GeoMoS监测系统在地铁沉降监测中的应用研究

摘 要：该文以沈阳地铁9号线某标段下穿既有车站一级风险源自动化变形监测工作为例，介绍了基于测量机器人及徕卡geomos软件平台的自动化监测系统在实际工程中的应用，并对实测数据进行了精度评定，对该系统进行高精度沉降监测进行了可行性分析。证明了该系统是一项自动化、及时高效、高精度、可靠的地保监测手段。结果具有重要的理论和应用价值，对正在广泛开展的城市轨道交通建设及运维中的地保监测工作具有重要的指导意义。

关键词：GeoMos 变形监测 地铁保护监测 测量机器人 自动化监测

中图分类号：TU99 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（a）-0019-04

Abstract： In this paper， we introduced the application of Geomatic Monitoring System （GeoMoS） with Leica geomatic robot in this purpose. Using the actual project the newly built Shenyang metro Line9 passing under the level-one risk source of the existing metro line as an example， we evaluated the precision of the actual data collected form this system and performed feasibility analysis of this system in settlement monitoring project. It can prove that GeoMoS is an automatic， time efficient and high-precision monitoring system in metro protection project. This paper established the theoretic significance and practical value of GeoMoS to metro protection monitoring projects in urban rail transit engineering.

Key Words：GeoMoS；Deformation Monitoring；Metro protection monitoring；Geomatic robot；Automatic monitoring

地铁带动了其沿线的城市发展，地铁施工、建筑深基坑施工、城市地下管廊建设等工程施工会造成土体应力状态的改变，进而引起工程施工结构和土体的变形，如不能及时发现危险将产生重大安全隐患。所以地铁保护监测是保障地铁正常施工、维护周边既有建筑结构安全的必要手段。

传统的监测手段如水准测量、经纬仪或全站仪水平位移测量等可达到对隧道结构进行变形监测的目的。在实际生产施工中，随着地铁施工工艺不断改进，施工效率不断提高，以及地铁运营条件所限，传统的监测手段已无法达到对地铁进行实时高效的监测要求。随着测绘技术的发展，地铁自动化监测技术应运而生。自动化监测方式以近景摄像测量、测量机器人、静力水准仪、多通道无线遥测技术等手段为主。在地保监测中，徕卡（Leica）公司设计生产的GeoMoS监测系统以其实时高效、高精度、自动化的特点正逐渐被行业认可。当城市轨道交通发生交互下穿时，我们关注的重点是新线路的施工对既有线路的沉降影响，该文已实际工程为例，重点分析了GeoMos监测系统在隧道沉降监测中的应用，对该系统进行了精度评定，对监测结果进行了精度分析，从而论证了GeoMoS在地铁沉降监测中的可行性。

1 工程概况

沈阳市某地铁站位于城市两条主干路之间的规划绿地内，车站呈南北向布置为岛式车站。沈阳地铁9号线工程与该车站发生相交，左线下穿段29 m，右线下穿段31.7 m，均采用平顶直墙矩形断面，矿山法施工。根据地铁公司对地铁既有线路施工影响范围的规定，在新建线路进入距地铁既有线路50 m范围时，地保监测工作正式启动。

该次地保监测工作分施工监测及既有站监测两方面同时进行。施工监测在新建线路施工过程中对施工作业面地表及隧道内进行人工变形监测。在新建区间进入保护区时，在既有车站内下穿区间布设监测网，对地铁隧道内沉降监测点进行人工监测，并采用GeoMoS监测系统对地铁隧道水平位移和垂直位移进行实时监测。

2 监测系统及工程应用

监测系统由GeoMoS自动监测软件、徕卡TS30型测量机器人、配套棱镜、GPRS网络及远程控制模块、远程控制终端等组成。该系统可集成不同类型的传感器工作，通过自动观测隧道结构及道床监测点的三维坐标来分析隧道结构及道床的变形情况。

2.1 GeoMoS自动化监测系统

GeoMoS（Geomatic Monitoring System），是由徕卡公司研发的基于GPS技术、测量机器人、大型数据库技术、各种气象和地质传感器技术之上实现远程控制、时传输、全自动运行的变形监测系统[1]。

测量机器人即新一代智能电子全站仪，该次工程所应用的是徕卡公司“超高精度”级TS30全站仪。仪器集成了免棱镜测距技术、自动目标识别技术（ATR）、影像采集功能、压电陶瓷驱动、蓝牙通讯等功能，与GeoMoS监测系统完美兼容。GeoMoS软件由监视器（Monitor）及分析器（Analyzer）组成，二者分别起到调控监测、分析处理数据的作用。监视器是一个基于网络的在线工作平台，通过网络模块的数据传输远程对各种传感器进行调控设置，控制其进行数据采集。分析器将采集得到的数据存储在数据库中，用户可根据不同需要调用不同时间段的位移、速度和矢量信息进行进一步分析、可视化和后处理，用户亦可将基础数据复制到其他软件内进行二次编辑。

