陀螺定向在隧道貫通測量中的應(yīng)用

摘要：導(dǎo)線測量是隧道工程貫通測量的保障，常規(guī)導(dǎo)線往往難以滿足隧道工程貫通測量的精度要求，為了提高隧道貫通精度，需要在適當(dāng)位置用陀螺全站儀加測隧道導(dǎo)線邊，本文首先介紹了陀螺全站儀定向原理，結(jié)合中船重工AGT-5型陀螺全站儀在鄭萬項目雷家坡隧道進行定向測量，將結(jié)果加入隧道內(nèi)精密導(dǎo)線進行平差，結(jié)果加入陀螺定向測量方位角后，導(dǎo)線精度明顯提高，確保隧道準(zhǔn)確貫通。

Abstract： Traverse survey is the guarantee of tunnel engineering penetration survey. Conventional conductors are often difficult to meet the accuracy requirements of tunnel engineering penetration survey. In order to improve tunnel penetration accuracy， it is necessary to add a gyro total station to measure the tunnel conductor edge at an appropriate location. This paper first introduces the orientation principle of gyro total station. Combined with the AGT-5 gyro total station of CSMC， the orientation survey is carried out in the Leijiapo tunnel of Zhengwan project. The results are added to the precise traverse in the tunnel for adjustment. After the results are added to the azimuth angle of gyro orientation survey， the traverse precision is obviously improved to ensure the tunnel is connected accurately.

關(guān)鍵詞：陀螺全站儀;子午收斂角;隧道貫通測量;貫通誤差

Key words： gyro total station;meridian constringent angle;tunnel penetration measurement;penetration error

中圖分類號：U452.1+7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）15-0192-03

0 ?引言

在鐵路長大隧道控制測量中，一般采用延伸導(dǎo)線方式進行隧道控制測量，隨著隧道的掘進，缺少足夠的檢核條件，導(dǎo)致導(dǎo)線精度越來越低，貫通誤差隨之增大。而采用高精度陀螺全站儀可在隧道內(nèi)進行陀螺定向測量，通過相關(guān)計算可得到隧道內(nèi)任意導(dǎo)線邊的方位角，用來對洞內(nèi)導(dǎo)線進行檢核與修正，以提高控制網(wǎng)的精度。當(dāng)貫通導(dǎo)線很長時，在合適的位置加測陀螺定向邊用于導(dǎo)線平差，省去中間導(dǎo)線誤差的疊加，可以大大提高隧道貫通精度。

1 ?AGT-5型陀螺全站儀簡介

AGT-5陀螺全站儀（見圖1）是中船重工第七0七研究所研究生產(chǎn)的一種全自動定向設(shè)備，采用國際首創(chuàng)無磁電機，耗電低，無磁，儀器內(nèi)部不存在磁干擾力矩，360度全周尋北，操作簡單，定向速度快，設(shè)備抗干擾能力強，不受地理環(huán)境、外界磁場的影響，實現(xiàn)了真正意義上的一鍵尋北，定向精度高達5″。

2 ?陀螺全站儀定向原理及計算

2.1 定向原理

AGT-5陀螺全站儀為懸?guī)酵勇輧x，內(nèi)置無機械位移的陀螺，內(nèi)置陀螺由通過陀螺重心的懸掛帶掛住，當(dāng)陀螺圍繞水平狀態(tài)的陀螺旋轉(zhuǎn)軸快速旋轉(zhuǎn)時，由于慣性的原因，陀螺旋轉(zhuǎn)軸會維持其原有空間位置，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸偏移北方向，地球自轉(zhuǎn)會使旋轉(zhuǎn)軸的水平狀態(tài)發(fā)生變化，陀螺旋轉(zhuǎn)軸的重心會降低，隨之產(chǎn)生重力矩。由于旋轉(zhuǎn)軸狀態(tài)發(fā)生變化，陀螺圍繞旋轉(zhuǎn)軸跟隨發(fā)生變化，通過陀螺全站儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)，陀螺全站儀將向北旋轉(zhuǎn)，陀螺儀指向真北方向，通過與陀螺儀一體的全站儀測量目標(biāo)，可得到目標(biāo)的真北方位角。

2.2 真北方位角、陀螺方位角與坐標(biāo)方位角的換算關(guān)系

地球上某點的真子午線的切線方向為該點的真北方向，而由陀螺全站儀高速旋轉(zhuǎn)確定的北方向為陀螺北方向，坐標(biāo)北方向是指某點所在平面坐標(biāo)系的北方向。具體關(guān)系如圖2。

