长距离盾构隧道陀螺定向技术应用

朱宁利

摘要 随着我国现代化交通运输的发展，城市地铁在交通运输中越来越重要，盾构机开挖隧道成为多数地铁施工的优先施工方案。文章以南京地铁10号线为例，分析陀螺经纬仪在隧道贯通中的使用，介绍陀螺经纬仪在隧道测量中的必要性，结合南京地铁10号线中间风井至江心洲区间隧道陀螺定向数据分析，剖析陀螺定向的工作过程。

关键词 闭合导线;隧道测量;陀螺定向

中图分类号 TD175 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）07-0100-03

0 引言

地铁施工测量工作受到复杂环境的影响日益增大，特别是在城市繁华区修建地铁，在盾构井下测量条件受到极大限制，隧道定向精度难以确保[1]。而将陀螺定向技术运用到地下工程施工中，可大大提升地铁隧道测量的精度，确保隧道工程的顺利贯通。

1 所在项目情况

实例工程位于南京地铁10号线中间风井至江心洲区间隧道，隧道区间总长度为3 200 m，陀螺定向的目的是检核隧道内DGY950～DGY1041边的方位角，保证隧道贯通精度。

2 陀螺定向的原理

陀螺定向是运用陀螺经纬仪直接测定井下未知边的方位角[2]。它运用几何定向方法，解决了联系测量中操作时间过长、工作组织困难等问题，广泛应用于盾构井下联系测量和控制井下导线方向误差的积累。

陀螺经纬仪是利用陀螺仪特性及地球自转来测定地理真北的仪器。它不受气候、地理、磁场的影响，可以根据现场情况进行任意目标地理方位的测定，在建设行业发展方面具有重要的作用，尤其是在地下空间施工过程中格外重要[3]。使用陀螺经纬仪能提高地面、联系、井下导线测量方位测量中的精度，直接提高隧道横向贯通的准度。

陀螺经纬仪进行井下定向常用方法有逆转点法和中天法。两者差别在于测定陀螺北方向时，中天法的仪器照准部处于固定状态，而逆转点法的仪器照准部则是处于跟踪状态。中天法具有施工条件较差，不受人员、突发因素干扰，灵活省力，确保精度的优势，所以在施工中有很好的适用性。

3 采用坐标系统及控制点成果

采用北京54坐标系，利用导线点DXJ13、DXJ12两个点作为仪器常数测定边，而隧道内未知定向点所使用的是DGY950和DGY1041，坐标数据如表1。

4 隧道采用陀螺经纬仪定向时的联系测量

测量采用索佳GP3130/R3陀螺全站仪，全站式陀螺仪是将陀螺仪安放在全站仪之上而构成的。隧道陀螺定向经过盾构井联系测量一般分为三个步骤：

（1）经盾构井由地面向已知点水平投点。

（2）盾构井上、下用垂球吊线连接测量。

（3）盾构井下基本控制导线起始边的陀螺经纬仪定向。

联系测量的平面布置图如图1所示：DXJ13～DXJ12边为起始方向;DG1为连接地面的导线点：DGY950～DGY1041为隧道基本导线控制边，即陀螺定向边;GS15、GS120、GS200、GS500、GS800、GS400、GS300、GS100为隧道内的连接二级导线点。GS15与GS120组成一组隧道内永久导线点。

4.1 盾构井导向点横向布设

为保证精度该次采用钢丝投点法，因盾构井深度大，采用钢丝投点可以减少风、湿度、空气质量对于精度的影响，也可以减少对于盾构井的占用空间，进而快速有效地完成施工作业。

4.2 联系定向测量

地面连接：由地面已知边DXJ13～DXJ12铺设二级导线至连接点DG1。在DG1架设仪器和吊垂线上A连接，测得角和量边的精度。

盾构井下连接的方法：井下未知点从GS15到GS50后闭合至点GS15。在GS15上架设仪器与两根钢丝垂球线进行连测，每次定向须独立测量三次，取三次的平均结果，连测精度要求与二级导线相符。

4.3 使用陀螺定向时的过程

陀螺定向采用中天法，测量过程如下：

（1）在已知方位的边上测量却定仪器的常数。

（2）在未知边上进行仪器架设并计算出结果。

①观测测量前的方向值;

②观察测前的零位;

③简单定向，调整望远镜视准轴位于靠近北的方向;

④精密定向，即测定陀螺摆动的平衡位置（陀螺北方向）;

⑤观测测后零位;

