GAT陀螺全站仪在地下工程测量中的应用

■陈富强 魏磊 王必成

（河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院河南郑州450006）

GAT陀螺全站仪在地下工程测量中的应用

■陈富强 魏磊 王必成

（河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院河南郑州450006）

本文简要介绍了GAT陀螺全站仪的工作原理，主要总结了GAT陀螺全站仪在矿山、隧道等地下工程测量中的应用；最后通过GAT陀螺全站仪的应用实例总结出其方便、快捷、可靠性强、稳定性高、自动化程度高、环境适应性强等特点，能极大提高矿山、隧道测量的贯通精度和生产效率。

GAT 陀螺全站仪 工作原理 地下工程测量 优越性

1 引言

GAT高精度磁悬浮陀螺全站仪是由长安大学测绘与空间信息研究所和中国航天科技集团公司共同研制开发并具有独立知识产权的国内第一台高精度磁悬浮全自动陀螺定向仪器[1]。该仪器能无依托、自主寻北，测定地下目标的方位角。除架设、调平及瞄准需要人工干预外，整个测量过程为全自动、无需手工操作，只需8分钟测量时间，结束后自动给出瞄准目标的法线与真北方位角，据此可以确定任意方向线的坐标方位角，实现地下工程测量的精准贯通和精确定向。

与国外的高精度自动陀螺全站仪相比，除具有精度高、自动化程度高和环境适应性强等特点之外，具有更多的自动数据处理、误差评定、详细的数据与信息显示及存储功能，更具有开机即工作的功能，也大大提高了在地下工程测量中对强磁、震动、瓦斯、风力、潮湿、高低温等的环境适应性。极大地方便了地下测量工程作业。

2 工作原理

2.1 陀螺仪的两个特性

陀螺仪的两个基本特性是定轴性和进动性。

（1）转子绕自转轴高速旋转时，如果不受外力作用，自转轴将相对于惯性空间保持方向不变，即它的方向始终指向恒定方向，所谓定轴性。

（2）陀螺轴在受外力作用时，将产生非常重要效应——“推动”，所谓进动性。

没有任何外力作用，并具有三个自由度的陀螺仪叫自由陀螺仪，下图为自由陀螺仪的模型及原理示意图：

2.2 陀螺方位角的计算

陀螺仪轴与望远镜光轴及观测目镜分化板零分化线所代表的光轴通常不在同一竖直面中，所以假想的陀螺仪的稳定位置通常不与地理子午线重合，二者的夹角称为仪器常数，一般用Δ表示。如果陀螺子午线位于地理子午线的东部，Δ为正；反之，为负。

仪器常数Δ可以在已知方位角的精密导线边或三角网边上直接测出来，如下图所示，精密导线边CD之地理方位角为Ao，若在C点安置GAT陀螺全站仪，通过陀螺运转和观测可求出CD边的陀螺方位角at，可按下式求出仪器常数：Δ＝Ao-at。

井下定向边上测定陀螺方位角：井下定向边的长度应大于30m，如上图所示，仪器安置在C点，可测出CD边的陀螺方位角at，测定向边的地理方位角A为：Ao=at+Δ。

子午线收敛角：一般地面精密导线边或三角网边已知的是坐标方位角ao，需要求算的井下定向边，也就是要求出其坐标方位角at，而不是地理方位角Ao，因此还需要求算子午线收敛角。如上图所示地理方位角和坐标方位角的关系为：Ao=ao+yo[2]。

子午线收敛角yo的符号可由安装仪器点的位置来确定，即在中央子午线以东为正，以西为负；其值可根据安装仪器点的高斯平面坐标查表求得。

3 在地下工程测量中的应用

3.1 联系测量

通过在井筒中悬挂的一根钢丝形成的竖直面将井上的控制点位传递到井下。待钢丝完全稳定后井上、井下同时进行观测2至3个测回，取其平均值作为有效观测值。再用GAT陀螺全站仪进行定向测量，即确定井下起始控制点的坐标与起始边的方位角。最后采用钢丝法导入控制点的高程。利用GAT陀螺全站仪进行竖井联系测量，克服了几何定向精度低、占用井筒时间长、影响施工或者生产等缺点，提高了井下测量的数据精度，为煤矿安全生产工作提供了有力保证[3]。

