一种已运营长距离地铁隧道结构位移实时监测系统及测试方法与流程

本发明涉及地铁盾构隧道基础设施结构安全健康监测领域，具体而言是已运营长距离地铁隧道结构位移实时监测系统及测试方法。

背景技术：

随着我国城市化进程不断加快，城市人口越来越多，这给城市交通带来了巨大的压力，传统地面交通难以满足日益增多的城市人口出行需要，作为轨道交通的地铁成为目前各大城市大力建设的新交通方式。地铁出行固然方便快捷，能很大程度上缓解城市交通问题，但地铁作为地下建筑，其构筑物在复杂的土工环境下容易受到土的挤压，产生形变，带来一系列安全隐患问题。已运营的地铁线路更为尤甚，一方面，已通车地铁线路环境封闭，构筑物变形难以实时量化；另一方面，由于运营行车，一旦地铁隧道结构失稳，后果不堪设想。尤其在我国地铁建设尚属发展中阶段，更应注重已建已运营地铁隧道的长期安全使用问题。

现代地铁隧道数量多、区间跨度长，并且随着城市化的推进，地铁沿线的地块成为房地产业的必争之地，而在地铁沿线进行工程建设，势必对地铁柔性的盾构隧道结构有所影响，而且此类房建项目往往需要开挖较大规模的基坑，对地铁盾构隧道的影响范围较大。因此，针对此类近地铁工程项目建设对地铁盾构隧道的结构位移影响，研究一种已运营长距离地铁隧道结构位移实时监测系统相当重要。

由于已运营地铁盾构隧道内环境复杂，封闭通车时间长，因此有必要开发一套针对地铁盾构隧道结构位移监测的系统及其测试方法。本发明正是基于这一目的，利用物联网无线传输技术，将多个位移监测机器人联合作业，进而全天候24小时实时自动监测地铁盾构隧道各个节点的变形情况，得知整个地铁盾构隧道结构的变形情况。

技术实现要素：

为了克服地铁轨行区光线微弱、扬尘厚重、通车危险、人工作业时间有限等不适合人工监测的难点,本发明提供了一种全自动、稳定性好、测量精度高、环境适应能力强的基于物联网的已运营长距离地铁隧道结构位移实时监测系统及其测试方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种已运营长距离地铁隧道结构位移实时监测系统及测试方法，包括位移监测机器人工作站、监测棱镜和自动化监测远程主机。所述位移监测机器人工作站由位移监测机器人、强制对中托架、电源通信箱、隧道内已有220V电源及相关电缆线组成；所述监测棱镜包括L形小棱镜和后视圆棱镜，所述L形小棱镜分别安装在地铁的轨道板及衬砌，所述后视圆棱镜上下错开安装在衬砌处。位移监测机器人工作站通过后视圆棱镜建立球坐标系作为监测控制网，并基于控制网坐标实时测量L形小棱镜坐标变化；所述位移监测机器人与电源通信箱内的通讯模块相连，所述通讯模块将实时球坐标无线反馈至计算机远程端，所述计算机远程端包括：

动态基准实时测量模块，可用于远程控制位移监测机器人的测量作业，亦可核查比对每个监测棱镜的坐标位置；

变形点监测分析模块，用于将位移监测机器人测量的球坐标转换成三维坐标，并按时间顺序整理存储。

进一步，所述电源通信箱包含一个通讯模块、一个通讯模块电源适配器、一个位移监测机器人电源适配器及其相应电缆线；所述位移监测机器人包含一台位移监测机器人主机与一枚360°棱镜。

再进一步，所述通讯模块包含工作指示灯、RS232数据接口、外部电源适配器接口、数据发射天线与SIM卡插槽。

一种已运营长距离地铁隧道结构位移实时监测系统的测试方法，包括如下步骤：

(1)于地铁盾构隧道区间内，按需要的数量安装多个可形成通视的位移监测机器人工作站；

(2)依据需要进行监测断面的划分，一侧共2个基准后视断面，每个基准后视断面布设错开的2个后视圆棱镜；每个监测断面布设4个L形小棱镜；

(3)第一次测量采集的初始值对整个自动化监测尤为重要。而第一次采集也必须由人工依次操作位移监测机器人采集后视圆棱镜坐标，继而建立监测控制网，进行多个位移监测机器人联合作业，再采集所有L形小棱镜坐标；

(4)导入第一次人工采集的坐标，通过计算机远程端的动态基准实时测量模块与隧道内通讯模块的网络连通，达到实时控制位移监测机器人监测的目的，而后续位移监测机器人监测成果也经由通讯模块发送至计算机远程端；

