1.概述

质子重离子治疗肿瘤具有显著的优势，合肥离子医学中心引进国外成熟先进的超导质子治疗系统和技术服务。质子重离子实现精准治疗的基础是对土建提出了远高于土木工程的变形控制标准，为保证质子重离子设备正常运行，安装有回旋加速器等其他精密装置和所有治疗室的建筑部分必须被建筑成为一个刚性结构。在对离子设施进行安装和对齐以后，对于操作离子设施产生的建筑最大差别沉降应使用特殊规定。在建筑外壳建筑过程中就必须开始检查沉降特征。合肥离子医学中心建筑物沉降控制标准为安装并定位质子治疗设备之后，在土建结构底板长度为10m范围内的不均匀沉降应<0.2 mm/年。

2.监测目的

结构施工、设备安装及设备运行过程中，必须保证建筑结构的稳定性，以确保系统设备的正常运行安全。为此观测过程中必须采取相应的监控保护措施，监测的目的主要是：

（1）结构施工过程和系统设备安装过程中对建筑物的沉降影响进行监控，使建筑物满足系统设备安装的条件；

（2）系统设备运行过程中对建筑物的沉降影响进行监控，为系统设备安装及运行安全提供保障。

3.点位布设

第一阶段为结构施工期，该阶段拟布设沉降监测点59个，编号为CJ1~CJ59。测点布设在基础底板上。

第二阶段为设备安装、运行期，该阶段拟在墙/柱上布设48个高精度激光跟踪控制网测点，编号ZZ1~ZZ48。在地面上布设50个高精度激光跟踪监测点，编号GJ1~GJ50。墙/柱、地面监测点均布设在地上一层结构上。

4.激光跟踪仪系统

本次高精度微变形监控采用Leica AT403激光跟踪仪，Leica AT403激光跟踪仪系统主要包括：激光跟踪仪主机，控制器，反射球，反射球测量附件，数据电缆线，数据处理笔记本电脑，测量软件等组成，系统构成表如下图所示：

激光跟踪系统构成表

Leica AT403激光跟踪仪技术参数表

Leica AT403激光跟踪仪

5.微变形监测方法

微变形监测点的监测，需满足质子系统设备供应商的技术合同条件中有关微变形的监控要求：在安装并定位质子治疗设备之后，在土建结构底板长度为10m范围内的不均匀沉降应 < 0.2 mm/年

（1）观测原理：

    激光跟踪测量系统的工作基本原理是在目标点上安置一个反射器，跟踪头发出的激光射到反射器上，又返回到跟踪头，当目标移动时，跟踪头调整光束方向来对准目标。同时，返回光束为检测系统所接收，用来测算目标的空间位置。简单的说，激光跟踪测量系统的所要解决的问题是静态或动态地跟踪一个在空间中运动的点，同时确定目标点的空间坐标。

    激光跟踪仪的坐标测量是基于极坐标测量原理的。测量点的坐标由跟踪头输出的两个角度，即水平角H和垂直角V，以及反射器到跟踪头的距离D计算出来的。

    首先以跟踪头中心为原点，建立球坐标系，如下图所示。

激光跟踪仪的球坐标系统

设P (x,y,z)为被测空间点假设点P到点O的距离为L， OP与Z轴的夹角为，OP在oxy平面内的投影与x轴的夹角为，则点P (x,y,z)的表达式为：

式中，、 的值由安装在跟踪头中的两个角度编码器测量得出，L的值通过安装在激光头中的激光干涉仪获得。

    激光干涉法测距原理为：由激光器发射的激光经分光镜分成反射光束S1和透射光束S2，其中S1作为干涉参考光，S2作为测量光。当S2经目标反射镜反射回来时，与S1汇合成相干光束。若两列光S1和S2的光程差为nλ（λ为波长，n为零或正整数），实际合成光的振幅是两个分振幅之和，光强最大，出现明条纹。若S1 和S2 的光程差为λ/2（或半波长的奇数倍）时，合成光的振幅和为零，此时光强最小，出现暗条纹。所以当目标反射镜在空间运动时，由于S1 和S2 光程差的变化，明暗相间的条纹也会发生变化。激光干涉仪就是利用这一原理使激光束产生明暗相间的干涉条纹，由光电转换元件接收并转换为电信号，经处理后由计数器计数，实现对位移变化量的检测。