2.2 监测网的布设

（1）基准点布设。

由于工作基点位于变形区域内，为了在每一次GeoMoS控制测量机器人交会定位工作基点坐标时得到准确的空间信息[2]，必须根据隧道内实际状况，在影响区域以外的隧道内稳定位置左、右线各埋设2对，共8个固定棱镜作为观测基准点，用于仪器交会定位。

（2）工作基点布设。

该次自动化沉降监测采用全站仪三角高程中间法进行量测解算监测点高程，故将工作基点布设在隧道中间部位，监测断面平均分布在工作基点两侧。于隧道壁上安置固定基座并架设测量机器人，并保证有良好的通视条件。同时应配备监测通讯模块、不间断的电源适配器、气象感应器。

（3）监测点布设。

在既有站隧道内每隔5～10 m布设一个监测断面，左线布15个监测断面，每个断面上安装4个反射棱镜；右线布14个监测断面，每个断面布3～5个反射棱镜。所有反射棱镜均采用52 mm直径的角反射棱镜。布设监测点的位置时要利用仪器的小视场功能，使之均匀分布在仪器望远镜的视场内，互不干扰。

2.3 监测过程与数据处理

基于TS30的ATR技术，GeoMoS在对监测点进行周期性监测工作前需要进行一次人工学习测量工作，既在有人参与的模式下，测量员手动对准每个监测点位的棱镜，在GeoMoS中执行学习测量程序，系统会记录并在下一次自动观测中识别出每个监测点位并进行自动观测。GeoMoS对监测点进行数据采集的工作机制是建立在基准点稳定的基础之上的，每个监测周期开始前，系统会命令TS30利用基准点空间信息进行多次交会以更新工作基点坐标[3]，确保数据稳定，进而量测解算各监测点在隧道坐标系下的空间信息。在GeoMoS中可对传感器进行气压改正、调平阈值等相关设置，对点组进行相关编辑，设置测量周期。地铁运营及运维期间，列车进出站、运维人员作业都难免对监测点造成干扰。系统可对目标遮挡、各测回误差超限等情况进行等待、重复观测等相关合理处置。在测量工作中无法避免误差的产生，GeoMoS利用系统差分原理[4]改正大气折光差、地球曲率、水平度盘偏心差等误差，将观测数据自动解算成位移信息存储在SQL Server数据库中，供用户在分析器或其他分析软件中进行数据处理。

3 监测结果及精度分析

监测工作于2016年7月6日开始实施，自动化、人工监测数据以固定周期产生。GeoMoS在隧道变形监测中的应用已较为普遍，因全站仪的自身特点，该系统在隧道水平位移监测中表现优异，可达规范的要求。但在垂直位移监测中，考虑到距离观测、竖直角观测、三角高程计算中误差的传播，需对该系统的垂直位移监测精度进行论证评定。既有站上下行线在同样的观测条件下进行等精度观测，该文以上行线（左线）自动化监测数据为例，重点论证GeoMoS系统在隧道垂直位移监测中的可行性。

3.1 高程测量精度分析

三角高程测量精度受多方面误差影响，包括竖直角观测误差、电磁波测距误差、仪器高量取误差、棱镜高量取误差、大气折光、地球曲率等。采用中间法进行三角高程测量，可有效消除或减弱仪器高及棱镜高量取误差的影响。中间法为单向观测法的一种特殊设站方式，既在监测网中将仪器安置在隧道中间位置，仪器通过对已知点A及待测点B的竖直角、距离观测，计算出两点高差为[5]：

、分别为A、B点高程，h为两点高差。α，S，c，r分别为竖直角、斜距、地球曲率及大气折光改正数，v为目标高，i为仪器高，K为大气折光系数，R为地球曲率半径。该次监测点均采用统一规格固定棱镜，目标高均相等即=，则待测点B点高程为：

TS30在进行测量时，仪器本身会自动对大气折光及地球曲率进行改正，受隧道限制，竖直角观测值最大不会超过10°，测站至监测点最远距离约为74 m，测站至基准点距离约为93 m，球气差影响可忽略不计。由此可见，使用中间法进行三角高程测量其精度只受测距误差和竖直角测量精度即仪器精度的影响。为定义TS30全站仪三角高程极限误差可设观测点O到目标A、B的水平距离分别为，，对上式进行全微分并根据误差传播定律转化为中误差关系式：