(5)通过变形点监测分析模块，查看经过自动换算的监测小棱镜坐标。变形点监测分析模块可以将位移监测机器人反馈得到的监测小棱镜水平角、竖直角及斜距等球坐标换算为三维坐标；

(6)将得到的模块自动换算的三维坐标进行人工换算成各个监测项目的指标数值，所述监测项目包括道床沉降、道床差异沉降、隧道水平位移、隧道水平收敛。

本发明中，基于物联网及多个位移监测机器人的联合作业实现地铁位移测量测试，位移监测机器人对固定在盾构隧道结构的棱镜进行球坐标的测量并通过物联网通信技术，将测量的球坐标反馈至计算机远程端进行分析比对。物联网技术适应地铁轨行区复杂的环境需求，并能全天候实时反馈信息，而位移监测机器人的测量技术具有结构紧凑，精确度高的特性，二者结合能实现多点位全天候实时监测，而设置多个位移监测机器人工作站进行联合作业，极大的加大了有效监测的范围，能完美的掌控已运营地铁盾构隧道的轨行区位移变形，应用前景远大。

本发明的有益效果主要表现在：(1)测试场地不需要人员驻守，为自动化测量；(2)通过多个位移监测机器人的联合作业有效测量长度大，涵盖多个传统位移测量项目；(3)多点测量，点组位移组合比对可以分析得出整个地铁盾构隧道的位移变化；(4)本地铁盾构隧道结构位移监测系统通过计划测量任务、即时测量任务等方式对地铁隧道进行多点位实时监测，可以全天候、长时间的测试地铁盾构隧道结构的位移状况。

附图说明

图1为地铁盾构隧道结构位移监测系统的工作原理示意图。

图2为位移监测机器人工作站在地铁盾构隧道的安装布局示意图。

图3为位移监测机器人工作站的电源通信箱结构布局示意图。

图4为通讯模块各部件示意图

图5为位移监测机器人联合作业三维空间通视示意图。

图6为位移监测机器人联合作业后视圆棱镜通视示意图。

图7为地铁盾构隧道的监测小棱镜断面布置示意图。

图8为地铁盾构隧道轨行区内监测棱镜及位移监测机器人工作站设置安装位置平面示意图。

图9为本发明的已运营长距离地铁隧道结构位移实时监测系统测试方法操作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图9，一种已运营长距离地铁隧道结构位移实时监测系统，包括位移监测机器人工作站、监测棱镜和自动化监测远程主机。所述位移监测机器人工作站由位移监测机器人1、强制对中托架2、电源通信箱3、隧道内已有220V电源4及相关电缆线组成；所述监测棱镜包括后视圆棱镜5和L形小棱镜6，所述L形小棱镜6分别安装在地铁的轨道板及衬砌，所述后视圆棱镜5上下错开安装在衬砌处。位移监测机器人工作站7、8、9通过后视圆棱镜5建立球坐标系作为监测控制网，并基于控制网坐标实时测量L形小棱镜6坐标变化；所述位移监测机器人与电源通信箱3内的通讯模块3-a相连，所述通讯模块3-a将实时球坐标无线反馈至计算机远程端，所述计算机远程端包括以下内容：

动态基准实时测量模块10，可用于远程控制位移监测机器人的测量作业，亦可核查比对每个监测棱镜的坐标位置；

变形点监测分析模块11，用于将位移监测机器人测量的球坐标转换成三维坐标，计算道床沉降值、差异沉降值、隧道水平位移、隧道收敛值，并按时间顺序整理存储。

进一步，所述电源通信箱包含一个通讯模块3-a、一个位移监测机器人电源适配器3-b、一个通讯模块电源适配器3-c及其相应电缆线；所述位移监测机器人包含一台位移监测机器人主机与一枚360°棱镜。

如图1所示，地铁盾构隧道结构位移监测系统的工作原理如下：动态基准实时测量模块10向电源通信箱3内的通讯模块3-a无线发送测量命令；通讯模块3-a再转发命令至互相联合的位移监测机器人1开始测量作业；位移监测机器人1通过作为基准点的后视圆棱镜5建立控制网；再对所有作为测量点的L形小棱镜6进行测量；测得的所有监测棱镜坐标有线传回通讯模块3-a；再通讯模块3-a无线发送至动态基准实时测量模块10，变形点监测分析模块11接收动态基准实时测量模块10转存到数据库的所有棱镜坐标，换算分析盾构隧道的结构位移。

