全站仪自动化监测系统在轨道保护监测中的应用

全站仪自动化监测系统在轨道保护监测中的应用

王伟才

上海地矿工程勘察有限公司上海静安区200072

摘要：本文旨在通过对运营隧道开展监测的重要性、开展监测工作的困难、全站仪自动化监测系统的技术优势及系统结构、测站坐标的自检及位移判别等几个方面阐述了自动监测系统在轨道运营区的应用。在运营隧道的安全保护工作中，至少要有一种自动化监测手段。在二线城市，对于隧道的安全方面，可能不具备良好的应急救援能力、成孰实用的应急预案以及充足的应急物资，所以获得准确的监测数据则可为城市建设中可能导致的安全事故风险处置，争取时间，提供依据。

关键词：自动化系统?测站坐标自检?数据校核?隧道监测

1?对运营隧道开展监测的重要性

地铁安全是城市建设的核心部分，保证地铁安全的首要原则以预防、监控、控管为主线；以技防、人防、管理防范为手段，优化资源配置、合理部署管理结构，做到规避风险要提前、发现隐患要早、处理措施要恰当。在地铁保护监测中，监测工作基本贯穿了各个环节，都需要以监测数据、巡视情况、影音文件等监测资料作为了解、分析、判断、决策的依据。要做到在建造时不“盲目”，在运营时不“摸瞎”，监测作为轨道安全保护的技术手段之一是十分重要的。同时，轨道沿线也是高层建筑建设的密集区，频繁的建设活动背后，是频繁的堆卸载对轨道交通运营线路的反复扰动。每个城市的轨道交通沿线也是地面沉降逐渐加剧的线路。要加大对沿线施工项目的管理力度也需要以有效、及时的监测数据说话。

2在运营隧道中开展监测工作的困难

采用全站仪自动化监测系统对运营隧道结构沉降、收敛及水平位移进行监测，能有效克服在实际监测工作中的以下几个难点：

（1）隧道在试车之前，隧道内接触网不通电，24小时可作业，采用人工监测的方法，完成隧道结构的收敛、沉降、水平位移监测具有作业条件，但是采用传统工作方法，效率低，需要的监测人员多，很难做到连续有效的监测；

（2）试车后，接触网通电，作业时间缩短，若要跟踪监测很难完成，并且隧道内列车通行，存在较大的安全隐患；

（3）在隧道内采用自动全站仪测沉降、收敛、位移及电子水平尺等监测手段，在提高效率的同时，精度也有较大提高。自动化监测系统在前期的监测点布设、控制点测设方案、自动化设备的安装调试，前期阶段要做好充分准备；

（4）隧道进行试车阶段后，若遇跟踪监测，人工监测的方法很难完成高频率的监测工作，要有效的实施自动化监测，还要解决通信、数据传输、远程控制等内容；

（5）采用0.5秒级的自动全站仪在150米范围内，采用优化的监测设计方案，水平位移精度优于1mm，沉降精度优于1.5mm，再辅以电子水平尺等多种自动化监测设备相互检校，并采用人工水准检校的方式，增加了数据的准确性及可判别性。

3全站仪自动化监测系统的技术优势及系统结构

3.1技术优势

（1）需求方面：精密测定建构筑物的变形情况需要较高的测量精度；实际的监测条件限制了传统常规作业模式，需要更先进、有效的检测手段；管理上要求信息传递便捷、迅速、直观、有效；

（2）技术方面：采用强制对中、自动搜索目标、自动照准目标、自动测量、自动数据传输、自动数据处理、折线图步进、远程控制及报警平台等方面提高监测精度和工作效率；

（3）具体体现：1）隧道内光线差，采用自动搜索照准目标减小照准误差；采用强制对中减小对中误差大大提高观测精度；2）隧道运营期间无法采用人工监测，采用远程控制、自动观测可解决该问题；3）数据自动传输，实时获取数据，折线图随即步进，可满足较高的监测频率要求，并通过图形方式较为直观的反映出来；4）一旦发生数据报警，通过报警平台告知相关人员；