⑥观测测后测线方向值。

（3）在已知边上再次布设仪器测定得出其上值。测量和计算的结果可从文中图表中表现。

5 陀螺定向时的专业计算

5.1 当子午收敛角计算时注意事项

由地面上的已经知道的点作为已知边进行测定，可求出它的坐标方位角α，但不是地理方位角A。因此还需要计算出子午线的收敛角γ。可以根据公式γ=Ky计算出数值是9′20.7″。

5.2 地面已知边上进行仪器常数测算

在地面已知边用两次三测回测，独立测得陀螺方位，求得平均仪器常数。

可以根据公式求出：

Δ=A0−αT （1）

求得平均常数为：Δ=−17.0″。

式中，Δ——仪器常数;

A0——已知边的地理方位角;

αT——已知边的陀螺方位角。

地面已知边地理方位角A0=坐标方位角αT+收敛角γ=279°32′38.7″。

根据表2可计算出其结果为：−16.3″。

表3可知儀器的常数均值：−17.6″。

第一次定向仪器常数均值−17.0″。

5.3 井下隧道定向边测定陀螺方位

仪器安置在点DGY950上，可测出DGY950～DGY1041两点边的陀螺方位角αT′。

测定定向陀螺方位角应独立二次进行，定向边地理方位角A可根据下式计算：

A=αT′+Δ （2）

计算求得其地理方位角的均值为313°54′36.1″。

盾构井下测量计算如表4。

在井下测出其结果是：314°04′26.7″，算出定向边的均值：313°54′36.1″。

5.4 仪器由地面重新测定仪器常数

仪器上井后，应在已知边DXJ13～DXJ12上重新测仪器常数3次。然后求出仪器的第二次定向仪器常数均值−19.4″，前后两次测得仪器常数互差应小于15″。并根据公式来评定测定中误差：

（3）

式中，nΔ——所用仪器测量仪器常数的次数。

表5可知：仪器常数均值：−17.6″。

表6可知：仪器常数均值：−21.3″。

第二次定向仪器常数均值−19.4″。

5.5 仪器在井下重新测定未知边的陀螺方位角

为了保证测量精度，仪器重新下井测的陀螺方位角的平均值：314°04′34.0″;坐标方位角平均值：313°54′41.0″。

表7可知：前后两次测得DGY950～DGY1041边坐标方位角互差为4.9″，符合规范要求;两次测得盾构井下两点定向边方位角平均值为：313°54′38.6″。

6 主要的测算要求

（1）全站仪的精度不应低于2″，陀螺仪一次定向的精度不应小于20″。

（2）测前、测后各三测回测定的陀螺经纬仪两常数平均值较差不应大于15″。

（3）三测回间的陀螺方位角较差不应大于25″。

（4）每次独立测定的平均值比较差值应小于12″。

7 陀螺定向时注意事项

陀螺经纬仪是以动力学理论为基础的光、机、电相结合的精密仪器。在作业时陀螺灵敏部位具有比较大的惯性，必须注意使用方法，进行专业化管理，注意仪器的日常维保工作。同时在测量前应考虑到周边环境对陀螺经纬仪的影响，所以在使用中应注意以下事项：

（1）陀螺经纬仪必须专业人员來操作。仪器的定向精度与人员的操作熟练程度有关，因为人眼观测时不同人观测目标有微小差异，在作业时尽可能同一人员操作。

（2）在仪器运转时禁止搬动和水平旋转仪器，如移动仪器容易损坏仪器轴承，对陀螺全站仪要轻拿轻放，避免猛烈冲击和震动。

（3）在架设仪器时应考虑到仪器的敏感性，不要将仪器架设楼房电梯附近;也应远离水塔等容易发生震动的物体附近。

（4）当仪器目镜或其他光学零件受到污染时，应用软毛刷轻轻刷掉灰尘，然后用镜头纸或者绒布擦拭，以免镜片受到污染。

（5）在野外观测时，要避免太阳光照射。

8 结语

陀螺定向技术在施工过程中应用比较广泛，但是在实际施工过程中会遇到各种难点。该次陀螺定向采用中天法，在较长盾构隧道布设导线时，加测陀螺定向并进行平差，从而提高了导线点的横向精度，保证了隧道顺利贯通。确定了长距离、大直径复杂地质环境下的地铁隧道中运用陀螺定向可行性。工程施工效果比较明显，对于类似盾构地铁施工也能够起到参考和借鉴作用。

参考文献

[1]张国良. 矿山测量学[M]. 江苏：中国矿业大学出版社， 2001.

[2]阳华， 刑应和， 张号召， 等. 井下陀螺定向及其精度分析[J]. 矿山测量， 2002（1）： 36+43.

[3]城市轨道交通工程测量规范： GB50308-2008[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2008.