双面棱镜在长区间地铁自动化变形监测中的应用--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

双面棱镜在长区间地铁自动化变形监测中的应用

发表时间：2020/8/5 来源：《基层建设》2020年第10期作者：余志平

[导读] 摘要：以A市B区C镇南大干线为例，对双面棱镜应用于长区间地铁自动化变形监测进行研究，为长区间地铁自动化变形监测中的基准网检测提供了借鉴意义。

        广东省交通规划设计研究院股份有限公司广东广州 510507
        摘要：以A市B区C镇南大干线为例，对双面棱镜应用于长区间地铁自动化变形监测进行研究，为长区间地铁自动化变形监测中的基准网检测提供了借鉴意义。
        关键词：双面棱镜；长区间地铁自动化变形监测；基准网检测。
        1、引言
        随着社会的发展进步，城市化进程的加快，越来越多的城市修建了地铁。地铁准时，运送量大，安全高效作为越来越多人出行的首选。地铁安全也显得越来越重要。如何保证地铁的安全，特别是在地铁线路周边有施工场地时。全自动全站仪，也称测量机器人，是具有目标自动识别、照准及自动测量功能的全站仪。在地铁安全监测中，地铁结构位移和沉降变化监测的设备通常采用全自动全站仪。
        当需要监测的区段比较长，就需要多台仪器一起联测。为了得到仪器位置的精确坐标，就需要在仪器之间加入双面小棱镜作为连接点，传递坐标，再通过专业平差软件得到仪器位置的精确坐标，从而得到监测点位置的准确坐标，再计算出监测点的变化量，给地铁安全管理部门提供参考，保障地铁设施的安全。
        2、双面棱镜
        棱镜，一种由两两相交但彼此均不平行的平面围成的透明物体，用以分光或使光束发生色散。棱镜是透明材料（如玻璃、水晶等）做成的多面体。在光学仪器中应用很广。棱镜按其性质和用途可分为若干种。例如，在光谱仪器中把复合光分解为光谱的“色散棱镜”，较常用的是等边三棱镜；
        测量棱镜通常使用角锥棱镜，角锥棱镜回射器可反射各种到达棱镜面的光线或光束，不论棱镜的方向如何，都可反射出去。反射镜只会反射一定角度入射角的光线。因此角锥棱镜回射器可用在比较难以精密对准且耗时的场合。角锥棱镜具有三个全内反射，即使是在比较大的入射角都可精密对准。
        双面棱镜是将平时测量时使用的2个棱镜通过一定的装置背靠背组合在一起，具有相同的棱镜常数。
        3、工程案例分析
        3.1、工程概况
        南大干线（省妇幼医院至市新路段）工程位于B区C镇，路线全长4.38km，起、止点桩号为K0-141～K4+240，其中涉及到运营地铁X号线的区段有K0-141～K1+100段、K1+100～K2+540段、K2+540～K3+030段共3段。与运营地铁X号线E站及“F～G”区间盾构隧道同路由；互通立交包括A、F匝道桥桩基位于地铁区间隧道侧。
        本项目监测工作共分为四个部分：
        （一）、地铁X号线隧道D大道妇幼医院节点基坑工程监测范围为K0+396～K0+988（南大干线里程），相应的地铁里程为Y(Z)DK14+993～ Y(Z)DK15+573；
        （二）、地铁X号线隧道D大道路基段及500kV穗西电力隧道(南大干线共建段)工程-第6路段监测范围为K0-141～K0+396及K0+988～K2+761（南大干线里程）,相应的地铁里程为Y(Z)DK14+449～Y(Z)DK14+989、Y(Z)DK15+581～Y(Z)DK17+331；
        （三）、地铁X号线“E站”车站站台、出入口通道沉降监测；
        （四）、地铁X号线“F站”车站站台、出入口通道沉降监测。
        3.2、监测方法
        本工程监测分为地铁内部隧道结构和隧道外部结构监测，地铁隧道内部结构监测采用远程无线控制的自动化监测方式。隧道外部结构车站站台及车站出入口通道等结构变形监测采用人工监测的方式。
        三维位移监测点包括：左、右线隧道监测点。本项目对地铁隧道轨道层结构竖向位移、水平位移采用全站仪自动跟踪的监测方式，后方交会及极坐标测量原理----即采用全站仪自动跟踪测量法，进行自动化监测。采用基于瑞士徕卡TM30型或徕卡1201+自动测量仪器和徕卡先进且成熟的监测系统软件GEOMOS建立的自动化监测系统。在该项目建设施工期间，采用全站仪自动跟踪测量法测量地铁隧道轨道层结构在三维方向---X、Y、Z方向（其中：X、Y为水平方向，Z为垂直方向）的变形变位值，以及变形的准确位置、最大最小值、变形方向和变形速率等。
        位移量计算公式：坐标增量即在三维方向上的位移量ΔXn=Xn-Xn-1，ΔYn=Yn-Yn-1，ΔZn=Zn-Zn-1，各次位移量之和即为该点的累计位移量。
        3.3、监测基准的布置安装
        监测基准包含基准点、测站点、临时基准点、校核基准点等。
        （1）基准点的布设：
        Ⅰ、地铁X号线隧道D大道妇幼医院节点基坑工程：监测基准点布置在隧道监测段的两端监测范围30m外，每端设置3个基准点，编号为KZ1…KZ12。
        Ⅱ、地铁X号线隧道D大道路基段及500千伏穗西电力隧道(南大干线共建段)工程-第6路段：监测基准点布置在隧道监测段的两端监测范围30m外，每端设置3个基准点，编号为JZ1…JZ24。
        基准点的埋设：埋设稳固，保证整个监测过程中不受破坏，采用钢支架，牢固安装在隧道内壁，支架固定装上棱镜连接螺丝，实现强制对中（如下图1），棱镜距隧道壁3～5cm，确保观测通视良好，为了防止碰动点位，必要时加装保护架进行保护。

