HGG05陀螺全站儀在井下定向邊檢核中的應(yīng)用

陳耀輝

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300143)

現(xiàn)階段，我國(guó)的鐵路建設(shè)處在一個(gè)高速發(fā)展期，各城市也在不斷地開(kāi)展城市軌道交通建設(shè)。在鐵路和地鐵的建設(shè)過(guò)程中，隧道的貫通測(cè)量是一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。隧道的貫通測(cè)量直接影響著工程建設(shè)的質(zhì)量。對(duì)于長(zhǎng)大隧道，為保證洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量的精度，一般情況下需要反復(fù)補(bǔ)測(cè)、重測(cè)、造成了很大的作業(yè)返工和浪費(fèi)，致使工作效率不高，一定程度上制約了工期。陀螺全站儀由于其靈敏度較高，而且不受通視情況的限制，使得其應(yīng)用已經(jīng)非常普遍。

1 HGG05陀螺儀工作原理

HGG05陀螺全站儀與普通陀螺儀的定向原理一樣，都是以高精度全站儀為基礎(chǔ)，在地球自轉(zhuǎn)的作用下，利用陀螺儀本身具有的定軸性與進(jìn)動(dòng)性等特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

圖1 光電積分法

HGG05陀螺全站儀采用的是光電積分法。在靈敏部和儀器基體上安裝一塊反映陀螺運(yùn)動(dòng)狀況的測(cè)量鏡和參考基準(zhǔn)鏡，向兩塊鏡子不斷投射照明光線，用敏感探測(cè)器檢測(cè)反射光，將探測(cè)器接收到的反映陀螺運(yùn)動(dòng)的信息轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)(如圖1所示)，從而計(jì)算出真北方位值和測(cè)線方位角。

2 HGG05陀螺儀的工程應(yīng)用

本文以深圳市城市軌道交通9號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間的陀螺定向測(cè)量為例，同時(shí)將陀螺全站儀的數(shù)據(jù)后處理結(jié)果與聯(lián)系測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)HGG05陀螺全站儀應(yīng)用于井下定向邊檢核的流程及應(yīng)用進(jìn)行實(shí)例分析。

使用HGG05陀螺儀在井下進(jìn)行定向邊的檢核首先需要測(cè)定陀螺儀的儀器常數(shù)[10]。按照《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》(GB/T50308-2017)以及技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)的要求，需要在井下定向邊測(cè)量前后對(duì)地面已知邊(XXX5-XXX1)各進(jìn)行3個(gè)測(cè)回的定向測(cè)量，標(biāo)定其儀器常數(shù)。陀螺全站儀測(cè)得的地面已知邊的角度值為陀螺方位角T；由地面已知邊兩點(diǎn)的坐標(biāo)可以求得其坐標(biāo)方位角α，根據(jù)式(1)可以求得陀螺全站儀的儀器常數(shù)△。

△=α-T

(1)

在井下定向邊測(cè)量前測(cè)定的地面已知邊的陀螺方位角為179°55′49.7″，井下定向邊測(cè)量后測(cè)定的地面已知邊的陀螺方位角為179°55′41.3″。兩次測(cè)定的差值為8.4″，滿足測(cè)前、測(cè)后各3個(gè)測(cè)回測(cè)定的儀器常數(shù)平均值的較差不應(yīng)大于15″的規(guī)范要求。取其平均值179°55′45.5″作為地面已知邊的陀螺方位角。然后根據(jù)地面已知邊反算出的坐標(biāo)方位角即可求得儀器常數(shù)為：90°5′7.82″。

其次，需要計(jì)算出測(cè)區(qū)內(nèi)的子午線收斂角，子午線收斂角γ可通過(guò)公式算得，如式(2)所示：

γ=△L×sinφ

(2)

其中，△L為測(cè)站點(diǎn)與中央子午線的經(jīng)差，φ為測(cè)站點(diǎn)的地理緯度。當(dāng)測(cè)區(qū)為獨(dú)立坐標(biāo)系時(shí)，采用式(3)計(jì)算子午線收斂角：

γ=32.23tgφ×(y-x)

(3)

式中，y和x為地面和井下定點(diǎn)的橫坐標(biāo)值。

然后測(cè)定井下定向邊的陀螺方位角。地面已知邊測(cè)量完成后，將儀器移至井下，在地下待定邊D142-D131進(jìn)行3個(gè)測(cè)回定向測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示：

井下定向邊成果 表1

結(jié)果表明，對(duì)井下定向邊進(jìn)行3個(gè)測(cè)回的觀測(cè)，任意兩測(cè)回互差最大值為4″，滿足規(guī)范中地下定向邊測(cè)回間陀螺方位角較差應(yīng)小于20″的限差要求。取其均值作為井下定向邊的陀螺方位角成果。

最后，根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)可以計(jì)算井下定向邊的坐標(biāo)方位角。將上述儀器常數(shù)、子午線收斂角以及陀螺定向邊的定向成果，根據(jù)式(4)可以得到井下定向邊的坐標(biāo)方位角。

α′=T′+△-γ

(4)

