地铁变形监测中自动化组网技术的应用范文

《工程勘察杂志》2016年第12期

摘要:

地铁隧道长区间自动监测部分测站存在无法获取稳定基准点的问题。本文拟采用自由测站边角交会网的模式来解决该问题。选用徕卡360°棱镜作为公共连接点照准目标，建立多测站的动态基准网。在对徕卡360°棱镜不同入射方向的测角、测距精度进行测试的基础上，建立了基准网的实时动态解算模型并进行精度分析。最后通过某工程实例验证了该方法精度和可用性。

关键词:

动态基准;地铁监测;360°棱镜;自由测站边角交会

0引言

随着我国经济的发展和城市化水平的提高，越来越多的城市选择开发地下轨道交通系统以缓解日益严重的交通拥堵问题。在地下轨道交通网大规模发展建设过程中会遇到线路之间的交叉、换乘问题，同时地铁的开通还会带来周边的工程施工活动的增加。新线施工、基坑开挖等地下工程会打破既有地铁隧道的受力平衡，从而引起地铁隧道结构的变形［1］。单站测量系统由全站仪依次测量所有的稳定基准点以获取当前测站位置、方位信息，然后采用差分、滤波等方法进行数据处理［2，3］。目前该技术已在地铁隧道结构变形监测中广泛应用。但是随着工程复杂度的增加，越来越多的地铁监测项目涉及到长区间自动监测的问题。单站测量系统无法覆盖整个变形区域，而位于中间变形区域的工作基点无法直接测量稳定的基准点，因此有必要对运营地铁隧道的长区间测量基准的传递方法进行研究。文献［4］通过对全站仪进行改装，采用导线测量的方式完成测量基准的传递。本文将采用在高速铁路控制测量中广泛应用的高精度自由测站边角交会网的模式，探讨运营地铁隧道长区间变形监测测量基准的建立和精度。

1测量基准网的建立

采用自由测站边角交会网的思想建立动态基准控制网，在远离变形区域外设立的基准点视为稳定点，位于变形区域内设立测站点和公共连接点，通过自动测量实时解算求得其动态位置。由于地铁运营期间严格禁止人员进入，对于测站之间的公共连接点的测量无法采用人工旋转棱镜的模式，因此考虑使用360°棱镜作为公共连接点的照准目标。360°棱镜也叫全方位棱镜，由6块角反射棱镜上下交错拼组成一个正六面柱体。角反射棱镜具有逆向反射特性，即它的入射光线与出射光线保持严格平行并且反向。组成360°棱镜的6块角反射棱镜的棱镜中心在理想情况下是一致的，因此可以实现水平方向上对从任何方向入射的信号都能完成测量［5］。360°棱镜由于加工的精密度和结构的不同，从不同方向入射的信号其定位结果存在差异。徕卡GRZ4360°棱镜标称的性能指标为水平垂直方向上棱镜的定位精度为5mm。在一般大气条件下，棱镜的自动照准的测程为800m(ATR自动识别模式)/600m(LOCK锁定模式)。水平面上的入射角范围为(0°，360°)，垂直面上的入射角范围(－56°，56°)。通过在不同距离下旋转徕卡GRZ4360°棱镜，记录全站仪入射不同反射面时的测距、测角结果。试验发现全站仪入射不同的反射面时测距结果不受影响，测角结果会有偏差，测角中误差为5″左右。当距离为60m以内时，由测角偏差造成的平面位置偏差的中误差优于1mm，最大偏差在2mm左右;在60m以外测量误差随着距离的增大而显著增加，在120m左右平面位置偏差中误差达到2mm［6］。

2基准网平差和精度分析

动态基准网采用间接平差模型，以各测站点和公共连接点的坐标为未知参数，直接求定测站点和公共连接点的坐标平差值。参与平差的观测值为方向值和边长。首先以基准网两端的稳定基准点作为起算数据，根据观测值计算待定点的近似坐标。完成近似坐标估算后，列出方向和边长的误差方程式，组成法方程式。方向、边长误差方程式的形式为:VAki=ρΔY0kiS0ki·103dxk+ρΔX0kiS0ki·103dyk－ρΔY0kiS0ki·103dxi－ρΔX0kiS0ki·103dyi－dα+lkiVSki=－ΔX0kiS0kidxk－ΔY0kiS0kidyk+ΔX0kiS0kidxi+ΔY0kiS0kidyi－(Ski－S0ki)(1)式中，VAki为ki方向观测值的改正数;VSki为ki边长观测值的改正数;dxk，dyk及dxi，dyi分别为k、i两点近似坐标的改正数(单位mm);dα为定向角近似值的改正数;ΔX0ki，ΔY0ki为k、i两点近似坐标的差值;S0ki为k、i两点近似距离;lki为常数项，可表示为:lki=α0ki－Lki－Z0k(2)式(2)中，α0ki为近似坐标方位角;Lki为方向观测值;Z0k为近似定向角。基准网平差计算中方向、边长两类观测值权的确定是重要的。对于初始权比的确定，一般情况下，可按观测值的方差大小定权，即按方向观测中误差和边长观测中误差定权。根据棱镜测试结果，对于360°棱镜从不同方向进行观测主要误差为方向误差，在120m左右为2mm。测距精度不受不同方向入射的影响，在120m左右可以达到1mm。由于地铁隧道结构变形监测中，每测站的监测最长距离为120m左右，因此可将方向观测值的初始权设为1，边长观测值的初始权设为2。然后在间接平差计算的过程中采用赫尔默特方差分量估计法确定方向、边长两类观测值的权比迭代计算。动态基准网的最大点位误差位于整网的中间测站，由于地铁隧道变形监测主要关注垂直隧道线路方向上的变形，同时该方向也是测角误差影响的主要方向，因此主要针对该方向的点位精度进行分析。根据自由测站边角交会坐标推算原理，一般而言最弱点中误差优于单导线，单导线的最弱点点位中误差可用式(3)计算［7］:MU=mβS22槡Nρn2+1．5槡3=mβSρn+348槡N(3)式(3)中，mβ为测角中误差;S为动态基准控制网两端控制点直接的距离;n为测站数;N为近似导线数由控制网网型确定。假定测角精度为5″，线路总长600，测站数为3时，动态基准网的最弱点点位横向中误差优于5mm。

