摘要：為了更好地監(jiān)測基坑水平位移，研發(fā)了一種基于自由設站的測量機器人，它能夠在極端環(huán)境下準確監(jiān)測樁頂水平位移，具有良好的準確性和靈活性。這種技術不僅可以在深基坑樁頂水平位移監(jiān)測上得以體現(xiàn)，還可以在新建隧道的施工過程中，有效監(jiān)測隧道道床的沉降、收斂和水平位移，為施工帶來更加可靠的數(shù)據(jù)支撐。經過多次實驗，發(fā)現(xiàn)測量機器人使用實時自動化監(jiān)控技術能夠給出準確信息，并且在很大程度上改善了建/構造物的三維變形檢查。這種技術不僅為建設項目的安全提出了參考，而且也為其他領域的研究提出了新的思路。

關鍵詞：測量機器人??自由設站??基坑樁頂水平位移??既有線

Research?on?the?Application?of?Measurement?Robots?in?the?Deformation?Monitoring?of?Subways

CAI?Shaohui

（Nuclear?Industry?216?Brigade，Urumqi，?Xinjiang?Uygur?Autonomous?Region，830011?China）

Abstract：?In?order?to?better?monitor?the?horizontal?displacement?of?foundation?pits，?this?paper?develops?a?measurement?robot?based?on?free?stations?which?can?accurately?monitor?the?horizontal?displacement?of?pile?tops?in?the?extreme?environment?with?good?accuracy?and?flexibility.?This?technology?can?not?only?be?used?in?the?monitoring?of?the?horizontal?displacement?of?the?pile?top?of?deep?foundation?pits，?but?also?effectively?monitor?the?settlement，?convergence?and?horizontal?displacement?of?the?tunnel?bed?during?the?construction?process?of?new?tunnels，?providing?more?reliable?data?support?for?construction.?After?multiple?experiments，?it?is?found?that?measuring?robots?can?provide?accurate?information?by?real-time?automated?monitoring?technology?and?greatly?improve?the?three-dimensional?deformation?inspection?of?buildings/structures.?This?technology?not?only?provides?a?reference?for?the?safety?of?construction?projects，?but?also?provides?new?ideas?for?research?on?other?fields.

Key?Words：?Measurement?robot;?Free?station;?Horizontal?displacement?of?the?pile?top?of?foundation?pits;?Existing?line

監(jiān)測樁頂水平位移對于明挖基坑施工來說至關重要，但傳統(tǒng)的視準線法和小角法已經無法滿足城市地鐵基坑施工所面臨的復雜環(huán)境[1]。為了解決樁頂水平位移監(jiān)測難題，利用現(xiàn)有的儀器設備，經過反復測量、數(shù)據(jù)分析比對，發(fā)現(xiàn)利用測量機器人自動照準功能，采用自由設站技術，監(jiān)測數(shù)據(jù)最為穩(wěn)定、精確。本文重點是使用徠卡機器人來監(jiān)測烏魯木齊市2號線一期工程中的明挖基坑和隧道。這種機器人可以更好地了解區(qū)域內地面上物體的位置，并且能夠更準確地預測它們是否會發(fā)生偏斜。此外，這種機器還可以更好地檢查和維護區(qū)域內地面上物體的穩(wěn)定性。

1測量機器人工作原理與作業(yè)流程

1.1測量機器人

測量機器人是一種能代替人進行自動搜索、跟蹤、辨識和精確照準目標并獲取角度、距離、坐標等信息的智能型速測電子全站儀。它是在全站儀的基礎上集成馬達和CCD影像傳感器等原件構成的視頻成像系統(tǒng)，并配置智能化的控制測量及應用平差軟件發(fā)展而形成的[2]。測量機器人通過CCD影像傳感器等對目標進行識別，實現(xiàn)自我控制，并自動完成搜索、照準、讀數(shù)等操作，已完全可以代替人來完成許多測量任務，尤其是人無法到達或觸及的目標與區(qū)域。