        图1基准点示意图
        （2）测站点的布设：
        Ⅰ、地铁X号线隧道D大道妇幼医院节点基坑工程：因本工程项目受施工影响的隧道结构距离较长，根据隧道结构具体情况以及地下轨道自动化监测的有关技术要求，设计在隧道轨道层左、右线侧壁每一边各布设3个测站点，编号为CZ1…CZ6；每条隧道3个测站点3台仪器。
        Ⅱ、地铁X号线隧道D大道路基段及500千伏穗西电力隧道(南大干线共建段)工程-第6路段：因本工程项目受施工影响的隧道结构距离很长，根据隧道结构具体情况以及地下轨道自动化监测的有关技术要求，设计在隧道轨道层左、右线侧壁每一边各布设11个测站点，编号为LCZ1、……、LCZ11，RCZ1、……、RCZ11；每条隧道11个测站点11台仪器。
        测站点安装：测站点是变形监测的主测站，要求能监测到所有变形观测点，且基座埋设稳固，利于观测和保存。测站点采用钢支架，牢固安装在隧道结构内壁，实现强制对中，即于支架固定装仪器、棱镜连接螺丝，以作仪器、棱镜安装之用。
        测站点的基座如下图5、6：

图2测站点基座实物图

图3测站点安装全站仪后效果图
基准点、测站点以及监测点组网示意图如下（图7）：

        图4自动监测网组网示意图
        （3）公共连接点的布设：公共连接点是用来连接监测基准点的连接点。由于该项目监测区间较长，因此需要在监测区间布设临时基准点作为每个监测周期监测基准网进行自检校核以及监测基准的传递点。公共连接点布设在隧道监测段中部，每个工作基点之间最少需要设置3对公共连接点才能满足精度需要。
        Ⅰ、地铁X号线隧道D大道妇幼医院节点基坑工程：本项目左、右线隧道各设置6对共24个公共连接点，编号KD1～KD24。
        Ⅱ、地铁X号线隧道D大道路基段及500千伏穗西电力隧道(南大干线共建段)工程-第6路段：本项目左、右线隧道各设置27对共108个公共连接点，编号GD1～GD108。
        公共连接点的埋设：公共连接点采用双面棱镜，埋设方法与基准点埋设方法一致。

