一种软土已运营地铁车站结构位移实时监测系统及测试方法与流程

本发明涉及地铁车站基础设施结构安全健康监测领域，具体而言是软土已运营地铁车站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，地铁因其快速、便捷、载客量大的优势而应运得到推广应用。目前各大城市都在大力建设地铁，根据轨道交通中长期发展规划，十二五期间，将建设2500公里的轨道交通线路，十三五期间将建设3000公里，到十三五末，全国轨道交通运营里程将达到7000公里，然而目前国内地铁建设多呈现“重建不重养”的现状，尤其在我国地铁建设尚属发展中阶段，这会给地铁的日后运营及周围建筑的稳定埋下安全隐患。

现代地铁隧道数量多、相互交叉以及高密集等特点对地铁施工提出了严格的要求，现代轨道交通运营速度不断提高，地铁对轨道的动力作用越来越大，这又对轨道行车安全提出了更高的要求。并且随着城市化的推进，地铁口的地块成为房地产业的必争之地，而在地铁口进行工程建设，势必对地铁车站结构有所影响。因此，针对此类近地铁工程项目建设对地铁车站的影响研究相当重要。

目前对于软土地铁的监测多以监测盾构区间的变形监测为主，而对于地铁车站的变形监测则比较少，因此有必要开发一套针对地铁车站变形监测的系统及其测试方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种稳定性好、测量精度高、环境适应能力强的基于物联网的软土已运营地铁车站结构位移实时监测系统及测试方法。

已运营暗挖山岭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、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；

所述监测棱镜包括后视圆棱镜和L形小棱镜，所述L形小棱镜安装在地铁的轨道板；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，计算道床沉降值、道床差异沉降值、道床水平位移、隧道水平收敛，并按时间顺序整理存储。

作为优选：所述电源通信箱包含一个通讯模块、一个位移监测机器人电源适配器、一个通讯模块电源适配器及其相应电缆线。

软土已运营暗挖山岭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)于地铁车站轨行区内，安装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；每个监测断面仅布设2个L形小棱镜于轨道两侧；后视圆棱镜均布设于相接盾构区间的隧道两腰位置，形成空间控制网；

3)第一次测量采集的初始值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、道床水平位移。

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)监测机器人的有效测量长度大，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车站的位移变化；(4)本软土已运营地铁车站结构位移实时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、长时间的测试地铁车站结构的位移状况。

附图说明

图1为地铁车站结构位移实时监测系统工作原理示意图。

图2为位移监测机器人工作站在地铁车站的安装布局示意图。

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为位移监测机器人车站内安装位置示意图。

图6为地铁车站的监测小棱镜断面布置示意图。

图7为地铁车站轨行区内监测棱镜及位移监测机器人工作站安装位置平面示意图。

图8为本发明的软土已运营地铁车站结构位移实时监测系统测试方法的操作流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

如图1至图8所示，一种已运营暗挖山岭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安装在地铁的轨道板所述后视圆棱镜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：

动态基准实时测量模块7，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8，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、道床差异沉降值、道床水平位移、隧道水平收敛，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。

如图1所示，已运营暗挖山岭地铁隧道结构位移实时监测系统的工作原理如下：动态基准实时测量模块7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7，变形点监测分析模块8接收动态基准实时测量模块7转存到数据库的所有棱镜坐标，换算分析隧道的结构位移。

图2为位移监测机器人工作站于隧道轨行区内的安装布局示意图。图中位移监测机器人1依靠强制对中支架2固定于隧道侧壁衬砌上，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。

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区间，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为位移监测机器人于暗挖山岭隧道永久衬砌上的安装位置示意图。监测机器人安装于隧道侧壁一处基站9。在场地允许条件下尽量设置的高一些，提高可通视距离。

图6为按需求划分的监测断面的监测L形小棱镜的布置图，每条轨道布设两个监测L形小棱镜于附近的道床板上，并根据位移监测机器人的摆放侧进行选择L形小棱镜的放置侧方位，暗挖隧道二衬上每侧布设一个监测L形小棱镜。

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7为暗挖地铁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。如图，位移监测机器人工作站安装于有效监测区间正中间，监测L形小棱镜于有效监测区域内紧密布置，间隔为10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，布置于监测有效范围两端；监测后视圆棱镜与首个位移监测机器人之间距离为120米。

一种已运营暗挖山岭地铁隧道结构位移实时监测系统的测试方法，结合图8，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，安装于消防水管以上、电缆支架以下尽量高的位置。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。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，标志牌纸质封塑，做防水防潮处理；

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、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；

e、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5要求安装。考虑隧道内的复杂情况，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。圆棱镜安装时必须采用黄黑胶带粘贴，保证通行安全。

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，棱镜架底部必须与道床紧贴，保证稳定牢固；

c、岩石隧道若耐久性欠缺，则易有较多裂缝，较难防治；地铁隧道内往往由于车轮与铁轨的摩擦，有较多的粉尘(主要为细小铁粉)；所以山岭地铁隧道内往往雾气较大，空气潮湿。故所有的L形小棱镜都必须用防锈漆做防锈处理，避免锈蚀带来的松动。

(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、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；

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，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、道床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、道床差异沉降测量计算

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。

由于在这种单洞双轨的结构中，一台位移监测机器人即可观测整个上下行的位移情况，棱镜间间距较大，可以直接比较上下行的差异沉降来推断隧道仰拱的变形情况。

c、道床水平位移测量计算

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、隧道水平收敛测量计算

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。

综上所述，本发明的方案适用于山岭暗挖地铁的建设、运营及维护，利用安装在暗挖山岭地铁隧道结构上的监测棱镜，可以对暗挖地铁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。本发明采用位移监测机器人自动化监测，并利用物联网通信技术传输信号，具有结构紧凑，精确度高，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，可形成暗挖山岭地铁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。