1.2測量機器人工作原理

通過使用一臺高精度的測量機器人和一套先進的極坐標測量技術，可以對物體進行精確的變形監(jiān)控。

1.2.1強制觀測基站

強制觀測基站為測量機器人極坐標測量系統(tǒng)的起始點，用一個強制對準裝置來架設測量機器人。

1.2.2參照點

參照點為后視照準點。該點的平面坐標為已知，點位應布設于變形影響區(qū)域外的穩(wěn)固地帶，一般布設于變形影響區(qū)域外的樓房等高大建筑物上。

1.2.3目標點

目標點是根據(jù)設計要求，設置在變形體上能夠反映變形特征部位的目標。

1.3?測量機器人作業(yè)流程

（1）測量機器人的任務流程涵蓋了多個方面，其中最重要的是：首先，完成工程項目的管理，以便對相關的技術參考資料進行準確的記錄和數(shù)據(jù)分析；其次，完成系統(tǒng)的初始化，完成對各種參考資料的即時追蹤和數(shù)據(jù)分析，并將結果予以實時可視化顯示。（2）重新組織這句話：首先，需要開啟系統(tǒng)，并確保它能夠正確地完成后續(xù)任務。（3）調整機器人的參考標準，包括2C差異、指標差異、目標識別照準差[3]。（4）實施自動測量，即依照預定的監(jiān)控策劃，讓機器人能夠自動尋找目標，并定時予以觀察。（5）完成后，需要將所有的數(shù)據(jù)經過精心的處理，以確保它們能夠準確地反映出實際情況。通過對數(shù)據(jù)的投射和平差處理，可以獲取到有關目標點的精確位置信息，從而為開展進一步研究奠定基礎。此外，還可用于對相關報告和結構加以檢索和統(tǒng)計。

2?地鐵明挖基坑水平位移監(jiān)測實例

2.1工程概況

烏魯木齊市軌道交通2號線華山街站為一座明挖車站，車站主體結構采用明挖法，連接車站小里程端區(qū)間隧道采用暗挖法、車站大里程端區(qū)間隧道采用明挖法施工。

2.2基坑水平位移監(jiān)測方案

2.2.1水平位移工作基點的布設

為了確保監(jiān)測的準確性，根據(jù)工程的特點，必須在施工基坑開挖深度的2倍范圍內建立3～4個聯(lián)測基點，并在其周圍設置強制對中觀測墩和標志，以減少對中誤差的影響，進而提升監(jiān)測的精度。

2.2.2基坑監(jiān)測點的布設

為了更準確地測量樁頂水平位移，將測點分布于每個樁頂。對整個基坑進行測量，并將測點分布于其兩側。每側的測點之間的間隔為40?m。此外，還對基坑的陽角和重要區(qū)域進行加固[4]，總計布置16個水平位移測點。通過安裝一個固定的小棱鏡，可以有效地降低監(jiān)測點的偏移率，從而達到更準確的結果。

2.2.3測量機器人強制觀測墩的布設

為了更好地監(jiān)測工程的水平位移，在基坑周圍布置了4個強制觀測墩，每個墩至少有2個。由于該車站的長度較大，因此采取上述措施來確保能夠完整地監(jiān)測到所有的水平位移。

2.3監(jiān)測的作業(yè)方法

經過嚴格的安裝和調試，完成對所有工作位置和水平位移的監(jiān)控。把測量機器人安裝在了預先安排好的位置，使它能夠按照要求正確移動，并對它的性能和能力進行評估，以便它能夠更好地完成任務。為了確保地下建筑物的穩(wěn)固，使用高精度的小型攝像頭來進行標識和記錄。在完成標識和記錄之后，使用清華山維平差軟件來確認每個標識和記錄的位置。同時，對每個標識和記錄進行投影，以獲得與建筑物方向平行的矢量位移。最后，根據(jù)以上獲得信息來評估建筑物的穩(wěn)定性，為保證建筑物的安全提供依據(jù)[5]。

2.4基坑樁頂水平位移監(jiān)測成果分析

為保證安全性，對地基的移動情況實行全面的監(jiān)控[6]。首先，對移動情況進行詳細檢查，并保證它們處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果發(fā)生了任何異?；蛲獠織l件發(fā)生了巨大的改變，將會增加對移動的檢查頻率，直到工程完工。經過對16個監(jiān)測點的全面檢查，發(fā)現(xiàn)其對地基的影響力較弱，其最大偏差僅有5.4?mm，低于預定的移動限額30?mm。

根據(jù)基坑特點及變形影響，選取基坑西側影響較大區(qū)域ZQS-03監(jiān)測點，繪制監(jiān)測點變化的時程曲線圖，監(jiān)測點時程曲線如圖1所示。

對于監(jiān)測點受基坑開挖施工影響，分析監(jiān)測點的變形規(guī)律，具體如下。

工況①：土方開挖初期，當開挖地表一下2?m位置時，架設第一道鋼支撐，此時監(jiān)測值比較穩(wěn)定，最大變形為1.1?mm。

工況②：土方開挖至第二道鋼支撐以下0.5?m（約-8?m），架設第二道鋼支撐。在此段時間內測點變形速率有增大趨勢，經分析基坑西側為運輸?shù)缆罚淋囕v及大型機械吊裝作業(yè)造成西側土體向基坑內偏移5.4?mm，此時該變形點碾壓附近地表沉降點監(jiān)測值變化不大。

