)示意圖

（右圖中黃色光點(diǎn)為棱鏡）

四、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)

  自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)如圖5所示：

  首先在隧道內(nèi)布設(shè)好基準(zhǔn)網(wǎng)、變形觀測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)站，調(diào)試好通訊網(wǎng)絡(luò)，各模塊和子系統(tǒng)工作正常后即可開(kāi)始工作。首先由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)向監(jiān)測(cè)站發(fā)出指令，監(jiān)測(cè)站接受指令后依次進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)和變形點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象感應(yīng)數(shù)據(jù)傳回控制計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)自動(dòng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，并判斷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。如質(zhì)量合格結(jié)束觀測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量不合格發(fā)出指令進(jìn)行重測(cè)和補(bǔ)測(cè)。

·

圖5 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作示意圖

五、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

  為了充分發(fā)揮TS50智能全站儀的優(yōu)越性，減少作業(yè)人員的工作量，測(cè)距時(shí)不進(jìn)行溫度和氣壓的測(cè)定，直接得到變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)。采用極坐標(biāo)法進(jìn)行施測(cè)，然后對(duì)施測(cè)結(jié)果進(jìn)行差分處理。即：按極坐標(biāo)的方法測(cè)量測(cè)站點(diǎn)（基準(zhǔn)點(diǎn)）至其他基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)的斜距、水平角和垂直角，將測(cè)站點(diǎn)至具有代表性氣象條件的基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量值與其基準(zhǔn)值（基準(zhǔn)網(wǎng)的測(cè)量值）相比，求得差值。由于變形觀測(cè)采用同樣的儀器和作業(yè)方法，并且基準(zhǔn)點(diǎn)均埋設(shè)在穩(wěn)定地段，認(rèn)為基準(zhǔn)點(diǎn)是穩(wěn)定的，故將這一差值認(rèn)為是受外界條件影響的結(jié)果。每站觀測(cè)可以在短時(shí)間內(nèi)完成，并且是基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)同時(shí)觀測(cè)，可以認(rèn)為外界條件對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)的影響是相關(guān)的，可把基準(zhǔn)點(diǎn)的差異加到變形點(diǎn)的觀測(cè)值上進(jìn)行差分處理，計(jì)算變形點(diǎn)的三維位移量。

變形點(diǎn)三維坐標(biāo)和變形量的計(jì)算：

按極坐標(biāo)計(jì)算公式可準(zhǔn)確求得每周期各變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

六、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的展示與共享

1.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模式展示

  對(duì)于注漿加固期間、下穿上跨既有隧道時(shí)，一般需要啟用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模式，一般兩小時(shí)作業(yè)測(cè)一次數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算并展示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形時(shí)程曲線，超限自動(dòng)報(bào)警。

2.信息化管理平臺(tái)展示

  海量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)沒(méi)有得到統(tǒng)一管理和共享，給數(shù)據(jù)的查找、檢索和使用帶來(lái)不便；當(dāng)出現(xiàn)管理人員變更時(shí)數(shù)據(jù)交接容易出現(xiàn)疏漏；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)布不能及時(shí)通過(guò)相關(guān)人員審核，易造成誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)；重大監(jiān)測(cè)項(xiàng)目涉及監(jiān)測(cè)范圍廣，需管理的監(jiān)測(cè)儀器較多，數(shù)據(jù)處理工作量大，監(jiān)測(cè)報(bào)告編制整理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響工作效率及監(jiān)測(cè)信息的及時(shí)反饋。

  針對(duì)以上問(wèn)題，市政院研究開(kāi)發(fā)了監(jiān)測(cè)項(xiàng)目信息管理平臺(tái)，該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、報(bào)告自動(dòng)生成、審核流程自動(dòng)化等主要業(yè)務(wù)功能。該系統(tǒng)的成功開(kāi)發(fā)和應(yīng)用不僅能解決上述的難題，而且能將專業(yè)技術(shù)人員從大量的、文檔性質(zhì)的工作中解放出來(lái)，有時(shí)間做更多專業(yè)的事情，提高項(xiàng)目組的整體工作效率。

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目信息管理平臺(tái)的主要特點(diǎn)如下：

①全面掌握項(xiàng)目明細(xì)，定位項(xiàng)目所在位置；

②構(gòu)架清晰，監(jiān)測(cè)內(nèi)容一目了然；

③快速錄入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享；

④自動(dòng)整編，方便快捷；

⑤自動(dòng)生成各種曲線；

⑥自動(dòng)生成報(bào)告，并實(shí)時(shí)共享；

⑦趨勢(shì)預(yù)測(cè)，自動(dòng)報(bào)警。