3.2 井下导线测量

井下巷道导线测量是在联系测量中对已确定井下导线起始点的坐标与起始边的方位角，采用GAT陀螺全站仪在起始边一点上设站，另一点为后视运用三架法进行导线测量，水平角观测1测回，距离观测2测回，高程测量采用三角高程导线测量法直返觇观测伪高差，测量时用钢尺丈量导线点至巷道顶、底板及左右帮的距离，求取其断面和采出量。同时对一些导线边加测陀螺边，对加测陀螺边的导线控制网进行整体平差，一则为提高精度，二则为进行检查，这样还能够及时发现问题，随时进行检查，以确保导线质量和精度。从测量精度和施测成本的角度出发，加测陀螺边的导线测量方案比较符合井下测量实际。

3.3 贯通测量

随着我国特长铁路、公路隧道、大型矿山的不断出现，隧道工程中对贯通测量的要求很高。如果单纯采用传统的光电导线进行隧道控制测量，要实现准确、高质量的贯通，往往不大好实现。因为导线在测量中具有误差传递性，在经过多个转折角测量后的误差传递可能导致最终贯通点有较大偏差，这样会给施工很大的麻烦[4]。目前国内解决这个问题的最好办法就是在导线中适当加测陀螺方位角，用以控制导线的误差传递，实现高可靠性、高精度的隧道贯通。

3.4 其他应用领域

其他应用领域：大型隧道贯通测量、地铁工程测量、矿山贯通测量、导弹发射瞄准系统、炮兵阵地联测、建立方位基准及导航设备标校等领域。

4 工程案例

目前GAT陀螺全站仪已形成系列化产品。在厦门翔安海底隧道贯通、南水北调穿黄工程、福建龙岩马坑铁矿等20余项国内重大工程中应用，并取得了良好的效果。

4.1 西安地铁2号线

GAT陀螺全站仪被尝试用于西安地铁2号线南康村至方新村段的贯通测量，在国内地铁建设领域尚属首次。中铁一局承担的标段左右线全部采用GAT磁悬浮陀螺全站仪测量，最终贯通精度优于5厘米，实测定向精度分别为3.5秒、3.2秒[5]。

西安地铁2号线进入“盾构时代”后，如何顺利实现盾构隧道，特别是暗挖段隧道的精确贯通，是地铁建设测绘工程师们需要费尽心思破解的技术难题。因为使用进口盾构机械，均自带精确制导系统，误差非常微小；但在车站连接处，还有暗挖隧道区间，精确定向难度比较大，传统悬吊钢丝的测量方法误差相对较大。地铁整体道床铺轨要求高程贯通测量误差在25mm内，尝试使用新技术，代替传统方法。在测绘行业专家的参与下，该设备完成地铁领域的首次现场试验，取得了良好的效果。

4.2 南水北调中线穿黄隧道

该隧道长度4250米，其中过河隧道长3450米，南岸邙山隧洞段长800米，埋深32.5米，水压最大达4KG。工程造价48960万元，工程工期55个月。GAT陀螺全站仪定向测量是隧道定向测量和精确贯通的必备条件。在该条件下，对GAT陀螺全站仪的精度、稳定性和效率都提出了新的要求。

2008年8月利用GAT陀螺全站仪对隧道内外的4条定向边进行了定向测量并进行结果对比，结果显示：用于南水北调穿黄隧道的贯通测量，一次测定中误差±2.3秒。定向结果很好的修正了地下导线的测量成果[6]。GAT陀螺全站仪的测量成果稳定可靠、实用性强，操作方便。总体成果与国际公认的最好的Gyromat2000的测量成果的精度相当，但在仪器的自动化和环境适应性方面表现出更大的优越性。该项目选用GAT陀螺全站仪全程观测3次，保证了该重大工程的高精度贯通。

4.3 山西安家岭井工1号特大煤矿

在山西安家岭特大煤田井工1号矿的地下8公里支导线的联测中，该仪器常数一次测定精度为2.6″，测回间方位角最大较差5″；与Gyromat 2000陀螺全站仪同条边观测数据比对,方位角较差仅4″,定量分析证明了GAT磁悬浮陀螺全站仪具有较好的稳定性和较高精度[7]。陀螺边与导线联合平差，很好地解决了地下支导线的系统误差控制问题。