激光干涉测距原理

由以上原理可知激光干涉仪为增量码测量系统，因此测量前必须预设初值。跟踪头上有一个固定点叫鸟巢，测量开始时，首先将目标反射镜置于该固定点上，该点与跟踪头中心的距离是固定的，计算机自动将初值置为该距离值，然后即可移动目标反射镜进行空间点的测量。由于激光干涉仪是增量码仪器，所以在测量过程中一旦发生丢光，干涉仪就会停止计数，测量就无法继续，整个测量过程就必须重新开始。此外，测量系统给出的三维坐标值是目标反射镜的中心位置，理论上目标反射镜的中心均与其外面的球形外壳中心重合，所以要获得被测点的实际坐标值还要对直接测量值进行半径补偿。

（2）观测方法

测量过程采用激光跟踪仪自由设站与搬站测量相结合的方式，仪器在每两个测段控制点的中间位置建站，从质子区域一端往另一端依次测量，不需要对中地面控制点，测量通视范围内所有控制点坐标，完成后移动仪器到下一个位置建站，继续测量。激光跟踪仪转站采用Best Fit（最佳拟合）方式实现。

激光跟踪仪测量时采用正倒镜测量，消除仪器轴系对测量的影响。最后所有数据采用最小二乘法进行整体平差，得到最优结果。

进行监测点测量的时候，采用Lcica AT403激光跟踪仪测量监测点的三维坐标。同时需要测量不少于4个以上控制点，将监测点的三维坐标转换到控制网坐标系中。两期测量计算得到的监测点z坐标进行比较，得到束流线区域构筑体的沉降情况。

6.监测频率

 整个监测工作视施工工况及监测对象变化情况，将采取定时与跟踪相结合的办法进行，具体观测频次详见下表。

监测频率安排表

注：1）监测频率可根据监测数据变化大小进行适当调整。

2）监测数据有突变时，立即上报各方，并增加监测频率。

3）当建筑物变形观测过程中发生地表环境异常或地震、暴雨等自然灾害时，应及时增加观测次数。

7.数据处理

激光跟踪仪所测坐标数据主要是使用激光跟踪仪配套软件SA进行处理并进行精度评定。

测量时，在SA中，仪器界面将显示仪器所在的实际位置，墙上公共点将被综合定位，可以通过核对点间距离与误差大小是否匹配来检验结果，误差范围在最佳拟合转换对话框中显示。如果最优化转换结果超差，则说明定位点未测量好，应重新将定位点测量一遍，然后再执行最优化转换。在测量开始第一站时，将定位点测量两次，然后将两次测量的点利用最佳拟合查看定位点测量准确度，若转换最大误差在0.01mm以内，则说明第一站定位点测量没有问题，可以进行后面的转站。

SA软件能够根据工程控制网的特点以及工程坐标系计算出测量结果和分析不确定度，最后所有数据采用最小二乘法进行整体平差，得到最优结果，测量计算结果完成后能够在界面中形象的显示出控制网的网型结构，并对测量精度进行分析与评价。

8.结束语

质子系统设备对建筑的微变形有严格的要求，在安装并定位质子治疗设备之后，在土建结构底板长度为10m范围内的不均匀沉降应<0.2 mm/年。该标准远远高于常规土木工程的变形控制标准，类似精密装置有如此高的基础微变形和微振动控制要求的项目的工程经验在全国工程结构设计施工领域均较为有限。本文详细阐述了建筑微变形监测的方法，为以后的建筑微变形监测工作提供了参考。

9.参考文献

[1]激光跟踪测量系统研究[J].谢黧.机械设计与制造,2010（6）.

[2]精密工程测量技术及其发展[J].李广云,范百兴.测绘学报.2017（10）.

[3]精密测量技术在核主泵制造中的应用研究[D]. 刘宇.哈尔滨工程大学.2016.