深豎井及洞內(nèi)控制測量中多種測量儀器聯(lián)合定向的應用研究

摘 要：鑒于特長隧道施工中深豎井聯(lián)系測量具有操作繁雜、精度不易控制等特點，為提高定向測量精度，縮短定向時間，提出了“全自動陀螺儀+激光鉛錘儀+全站儀+GPS”聯(lián)合定向的測量技術，對其測量原理和技術方法進行詳細論述。實踐表明該測量技術可使工作效率大幅度提高，確保隧道的高精度貫通。

關鍵詞：聯(lián)合定向；豎井；全自動陀螺儀；控制測量

前言

近年來隨著我國高速鐵路和城市軌道的大力建設，特長隧道不斷增多，為了加快施工進度、降低施工成本，在暗挖工程中通常采用深豎井作為施工通道以增加開挖工作面。在施工中需要建立地面和井下測量的幾何關系，做好豎井傳遞控制測量使其達到井上和井下坐標系統(tǒng)的統(tǒng)一，確保隧道按照設計要求高精度貫通。

目前，隧道豎井平面聯(lián)系測量的方法有很多，但都費時、費力、精度較低。與傳統(tǒng)的懸吊鋼絲聯(lián)系三角法相比，采用“全自動陀螺儀+激光鉛垂儀+全站儀+GPS”聯(lián)合定向的測量方法，可充分考慮到隧道貫通誤差產(chǎn)生的地面控制測量因素、豎井坐標傳遞因素和洞內(nèi)控制測量三個因素，將各個環(huán)節(jié)中最大的測量誤差降低到最小，對提高測量精度具有重要的實踐意義。

1 多種儀器聯(lián)合定向的測量原理

1.1 陀螺儀定向原理

全自動陀螺儀是陀螺儀和全站儀組合而成的測量儀器。其中陀螺儀是根據(jù)陀螺的作用原理，能在陀螺靈敏部本身重力和地球自轉(zhuǎn)的組合作用下，旋轉(zhuǎn)軸會一直穩(wěn)定指向一個方向的特性，使陀螺軸精確地指示出真北方向，并由全站儀讀出該方向讀數(shù)。因此，全自動陀螺儀可以精確地測定地面和井下隧道任意測站的真北子午線位置，或任意測線的地理方位角，然后加入子午線收斂角即可算出該測線的實際坐標方位角。

1.2 激光鉛垂儀原理

激光鉛垂儀是一種鉛垂定位專用儀器，利用光學準直原理，在光學垂準系統(tǒng)的基礎上添加了兩只半導體激光器，分別從向上和向下兩個方向發(fā)射鉛垂激光束，從而保證豎井井口和井底控制點的豎向準直。

1.3 全站儀和GPS測量控制原理

利用GPS高精度定位原理，根據(jù)隧道的長度和貫通精度要求按照相應的測量等級在隧道豎井的地面上做平面測量控制網(wǎng)。采用全站儀將豎井附近的GPS控制點坐標引測到豎井井蓋上再利用激光鉛垂儀向井底進行坐標傳遞；在陀螺儀隧道洞內(nèi)定向完畢后，洞內(nèi)采用全站儀導線的測量方法進行控制測量。

2 深豎井聯(lián)系測量技術方法

2.1 工藝流程

多種測量儀器在深豎井及洞內(nèi)聯(lián)合定向的操作流程如圖1所示。

2.2 操作要點

2.2.1 隧道洞外控制網(wǎng)建立

根據(jù)隧道長度及豎井和斜井位置對測量控制網(wǎng)的等級和網(wǎng)形進行設計，在隧道的進出口、豎井口和斜井口分別埋設不少于4個控制點，控制點之間以500m為宜并盡可能呈矩形布置，以保證隧道的貫通精度。首先以進出口的控制點組成骨架控制網(wǎng)，然后在此基礎上分別建立各個洞口的子網(wǎng)。GPS控制網(wǎng)等級根據(jù)隧道的長度制定，并做貫通誤差估算設計，長大隧道洞外平面控制網(wǎng)采用經(jīng)國家法定機構鑒定合格的雙頻GPS，按照二等控制網(wǎng)精度要求靜態(tài)觀測施測。

高程控制點與平面控制點共用，采用電子水準儀DNA03按照二等水準測量技術要求執(zhí)行。

2.2.2 激光鉛垂儀平面坐標逆向傳遞投點

（1）豎井井底控制點埋設。在豎井井底合適的位置并且豎井井口上部方便搭設臺架的位置埋設3個控制點，控制點間的相互距離根據(jù)豎井的寬度尺寸盡可能的最大，以提高全站儀引測時的縱橫向精度。

