西秦嶺特長(zhǎng)隧道陀螺測(cè)量及溫度影響修正

趙陽(yáng) 王亞江

(61175部隊(duì),江蘇南京 210049)

西秦嶺特長(zhǎng)隧道陀螺測(cè)量及溫度影響修正

趙陽(yáng) 王亞江

(61175部隊(duì),江蘇南京 210049)

本文針對(duì)以西秦嶺特長(zhǎng)隧道陀螺測(cè)量中溫度變化對(duì)陀螺儀測(cè)量產(chǎn)生影響,根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)分析了溫度對(duì)陀螺定向的影響,并進(jìn)行了修正。

陀螺經(jīng)緯儀 溫度修正 蘭渝鐵路西秦嶺特長(zhǎng)隧道

圖1 測(cè)量示意圖

1 引言

陀螺經(jīng)緯儀是一種利用陀螺原理自主尋北的測(cè)量?jī)x器，兼有定向與測(cè)角功能。由于其定向精度高、不受氣候條件限制、全天候的自主定向等特點(diǎn)，在軍事、測(cè)繪、地下工程、礦山等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。陀螺經(jīng)緯儀定向測(cè)量受到外界環(huán)境的影響，其中以溫度影響最大。

在地下工程測(cè)量中，我國(guó)一般采用“地面-地下-地面”的測(cè)量專業(yè)程序進(jìn)行地下工程未知方位邊陀螺定向，即先在地面已知方位邊檢定陀螺經(jīng)緯儀儀器常數(shù)，再到地下進(jìn)行未知邊的測(cè)量，最后返回地面已知方位邊檢核陀螺經(jīng)緯儀儀器常數(shù)。由于地下和地面的測(cè)量環(huán)境存在一定環(huán)境溫度差，特別是冬夏兩季，這種可以達(dá)到20～40℃，同時(shí)在地下工程中環(huán)境也存在由于各種原因造成的較大溫度差，本文中蘭渝鐵路西秦嶺特長(zhǎng)隧道就存在這種情況，而環(huán)境溫度差直接影響陀螺定向測(cè)量精度，必須進(jìn)行改正最重要的外界因素之一。

表1 進(jìn)洞斜井控制方位邊X01Z—GX01測(cè)前定向觀測(cè)

表2 進(jìn)洞斜井控制方位邊X01Z—GX01測(cè)后定向觀測(cè)

2 項(xiàng)目背景

蘭渝鐵路是連接我國(guó)西北與西南的重要鐵路干線，最早出自孫中山先生的《建國(guó)方略》，規(guī)劃線路基本上是“蘭州-廣元-南充-重慶”。其北起蘭州，南至重慶，由鐵道部和重慶、甘肅、四川合資建設(shè)，項(xiàng)目估算總投資774億元，于2008年9月26日下午3時(shí)在蘭州開(kāi)工建設(shè)，計(jì)劃建設(shè)工期6年。蘭渝鐵路西秦嶺特長(zhǎng)隧道為蘭渝鐵路中最長(zhǎng)隧道，全長(zhǎng)28.236km，為全線重點(diǎn)控制性工程，也是我國(guó)第一長(zhǎng)交通隧道。西秦嶺特長(zhǎng)隧道在施工中采用TBM隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行對(duì)向開(kāi)挖，洞外采用GPS測(cè)量方式定位定向，洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量方式進(jìn)行定位定向，由于導(dǎo)線測(cè)量存在偶然誤差的積累，對(duì)于這種特長(zhǎng)隧道必須加以陀螺定向，以限制誤差積累限制偶然誤差的積累，改善地下控制網(wǎng)的強(qiáng)度和精度保證整個(gè)工程的的準(zhǔn)確貫通。如圖1所示，圖中黑線為導(dǎo)線測(cè)量網(wǎng)形，紅線為加測(cè)的陀螺方位邊。

3 陀螺測(cè)量

3.1 進(jìn)洞陀螺測(cè)量

進(jìn)洞斜井位于北緯33°13′42″，東經(jīng)105°08′54″附近。進(jìn)洞斜井地面控制方位邊X01Z—GX01，測(cè)站X01Z坐標(biāo)為(3678134.0491，498264.1839)，定向點(diǎn)GX01坐標(biāo)為(3678868.7611，498291.9676)，故其該邊長(zhǎng)為735.2371m，坐標(biāo)方位角為2°09′56.35″。陀螺全站儀已知方位邊測(cè)量采用兩個(gè)測(cè)段，測(cè)前6個(gè)測(cè)回(觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1)，測(cè)后復(fù)測(cè)3個(gè)測(cè)回(觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2)，共計(jì)9個(gè)測(cè)回。

由表1、表2可知：測(cè)前時(shí)段和測(cè)后時(shí)段陀螺方位角值穩(wěn)定，符合儀器限差規(guī)定，表明兩時(shí)段之間儀器常數(shù)穩(wěn)定可靠。由已知地面控制方位邊施工坐標(biāo)系方位角和陀螺方位角關(guān)系得陀螺常數(shù)為3°21′25.1″。

表3 進(jìn)洞斜井控制方位邊ZD14—X06Z定向觀測(cè)

表4 進(jìn)洞斜井控制方位邊323—535定向觀測(cè)