式中，α′為求得的井下定向邊的坐標(biāo)方位角；T'為井下定向邊的陀螺方位角；△為儀器常數(shù)；γ為子午線收斂角。

經(jīng)計(jì)算，將根據(jù)陀螺儀數(shù)據(jù)計(jì)算出的定向邊坐標(biāo)方位角與聯(lián)系測(cè)量導(dǎo)線坐標(biāo)反算出的坐標(biāo)方位角進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。說(shuō)明HGG05陀螺儀的測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)聯(lián)系測(cè)量的結(jié)果吻合較好，以文中敘述的實(shí)際操作流程可以將HGG05陀螺儀應(yīng)用于井下定向邊的檢核測(cè)量工作。

坐標(biāo)方位角對(duì)比 表2

3 軟件的設(shè)計(jì)

對(duì)于陀螺全站儀采集的數(shù)據(jù)，一般使用Excel對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行公式計(jì)算，但由于Excel本身沒(méi)有很強(qiáng)的不可更改性，當(dāng)計(jì)算井下坐標(biāo)方位角的Excel程序在計(jì)算和使用的過(guò)程中很有可能發(fā)生錯(cuò)誤，這將對(duì)工程的質(zhì)量有著難以預(yù)估的影響。

為了更好地對(duì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行封裝，保證計(jì)算過(guò)程中不會(huì)因?yàn)槿藶榈恼`操作和刪除對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，從而確保數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性與一致性，也可以更好地在項(xiàng)目之間和人員之間進(jìn)行共享，本文利用Visual basic編程語(yǔ)言編寫(xiě)了陀螺全站儀數(shù)據(jù)后處理軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下定向邊計(jì)算的功能。

陀螺全站儀的數(shù)據(jù)后處理軟件的設(shè)計(jì)流程如圖2所示：

圖2 陀螺全站儀數(shù)據(jù)后處理軟件設(shè)計(jì)流程

4 軟件的開(kāi)發(fā)

陀螺全站儀數(shù)據(jù)后處理程序主要包括以下幾個(gè)模塊：限差設(shè)置模塊、地面基準(zhǔn)邊計(jì)算模塊、井下定向邊計(jì)算模塊和坐標(biāo)方位角計(jì)算模塊。

(1)限差設(shè)置模塊

限差設(shè)置模塊主要包括井下定向邊測(cè)前和測(cè)后的儀器常數(shù)較差和陀螺方位角測(cè)回間較差。根據(jù)工程建設(shè)的測(cè)量規(guī)范和技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)的要求，輸入相對(duì)應(yīng)的限差值，“參數(shù)設(shè)置”界面如圖3所示。

當(dāng)輸入的測(cè)量數(shù)據(jù)滿足“參數(shù)設(shè)置”中的限差要求時(shí)，會(huì)彈出對(duì)話框“測(cè)前測(cè)后儀器常數(shù)較差滿足要求！”或者“測(cè)回間互差滿足要求！”；當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)不滿足限差要求時(shí)，則會(huì)彈出“超限！”對(duì)話框。

圖3 “參數(shù)設(shè)置”界面

(2)地面基準(zhǔn)邊計(jì)算模塊

陀螺全站儀在井下定向邊測(cè)量之前和之后都需要對(duì)地面基準(zhǔn)邊的陀螺方位角進(jìn)行測(cè)量，然后通過(guò)與基準(zhǔn)邊的坐標(biāo)方位角進(jìn)行對(duì)比，求出測(cè)前和測(cè)后的儀器常數(shù)值。根據(jù)規(guī)范規(guī)定的限差對(duì)兩次測(cè)定的儀器常數(shù)判斷是否合格。若不合格，則需要返回補(bǔ)測(cè)，“地面基準(zhǔn)邊”界面如圖4所示。

圖4 “地面基準(zhǔn)邊”界面

(3)井下定向邊計(jì)算模塊

為了保證測(cè)量精度，陀螺全站儀對(duì)井下定向邊的測(cè)量一般為2～3次，井下定向邊的陀螺方位角測(cè)回間較差需要滿足“參數(shù)設(shè)置”中輸入的限差值。同時(shí)，根據(jù)井下點(diǎn)聯(lián)系測(cè)量測(cè)出的高斯坐標(biāo)、地面基準(zhǔn)邊兩點(diǎn)的高斯坐標(biāo)以及當(dāng)?shù)鼐暥龋梢郧蟮脺y(cè)站子午線收斂角，“井下定向邊”界面如圖5所示。

(4)坐標(biāo)方位角計(jì)算模塊

根據(jù)井下定向邊的陀螺方位角、陀螺全站儀的儀器常數(shù)以及基準(zhǔn)邊和定向邊的子午線收斂角可以計(jì)算定向邊的坐標(biāo)方位角。該工程的所有測(cè)量成果將出現(xiàn)在“計(jì)算結(jié)果”界面，如圖6所示。

圖5 “井下定向邊”界面

圖6 “計(jì)算”界面

該界面中的計(jì)算結(jié)果可以以各種文檔方式保存，并直接將計(jì)算結(jié)果復(fù)制粘貼到技術(shù)報(bào)告中，整體計(jì)算簡(jiǎn)單便捷，而且整個(gè)過(guò)程避免了外部條件的干擾，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié) 語(yǔ)

HGG05陀螺全站儀可以作為對(duì)井下貫通測(cè)量定向邊的一種檢核方法，并且該方法不受通視情況限制，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。基于VB程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了針對(duì)陀螺全站儀的數(shù)據(jù)后處理軟件，將數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程完整地封裝在程序里，方便在項(xiàng)目之間進(jìn)行共享使用，而且計(jì)算效率高于常規(guī)計(jì)算方法，可以應(yīng)用于其他陀螺定向工程。