GAT-D陀螺經(jīng)緯儀在長盾構(gòu)區(qū)間測量中的研究與應(yīng)用

朱輝

（徐州市勘察測繪研究院有限公司，江蘇徐州 221000）

1 引言

陀螺經(jīng)緯儀是一種不受時(shí)間、地形等影響，能夠測定真北方位的物理定向儀器，在國防、煤礦、鐵路等部門得到廣泛應(yīng)用。近年來，隨著我國城市軌道交通建設(shè)的飛速發(fā)展，陀螺經(jīng)緯儀在城市軌道交通工程建設(shè)中的應(yīng)用也越來越多，北京、廣州、深圳等城市地鐵建設(shè)中有不少利用陀螺經(jīng)緯儀進(jìn)行定向的工程實(shí)例，均取得了良好的效果[1]。

盾構(gòu)施工工藝一般都是單向貫通，從始發(fā)井至接收井。因此，通過較短的地鐵車站進(jìn)行的聯(lián)系測量，去指導(dǎo)較長區(qū)間盾構(gòu)施工，是典型的測量技術(shù)中的引起誤差的“短邊定長邊”問題。在盾構(gòu)區(qū)間隧道測量中，一般隧道內(nèi)地下控制導(dǎo)線都布設(shè)為支導(dǎo)線，隨著支導(dǎo)線的長度，導(dǎo)線點(diǎn)的精度將逐步降低，長盾構(gòu)區(qū)間的貫通測量則是地下工程測量的重難點(diǎn)。因此，研究在長盾構(gòu)區(qū)間中進(jìn)行陀螺經(jīng)緯儀定向，對(duì)提高隧道貫通精度具有重大意義[2]。

本文以某地鐵盾構(gòu)長區(qū)間為例，研究了GAT-D 陀螺經(jīng)緯儀定向的基本原理與技術(shù)要求，同時(shí)對(duì)陀螺定向提出一些建議。通過陀螺定向成果與聯(lián)系測量成果進(jìn)行比較分析，表明陀螺精度良好，成果可靠，可應(yīng)用于長盾構(gòu)區(qū)間測量。

2 陀螺經(jīng)緯儀定向原理

陀螺經(jīng)緯儀是通過高速旋轉(zhuǎn)的陀螺馬達(dá)本身的動(dòng)力學(xué)特性以及地球自轉(zhuǎn)的影響，完成尋找真北方向的目的。它不受時(shí)間、氣候、地形的影響，無論白天黑夜，都能測定出測站點(diǎn)的真北方向。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 使用儀器

本項(xiàng)目擬使用由長安大學(xué)測繪與空間信息研究所、北斗天恒（西安）科技發(fā)展有限公司聯(lián)合研制的GAT-D05 全自動(dòng)陀螺全站儀，該陀螺儀的主要功能是測定真北方向，主要應(yīng)用于礦山與地鐵隧道測量等領(lǐng)域。GAT-D05 陀螺經(jīng)緯儀技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 GAT-D05 陀螺經(jīng)緯儀技術(shù)參數(shù)

3.2 外業(yè)觀測

地鐵某盾構(gòu)區(qū)間長約1.7 km，聯(lián)系測量采用兩井定向方法將方位角及坐標(biāo)傳遞至井下，隧道內(nèi)通過支導(dǎo)線進(jìn)行導(dǎo)線控制測量，為保證隧道貫通精度，在隧道掘進(jìn)至1 km 處進(jìn)行陀螺定向測量，檢核聯(lián)系測量支導(dǎo)線傳遞的方位角。陀螺定向方法按照“地面已知邊定向—地下定向邊往返定向—地面已知邊測后定向”的流程進(jìn)行[3]。

3.2.1 地面已知邊陀螺定向

對(duì)地面已知邊進(jìn)行測前陀螺方位角觀測，采用聯(lián)系測量定向邊作為地面已知邊進(jìn)行陀螺定向。在地面控制網(wǎng)點(diǎn)GPS051 架設(shè)陀螺經(jīng)緯儀，觀測GPS051-GPS050 邊的陀螺方位角。每次定向觀測3 個(gè)測回，測回間陀螺方位角較差最大值為6.9″，測前測后零位變化均小于0.1 格。

