HGG05陀螺全站儀在井下定向邊檢核中的應用

陳耀輝

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300143)

現階段，我國的鐵路建設處在一個高速發展期，各城市也在不斷地開展城市軌道交通建設。在鐵路和地鐵的建設過程中，隧道的貫通測量是一個非常關鍵的環節。隧道的貫通測量直接影響著工程建設的質量。對于長大隧道，為保證洞內導線測量的精度，一般情況下需要反復補測、重測、造成了很大的作業返工和浪費，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，使得其應用已經非常普遍。

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，在地球自轉的作用下，利用陀螺儀本身具有的定軸性與進動性等特點進行設計的。

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動狀況的測量鏡和參考基準鏡，向兩塊鏡子不斷投射照明光線，用敏感探測器檢測反射光，將探測器接收到的反映陀螺運動的信息轉化為脈沖信號(如圖1所示)，從而計算出真北方位值和測線方位角。

2 HGG05陀螺儀的工程應用

本文以深圳市城市軌道交通9號線某盾構區間的陀螺定向測量為例，同時將陀螺全站儀的數據后處理結果與聯系測量的結果進行對比，對HGG05陀螺全站儀應用于井下定向邊檢核的流程及應用進行實例分析。

使用HGG05陀螺儀在井下進行定向邊的檢核首先需要測定陀螺儀的儀器常數[10]。按照《城市軌道交通工程測量規范》(GB/T50308-2017)以及技術設計書的要求，需要在井下定向邊測量前后對地面已知邊(XXX5-XXX1)各進行3個測回的定向測量，標定其儀器常數。陀螺全站儀測得的地面已知邊的角度值為陀螺方位角T；由地面已知邊兩點的坐標可以求得其坐標方位角α，根據式(1)可以求得陀螺全站儀的儀器常數△。

△=α-T

(1)

在井下定向邊測量前測定的地面已知邊的陀螺方位角為179°55′49.7″，井下定向邊測量后測定的地面已知邊的陀螺方位角為179°55′41.3″。兩次測定的差值為8.4″，滿足測前、測后各3個測回測定的儀器常數平均值的較差不應大于15″的規范要求。取其平均值179°55′45.5″作為地面已知邊的陀螺方位角。然后根據地面已知邊反算出的坐標方位角即可求得儀器常數為：90°5′7.82″。

其次，需要計算出測區內的子午線收斂角，子午線收斂角γ可通過公式算得，如式(2)所示：

γ=△L×sinφ

(2)

其中，△L為測站點與中央子午線的經差，φ為測站點的地理緯度。當測區為獨立坐標系時，采用式(3)計算子午線收斂角：

γ=32.23tgφ×(y-x)

(3)

式中，y和x為地面和井下定點的橫坐標值。

然后測定井下定向邊的陀螺方位角。地面已知邊測量完成后，將儀器移至井下，在地下待定邊D142-D131進行3個測回定向測量，測量結果如表1所示：

井下定向邊成果 表1

結果表明，對井下定向邊進行3個測回的觀測，任意兩測回互差最大值為4″，滿足規范中地下定向邊測回間陀螺方位角較差應小于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，根據以上計算數據可以計算井下定向邊的坐標方位角。將上述儀器常數、子午線收斂角以及陀螺定向邊的定向成果，根據式(4)可以得到井下定向邊的坐標方位角。

α′=T′+△-γ

(4)

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

經計算，將根據陀螺儀數據計算出的定向邊坐標方位角與聯系測量導線坐標反算出的坐標方位角進行對比，如表2所示。說明HGG05陀螺儀的測量結果與傳統聯系測量的結果吻合較好，以文中敘述的實際操作流程可以將HGG05陀螺儀應用于井下定向邊的檢核測量工作。

坐標方位角對比 表2

3 軟件的設計

對于陀螺全站儀采集的數據，一般使用Excel對測得的數據進行公式計算，但由于Excel本身沒有很強的不可更改性，當計算井下坐標方位角的Excel程序在計算和使用的過程中很有可能發生錯誤，這將對工程的質量有著難以預估的影響。

為了更好地對計算過程進行封裝，保證計算過程中不會因為人為的誤操作和刪除對計算結果產生影響，從而確保數據處理的準確性與一致性，也可以更好地在項目之間和人員之間進行共享，本文利用Visual basic編程語言編寫了陀螺全站儀數據后處理軟件，實現了對井下定向邊計算的功能。

陀螺全站儀的數據后處理軟件的設計流程如圖2所示：

圖2 陀螺全站儀數據后處理軟件設計流程

4 軟件的開發

陀螺全站儀數據后處理程序主要包括以下幾個模塊：限差設置模塊、地面基準邊計算模塊、井下定向邊計算模塊和坐標方位角計算模塊。

(1)限差設置模塊

限差設置模塊主要包括井下定向邊測前和測后的儀器常數較差和陀螺方位角測回間較差。根據工程建設的測量規范和技術設計書的要求，輸入相對應的限差值，“參數設置”界面如圖3所示。

當輸入的測量數據滿足“參數設置”中的限差要求時，會彈出對話框“測前測后儀器常數較差滿足要求！”或者“測回間互差滿足要求！”；當測量數據不滿足限差要求時，則會彈出“超限！”對話框。

圖3 “參數設置”界面

(2)地面基準邊計算模塊

陀螺全站儀在井下定向邊測量之前和之后都需要對地面基準邊的陀螺方位角進行測量，然后通過與基準邊的坐標方位角進行對比，求出測前和測后的儀器常數值。根據規范規定的限差對兩次測定的儀器常數判斷是否合格。若不合格，則需要返回補測，“地面基準邊”界面如圖4所示。

圖4 “地面基準邊”界面

(3)井下定向邊計算模塊

為了保證測量精度，陀螺全站儀對井下定向邊的測量一般為2～3次，井下定向邊的陀螺方位角測回間較差需要滿足“參數設置”中輸入的限差值。同時，根據井下點聯系測量測出的高斯坐標、地面基準邊兩點的高斯坐標以及當地緯度，可以求得測站子午線收斂角，“井下定向邊”界面如圖5所示。

(4)坐標方位角計算模塊

根據井下定向邊的陀螺方位角、陀螺全站儀的儀器常數以及基準邊和定向邊的子午線收斂角可以計算定向邊的坐標方位角。該工程的所有測量成果將出現在“計算結果”界面，如圖6所示。

圖5 “井下定向邊”界面

圖6 “計算”界面

該界面中的計算結果可以以各種文檔方式保存，并直接將計算結果復制粘貼到技術報告中，整體計算簡單便捷，而且整個過程避免了外部條件的干擾，具有一定的應用價值。

5 結 語

HGG05陀螺全站儀可以作為對井下貫通測量定向邊的一種檢核方法，并且該方法不受通視情況限制，具有較高的應用價值。基于VB程序設計語言開發了針對陀螺全站儀的數據后處理軟件，將數據計算過程完整地封裝在程序里，方便在項目之間進行共享使用，而且計算效率高于常規計算方法，可以應用于其他陀螺定向工程。