（4）无论采用电子水平尺或静力水准仪，只能检测竖向位移，无法检测水平位移。采用全站仪自动化监测系统可采集三维坐标，在成果的表现形式上可以获得竖向位移、水平位移、结构收敛多种变形监测成果。

3.2系统结构

全站仪自动化监测系统包括：（1）隧道内的各监测断面；（2）控制网的测设；（3）自动全站仪的布置；（4）电源系统；（5）通讯模块；（6）系统控制软件；（7）WEB发布平台。

在圆隧道的每个监测断面上，布设5个小圆棱镜。拱顶1点，拱腰2点，道床两侧各1点。采用全站仪自动化监测系统，测得三维坐标，可获两点间的收敛情况，可计算拱顶沉降。实际上，道床沉降与圆隧道结构的沉降并不相同，圆隧道的收敛变形与各点沉降位移有一定的关系，圆隧道整体位移量亦包含在竖向与水平位移之中。故而，其圆隧道的横向收敛变形实际上可以通过拱腰两点之间的水平位移量之差获得。采用5条边反映圆隧道收敛情况，从数值上偏小；但是通过计算可以获得单个监测断面上，由于收敛变形所导致的面积增减情况，更便于结合土损分析法则进行数据判别。

4?测站坐标的自检及测站点位移的判别

全站仪自动化监测系统，由于圆隧道内空间有限，故而在实际应用设计控制网时，首先要先设计好控制网及测站，并综合考虑，选择合理的全站仪安置点，以便使用控制点进行测站坐标的自检。若要将圆隧道内的控制导线与地面控制网结合起来使用，其工作量巨大。因为，从附近车站及出入口引入的控制点精度很难达到变形监测的要求。故而，在此篇文章中也提出一个建议：

在圆隧道进入运营阶段后，即建立全线地下、地上一体的变形监测控制网，包括水准控制网和平面控制网，并定期对变形较大区域进行控制网复核。若整体平差精度优于3mm，隧道内两相邻点位中误差优于1.5mm，就很好。

在测站坐标的自检及测站点位移的判别中，常见的采用自由设站（即后方交会），测边归算，联系测量几种形式。由于在实际运用中，圆隧道内呈带状形，采用后方交会，图形条件较差，故而对于单测站的自动化监测项目采用测边归算，而对于多测站同时工作的自动化监测项目，若要保证测站均在同一坐标系统内工作，则要运用联系测量方法，再按无定向导线进行计算，最终归算至控制坐标系统内。见下图1：

图1全站仪自检及联系测量示意图

见上图1，J2、J3为全站仪设置点。在保障观测精度的条件下，每台全站仪的控制半径控制在150米范围内，上图4中J2、J3两站间最远可约300米。J1、J2、J3、J4、A、B均为导线控制网上的控制点。A、B两站安装360度圆棱镜。J2、J3在每同期测量中，均同时观测A、B两站的坐标、角度，通过联系测量的换算，得最初人工测量控制导线的数据，并参与当次周期的控制导线计算。计算完成后，再以J1、J4两点建立基线，计算J2、J3两测站点的坐标，其方法与单测站计算方法相同。

5?结束语

采用自动全站仪系统最大的难点在于控制网和测站坐标的修正。从各种自动化监测系统的运营结果来看，均要进行控制点的复核，采用人工监测方式对自动化成果定期进行检核。多种成果相互校核，使得监测周期和监测频率均能满足要求。在全站仪自动化系统提高监测精度的方面，设计控制网时要综合考虑控制网的自检方式，隧道内的压缩气体及结构的间歇性振动对观测精度也有一定的影响，采用数据计算成果需要对选择恰当的时间段数据来进行处理。本文旨在与各位同行相互交流，敬请指正！

参考文献:

[1]李宏男，伊廷华.结构防灾、监测与控制.北京：中国建筑工业出版社，2008年10月.

[2]夏才初，潘国荣等.土木工程监测技术.北京：中国建筑工业出版社，2001年7月.

[3]伊廷华，李宏男.结构健康监测GPS监测技术.中国建筑工业出版社，2009年5月.

[4]王伟才，李康旺.基坑监测中的水平位移测量及数据处理.《工业C》2016年第6期.