3实例

广州南站区域地下空间及市政配套设施工程项目基坑深度约4～19m，横跨已运营的地铁二号线及在建的地铁七号线石壁站至广州南站的隧道区间段。因此需要对里程Y(Z)DK3+546.672～Y(Z)DK4+661.674的地铁七号线范围的车站及隧道结构进行在线监测。监测项目范围约为1km，需要对其进行多测站组网监测。根据施工进度，目前对其中约600m范围的施工影响区域布设三个测站，如图1所示。基准网中的稳定点组为区间两端远离变形区域的8个基准点J1～J8，测站S1和S2之间布设4个公共连接点，S2和S3之间布设了5个公共连接点。为了模拟公共点位于变形区域内发生变动的情况，将360°棱镜安装在三维位移平台上，如图2所示。通过专用的L型固定平台将其固定在地铁隧道断面上，安装时尽量保持平台的某一轴向与隧道走向平行。位移平台采用的是北京北光公司生产的TMS202M三轴位移台，它采用微分头进行驱动，最小读数为0.01mm，分辨率为0.002mm，摆动误差小于30″。将隧道走向设为X方向，垂直于隧道走向为Y方向，地面的铅垂方向为Z方向。首先对初始基准网进行两期观测，每期各测站对基准观测两测回，监测点观测一测回。然后分别对单点(D245)、同侧两点(D245，D353)、异侧两点(D245，D251)以及三点(D245，D353，D251)施加不同方向的3mm、5mm、10mm大小的位移，并观测一期数据，一共观测了13期数据。由于测试时间较短，可以认为在测试期间各测站点和监测点的变化量为零。将初始两期的平差结果作为基准，分别对移动连接点后的测站坐标以及各站监测点坐标进行比较计算其变化量。将变化量0视为真值，通过将计算得到的各期测站坐标以及断面监测点的变化量与真值进行比较，分析多测站组网平差以及平差后的极坐标监测结果的可靠性，结果如图3～5所示。从结果可以看出，各期网平差计算得到的测站结果与真值的偏差基本在1.5mm以内，中间测站的点位偏差明显大于两侧测站。三个测站的点位偏差平均值为0.67mm，其中X方向为0.19mm，Y方向为0.57mm，Z方向为0.12mm。偏差最大为Y方向，即垂直于隧道走向方向，这也同360°棱镜的误差主要为测角误差的实验结果是一致的。中间测站结果精度优于上节的理论计算精度，主要原因360°棱镜的测角误差对于测站点的相对变化的精度影响要小于绝对坐标的精度影响。对于地铁隧道变形监测来说，主要关注的是位于变形区域的各监测点的相对变化的测量精度。图6为三个测站上各监测点的13期数据的坐标偏移量，从图6结果可以看出，各断面监测点的坐标偏移量dP与真值0相比，最大偏差值均在0.6mm以内，该结果能够满足地铁隧道变形监测的精度要求。

4结论

针对地铁隧道长区间自动监测部分测站无法获取稳定基准点的问题，本文探讨了采用自由测站边角交会网的模式，以360°棱镜作为公共连接点照准目标，建立动态基准网的多测站组网监测方法。在对徕卡360°棱镜不同入射方向的测角、测距精度进行测试的基础上，建立了自由测站边角交会网的实时动态解算模型以及精度分析。最后以广州地铁七号线某工程实例验证了以360°棱镜为公共连接点建立多测站动态基准网的精度和可用性。

参考文献：

［1］杨广武．地下工程穿越既有地铁线路变形控制标准和技术研究［D］．北京:北京交通大学，2010.

［2］梅文胜．盾构下穿既有隧道实时监测及其风险控制研究［J］．武汉大学学报(信息科学版)，2011，36(8):923～927.

［3］徐亚明，刘冠兰，柏文锋．顾及基坑施工影响的地铁区间隧道结构卡尔曼滤波预报模型［J］．武汉大学学报(信息科学版)，2013，38(11):1322～1325.

［4］包欢，卫建东，徐忠阳等．“智能全站仪网络监测系统”在地铁监测中的应用［J］．北京测绘，2005，(3):19～22.

［5］骆亚波，陈华远，郑勇等．360°棱镜的结构性能及定位精度分析［J］．测绘科学技术学报，2006，23(6):461～463.

［6］徐亚明，施斌，刘冠兰．360°棱镜定位精度分析［J］．测绘通报，2013，(S1):270～272.

［7］王志坚，杨友元，李明领等．武广铁路客运专线无砟轨道精密工程测量［M］．北京:中国铁道出版社，2012.

作者:刘冠兰 黎建洲 单位:武汉大学测绘学院精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室