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摘要：近年来，我国的地下工程建设越来越多，地下工程的测量工作也越来越受到重视。导线测量是隧道工程贯通测量的保障，常规导线往往难以满足隧道工程贯通测量的精度要求，为了提高隧道贯通精度，需要在适当位置用陀螺全站仪加测隧道导线边，本文首先介绍了陀螺全站仪定向原理，结合中船重工AGT-5型陀螺全站仪在郑万项目雷家坡隧道进行定向测量，将结果加入隧道内精密导线进行平差，结果加入陀螺定向测量方位角后，导线精度明显提高，确保隧道准确贯通。
关键词：地下工程测量；陀螺定向；粗定向
引言
现阶段，陀螺定向技术发展迅猛，全自动陀螺经纬仪的诞生和应用大幅度提高了作业精度，降低了操作难度。近年来陀螺定向的研究大多集中于对仪器自身，对陀螺定向技术的研究相对较少。传统定向方法对自动陀螺经纬仪不完全适用，陀螺仪电量限制导致无法在1d内完成一次完整的陀螺定向以及子午线收敛角改正数计算，给测量工作者造成了困扰。
1陀螺全站仪基本原理
陀螺全站仪是将陀螺仪和高精度全站仪集成于一体，利用高速回转体的内置陀螺测定真北方位角。其主要应用于大地测量、地下工程测量等领域。陀螺全站仪的基本原理可以理解为陀螺灵敏部（包括转子和内外两环）在重力作用下，产生一个北向进动的力矩，使其主轴围绕子午面往复摆动。往复摆动的光信号通过传感器转换为电信号传送给控制系统，控制系统自动跟踪陀螺灵敏部的方位摆动，并进行加矩控制，解算出被测目标的北向方位角。
2陀螺定向对地下导线检核作用
在地下隧道施工测量过程中，地下导线的敷设一般视作支导线的形式，测角误差对导线精度影响较大。特别是长距离隧道，导线测量不断积累误差，远离导线边的精度较低。相比之下，陀螺定向具有一定的优势，不仅不会误差累积，还能大幅度的提高导线控制精度。以某市地铁区间案例分析：起点至隧道贯通面约2km，根据《城市轨道交通工程测量规范》要求，分别在隧道开挖至1km和1.5km处采用GAT-D05陀螺全站仪进行陀螺定向测量。隧道掘进至1km处，陀螺定向测量如下：①地面已知边：先对地面已知边ⅢGDG03-WY01独立观测三测回定向测量，标定仪器常数。②地下定向边：地下导线最末端导线边Z16354-Z16185、分别独立观测两测回定向测量。③地面已知边：在原地面已知边ⅢGDG03-WY01独立观测三测回定向测量，以两次地面已知边测量结果检验陀螺仪的稳定和精度，确保陀螺定向测量成果准确可靠。ⅢGDG03→WY01进洞前与出洞后6测回陀螺方位角平均值为T地上=213°36'34.2″，地下待定边Z16354→Z16185陀螺方位角测量两测回平均值为T地下=248°45'23.6″。α地下=α地上+（T地下-T地上）+32.23×tg（当地纬度值）×（Y地面点-Y地下点）=33°44'48.7″+（248°45'23.6″-213°36'34.2″）+32.23×tg（24°）×（466.099331-467.124947）=68°53'23.3″通过计算显示，导线边Z16354→Z16185通过坐标反算方位角与陀螺定向计算的坐标方位角差值为-4.9″。同样的陀螺定向方法，在隧道掘进至1.5km处，测量最末导线边Z16830→Z16733，坐标反算测方位角与陀螺定向计算坐标方位角差值为11.5″。距离贯通面还有约500m的长度，取2倍陀螺定向中误差作为陀螺定向极限误差（10s）。考虑最不利因素影响。最大误差为22.5″，计算22.5″影响的横向贯通误差为5.4cm＜10cm限差要求。从上述案例中测量结果显示：（1）随着导线的延伸精度逐渐降低进一步得到证实。（2）陀螺定向的测量具有一定的独立性，能够有效的检核地下导线点的测量精度，进行过程的误差估算，可有效判断隧道是否能够顺利贯通。