3.2.2 地下定向邊陀螺定向

在完成地上已知邊測前觀測后，在地下控制點(diǎn)ZJY7 設(shè)站，觀測ZJY7-ZJY8 的陀螺方位角，完成后進(jìn)行對(duì)向觀測ZJY8-ZJY7 的陀螺方位角，并記錄至掌上電腦中。地下定向邊獨(dú)立進(jìn)行3 測回，往返定向2 次。測回間陀螺方位角較差最大值為7.4″。

3.2.3 地面已知邊測后檢查

完成地下定向邊陀螺定向后，還需回到地面已知邊進(jìn)行定向，檢查儀器常數(shù)是否發(fā)生變化，由于儀器搬動(dòng)及隧道內(nèi)振動(dòng)可能對(duì)儀器造成影響。此次觀測無須再進(jìn)行初定向找北，可采用第一次的陀螺北觀測值作為初北方向。測回間陀螺方位角較差最大值為6.4″。地面陀螺定向邊測后觀測數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 地面陀螺定向邊測后觀測數(shù)據(jù)

3.3 數(shù)據(jù)處理

3.3.1 儀器常數(shù)計(jì)算

根據(jù)地面已知邊GPS051-GPS050 上的測前及測后陀螺觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，測前地面已知邊陀螺方位角觀測平均值為157°37′10.0″，觀測值中誤差為2.0″，已知邊坐標(biāo)方位角為157°56′51.7″，測前儀器常數(shù)為-0°19′41.7″。測后地面陀螺方位角觀測平均值為157°37′8.4″，觀測值中誤差為2.9″，測后儀器常數(shù)為-0°19′43.3″。測前、測后常數(shù)較差為1.6″。

3.3.2 子午線收斂角計(jì)算

子午線收斂角是指通過該點(diǎn)的子午線投影與過該點(diǎn)的縱坐標(biāo)線之間的夾角，規(guī)定西偏為正，東偏為負(fù)。子午線收斂角計(jì)算見表3。

表3 子午線收斂角計(jì)算

3.3.3 坐標(biāo)方位角計(jì)算

通過對(duì)儀器常數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得知儀器常數(shù)為-0°19′42.5″。

地下定向邊陀螺方位角=地下邊陀螺觀測方位角（ZJY7-ZJY8）-儀器常數(shù)+子午線收斂角，計(jì)算結(jié)果詳見表4。

表4 地下定向邊陀螺方位角計(jì)算表

4 精度分析

4.1 定向測量精度

本次陀螺經(jīng)緯儀定向測量在外業(yè)測量過程中嚴(yán)格按照GB/T 50308—2017《城市軌道交通工程測量規(guī)范》中的技術(shù)要求執(zhí)行，測回間陀螺方位角較差最大為7.4″，滿足規(guī)范要求的±20″；兩次儀器常數(shù)較差1.6″，滿足規(guī)范要求的±15″；測前、測后地面定向邊陀螺方位角中誤差分別為2.0″、2.9″，觀測地下定向邊陀螺方位角中誤差為1.2″[4]。

4.2 陀螺定向與聯(lián)系測量成果比較

陀螺定向邊成果與兩井定向聯(lián)系測量成果較差為2.0″，ZJY7-ZJY8 聯(lián)系測量成果是從隧道洞口通過兩井定向聯(lián)測及支導(dǎo)線引測至隧道內(nèi)，而ZJY8 點(diǎn)位埋設(shè)在約隧道內(nèi)850 m處，支導(dǎo)線傳遞導(dǎo)致導(dǎo)線方位精度已經(jīng)嚴(yán)重降低。因此，采用自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀進(jìn)行陀螺定位，能有效檢核導(dǎo)線方位精度，控制洞內(nèi)支導(dǎo)線測角方位誤差的傳遞，可以提高長盾構(gòu)區(qū)間的平面貫通精度。