由式可见，GeoMoS监测系统采用TS30配合中间法进行自动化三角高程观测，其精度受、、影响。TS30在有棱镜模式下的测距标称精度，测角精度，每次对每个监测点进行4测回观测，竖直角观测值最大不会超过10°，最长观测距离不大于100m，因此为计算极限误差取，，[6]，以二倍中误差为高程极限误差，由上式计算极限误差最大值2 mh≈0.014 72 mm。此精度满足国家一、二等水准测量规范及本次地铁隧道沉降监测相应规范要求。

3.2 监测数据成果分析

新建线路于8月4日进入既有线路50 m保护区，GeoMoS监测系统对监测点进行实时监测，数据以累积变化量形式生成。左线监测断面LDM18―LDM23位于新建线路下穿位置，分别对应人工测量点位CZDM11―CZDM6。自8月5日拆除既有线支护桩开始下穿工作起高程变化明显，选取8月1日至12月14日共136期数据，以LDM18―LDM23各监测点自动化数据及对应人工数据为样本绘制沉降趋势图结合实际施工情况对监测成果进行分析及精度评定见图1。

左线LDM18―LDM23各监测断面分别布设4个监测棱镜，如图2所示固定在隧道周围，在路轨中央布设有供人工水准监测隧道沉降的监测点位CZDM11―CZDM6。

人工O测使用精密电子水准仪（Trimble DINI03）对监测点进行高精度水准测量，对所得观测结果进行平差并整理成最终成果，该成果满足二等水准测量规范要求。现为评定自动化监测精度，我们将人工监测成果视为真值，对GeoMoS沉降监测成果进行分析与精度评定。每一观测周期GeoMoS会命令TS30对每一组（每个断面）棱镜进行多测回观测，视每组4个棱镜为等精度观测，由于2、3号棱镜距离人工监测点位相对较近，1、4号棱镜较远，根据各点位对监测结果的贡献值不同，赋予不同权值，以方差为统计参数计算每期每组自动化观测数据加权方差。计算并生成统计图如图4所示，统计表明，GeoMoS在8月1日至12月14日期间，沉降监测成果方差最大值不大于0.06 mm，且大部分分布于0～0.01 mm之间，该精度完全可以满足规范要求。

取每期各断面四个监测点位观测结果加权平均值为参考值与人工监测成果形成对比，由图1可见，下穿区间各断面沉降趋势几近相同，则以第18断面及对应第11人工监测点位数据为例，计算拟合出对比沉降值趋势图如图4所示。

图中方形离散点为人工监测值，由图可见，自动化监测曲线在人工监测值上线波动，与人工监测值上下偏差最大为+0.22 mm～-0.18 mm，整体趋势吻合情况良好。受新建地铁施工不同阶段影响，地铁隧道沉降值发生相应变化。自8月6日拆除既有站支护桩开始整体曲线呈明显下沉状态，进而伴随初支施工采取注浆加固措施，整体沉降趋于平稳。随着下穿施工进行，位于下穿线路上方的几个断面随之发生明显沉降，在9月27日LDM22-2监测点首次超过预警值，随后各监测点监测数据均超过预警值，隧道施工随即停止，注浆并采用千斤顶顶托法对土体进行加固，此方法伴随整个下穿施工过程。下穿施工持续至10月21日，隧道整体下沉达到4.5 mm，由于下沉过程中施工单位配合监测单位及时采取了相应措施对土体及既有站进行加固和保护，未出现严重影响。继下穿工程开挖施工结束后，隧道沉降整体趋势平缓，监测工作持续至二次衬砌施工结束。

4 结语

通过该文对GeoMoS监测系统的精度评定以及对监测成果的数据分析可见，其高程变形监测精度可达亚毫米级，变形数据稳定可靠，满足规范要求，该系统可为地保工作提供全天时、全天候、高质量的变形监测成果。现阶段城市轨道交通建设高速发展，施工技术日趋成熟，施工效率显著提高，GeoMoS变形监测系统可满足高速高效的地铁施工进度要求，是铁保护工作中一套及时有效的监测系统。

参考文献

[1] 张加颖，麻凤海，徐佳.基于TCA2003全站仪的变形监测系统的研究[J].中国矿业，2005，14（4）：67-69.

[2] Berberan A，Machado M， Batista S.Automatic multi total station monitoring of a tunnel[J]. Survey Review，2013，39（39）：203-211.

[3] 喜凤，黄腾，刘岭，等.GeoMoS在地铁保护区自动化监测中的应用[J].测绘工程，2013，22（2）：64-69.

[4] 卫建东.智能全站仪变形监测系统及其在地铁结构变形监测中的应用[D].中国人民信息工程大学，2002.

[5] 黄满太.全站仪中间法在精密三角高程测量的应用研究[D].中南大学，2008.

[6] 冯显堂.大气折光系数的取值[J].鞍钢技术，1996（2）：47-50.