4.4 成都地铁2号线

在成都地铁2号线成红线贯通测量中，测量定向精度3.2秒。该地铁于2009年12月14日顺利贯通，贯通精度小于4cm。

4.5 安徽淮北矿业集团桃园煤矿

在安徽淮北矿业集团桃园煤矿20公里的特大型贯通中，精度5秒。检测出某陀螺定向成果42秒的误差。GAT陀螺全站仪很好的修正了其它陀螺定向的不足，为煤矿特大贯通取得了经验和教训。

4.6 厦门翔安海底隧道

2008年初，用于厦门海底隧道（我国第一个海底隧道）贯通测量，一次测定中误差为±4秒，隧道内部测定陀螺边3条，定向精度与德国Gyromat2000相当。

5 结论

GAT陀螺全站仪的优越性：它不仅能够准确地测算出导线控制点两条边的夹角和各边的距离，而且还能够测定其每条边的准确方位角。这样省时省力还经济实惠，是以前电子经纬仪、普通全站仪及陀螺经纬仪单独无法完成的，而今一台普通的GAT陀螺全站仪就完成了，况且它不受时间和环境的限制，观测简单方便、效率高、精度高。能有效控制导线测量方向误差的积累。

与传统测量边角的工具比较，其突出特点主要有：

1、GAT陀螺全站仪可靠性强、稳定性高、配置齐全，采用磁悬浮吊带等高尖技术，能够无依托、自主式寻北测定目标的方位角，一次定向中误差5秒[8]。

2、操作简便、自动化程度高，除架设调平及瞄准之外，整个测量过程无需手工操作，测量结束后，自动给出瞄准目标的法线与真北方位角，据此可以确定任意方向线的坐标方位角，实现准确贯通和精确定向。

3、该仪器具有体积小、环境适应性强等特点，可极大提高矿山测量的贯通精度和生产效率。

[7] 王涛，杨志强，石震，谢忠 俍 新型陀螺全站仪方位定向误差分析及工程应用[J] 煤炭科学技术，2014，11：90-92.

[8]石震 GAT高精度磁悬浮陀螺全站仪寻北关键技术及其应用研究 [J] 测绘学报，2014，4(4)：436-436.

[1]龚云，杨志强，石震 GAT磁悬浮陀螺全站仪在矿山测量中的应用 [J] 测绘科学，2012，2(2)：185-187.

[2]靳朝阳，王润平，胡光伟，秦臻，闫文林 陀螺全站仪在井下导线测量中的应用 [J] 矿山测量，2010，6：57-60.

[3]刘绍堂，蒋瑞波，苏轩 陀螺全站仪在矿井联系测量中的应用 [J] 测绘科学，2011，2：94--96.

[4]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.

[5]姜雁飞，胡荣明，杨联安 陀螺经纬仪在地理空间定向中的应用研究--以西安地铁工程为例 [J] 西北大学学报 (自然科学版)，2011，01：145-149.

[6]杨成宏，丁涛 南水北调中线工程穿黄隧洞施工控制测量技术 [J] 人民长江，2010，17：34-36.

Application of GAT gyro total station in underground engineering survey

Chen Fu-qiang Wei-lei Wang Bi-cheng
(Institute of Surveying,Mapping and Geoinformation of Henan provincialBureau ofGeo-exploration and MineralDevelopment, Zhengzhou 450006,Henan)

This paper briefly introduces the principle of the GAT gyro total station,mainly summarized the application of the GAT gyro total station in mines,tunnels and other underground engineering measurement; finally through the application of the GAT gyro total station summed up the characteristics of its convenient,fast,high reliability,high stability, high degree of automation,environmental adaptability is strong,can greatly improve the mines,tunnel measurement the holing through accuracy and production efficiency.

GAT gyro total station Working principle Underground engineering survey Superiority

P258[文献码]B

1000-405X（2016）-5-167-2

陈富强（1980～），男，武汉大学测绘工程领域工程硕士，工程师，研究方向为地籍地形测量、工程测量和管线测绘方面的生产研究和管理。