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Geomatics Science and Technology
Vol.2 No.02(2014), Article ID:13347,4 pages
DOI:10.12677/GST.2014.22003
Study of the Monitoring and Warning System for Metro Deformation in Zhujiang New Town Guangzhou and Its Applications
Longchang Liang, Lingyan Lu, Zhiyu Qiu
●Abstract
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●Linked References
●How to Cite this Article
Guangdong Nonferrous Metals Engineering Investigation Design Institute, Guangzhou
Email: 416854154@qq.com
Copyright ? 2014 by authors and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
Received: Feb. 24th, 2014; revised: Mar. 18th, 2014; accepted: Mar. 26th, 2014
ABSTRACT
In this paper, we use high-precision mobile robots to automatically and periodically monitor the deformation of Metro tunnel in Guangzhou Zhujiang New Town. We investigate the monitoring network design, monitoring methods, data processing and the corresponding applications. This investigation is applicable to similar monitoring projects.
Keywords:Metro Deformation Monitoring, Datum Network, Georobot, Combination Variance of Unit Weight Test, Periodical Monitoring
廣州市珠江新城地鐵變形監測預警系統的 研究與應用
梁龍昌，盧凌燕，丘志宇
廣東有色工程勘察設計院，廣州
Email: 416854154@qq.com
收稿日期：2014年2月24日；修回日期：2014年3月18日；錄用日期：2014年3月26日
摘 要
本文針對廣州市珠江新城地鐵集運隧道段的變形監測項目，采用高精度測量機器人進行移動式自動化周期監測，對監測網設計、監測方法、監測數據處理和應用效果作了較深入的研究，對于類似監測項目具有參考應用價值。
關鍵詞
地鐵變形監測，基準網，測量機器人，組合后驗方差檢驗法，周期監測
1. 引言
廣州地鐵集運隧道監測段位于珠江新城珠江大道東與珠江大道西之間區域，占地總面積約6.5萬平方米，地下總建筑面積約10萬平方米，基坑深達13米，周邊是正在建設的高層建筑。隧道段的變形監測的目的在于確定基坑深開挖過程和周圍高層建筑建設期間的荷載變化對地鐵集運隧道段上行線和下行線的影響情況，為設計施工提供信息服務和安全保障。該項目的位置和竣工后的效果圖如圖1所示。
2. 方案設計
地鐵變形監測方案設計，主要包括基準點網設計，監測點布設，觀測儀器選取，測回數、觀測周期數和周期觀測時段長的確定等。
2.1. 設計要求
對于地鐵集運隧道段的變形監測來說，深基坑開挖、周邊高層建筑物建造等荷載的動態作用，對地鐵隧道結構的影響大小和規律，是設計人員非常關心的事。設計提出對隧道結構的沉降和水平位移警告值、警戒值和控制值分別為12 mm、15 mm和20 mm；每天的變形量不能超過2.5 mm。當變形量達到其中某一數值時，就需要采取相應措施。為了滿足設計要求，首先要確定變形監測的精度，例如：若設計要求監測點的點位精度為1 mm，表示從基準點出發，若對任一監測點做多次重復測量，在點位沒有變動的情況下，其點位中誤差應小于1 mm。當然，若點位在變動，用此監測精度就能夠確定出點位1 mm毫米左右的變化。還有監測點的密度位置和監測周期的要求，如監測斷面的間距、每斷面的監測點數和位置，一天監測一次還是監測兩次、三次？*重要的是需對監測網、點的周期觀測值進行分析，提供監測點的周期變形量和累計變形量，分析變形的大小和規律，每天上報。
監測內容主要是施工期間地鐵隧道結構變形，通過基準網點和監測點的周期觀測，獲得監測點的實時坐標，以此來確定隧道結構的變形量。
2.2. 基準點網設計
地鐵變形監測與所有工程變形監測相似，都必須建立基準點網。基準點網就是由基準點和工作基點構成的網。根據實際情況和專業知識，設計了如圖2所示的監測點網，由基準點和測站點(工作基點)組成，基準點SJ1,SJ2,SJ3,SJ4布設在隧道兩側地質情況良好的地段，測站點SN,SB變形區內。基準點的棱鏡固定在強制對中裝置上，強制對中裝置焊接在三角形鐵支架上，通過沖擊鉆鉆孔，用爆炸螺絲將三角形支架固定在隧道洞壁上。在測站點，可將精密全站儀安置在固定在鋼架的強制對中裝置上，測站點的棱鏡則安裝在鋼架下。
Figure 1. The location and the effect schematic after completion for the project
圖1. 項目的位置和竣工后的效果示意圖
Figure 2. Schematic diagram for reference points and measuring sites