        图5公共连接点双面圆棱镜示意图
        （4）校核基准点布设：
        在隧道外部远离隧道结构范围外的隧道内部稳固处，设置校核基准点，编号为JH1…JH6。校核基准点用于定期联测检校轨道层监测基准点的稳定可靠性。
        3.4、监测点安装
        （1）轨道层监测点的安装：侧壁采用L型棱镜，在侧壁结构面上牢固安装好棱镜（如下图6），并使棱镜面正对测站点，对于处在下方的监测点，为了防止碰动点位，必要时加角钢进行保护。另外，由于存在小视场中的棱镜分辨问题，距离较远的断面在埋设时，应相互错开一些距离，同时监测点的编号按设计断面编号，同时在监测报表中注明相应的里程。

        图6监测点L型棱镜安装示意图
        3.5、监测实施
        1)测量基准点和传递点
        参考平面示意图进行现场安装布设，基准点布设在监测区间两侧稳定区域，基准点布设稳固，注意小视场影响。需要注意：
        ①基准点每侧至少安装3个圆棱镜，保障平差时有足够的参考点；
        ②全站仪与每侧后视基准点全部必须通视；
        2)从SQL数据库中获取平差点组数据并发送到StarNet软件中
        工具软件自动从SQL数据库中获取最新测量的平差点组（基准点和传递点）数据，并按照StarNet软件能够识别的格式进行整理、保存为dat文件。
        3)StarNet软件附合导线平差
        StarNet 是美国 MicroSurvey 公司旗下一款测量平差软件，其采用最小二乘技术对2D/3D测量网进行平差。软件加载dat文件，并自动执行附合导线平差。
        需要注意的是，测站均执行独立测量，相互之间没有联系，通过配置测站与旁边传递点的三维坐标差实现了附合导线的平差。
        4)将平差后准确的坐标数据返还到SQL数据库中
        StarNet软件执行完平差后，工具软件负责将平差后测站点和传递点准确的坐标数据返还到SQL数据库中进行更新，工作基点不更新。
        至此，GeoMoS已经获得了监测区间中测站和基准点的准确坐标。
        5)测站定向
        全站仪选择任一基准点进行定向。
        6)开始监测
        定向完成后，即可开始测量监测点。
        3.6、轨道层三维自动化监测实施
        监测设备安装在现场，通过网络建立全站仪与监测软件之间的通信关系，每次监测作业时通过客户端监测软件即可远程进行监测工作。
        监测设备安装埋设完毕后需要首期人工采集初始值后，从第二次开始由监测软件通过无线网络发送监测指令，仪器接受指令开始监测并返回监测数据，其后设定好监测周期、监测时间由自动监测系统自主进行。简单来说就是将仪器、通信设备固定安装在隧道内，通过远程控制系统操作测量仪器，定期定时自动循环监测、自动计算、分析监测结果。
        4、结语
        以A市B区C镇南大干线为例，对双面棱镜应用于长区间地铁自动化变形监测进行研究，为长区间地铁自动化变形监测中的基准网检测提供了借鉴意义。
        参考文献
        【1】贺磊，许诚权.双面棱镜自动化测量在地铁结构变形监测中的应用[J]. 城市勘测. 2015（01）
        【2】吴意谦，朱彦鹏.兰州市湿陷性黄土地区地铁车站深基坑变形规律监测与数值模拟研究[J].岩土工程学报，2014，36（S2）：404-411.
        第一作者简介：余志平,男，1979年出生，注册测绘师，从事控制测量、地形测量、变形监测、公路测量工作.