图2为位移监测机器人工作站于盾构隧道逃生平台12侧的安装布局示意图。图中位移监测机器人1依靠强制对中支架2固定于盾构隧道侧壁衬砌13，电源通信箱3就近安装固定于强制对中架下方。所述电源通信箱3上端穿出一根位移监测机器人专用电源信号线缆与位移监测机器人1相连；下端穿出一根220V电源线缆与隧道内本就存在的电源控制箱4接通。

进一步，所述强制对中支架一般跨装于地铁盾构隧道逃生平台12侧的扶手14之上，该处能与其他位移监测机器人工作站的位移监测机器人1或监测后视圆棱镜5形成较好的通视。

图3为图2中电源通信箱3的内部线路连接示意图。如图3所示，为便于围护位移监测机器人，仅穿出一根电源与RS232信号电缆二合一的Y形电缆线与位移监测机器人连接，所述Y形电缆线一端与位移监测机器人相连，一端与通讯模块3-a的RS232数据接口3-a-4相连，一端与位移监测机器人外部电源适配器3-b相连，所述外部电源适配器3-b与电源通信箱3的电源插座3-d相连。所述通讯模块3-a除去与Y形电缆的RS232数据互通外，也采用独立的电源适配器3-c，所述外部电源适配器3-c与电源插座3-d相连，电源插座3-d穿出一根电压220V的通电线路与电源控制箱4接通。

图4为通讯模块各部件示意图。如图所述通讯模块3-a包含数据发射天线3-a-1、SIM卡插槽3-a-2、工作指示灯3-a-3、RS232数据接口3-a-4与外部电源适配器接口3-a-5。

进一步，通讯模块所用入网通道与其内插的SIM卡的运营商一致，建立通讯时，其工作指示灯3-a-3为红色。

再进一步，当通讯模块所处环境在非地铁正线的车站，如地铁停车场，一般处于地下而又没有通讯运营商的位移监测机器人工作站，无网络信号无法建立与远程计算机段的通讯连接，可使用RS232/RS484/光纤的信号转换模块作为中介，将通讯模块脱离位移监测机器人工作站，有线连接至有网络信号的地铁正线。

图5、6为位移监测机器人联合作业通视示意图。如图所示，相邻位移监测机器人工作站必须安装在对侧，否则无法形成通视，即无法进行位移监测机器人联合作业。

进一步，每台位移监测机器人主机上安装一枚360°棱镜，使相邻位移监测机器人可以进行互相测量位移监测机器人工作站坐标。两侧端头的位移监测机器人工作站7、9坐标由单侧的监测后视圆棱镜5与相邻的位移监测机器人工作站8的坐标平差计算得到；非端头的位移监测机器人8则通过测量相邻的位移监测机器人工作站7、9的坐标进行平差计算得到。

图7为按需求划分的监测断面的监测L形小棱镜的布置图，其中图7(a)为用于水平收敛监测的L形小棱镜放置位置示意图，图中15-1、15-2、15-3分别代表三种相对应量测的盾构衬砌上小棱镜位置的放置方式，且15-1、15-3两连线偏离中心水平线约±5°；图7(b)为用于沉降监测的L形小棱镜放置位置示意图，图中16-1和16-2指的是两种布设监测L形小棱镜于轨道一侧20cm道床板上的放置方式。

进一步，监测L形小棱镜采用内膨胀螺丝打孔固定于混凝土结构上。

再进一步，监测L形小棱镜必须安装在能与位移监测机器人工作站通视的位置。

更进一步，在长期的监测中，监测L形小棱镜会在地铁轨行区的环境下积灰，需要定期用擦镜纸擦拭。

图8为地铁盾构隧道轨行区内监测棱镜及位移监测机器人工作站设置安装位置平面示意图，本图中的L形小棱镜布设较为稀疏，仅作参考。7表示监测机器人工作站7在轨行区的点位，8表示监测机器人工作站8在轨行区的点位，9表示监测机器人工作站9在轨行区的点位。如图，位移监测机器人工作站平均相间分布于有效监测区间内，相互间隔为120米；监测L形小棱镜于有效监测区域内紧密布置，间隔为6米；监测后视圆棱镜与监测L形小棱镜间隔15米，两个监测后视圆棱镜间相隔15米，布置于监测区域两端；监测后视圆棱镜与首个位移监测机器人之间距离为120米。

