GAT-D陀螺經緯儀在長盾構區間測量中的研究與應用

朱輝

（徐州市勘察測繪研究院有限公司，江蘇徐州 221000）

1 引言

陀螺經緯儀是一種不受時間、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用。近年來，隨著我國城市軌道交通建設的飛速發展，陀螺經緯儀在城市軌道交通工程建設中的應用也越來越多，北京、廣州、深圳等城市地鐵建設中有不少利用陀螺經緯儀進行定向的工程實例，均取得了良好的效果[1]。

盾構施工工藝一般都是單向貫通，從始發井至接收井。因此，通過較短的地鐵車站進行的聯系測量，去指導較長區間盾構施工，是典型的測量技術中的引起誤差的“短邊定長邊”問題。在盾構區間隧道測量中，一般隧道內地下控制導線都布設為支導線，隨著支導線的長度，導線點的精度將逐步降低，長盾構區間的貫通測量則是地下工程測量的重難點。因此，研究在長盾構區間中進行陀螺經緯儀定向，對提高隧道貫通精度具有重大意義[2]。

本文以某地鐵盾構長區間為例，研究了GAT-D 陀螺經緯儀定向的基本原理與技術要求，同時對陀螺定向提出一些建議。通過陀螺定向成果與聯系測量成果進行比較分析，表明陀螺精度良好，成果可靠，可應用于長盾構區間測量。

2 陀螺經緯儀定向原理

陀螺經緯儀是通過高速旋轉的陀螺馬達本身的動力學特性以及地球自轉的影響，完成尋找真北方向的目的。它不受時間、氣候、地形的影響，無論白天黑夜，都能測定出測站點的真北方向。

3 應用實例

3.1 使用儀器

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

表1 GAT-D05 陀螺經緯儀技術參數

3.2 外業觀測

地鐵某盾構區間長約1.7 km，聯系測量采用兩井定向方法將方位角及坐標傳遞至井下，隧道內通過支導線進行導線控制測量，為保證隧道貫通精度，在隧道掘進至1 km 處進行陀螺定向測量，檢核聯系測量支導線傳遞的方位角。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”的流程進行[3]。

3.2.1 地面已知邊陀螺定向

對地面已知邊進行測前陀螺方位角觀測，采用聯系測量定向邊作為地面已知邊進行陀螺定向。在地面控制網點GPS051 架設陀螺經緯儀，觀測GPS051-GPS050 邊的陀螺方位角。每次定向觀測3 個測回，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ZJY7 設站，觀測ZJY7-ZJY8 的陀螺方位角，完成后進行對向觀測ZJY8-ZJY7 的陀螺方位角，并記錄至掌上電腦中。地下定向邊獨立進行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行定向，檢查儀器常數是否發生變化，由于儀器搬動及隧道內振動可能對儀器造成影響。此次觀測無須再進行初定向找北，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據如表2 所示。

表2 地面陀螺定向邊測后觀測數據

3.3 數據處理

3.3.1 儀器常數計算

根據地面已知邊GPS051-GPS050 上的測前及測后陀螺觀測數據進行計算，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″，已知邊坐標方位角為157°56′51.7″，測前儀器常數為-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″，測后儀器常數為-0°19′43.3″。測前、測后常數較差為1.6″。

3.3.2 子午線收斂角計算

子午線收斂角是指通過該點的子午線投影與過該點的縱坐標線之間的夾角，規定西偏為正，東偏為負。子午線收斂角計算見表3。

表3 子午線收斂角計算

3.3.3 坐標方位角計算

通過對儀器常數進行計算，得知儀器常數為-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+子午線收斂角，計算結果詳見表4。

表4 地下定向邊陀螺方位角計算表

4 精度分析

4.1 定向測量精度

本次陀螺經緯儀定向測量在外業測量過程中嚴格按照GB/T 50308—2017《城市軌道交通工程測量規范》中的技術要求執行，測回間陀螺方位角較差最大為7.4″，滿足規范要求的±20″；兩次儀器常數較差1.6″，滿足規范要求的±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 陀螺定向與聯系測量成果比較

陀螺定向邊成果與兩井定向聯系測量成果較差為2.0″，ZJY7-ZJY8 聯系測量成果是從隧道洞口通過兩井定向聯測及支導線引測至隧道內，而ZJY8 點位埋設在約隧道內850 m處，支導線傳遞導致導線方位精度已經嚴重降低。因此，采用自動陀螺經緯儀進行陀螺定位，能有效檢核導線方位精度，控制洞內支導線測角方位誤差的傳遞，可以提高長盾構區間的平面貫通精度。

5 影響陀螺定向精度的主要因素

5.1 振動對測量的影響

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

因此，在陀螺儀經緯儀測量過程中，不能在儀器附近做可能產生振動影響的動作。

5.2 溫度變化對測量的影響

陀螺經緯儀溫度變化主要表現為以下2 點：一是外界環境溫度的變化；二是陀螺經緯儀馬達內部產生的溫度變化。隨著陀螺儀的內部溫度升高，會因為結構材料膨脹系數的不同，導致陀螺儀的中心發生位移，從而使陀螺儀的擺動中值產生漂移，從而影響其定向精度[5]。

因此，在測量時需注意：（1）儀器使用時應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，遇到外界干擾或使用溫度與貯存溫度變化較大時，設備自動適當延長定向測量時間；（3）如果儀器使用環境溫度與儀器存放溫度相差大于5 ℃，應將儀器提前放置在工作環境溫度下穩定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系，主要指經緯度的關系；（2）地下定向邊與地面已知邊的相對位置關系，即地面已知邊與地下定向點的坐標差值，即Δγ 與ΔY[6]。

根據子午線收斂角大小隨經緯度的變化規律可知：當地下定向邊與地面已知邊距離越近時，子午線收斂角差值越小；當距離在一定范圍內時，可以使得子午線收斂角的差異較?。辉娇拷队皫н吘壍亩ㄏ蜻?，所采用的地面已知邊也應盡可能靠近定向邊，則子午線收斂角差異對陀螺定向的影響幾乎可以消除。在實際計算過程中，當ΔY 大于60 m 時，必須要進行子午線收斂角改正數計算。

6 結語

本文結合工程實例，介紹了陀螺經緯儀定向的基本原理與作業過程，對長盾構區間測量具有一定的指導意義?？偨Y本項目，得出以下經驗：

1）通過本次定向過程，可以認定GAT-D 陀螺經緯儀在野外實際定向的精度完全可以達到其標稱精度。相比傳統陀螺經緯儀，在啟動和制動陀螺時均無須等待，在定向過程中儀器采用手簿自動記錄，能達到提高精度、節省人力、節約電量、提高作業效率的目的。

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

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