長距離盾構(gòu)隧道陀螺定向技術(shù)應(yīng)用

朱寧利

摘要 隨著我國現(xiàn)代化交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，城市地鐵在交通運(yùn)輸中越來越重要，盾構(gòu)機(jī)開挖隧道成為多數(shù)地鐵施工的優(yōu)先施工方案。文章以南京地鐵10號線為例，分析陀螺經(jīng)緯儀在隧道貫通中的使用，介紹陀螺經(jīng)緯儀在隧道測量中的必要性，結(jié)合南京地鐵10號線中間風(fēng)井至江心洲區(qū)間隧道陀螺定向數(shù)據(jù)分析，剖析陀螺定向的工作過程。

關(guān)鍵詞 閉合導(dǎo)線;隧道測量;陀螺定向

中圖分類號 TD175 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0100-03

0 引言

地鐵施工測量工作受到復(fù)雜環(huán)境的影響日益增大，特別是在城市繁華區(qū)修建地鐵，在盾構(gòu)井下測量條件受到極大限制，隧道定向精度難以確保[1]。而將陀螺定向技術(shù)運(yùn)用到地下工程施工中，可大大提升地鐵隧道測量的精度，確保隧道工程的順利貫通。

1 所在項(xiàng)目情況

實(shí)例工程位于南京地鐵10號線中間風(fēng)井至江心洲區(qū)間隧道，隧道區(qū)間總長度為3 200 m，陀螺定向的目的是檢核隧道內(nèi)DGY950～DGY1041邊的方位角，保證隧道貫通精度。

2 陀螺定向的原理

陀螺定向是運(yùn)用陀螺經(jīng)緯儀直接測定井下未知邊的方位角[2]。它運(yùn)用幾何定向方法，解決了聯(lián)系測量中操作時間過長、工作組織困難等問題，廣泛應(yīng)用于盾構(gòu)井下聯(lián)系測量和控制井下導(dǎo)線方向誤差的積累。

陀螺經(jīng)緯儀是利用陀螺儀特性及地球自轉(zhuǎn)來測定地理真北的儀器。它不受氣候、地理、磁場的影響，可以根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行任意目標(biāo)地理方位的測定，在建設(shè)行業(yè)發(fā)展方面具有重要的作用，尤其是在地下空間施工過程中格外重要[3]。使用陀螺經(jīng)緯儀能提高地面、聯(lián)系、井下導(dǎo)線測量方位測量中的精度，直接提高隧道橫向貫通的準(zhǔn)度。

陀螺經(jīng)緯儀進(jìn)行井下定向常用方法有逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法和中天法。兩者差別在于測定陀螺北方向時，中天法的儀器照準(zhǔn)部處于固定狀態(tài)，而逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法的儀器照準(zhǔn)部則是處于跟蹤狀態(tài)。中天法具有施工條件較差，不受人員、突發(fā)因素干擾，靈活省力，確保精度的優(yōu)勢，所以在施工中有很好的適用性。

3 采用坐標(biāo)系統(tǒng)及控制點(diǎn)成果

采用北京54坐標(biāo)系，利用導(dǎo)線點(diǎn)DXJ13、DXJ12兩個點(diǎn)作為儀器常數(shù)測定邊，而隧道內(nèi)未知定向點(diǎn)所使用的是DGY950和DGY1041，坐標(biāo)數(shù)據(jù)如表1。

4 隧道采用陀螺經(jīng)緯儀定向時的聯(lián)系測量

測量采用索佳GP3130/R3陀螺全站儀，全站式陀螺儀是將陀螺儀安放在全站儀之上而構(gòu)成的。隧道陀螺定向經(jīng)過盾構(gòu)井聯(lián)系測量一般分為三個步驟：