3粗定向过程简化
对逆转点法的粗定向精度要求在±60'以内，中天法粗定向精度则要求在±10'以内，对于其他观测方法未给出精度要求。粗定向的最终目的是使陀螺主轴尽量朝向陀螺北方向。事实上，伴随着自动陀螺经纬仪的诞生，粗定向过程已经被极大程度简化，由于地磁北方向与陀螺北方向一般差距很小，自动陀螺经纬仪的粗定向要求范围为±15°，所以在使用自动陀螺经纬仪时只要应用指南针或手机指南针，将经纬仪上的度盘大致瞄准地磁北方向即可。但这一方法在矿山陀螺定向应用中有一定的局限性，矿区埋深、金属矿物等都会对指南针产生一定的影响。若在矿山测量中应用自动陀螺经纬仪时缺乏有效的粗略指北方案，陀螺定向工作便无法正常进行。同时传统陀螺经纬仪或陀螺全站仪仍在被广泛应用，必须进行粗定向，这一定向过程往往消耗一定的时间和电量。以本研究中两种陀螺定向仪器为例，电池工作时间均为3h左右，充电时间为15h，陀螺定向过程中又经常出现超限重测现象，在地下工程中1d内可能无法完成一条定向边的定向工作。仪器常数具有时效性，定向周期过长会导致仪器常数超限。若能通过一定手段针对新旧陀螺定向仪器简化粗定向过程，使得在1d内可以完成陀螺定向工作，则有助于大幅缩短操作时间、节省电量、提高作业效率。在实际地下工程中（地下导线、巷道贯通等），不论是地上还是地下边，定向前各点的坐标都是已知的，而陀螺定向的主要目的是利用陀螺这一独立的物理定向手段对几何定向成果进行测定。因此，可以利用几何定向的已知点坐标进行反算，结合地上定向的仪器常数计算出近似北方向。CD边定向简化步骤为：
（1）根据地上已知点C、D的坐标反算出地下定向边CD的坐标方位角αCD。
（2）利用已知测站点的坐标计算子午线收敛角
γ，并计算子午线收敛角改正数。
（3）根据下式计地理方位角A：
A=αCD+γ.（1）
（4）根据式（4）计算出陀螺北方向，
αT=A0-Δ.（2）
在陀螺定向过程中，仪器常数是一个待测的未知数，但是在以往的研究中发现陀螺的仪器常数是一个随时间等因素发生变化的不定量，陀螺仪器常数之间的差值一般约为几分，小于±60'和±10'限差。因此对于已知边的测定，本研究选取近期陀螺定向中计算出的陀螺仪器常数，并求得其平均值作为仪器常数代入上述计算步骤中，求出陀螺该方向值即可简化粗定向过程。对于地下未知边，将地上陀螺定向工作已经计算出的仪器常数直接代入上述计算过程即可。在实际工作中，陀螺定向可能多次在同一边上进行。因此，在进行陀螺定向过程中，可以在同一边的陀螺北方向寻找一地物并标记为陀螺北方向，在定向时只需要直接将仪器照准部对准该地物即可，如此可以简化甚至达到省略粗定向环节的目的。
结语
综上所述，隧道贯通测量关系到整个工程建设的质量，必须采取有效措施保证隧道贯通有足够的测量精度。用AGT-5陀螺全站仪进行陀螺定向测量，对施工导线进行复核，可以检查施工导线精度，对精度达不到要求的导线，加入陀螺定向测量方位角作为固定方位角进行改正，可以大大提高隧道贯通精度。
参考文献：
［1］黄心一，秦政国，陶利．TCA2003测量机器人在无锡轨道交通精密导线测量中的应用［J］．现代测绘，2014，37（1）：6～8．
［2］高军虎，秦宽．陀螺全站仪在地铁隧道贯通测量中的应用研究［J］．城市勘测，2014（4）：127～130．
［3］孙鹏．陀螺全站仪在隧道测量中的应用研究［J］．测绘与空间地理信息，2019，42（4）：188～190．