圖2. 基準點和測站點示意圖
基準點網為獨立網，在基準點上不架設儀器，固定一點一方向，假設SB為已知點，SB到SN為X軸方向，以在SB上觀測SN、SJ1、SJ2，在SN上觀測SB、SJ3、SJ4。可計算出各基準網點在假設坐標系(稱隧道坐標系)下的坐標。在首期，沒有多余觀測，網的可靠性很差，需要采用多測回(如6測回)和多時段(連續2時段觀測，取兩時段結果的均值)的方法基準網點的可靠性和精度。
在其后每期的監測中，以首期觀測得到的基準點坐標為已知值，進行測站點和變形監測點的觀測和坐標計算。先要作要基準點網平差，得到工作基點的實時坐標，在計算監測點的坐標，為了使工作基點的實時坐標不受進行基準點變動的影響，在基準點網平差平差時，須進行基準點的穩定性檢驗，我們采用了一種“組合后驗方差檢驗法”來判斷顯著變動的基準點，以穩定的基準點為已知點計算工作基點和變形監測點的坐標。這一方法簡單、實用、有效，參見文獻[1] ，在此從略。
2.3. 監測點設計
按設計要求在地鐵隧道監測段每隔15米進行一個橫斷面監測，在每個橫斷面上布設四個監測點。分別位于斷面的上下左右，如圖3所示。
監測點按斷面編號：SA02-1，SA02-2，SA02-3，SA02-4，SA04-1，……。監測點采用徠卡標準棱鏡，固定在隧道管片上。通過對監測點的多期觀測，可以確定隧道的三維結構變形，如監測點的垂直位移和橫向水平位移。在上行線、下行線的兩個平行隧道監測段各布設了96個和97個監測點，每天要監測4周期，合計每天要設置16測站，觀測772點次。
Figure 3. Schematic diagram for the cross-section points of the tunnel
圖3. 隧道斷面點示意圖
3. 外業監測
測量儀器設備有：徠卡TCA1800測量機器人2臺。棱鏡205個，溫度計、氣壓計各2個，機器人變形監測自動化軟件和內業數據處理軟件各兩套。采用機器人變形監測自動化監測的作業步驟如下：
連接電腦與全站儀TCA1800，啟動自動監測系統軟件，在工作基點(如SB)上，瞄準另一基準點SN定向，進行基準點網觀測，然后對監測點進行學習測量，并把學習測量結果保存到一個庫文件中，第二臺儀器在另一工作基點SN同時進行同樣觀測，以首期得到的基準點坐標為已知值進行基準點穩定性檢驗和基準點網平差，在已知點中去除有顯著變動的基準點，確定工作基點的坐標。以每期工作基點的實時坐標計算各期監測點的坐標。學習測量只需在第一期監測時需要，以后各期可根據監測點的坐標自動按順序進行觀測。
在進行基準網點數據處理時，一般取四個基準網點中的兩個基準網點做基準，此時網中只有一個多余觀測，所以在四個基準網點中任取其中兩個進行平差，比較后驗單位權方差，取權小的作為基準，得出其它兩點基準坐標。但是SJ1與SJ2離得很近，SJ3與SJ4也離得近，不能用這兩組點作基準。
基準點網觀測8個測回；全部監測點分成兩組，在每個工作基點上各觀測一組，監測點觀測3個測回。使用自動監測系統軟件，可以大大提高監測效率，每期觀測時，只需事先設定好觀測時間段、觀測周期和監測點組，點擊自動測量，即可進行自動觀測。上行線和下行線各有96個和97個監測點，每期監測時間不到70分鐘，一天*多監測達4期，全部時間約5小時。
4. 內業數據處理
基準點網基準點穩定性檢驗和平差、監測點變形分析和提交監測報表報告是地鐵變形監測中每天必須做的事情。
內業數據處理使用科傻網平差系統和測量機器人變形監測內業軟件系統(參見文獻[2] )，可方便地得到基準網點的坐標，監測點的坐標，進行疊值分析得出各期變形量和累計變形量，還可以得到每個點上直觀的二維或三維圖。
如下行線的編號為XA45斷面上，監測點在Y方向的變形過程曲線如圖4所示，從第一期到第81期其變形都很小，由于地鐵施工原因，在81期以后，重新進行分期，在Y方向累計變形**值為?4 mm，
Figure 4. The procedure curve of deformation for the XA45 cross section in Y direction
圖4. XA45斷面在Y方向的變形過程曲線
有一種趨勢性的變形，初步推斷是隧道周邊高層建筑的荷載造成，但變形緩慢，變形量在可控范圍，隨著時間的推進，逐漸放慢，對隧道安全不造成影響。
同樣，可繪制沉降變形過程曲線圖，由各斷面監測點的沉降變形過程曲線看，隧道主體結構隨基坑開挖，因荷載變小有緩慢上升，但越來越小。同時，也隨基坑周邊高層建筑物的修建，荷載的增加而有微小的下沉，通過高精度測量機器人的密集周期監測，監測出了這種微小的變化。
根據各點的周期監測成果，可以進行建模分析和變形預報，通過變形過程曲線就能清楚地看出變形情況和趨勢，由于變形遠小于設計的警告值，所以建模分析和變形預報只是一種錦上添花而已。
監測單位每天均用電子郵件向建設單位提供每天各次變形量、累計變形量和簡單的分析報告。每周用報表形式向監理單位、建設單位等提供本周的變形量、累計變形量、變化曲線圖和變形分析報告。
本項目從2009年9月5日開始到2010年5月6日結束，**提交有隧道變形監測技術報告，原始觀測成果，基準點網和監測點平面位置示意圖，各監測點的X、Y、Z坐標變形過程曲線和變形分析結果。
5. 結束語
針對廣州市珠江新城地鐵集運隧道段的變形監測項目，本文總結了用高精度測量機器人進行移動式自動化周期監測的方案設計、外業流程和數據處理方法，通過幾個月的實時變形監測不僅滿足設計的精度要求，提高了監測效率，也保證了地鐵在施工期間的安全，為設計積累了寶貴的資料。實踐證明，根據實際所作的地鐵集運隧道段的變形監測具有先進性、實用性、有效性和推廣價值。
參考文獻 (References)
[1] 張正祿, 沈飛飛, 等 (2011) 地鐵隧道變形監測基準網點確定的一種方法. 測繪科學, 4, 98-99.
[2] 梅文勝, 張正祿 (2002) 測量機器人變形監測軟件系統研究. 武漢大學學報(信息科學版), 2, 165-171.