一种已运营长距离地铁隧道结构位移实时监测系统的测试方法，结合图9，所述测试方法包括如下步骤：

(1)位移监测机器人TM50工作站安装位置应根据监测范围、通视情况等进行实地选择，尽量避免安装在疏散平台侧，如遇隧道转弯影响通视时可安装在疏散平台侧。位移监测机器人工作站选定位置必须离线路中心线的距离不小于1700mm，保证不影响行车安全。位移监测机器人工作站的高度选择在盾构隧道中腰水平位移监测点上方60cm左右位置(根据计算，从位移监测机器人工作站至相邻变形监测点的最小视线夹角约12′)，可保证仪器最小视场角，便于位移监测机器人容易自动寻找目标。位移监测机器人工作站单线设置两个，疏散平台侧与逃生通道侧各设置一处位移监测机器人工作站，且形成通视，若根据实际要求，需要设置的位移监测机器人工作站超过2个，则确保相邻位移监测机器人工作站形成通视。设置位移监测机器人工作站时，先在上述位置安装强制对中托架，然后再固定仪器。强制归心架以角钢预制，配成品强制对中盘，托架用膨胀螺丝锚固在隧道壁。由于仪器托架需要至少4枚膨胀螺丝固定，为防止冲击钻打孔遇钢筋阻碍，形成废孔，造成对隧道衬砌的损伤。故采用钢筋位置测试仪，提前探测出钢筋位置，以便合理选取打孔位置，一次成孔。

另外，出于对地铁行车的保护及规范管理，对位移监测机器人工作站安装提出以下要求：

a、强制归心架、外部电源箱需要采用黄黑胶带粘贴，胶带粘贴时应保持外观整洁、美观；

b、电源通信箱上需要贴上标志牌；

c、电源通信箱通往位移监测机器人的电缆绑扎需加强固定，防止脱落；

d、如位移监测机器人工作站安装在地铁轨行区疏散平台侧，电缆线应当从扶手栏杆内侧穿出连接至位移监测机器人，并与强制归心架固定；连接电源通信箱与220V电源控制箱的电源线应独立固定在逃生平台下部的电缆支架上，并与隧道原有线缆保持一定距离，不能铺设在逃生平台与管片侧缝隙里；

e、如位移监测机器人工作站安装在消防水管侧，连接外部电源箱与220V电源控制箱的电源线需横穿道床，电源线保护管应采用硬塑管并从道床施工缝处横穿，硬塑管应与道床、管片采用管筘或快干水泥固定，保证电源线不凌空；

f、采用冲击钻钻孔时应采取措施保证成孔利用率，尽量避免产生废孔；对于废孔应采用防火泥或快干水泥进行封堵，并保证外观整洁、美观；

g、为避免应废弃膨胀螺丝螺杆突出，而要进行的切割作业，一律采用内膨胀的膨胀螺丝

(2)严格依据划分的监测断面，每个断面棱镜的布设位置按图7要求安装，其中水平收敛监测L形小棱镜按15-1、15-2和15-3的顺序间隔放置，道床上的L形小棱镜考虑位移机器人的位置选用16-1或16-2放置，均需满足小棱镜可与位移机器人激光形成通视。而考虑隧道内的其他复杂情况，也需合理利用已安装完成的位移监测机器人工作站的位移监测机器人打出的激光检核监测棱镜是否能与位移监测机器人工作站形成通视，若有遮挡，允许适当微调棱镜位置。疏散平台侧长杆圆棱镜安装时必须考虑人员行走高度，并采用黄黑胶带粘贴，保证人员通行安全。

对监测L形小棱镜安装提出以下要求：

a、道床上的观测棱镜安装在两轨枕中间处，并在轨枕轮廓线内侧；

b、观测点布设时膨胀螺丝应全部伸入道床或管片结构，棱镜架底部必须与道床、管片紧贴，保证稳定牢固；

(3)第一次测量采集的初始值对整个项目的自动化监测尤为重要。而第一次采集也必须由人工操作位移监测机器人进行操作。其操作流程如下：

a、工程配置：设定工程的2C差、2C互差、归零差、测回互差、测距误差等限差，并完成仪器自检。测量气压、与温度，输入仪器参数设置界面，并校准ATR；

b、测站配置：输入位移监测机器人工作站名、仪器高输入0、单线第一个位移监测机器人工作站为自由设站，以地铁大里程方向为东方向，另外一个位移监测机器人工作站的坐标由导线控制平差测量得出；

c、导线控制网测量：在强制归心架上架设位移监测机器人，测量相邻位移监测机器人的360度棱镜与后视棱镜。按照全圆观测法，左右角各观测4测回，共计8测回。平差计算各坐标，建立平面网。

