陀螺定向在隧道贯通测量中的应用
摘要：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。
Abstract： Traverse survey is the guarantee of tunnel engineering penetration survey. Conventional conductors are often difficult to meet the accuracy requirements of tunnel engineering penetration survey. In order to improve tunnel penetration accuracy， it is necessary to add a gyro total station to measure the tunnel conductor edge at an appropriate location. This paper first introduces the orientation principle of gyro total station. Combined with the AGT—5 gyro total station of CSMC， the orientation survey is carried out in the Leijiapo tunnel of Zhengwan project. The results are added to the precise traverse in the tunnel for adjustment. After the results are added to the azimuth angle of gyro orientation survey， the traverse precision is obviously improved to ensure the tunnel is connected accurately.
Key words： gyro total station;meridian constringent angle;tunnel penetration measurement;penetration error。
中图分类号：U452.1+7 文献标识码：A 文章編号：1006—4311（2020）15—0192—03。
0 引言。
在铁路长大隧道控制测量中，一般采用延伸导线方式进行隧道控制测量，随着隧道的掘进，缺少足够的检核条件，导致导线精度越来越低，贯通误差随之增大。而采用高精度陀螺全站仪可在隧道内进行陀螺定向测量，通过相关计算可得到隧道内任意导线边的方位角，用来对洞内导线进行检核与修正，以提高控制网的精度。当贯通导线很长时，在合适的位置加测陀螺定向边用于导线平差，省去中间导线误差的叠加，可以大大提高隧道贯通精度。
AGT—5陀螺全站仪（见图1）是中船重工第七0七研究所研究生产的一种全自动定向设备，采用国际首创无磁电机，耗电低，无磁，仪器内部不存在磁干扰力矩，360度全周寻北，操作简单，定向速度快，设备抗干扰能力强，不受地理环境、外界磁场的影响，实现了真正意义上的一键寻北，定向精度高达5″。
2.1 定向原理。
AGT—5陀螺全站仪为悬带式陀螺仪，内置无机械位移的陀螺，内置陀螺由通过陀螺重心的悬挂带挂住，当陀螺围绕水平状态的陀螺旋转轴快速旋转时，由于惯性的原因，陀螺旋转轴会维持其原有空间位置，当旋转轴偏移北方向，地球自转会使旋转轴的水平状态发生变化，陀螺旋转轴的重心会降低，随之产生重力矩。由于旋转轴状态发生变化，陀螺围绕旋转轴跟随发生变化，通过陀螺全站仪内部结构，陀螺全站仪将向北旋转，陀螺仪指向真北方向，通过与陀螺仪一体的全站仪测量目标，可得到目标的真北方位角。
地球上某点的真子午线的切线方向为该点的真北方向，而由陀螺全站仪高速旋转确定的北方向为陀螺北方向，坐标北方向是指某点所在平面坐标系的北方向。具体关系如图2。
（1）。
（2）。
其中A为真北方位角;？琢为测线坐标方位角;？酌测站点子午线收敛角。
陀螺仪器常数计算公式：
A=T+？驻（3）。
记，？啄y表示隧道外测站和隧道内测站的子午线收敛角的差值，可按下式求得：
（4）。
其中？滋=32.23tan？渍（此公式在地面和隧道定向点的距离不超过50km，纬度小于60°时采用）。其中？渍为当地纬度;y洞外和y洞内为地面和隧道定向点的横坐标（以km为单位）。
由式（2）、（3）、（4）可以得出：
（5）。
（6）。
其中？琢为地面已知点在独立坐标系下的坐标方位角;T为在地面已知测线上测定的陀螺方位角的平均值;？琢—T为仪器常数，当为负值时需加360°。
郑万项目雷家坡隧道全长8.04km，设斜井一座。为了提高隧道内导线的定向精度，确保隧道准确贯通，采用AGT—5陀螺全站仪在隧道进、出口各2km处以及斜井转正洞处加测陀螺定向边，与全站仪所测导线对比，是否进行陀螺定向改正。
陀螺方位角测量采用“地面已知边（4个测回）→地下定向边（3个测回）→地面已知边（4个测回）”的测量程序，具体作业过程如下。
3.1 测前地面已知边测量。
选取距隧道地下定向边较近的地面已知边，隧道进口设站点为GPS296—1，目标方向CPI296，出口设站点为GPS298—1，目标方向GPS298—2，斜井设站点X—5，目标方向X—4;在设站点上架设陀螺全站仪，将陀螺全站仪大致指北，对中整平后开机，输入当地纬度，首先进行陀螺仪自动寻北，寻北完成后瞄准目标方向，进行精寻北;精寻北后精确瞄准目标方向，锁定目标后，得出测量结果，共进行4次定向测量，4次定向测量的数据见表1。
从表1测量数据可知，地面已知边4次定向陀螺方位角较差最大为11″，小于规范要求的20″，观测数据可采用。
隧道内地下定向边测量步骤与地面定向边测量步骤相同，共进行3次定向测量，3次测量结果见表2，均满足规范要求，观测数据可采用。
3.3 测后地面已知边测量。
隧道内地下定向边测量完成后，需再次进行地面已知邊定向测量;回到地面时再次测定仪器常数的目的，一是检查陀螺全站仪在观测过程中是否存在飘移现象;二是提高仪器常数值的精度。当两次测定的仪器常数的两两互差值不超过规范的规定时，可以取其平均值作为最终的仪器常数值？驻。共进行4次定向测量，4次测量结果见表3，均满足规范要求，观测数据可采用。
4 计算结果。
根据外业测量所得数据，按照前文计算公式，可以得出雷家坡隧道地下定向边陀螺仪测量得出的坐标方位角，详见表4。
将陀螺仪测量出的坐标方位角与导线坐标反算方位角对比，得出结果见表5。
从表5中可以看出，LJ6→LJ7方向较差为4.69″，X13→X14方向较差为3.30″，LC4→LC5方向较差为0.48″，均满足规范要求，说明该隧道施工导线精度比较高，成果可用于雷家坡隧道正常施工，能确保隧道准确贯通。
5 结束语。
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：
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作者简介：潘泳（1988—），男，江西兴国人，毕业于华东交通大学，研究方向为测绘工程专业。