表5 進(jìn)洞待定方位邊改正

表6 出洞斜井控制方位邊X01Z—GL01測(cè)前定向觀測(cè)

表7 出洞斜井控制方位邊X01Z—GL01測(cè)后定向觀測(cè)

表8 進(jìn)洞斜井控制方位邊C02Y—C01定向觀測(cè)

表9 進(jìn)洞斜井控制方位邊C07Y—C08定向觀測(cè)

表10 出洞待定方位邊改正

表11 陀螺坐標(biāo)方位角與導(dǎo)線坐標(biāo)方位角對(duì)比

表12 各站點(diǎn)溫度情況

進(jìn)洞有兩條待定方位邊，方位邊ZD14—X06Z和方位邊323—535。方位邊ZD14—X06Z的測(cè)站ZD14坐標(biāo)為(3675724.859，497986.253)，定向點(diǎn)X06Z(3676118.409，497817.436)，故其該邊長(zhǎng)為428.2298m，坐標(biāo)方位角為336°46′57.46″。方位邊323—535。方位邊323—535的測(cè)站323坐標(biāo)為(3673703.7236，498852.9903)，定向點(diǎn)535(3673477.4724，498951.5833)，故其該邊長(zhǎng)為246.7999m，坐標(biāo)方位角為156°27′14.31″。方位邊ZD14—X06Z陀螺定向測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示，方位邊323—535陀螺定向測(cè)量數(shù)據(jù)如表4所示。

將地下陀螺全站儀方位邊測(cè)量結(jié)果與控制坐標(biāo)系方位邊結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一，需要對(duì)陀螺全站儀方位邊測(cè)量結(jié)果進(jìn)行陀螺常數(shù)改正和子午線收斂角改正，關(guān)系如下式所示：

T=N+Δγ+C

式中： T為控制坐標(biāo)系下的方位角值；

N為地下測(cè)量得到陀螺方位角；

Δγ為子午線收斂角改正值；

C為陀螺常數(shù)。

3.2 出洞陀螺測(cè)量

出洞斜井位于北緯33°06′01″，東經(jīng)105°13′46″附近。出洞斜井地面控制方位邊CX01Z—GL01，測(cè)站CX01Z坐標(biāo)為(3664340.2850，505533.8464)，定向點(diǎn)GL01坐標(biāo)為(3664435.1746，505866.4197)，故其該邊長(zhǎng)為345.8454m，坐標(biāo)方位角為74°4′31.89″。陀螺全站儀已知方位邊測(cè)量采用兩個(gè)測(cè)段，測(cè)前6個(gè)測(cè)回(觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6)，測(cè)后復(fù)測(cè)4個(gè)測(cè)回(觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7)，共計(jì)10個(gè)測(cè)回。

由表6、表7可知：測(cè)前時(shí)段和測(cè)后時(shí)段陀螺方位角值穩(wěn)定，符合儀器限差規(guī)定，表明兩時(shí)段之間儀器常數(shù)穩(wěn)定可靠。由已知地面控制方位邊施工坐標(biāo)系方位角和陀螺方位角關(guān)系得陀螺常數(shù)為3°18′27.7″。

出洞有兩條待定方位邊，方位邊C02Y—C01和方位邊C07Y—C08。方位邊C02Y—C01的測(cè)站C02Y坐標(biāo)為(3663499.7343，503182.0388)，定向點(diǎn)C01(3663223.7175，503301.0443)，故其該邊長(zhǎng)為300.5787，坐標(biāo)方位角為156°40′35.62″。方位邊C07Y—C08的測(cè)站C07Y坐標(biāo)為(3665539.6131，502307.3709)，定向點(diǎn)C08 (3665705.0998，502236.3739)，故其該邊長(zhǎng)為180.0734m，坐標(biāo)方位角為336°46′47.03″。方位邊C02Y—C01陀螺定向測(cè)量數(shù)據(jù)如表8所示，方位邊C07Y—C08陀螺定向測(cè)量數(shù)據(jù)如表9所示。

同理，需要將地下陀螺全站儀方位邊測(cè)量結(jié)果與控制坐標(biāo)系方位邊結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一，得表10數(shù)據(jù)。

3.3 對(duì)比

將陀螺定向得到的控制坐標(biāo)下的坐標(biāo)方位角與導(dǎo)線測(cè)量得到的坐標(biāo)方位角進(jìn)行對(duì)比得到表11結(jié)果所示。

表13 陀螺坐標(biāo)方位角與導(dǎo)線坐標(biāo)方位角對(duì)比

由表11可知，在不考慮環(huán)境溫度的情況下，陀螺坐標(biāo)方位角與導(dǎo)線坐標(biāo)方位角相差比較大。

4 溫度修正

本次測(cè)量采用的是YJTD-1陀螺儀全站儀，其溫度對(duì)方位角的影響為-1.0″/℃，對(duì)表11數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度修正，得到如表13數(shù)據(jù)。

由表13可知，在進(jìn)行溫度改正后差值明顯減小。其中方位邊C02Y—C01陀螺定向過(guò)程由于施工影響存在干擾，可能對(duì)其值產(chǎn)生影響。

5 結(jié)語(yǔ)

西秦嶺特長(zhǎng)隧道后期的工程情況證實(shí)了文中的導(dǎo)線測(cè)量結(jié)果和陀螺定向結(jié)果可靠。

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