（2）豎井井口操作臺架搭設。將激光鉛垂儀架設在井底控制點上并打開激光，以便確定井口操作平臺的搭設位置，同時在激光束通過的位置預留150mm×150mm與井底控制點相對應的小方孔，保證能使激光束垂直向上穿過預留孔。平臺分為兩層，內(nèi)層架設鉛垂儀，外層供操作人員站立，避免相互影響，搭設的操作平臺必須確保安全和臺架穩(wěn)固。

（3）激光鉛垂儀投點。在豎井井底控制點上架設激光鉛垂儀，調(diào)置儀器對中整平。鉛垂儀上側(cè)的紅色激光投射到井口平臺預留孔放置的200mm×200mm的透明玻璃接收靶上，采用對徑讀數(shù)法將井底的鉛垂控制點向上傳遞至井口平臺。

（4）井口逆向投點同地面控制點聯(lián)系測量。將井底傳遞上來的井口控制點利用全站儀同井口附近的GPS控制點按照全站儀導線的測量方法進行聯(lián)測，由于同一鉛垂線上兩點平面坐標一致，從而將井口控制點坐標引至井底鉛錘控制點上，TS30全站儀不少于6個測回。

2.2.3 全自動陀螺儀定向

（1）地面陀螺邊測量。在井口附近選擇2個相互通視的GPS控制點作為地面陀螺邊，將陀螺儀安置在其中一個控制點上依次進行尋北測量和方位測量。測量次數(shù)根據(jù)精度要求而定，通常測量三次，當出現(xiàn)超限時，增加測回次數(shù)。

（2）計算儀器常數(shù)。地面陀螺邊所測量的角度為陀螺方位角值（真北方位角），該角值與隧道GPS控制網(wǎng)的進洞邊已知方位角的差值即為儀器常數(shù)。

（3）洞內(nèi)陀螺邊測量。地面陀螺邊測量完畢后，將陀螺儀移至井內(nèi)，選擇一條長約150m的洞內(nèi)導線邊作為起算邊加測陀螺方位，確保平面聯(lián)系測量的精度。然后對該條陀螺邊最好進行對向觀測，對向觀測的精度控制在5″以內(nèi)取算術平均值作為井內(nèi)陀螺邊的陀螺方位角。

（4）計算洞內(nèi)陀螺邊坐標方位角。為提高儀器常數(shù)值的精度，洞內(nèi)陀螺邊測量完畢后，將陀螺儀再次至地面最開始觀測的陀螺邊，重新測定儀器常數(shù)，將地面兩次測量的陀螺邊方位角相比較，檢查陀螺儀在觀測過程中是否存在漂移現(xiàn)象，若較差在10″以內(nèi)取其算術平均值作為儀器常數(shù)的最終值。最后，利用公式（1）計算井下定向邊的坐標方位角：

A=R+？茁-？酌 （1）

其中，A表示井下定向邊的坐標方位角；R表示陀螺方位角；？茁表示儀器常數(shù)；？酌表示子午線收斂角。

2.2.4 洞內(nèi)導線測量

利用全站儀在井下檢查所投3個控制點的角度與距離，若滿足限差要求，采用交叉導線法向洞內(nèi)延伸導線點坐標，如圖2所示。

由圖2可知，交叉導線每一測站至少觀測3個方向，一般都是4個觀測方向，相比于傳統(tǒng)的支導線、附和導線和閉合導線控制方法，該方法閉合條件和導線環(huán)數(shù)大幅度提高，圖形強度更強，極大的提高了洞內(nèi)導線精度。

3 結(jié)束語

“全自動陀螺儀+激光鉛錘儀+全站儀+GPS”聯(lián)合定向的測量技術，既可以檢測導線觀測成果的質(zhì)量，保證成果的可靠性；又可以對加測高精度陀螺定向邊后的導線進行方向附和導線角度差，從而大大提高了導線的精度和工作效率，確保隧道高精度貫通。

該測量技術與傳統(tǒng)的測量相比，投入人員少，人為干預不多，減少了人為誤差，且定向速度快，方位結(jié)果精確可靠，有利于提高施工進度。在豎井平面坐標激光鉛垂儀傳遞上提高23倍以上，精度比吊錘串線法更可靠，尤其是豎井越深精度越高。用全自動陀螺儀定向，減少了方位引入過程中的累積誤差。同時，貫通精度的大幅度提高，減少了隧道在即將貫通時，兩個相向開挖的掘進面在各自距貫通面100m范圍內(nèi)加寬5～10cm的測量誤差影響，節(jié)省了開挖、襯砌等費用，經(jīng)濟效益顯著，為國內(nèi)各類特長隧道的豎井施工測量作用提供了一定的參考價值。

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