5 影響陀螺定向精度的主要因素

5.1 振動(dòng)對(duì)測量的影響

陀螺經(jīng)緯儀的振動(dòng)受內(nèi)部因素及外部環(huán)境的影響。在使用過程中重點(diǎn)需要注意外部環(huán)境的影響。外部環(huán)境影響主要有以下幾點(diǎn):（1）人員在儀器旁來回走動(dòng)，由于地鐵隧道臨時(shí)人行通道比較窄，過往人員較多；（2）隧道內(nèi)電瓶車行駛振動(dòng)影響；（3）隧道內(nèi)施工影響，特別是有爆破沖擊振動(dòng)源等。

因此，在陀螺儀經(jīng)緯儀測量過程中，不能在儀器附近做可能產(chǎn)生振動(dòng)影響的動(dòng)作。

5.2 溫度變化對(duì)測量的影響

陀螺經(jīng)緯儀溫度變化主要表現(xiàn)為以下2 點(diǎn)：一是外界環(huán)境溫度的變化；二是陀螺經(jīng)緯儀馬達(dá)內(nèi)部產(chǎn)生的溫度變化。隨著陀螺儀的內(nèi)部溫度升高，會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)材料膨脹系數(shù)的不同，導(dǎo)致陀螺儀的中心發(fā)生位移，從而使陀螺儀的擺動(dòng)中值產(chǎn)生漂移，從而影響其定向精度[5]。

因此，在測量時(shí)需注意：（1）儀器使用時(shí)應(yīng)盡量避免太陽光長期直射；（2）為保證測量精度，尋北儀在定向測量時(shí)，遇到外界干擾或使用溫度與貯存溫度變化較大時(shí)，設(shè)備自動(dòng)適當(dāng)延長定向測量時(shí)間；（3）如果儀器使用環(huán)境溫度與儀器存放溫度相差大于5 ℃，應(yīng)將儀器提前放置在工作環(huán)境溫度下穩(wěn)定2～4 h。

5.3 子午線收斂角的影響

子午線收斂角改正值Δγ 主要受以下因素影響：（1）地下定向邊與地面已知邊所在投影帶的地理位置關(guān)系，主要指經(jīng)緯度的關(guān)系；（2）地下定向邊與地面已知邊的相對(duì)位置關(guān)系，即地面已知邊與地下定向點(diǎn)的坐標(biāo)差值，即Δγ 與ΔY[6]。

根據(jù)子午線收斂角大小隨經(jīng)緯度的變化規(guī)律可知：當(dāng)?shù)叵露ㄏ蜻吪c地面已知邊距離越近時(shí)，子午線收斂角差值越?。划?dāng)距離在一定范圍內(nèi)時(shí)，可以使得子午線收斂角的差異較??；越靠近投影帶邊緣的定向邊，所采用的地面已知邊也應(yīng)盡可能靠近定向邊，則子午線收斂角差異對(duì)陀螺定向的影響幾乎可以消除。在實(shí)際計(jì)算過程中，當(dāng)ΔY 大于60 m 時(shí)，必須要進(jìn)行子午線收斂角改正數(shù)計(jì)算。

6 結(jié)語

本文結(jié)合工程實(shí)例，介紹了陀螺經(jīng)緯儀定向的基本原理與作業(yè)過程，對(duì)長盾構(gòu)區(qū)間測量具有一定的指導(dǎo)意義?？偨Y(jié)本項(xiàng)目，得出以下經(jīng)驗(yàn)：

1）通過本次定向過程，可以認(rèn)定GAT-D 陀螺經(jīng)緯儀在野外實(shí)際定向的精度完全可以達(dá)到其標(biāo)稱精度。相比傳統(tǒng)陀螺經(jīng)緯儀，在啟動(dòng)和制動(dòng)陀螺時(shí)均無須等待，在定向過程中儀器采用手簿自動(dòng)記錄，能達(dá)到提高精度、節(jié)省人力、節(jié)約電量、提高作業(yè)效率的目的。

2）為保證測量精度，需避免外界干擾，特別是隧道內(nèi)振動(dòng)及溫度變化對(duì)測量的影響。

3）在實(shí)際工作中，盡可能保證已知邊靠近定向邊，減小子午線收斂角影響，當(dāng)ΔY 大于60 m 時(shí)，必須添加子午線收斂角改正數(shù)。