（1）經(jīng)盾構(gòu)井由地面向已知點(diǎn)水平投點(diǎn)。

（2）盾構(gòu)井上、下用垂球吊線連接測量。

（3）盾構(gòu)井下基本控制導(dǎo)線起始邊的陀螺經(jīng)緯儀定向。

聯(lián)系測量的平面布置圖如圖1所示：DXJ13～DXJ12邊為起始方向;DG1為連接地面的導(dǎo)線點(diǎn)：DGY950～DGY1041為隧道基本導(dǎo)線控制邊，即陀螺定向邊;GS15、GS120、GS200、GS500、GS800、GS400、GS300、GS100為隧道內(nèi)的連接二級導(dǎo)線點(diǎn)。GS15與GS120組成一組隧道內(nèi)永久導(dǎo)線點(diǎn)。

4.1 盾構(gòu)井導(dǎo)向點(diǎn)橫向布設(shè)

為保證精度該次采用鋼絲投點(diǎn)法，因盾構(gòu)井深度大，采用鋼絲投點(diǎn)可以減少風(fēng)、濕度、空氣質(zhì)量對于精度的影響，也可以減少對于盾構(gòu)井的占用空間，進(jìn)而快速有效地完成施工作業(yè)。

4.2 聯(lián)系定向測量

地面連接：由地面已知邊DXJ13～DXJ12鋪設(shè)二級導(dǎo)線至連接點(diǎn)DG1。在DG1架設(shè)儀器和吊垂線上A連接，測得角和量邊的精度。

盾構(gòu)井下連接的方法：井下未知點(diǎn)從GS15到GS50后閉合至點(diǎn)GS15。在GS15上架設(shè)儀器與兩根鋼絲垂球線進(jìn)行連測，每次定向須獨(dú)立測量三次，取三次的平均結(jié)果，連測精度要求與二級導(dǎo)線相符。

4.3 使用陀螺定向時的過程

陀螺定向采用中天法，測量過程如下：

（1）在已知方位的邊上測量卻定儀器的常數(shù)。

（2）在未知邊上進(jìn)行儀器架設(shè)并計(jì)算出結(jié)果。

①觀測測量前的方向值;

②觀察測前的零位;

③簡單定向，調(diào)整望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸位于靠近北的方向;

④精密定向，即測定陀螺擺動的平衡位置（陀螺北方向）;

⑤觀測測后零位;

⑥觀測測后測線方向值。

（3）在已知邊上再次布設(shè)儀器測定得出其上值。測量和計(jì)算的結(jié)果可從文中圖表中表現(xiàn)。

5 陀螺定向時的專業(yè)計(jì)算

5.1 當(dāng)子午收斂角計(jì)算時注意事項(xiàng)

由地面上的已經(jīng)知道的點(diǎn)作為已知邊進(jìn)行測定，可求出它的坐標(biāo)方位角α，但不是地理方位角A。因此還需要計(jì)算出子午線的收斂角γ?？梢愿鶕?jù)公式γ=Ky計(jì)算出數(shù)值是9′20.7″。

5.2 地面已知邊上進(jìn)行儀器常數(shù)測算

在地面已知邊用兩次三測回測，獨(dú)立測得陀螺方位，求得平均儀器常數(shù)。

可以根據(jù)公式求出：

Δ=A0?αT （1）

求得平均常數(shù)為：Δ=?17.0″。

式中，Δ——儀器常數(shù);

A0——已知邊的地理方位角;

αT——已知邊的陀螺方位角。

地面已知邊地理方位角A0=坐標(biāo)方位角αT+收斂角γ=279°32′38.7″。

根據(jù)表2可計(jì)算出其結(jié)果為：?16.3″。

表3可知儀器的常數(shù)均值：?17.6″。

第一次定向儀器常數(shù)均值?17.0″。

5.3 井下隧道定向邊測定陀螺方位

儀器安置在點(diǎn)DGY950上，可測出DGY950～DGY1041兩點(diǎn)邊的陀螺方位角αT′。

測定定向陀螺方位角應(yīng)獨(dú)立二次進(jìn)行，定向邊地理方位角A可根據(jù)下式計(jì)算：

A=αT′+Δ （2）

計(jì)算求得其地理方位角的均值為313°54′36.1″。

盾構(gòu)井下測量計(jì)算如表4。

在井下測出其結(jié)果是：314°04′26.7″，算出定向邊的均值：313°54′36.1″。

5.4 儀器由地面重新測定儀器常數(shù)