工況③：周邊荷載消除，第二道鋼支撐架設完成后，調整預加軸力值，基坑變形發(fā)生回彈。

工況④：基坑開挖到底，底板混凝土澆筑。與工況②類似，澆筑底板過程中，因混凝土罐車引起基坑西側向基坑內偏移。

工況⑤：底板澆筑帶來的偏載消失后，與工況④類似，變形發(fā)生一定量的回彈。隨著鋼支撐拆除，邊墻結構施工，中板及頂板鋼筋綁扎，變形趨于穩(wěn)定。

3地鐵隧道下穿既有線監(jiān)測實例

3.1工程概況

2號線二期的烏魯木齊市機場改造計劃，將以國際機場站作為開端，沿著機場第一跑道向西延伸，最終抵達T4航站樓站。這條新的航班線路將繼續(xù)沿著原來的軌道交通系統(tǒng)，使烏魯木齊機場更加便捷、安全。這個區(qū)域的結構特點是使用了馬蹄型斷面。這條隧道的拱門處的高度在32～35?m之間，所經過的地層大多是卵石，而且屬于V級。

3.2監(jiān)測內容及要求

為確保地鐵系統(tǒng)的穩(wěn)健性和可靠性，使用先進的測量技術來檢查和評估在隧道下方的情況。這些技術能夠更準確、更快速地發(fā)現(xiàn)和識別可能存在的問題，并及時采取必要的補救和修復措施。這樣才能確保系統(tǒng)能夠在最短的時間內恢復原狀，并且能夠確保系統(tǒng)順利完成工作。為了確保新建的隧道的安全[7]，將會對其進行詳細的檢查和評估，以便提供有效的指引。

3.3監(jiān)測方案

根據(jù)《城市地上地下工程建設風險管理技術規(guī)范》的規(guī)定，對現(xiàn)存的隧道結構的檢查應當采取分步實施的措施：首先，在線路的兩側分別安裝監(jiān)測點，以便檢查其水平位移；其次，在結構沉降、隧道收縮和水平位移的位置，也分別安裝監(jiān)測點；最后，在道床上安裝監(jiān)測點。

3.4監(jiān)測方法

通過使用先進的技術，可以對線道床的下降、收斂和水平位移實行智能化監(jiān)控。這個監(jiān)測系統(tǒng)包括了多個部分，如基準點、工作基點、變形點、全站儀和控制中心[8]。（1）基準點、工作基點：為了確保精度，還建立了3個或更多的穩(wěn)定的基準點。（2）變形點：通常需要放置3個或更多的基準測量點，這些測試點都要求具備足夠的視覺和力學性能，并且要求具備良好的角度和方向監(jiān)測能力。（3）全站儀：采用徠卡TS15測試機器人，測距精度為1?mm＋1.5?mm×10-6×D（D為邊長，單位：km）。（4）計算機機房：在計算機室，使用了一條高速的通信線路，將所有的計算機連接到了一個高精度的傳感器系統(tǒng)，以便對整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)提供實時監(jiān)測[9]。

3.5成果分析

經過統(tǒng)計分析，國際機場站至T4航站樓站區(qū)間（現(xiàn)存1號線）的各項監(jiān)測點變形量均處于-4～4?mm范圍內，且變形速率保持穩(wěn)定，風險可控。

3.5.1道床結構沉降

通過對道床結構的沉降監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)了一些明顯的變形，其中最嚴重的變形點，如圖2所示。但從變形曲線圖來看，這些沉降量都很低，符合了相關規(guī)范的要求。

3.5.2道床水平位移

通過對道床結構的水平位移進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)左右兩條線的變形量都小于控制值±10?mm，并且變化趨勢相當穩(wěn)定，如圖3、圖4所示。

3.5.3隧道收斂變形

根據(jù)監(jiān)測結果，隧道下穿既有1號線隧道時，其變形量介于-1～2?mm之間，低于規(guī)范要求的±10?mm，如圖5所示。說明施工對隧道的影響較小，屬于正常變形情況。

經過全面的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)當隧道橫跨現(xiàn)存鐵路干線時，它所造成的沉降、水平位移、結構收縮等問題幾乎沒有受到任何影響，其累積變形量與變化頻率都符合相關標準，因此它并未給現(xiàn)存鐵路的正常使用帶來任何負面影響。

4?結語

（1）通過安裝具有高效率的測量機器人，并配備具有高性能的傳感器，能夠有效地抑制儀器與目標之間的偏差。此外，利用具有高性能的傳感器，還能夠實現(xiàn)多次重復的自動校正，進而大大降低人員動作的錯誤，保證監(jiān)控的準確性。

（2）由于施工過程中的動荷載作用，基坑樁頂水平位移發(fā)生了顯著的變形，但在荷載消除之后，這種變形會出現(xiàn)一定的回彈。因此，應采取措施盡可能地減少坑邊堆載對基坑安全的不利影響。

（3）通過采用測量機器人自由設站技術，可以實現(xiàn)對復雜外形的建筑物三維變形的快速、準確的監(jiān)測，這種技術不僅適用于已有的隧道，而且還可以拓展到更多的領域。

參考文獻

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