2.3 陀螺方位角計算公式及步驟

坐標(biāo)方位角計算公式（由已知工程獨立坐標(biāo)計算方位角）

（1）

真北方位角與坐標(biāo)方位角的關(guān)系式：

（2）

其中A為真北方位角;？琢為測線坐標(biāo)方位角;？酌測站點子午線收斂角。

陀螺儀器常數(shù)計算公式：

A=T+？駐（3）

其中T為陀螺儀定向測量值;？駐為儀器常數(shù)值。

記，？啄y表示隧道外測站和隧道內(nèi)測站的子午線收斂角的差值，可按下式求得：

（4）

其中？滋=32.23tan？漬（此公式在地面和隧道定向點的距離不超過50km，緯度小于60°時采用）。其中？漬為當(dāng)?shù)鼐暥?y洞外和y洞內(nèi)為地面和隧道定向點的橫坐標(biāo)（以km為單位）。

由式（2）、（3）、（4）可以得出：

（5）

（6）

其中？琢為地面已知點在獨立坐標(biāo)系下的坐標(biāo)方位角;T為在地面已知測線上測定的陀螺方位角的平均值;？琢-T為儀器常數(shù)，當(dāng)為負值時需加360°。

3 ?陀螺全站儀定向作業(yè)流程

鄭萬項目雷家坡隧道全長8.04km，設(shè)斜井一座。為了提高隧道內(nèi)導(dǎo)線的定向精度，確保隧道準(zhǔn)確貫通，采用AGT-5陀螺全站儀在隧道進、出口各2km處以及斜井轉(zhuǎn)正洞處加測陀螺定向邊，與全站儀所測導(dǎo)線對比，是否進行陀螺定向改正。

陀螺方位角測量采用“地面已知邊（4個測回）→地下定向邊（3個測回）→地面已知邊（4個測回）”的測量程序，具體作業(yè)過程如下。

3.1 測前地面已知邊測量

選取距隧道地下定向邊較近的地面已知邊，隧道進口設(shè)站點為GPS296-1，目標(biāo)方向CPI296，出口設(shè)站點為GPS298-1，目標(biāo)方向GPS298-2，斜井設(shè)站點X-5，目標(biāo)方向X-4;在設(shè)站點上架設(shè)陀螺全站儀，將陀螺全站儀大致指北，對中整平后開機，輸入當(dāng)?shù)鼐暥?，首先進行陀螺儀自動尋北，尋北完成后瞄準(zhǔn)目標(biāo)方向，進行精尋北;精尋北后精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)方向，鎖定目標(biāo)后，得出測量結(jié)果，共進行4次定向測量，4次定向測量的數(shù)據(jù)見表1。

從表1測量數(shù)據(jù)可知，地面已知邊4次定向陀螺方位角較差最大為11″，小于規(guī)范要求的20″，觀測數(shù)據(jù)可采用。

3.2 地下定向邊測量

隧道內(nèi)地下定向邊測量步驟與地面定向邊測量步驟相同，共進行3次定向測量，3次測量結(jié)果見表2，均滿足規(guī)范要求，觀測數(shù)據(jù)可采用。

3.3 測后地面已知邊測量

隧道內(nèi)地下定向邊測量完成后，需再次進行地面已知邊定向測量;回到地面時再次測定儀器常數(shù)的目的，一是檢查陀螺全站儀在觀測過程中是否存在飄移現(xiàn)象;二是提高儀器常數(shù)值的精度。當(dāng)兩次測定的儀器常數(shù)的兩兩互差值不超過規(guī)范的規(guī)定時，可以取其平均值作為最終的儀器常數(shù)值？駐。共進行4次定向測量，4次測量結(jié)果見表3，均滿足規(guī)范要求，觀測數(shù)據(jù)可采用。

4 ?計算結(jié)果

根據(jù)外業(yè)測量所得數(shù)據(jù)，按照前文計算公式，可以得出雷家坡隧道地下定向邊陀螺儀測量得出的坐標(biāo)方位角，詳見表4。

將陀螺儀測量出的坐標(biāo)方位角與導(dǎo)線坐標(biāo)反算方位角對比，得出結(jié)果見表5。

從表5中可以看出，LJ6→LJ7方向較差為4.69″，X13→X14方向較差為3.30″，LC4→LC5方向較差為0.48″，均滿足規(guī)范要求，說明該隧道施工導(dǎo)線精度比較高，成果可用于雷家坡隧道正常施工，能確保隧道準(zhǔn)確貫通。

5 ?結(jié)束語

隧道貫通測量關(guān)系到整個工程建設(shè)的質(zhì)量，必須采取有效措施保證隧道貫通有足夠的測量精度。用AGT-5陀螺全站儀進行陀螺定向測量，對施工導(dǎo)線進行復(fù)核，可以檢查施工導(dǎo)線精度，對精度達不到要求的導(dǎo)線，加入陀螺定向測量方位角作為固定方位角進行改正，可以大大提高隧道貫通精度。

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作者簡介：潘泳（1988-），男，江西興國人，畢業(yè)于華東交通大學(xué)，研究方向為測繪工程專業(yè)。