儀器上井后，應(yīng)在已知邊DXJ13～DXJ12上重新測儀器常數(shù)3次。然后求出儀器的第二次定向儀器常數(shù)均值?19.4″，前后兩次測得儀器常數(shù)互差應(yīng)小于15″。并根據(jù)公式來評定測定中誤差：

（3）

式中，nΔ——所用儀器測量儀器常數(shù)的次數(shù)。

表5可知：儀器常數(shù)均值：?17.6″。

表6可知：儀器常數(shù)均值：?21.3″。

第二次定向儀器常數(shù)均值?19.4″。

5.5 儀器在井下重新測定未知邊的陀螺方位角

為了保證測量精度，儀器重新下井測的陀螺方位角的平均值：314°04′34.0″;坐標(biāo)方位角平均值：313°54′41.0″。

表7可知：前后兩次測得DGY950～DGY1041邊坐標(biāo)方位角互差為4.9″，符合規(guī)范要求;兩次測得盾構(gòu)井下兩點(diǎn)定向邊方位角平均值為：313°54′38.6″。

6 主要的測算要求

（1）全站儀的精度不應(yīng)低于2″，陀螺儀一次定向的精度不應(yīng)小于20″。

（2）測前、測后各三測回測定的陀螺經(jīng)緯儀兩常數(shù)平均值較差不應(yīng)大于15″。

（3）三測回間的陀螺方位角較差不應(yīng)大于25″。

（4）每次獨(dú)立測定的平均值比較差值應(yīng)小于12″。

7 陀螺定向時注意事項(xiàng)

陀螺經(jīng)緯儀是以動力學(xué)理論為基礎(chǔ)的光、機(jī)、電相結(jié)合的精密儀器。在作業(yè)時陀螺靈敏部位具有比較大的慣性，必須注意使用方法，進(jìn)行專業(yè)化管理，注意儀器的日常維保工作。同時在測量前應(yīng)考慮到周邊環(huán)境對陀螺經(jīng)緯儀的影響，所以在使用中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

（1）陀螺經(jīng)緯儀必須專業(yè)人員來操作。儀器的定向精度與人員的操作熟練程度有關(guān)，因?yàn)槿搜塾^測時不同人觀測目標(biāo)有微小差異，在作業(yè)時盡可能同一人員操作。

（2）在儀器運(yùn)轉(zhuǎn)時禁止搬動和水平旋轉(zhuǎn)儀器，如移動儀器容易損壞儀器軸承，對陀螺全站儀要輕拿輕放，避免猛烈沖擊和震動。

（3）在架設(shè)儀器時應(yīng)考慮到儀器的敏感性，不要將儀器架設(shè)樓房電梯附近;也應(yīng)遠(yuǎn)離水塔等容易發(fā)生震動的物體附近。

（4）當(dāng)儀器目鏡或其他光學(xué)零件受到污染時，應(yīng)用軟毛刷輕輕刷掉灰塵，然后用鏡頭紙或者絨布擦拭，以免鏡片受到污染。

（5）在野外觀測時，要避免太陽光照射。

8 結(jié)語

陀螺定向技術(shù)在施工過程中應(yīng)用比較廣泛，但是在實(shí)際施工過程中會遇到各種難點(diǎn)。該次陀螺定向采用中天法，在較長盾構(gòu)隧道布設(shè)導(dǎo)線時，加測陀螺定向并進(jìn)行平差，從而提高了導(dǎo)線點(diǎn)的橫向精度，保證了隧道順利貫通。確定了長距離、大直徑復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的地鐵隧道中運(yùn)用陀螺定向可行性。工程施工效果比較明顯，對于類似盾構(gòu)地鐵施工也能夠起到參考和借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

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