d、棱镜测点配置：根据控制网的位移监测机器人工作站坐标，各个位移监测机器人工作站开始监测L形小棱镜的坐标采集。输入观测点名称、棱镜高取0，照准监测棱镜后，确认测量，得到目标棱镜的水平角、竖直角与斜距；

e、重复步骤d，完成所有棱镜的测量；

f、设定测回数，开始测量，仪器按照全圆观测法，对所有待测小棱镜进行指定测回数的测量，测量完成后自动保存数据；

g、若发生观测误差超限的情况，则进行重测；

h、对测量结果进行平差处理，导入仪器内SD卡中；

i、连接位移监测机器人与通讯模块的RS232数据接口，使通讯模块接管位移监测机器人，实现远程自动化控制。

10、导出SD卡数据结果，保存备案，用于动态基准实时测量模块的远程计算机端控制设置。

(4)通过计算机远程端的动态基准实时测量模块与隧道内通讯模块的网络连通，达到实时控制位移监测机器人监测的目的，而位移监测机器人监测成果也经由通讯模块发送至计算机远程端。

计算机远程端的配置设置如下:

a、打开动态基准实时测量模块的点编辑器，输入采集的坐标，进入位移监测机器人工作站配置页面，设定位移监测机器人工作站点位的坐标并配置对应的的通讯软件接口编号。

b、打开点组编辑器，将所有棱镜的坐标分为两组，即后视圆棱镜点组与监测L形小棱镜点组，分别设置点组类型为基准点与测量点。

c、打开测量周期编辑器，配置测量次数，即计划测量任务。

d、点击进行测量作业按钮，使计算机远程端接管通信模块，间接托管位移监测机器人的监测工作。

(5)打开计算机远程端的变形点监测分析模块，查看经过自动换算的监测L形小棱镜三维坐标。变形点监测分析模块可以将远程自动化得到监测棱镜球坐标换算为三维坐标。

得到软件自动换算的坐标后，可人工换算各个监测项目的指标数值。根据三维坐标换算指标数值较为方便简单。

a、沉降测量计算

历次监测中，根据位移监测机器人自动测得的高程值，比较上次及初始值数据，计算相应的本次沉降量及累计沉降量。

b、差异沉降测量计算

历次监测中，根据位移监测机器人自动测得的轨道左股高程值与轨道右股高程值的差值，比较上次差值及初始差值，计算相应的本次差异沉降量及累计差异沉降量。

c、水平位移测量计算

历次监测中，根据位移监测机器人自动测得的平面坐标X、Y值，投影至与隧道平行的方向上，比较上次及初始值数据，计算相应的本次位移量及累计位移量。

d、水平收敛测量计算

历次监测中，根据位移监测机器人自动测得的隧道两侧测点坐标，计算其三维距离，得到水平弦长，比较上次及初始值数据，计算相应的本次收敛量及累计收敛量。

针对已运营长距离地铁隧道结构位移实时监测系统，如中国专利公开号CN104034275A，授权公开日：2014.09.10，发明名称为“基于全站仪的地铁隧道变形自动监测方法及装置”，该申请案中采用RS485电缆作为信号传导介质，普通RS485电缆的信号有效传输距离为800米左右，难以满足长地铁隧道区间的要求，并且在长期使用中，如此之长的的电缆线容易老化断裂，并且难以维护，是已运营地铁的次生安全隐患；没有可靠的变形量化标准，测量结果难以反映地铁隧道具体变形方式；且解算中采用了近似值等计算方法，以此种方式布设360度棱镜，随着测站的增多，其测量结果亦会越来越失去准确性。

综上所述，本发明的方案适用于软土地铁盾构区间的建设、运营及维护，利用安装在地铁盾构隧道结构上的监测棱镜，可以对地铁盾构隧道的位移变形进行实时监测，以实现对地铁的运营状况进行监测。本发明采用多个位移监测机器人联合自动化监测，并利用物联网通信技术无线传输信号，具有结构紧凑，精确度高，有效监测距离长、场地适应性强，全天候实时监测等优势。同时，本发明可实现对地铁隧道多点位进行同时监测，可形成地铁盾构隧道位移变形监测网，应用前景良好。本发明以较佳实施例公开如上，但并不用以限定本发明的保护范围。由于位移变形在工程实例中广泛存在，大多数建构筑物的位移变形测试均可采用本发明，或对本发明稍加润饰和改动再加以应用。本发明的保护范围应以权利要求书为准。