西秦嶺特長隧道陀螺測量及溫度影響修正

趙陽 王亞江

(61175部隊,江蘇南京 210049)

西秦嶺特長隧道陀螺測量及溫度影響修正

趙陽 王亞江

(61175部隊,江蘇南京 210049)

本文針對以西秦嶺特長隧道陀螺測量中溫度變化對陀螺儀測量產生影響,根據測量數據分析了溫度對陀螺定向的影響,并進行了修正。

陀螺經緯儀 溫度修正 蘭渝鐵路西秦嶺特長隧道

圖1 測量示意圖

1 引言

陀螺經緯儀是一種利用陀螺原理自主尋北的測量儀器，兼有定向與測角功能。由于其定向精度高、不受氣候條件限制、全天候的自主定向等特點，在軍事、測繪、地下工程、礦山等領域有著廣泛的應用。陀螺經緯儀定向測量受到外界環境的影響，其中以溫度影響最大。

在地下工程測量中，我國一般采用“地面-地下-地面”的測量專業程序進行地下工程未知方位邊陀螺定向，即先在地面已知方位邊檢定陀螺經緯儀儀器常數，再到地下進行未知邊的測量，最后返回地面已知方位邊檢核陀螺經緯儀儀器常數。由于地下和地面的測量環境存在一定環境溫度差，特別是冬夏兩季，這種可以達到20～40℃，同時在地下工程中環境也存在由于各種原因造成的較大溫度差，本文中蘭渝鐵路西秦嶺特長隧道就存在這種情況，而環境溫度差直接影響陀螺定向測量精度，必須進行改正最重要的外界因素之一。

表1 進洞斜井控制方位邊X01Z—GX01測前定向觀測

表2 進洞斜井控制方位邊X01Z—GX01測后定向觀測

2 項目背景

蘭渝鐵路是連接我國西北與西南的重要鐵路干線，最早出自孫中山先生的《建國方略》，規劃線路基本上是“蘭州-廣元-南充-重慶”。其北起蘭州，南至重慶，由鐵道部和重慶、甘肅、四川合資建設，項目估算總投資774億元，于2008年9月26日下午3時在蘭州開工建設，計劃建設工期6年。蘭渝鐵路西秦嶺特長隧道為蘭渝鐵路中最長隧道，全長28.236km，為全線重點控制性工程，也是我國第一長交通隧道。西秦嶺特長隧道在施工中采用TBM隧道掘進機進行對向開挖，洞外采用GPS測量方式定位定向，洞內導線測量方式進行定位定向，由于導線測量存在偶然誤差的積累，對于這種特長隧道必須加以陀螺定向，以限制誤差積累限制偶然誤差的積累，改善地下控制網的強度和精度保證整個工程的的準確貫通。如圖1所示，圖中黑線為導線測量網形，紅線為加測的陀螺方位邊。

3 陀螺測量

3.1 進洞陀螺測量

進洞斜井位于北緯33°13′42″，東經105°08′54″附近。進洞斜井地面控制方位邊X01Z—GX01，測站X01Z坐標為(3678134.0491，498264.1839)，定向點GX01坐標為(3678868.7611，498291.9676)，故其該邊長為735.2371m，坐標方位角為2°09′56.35″。陀螺全站儀已知方位邊測量采用兩個測段，測前6個測回(觀測結果見表1)，測后復測3個測回(觀測結果見表2)，共計9個測回。

由表1、表2可知：測前時段和測后時段陀螺方位角值穩定，符合儀器限差規定，表明兩時段之間儀器常數穩定可靠。由已知地面控制方位邊施工坐標系方位角和陀螺方位角關系得陀螺常數為3°21′25.1″。

表3 進洞斜井控制方位邊ZD14—X06Z定向觀測

表4 進洞斜井控制方位邊323—535定向觀測

表5 進洞待定方位邊改正

表6 出洞斜井控制方位邊X01Z—GL01測前定向觀測

表7 出洞斜井控制方位邊X01Z—GL01測后定向觀測

表8 進洞斜井控制方位邊C02Y—C01定向觀測

表9 進洞斜井控制方位邊C07Y—C08定向觀測

表10 出洞待定方位邊改正

表11 陀螺坐標方位角與導線坐標方位角對比

表12 各站點溫度情況

進洞有兩條待定方位邊，方位邊ZD14—X06Z和方位邊323—535。方位邊ZD14—X06Z的測站ZD14坐標為(3675724.859，497986.253)，定向點X06Z(3676118.409，497817.436)，故其該邊長為428.2298m，坐標方位角為336°46′57.46″。方位邊323—535。方位邊323—535的測站323坐標為(3673703.7236，498852.9903)，定向點535(3673477.4724，498951.5833)，故其該邊長為246.7999m，坐標方位角為156°27′14.31″。方位邊ZD14—X06Z陀螺定向測量數據如表3所示，方位邊323—535陀螺定向測量數據如表4所示。

將地下陀螺全站儀方位邊測量結果與控制坐標系方位邊結果進行統一，需要對陀螺全站儀方位邊測量結果進行陀螺常數改正和子午線收斂角改正，關系如下式所示：

T=N+Δγ+C

式中： T為控制坐標系下的方位角值；

N為地下測量得到陀螺方位角；

Δγ為子午線收斂角改正值；

C為陀螺常數。

3.2 出洞陀螺測量

出洞斜井位于北緯33°06′01″，東經105°13′46″附近。出洞斜井地面控制方位邊CX01Z—GL01，測站CX01Z坐標為(3664340.2850，505533.8464)，定向點GL01坐標為(3664435.1746，505866.4197)，故其該邊長為345.8454m，坐標方位角為74°4′31.89″。陀螺全站儀已知方位邊測量采用兩個測段，測前6個測回(觀測結果見表6)，測后復測4個測回(觀測結果見表7)，共計10個測回。

由表6、表7可知：測前時段和測后時段陀螺方位角值穩定，符合儀器限差規定，表明兩時段之間儀器常數穩定可靠。由已知地面控制方位邊施工坐標系方位角和陀螺方位角關系得陀螺常數為3°18′27.7″。

出洞有兩條待定方位邊，方位邊C02Y—C01和方位邊C07Y—C08。方位邊C02Y—C01的測站C02Y坐標為(3663499.7343，503182.0388)，定向點C01(3663223.7175，503301.0443)，故其該邊長為300.5787，坐標方位角為156°40′35.62″。方位邊C07Y—C08的測站C07Y坐標為(3665539.6131，502307.3709)，定向點C08 (3665705.0998，502236.3739)，故其該邊長為180.0734m，坐標方位角為336°46′47.03″。方位邊C02Y—C01陀螺定向測量數據如表8所示，方位邊C07Y—C08陀螺定向測量數據如表9所示。

同理，需要將地下陀螺全站儀方位邊測量結果與控制坐標系方位邊結果進行統一，得表10數據。

3.3 對比

將陀螺定向得到的控制坐標下的坐標方位角與導線測量得到的坐標方位角進行對比得到表11結果所示。

表13 陀螺坐標方位角與導線坐標方位角對比

由表11可知，在不考慮環境溫度的情況下，陀螺坐標方位角與導線坐標方位角相差比較大。

4 溫度修正

本次測量采用的是YJTD-1陀螺儀全站儀，其溫度對方位角的影響為-1.0″/℃，對表11數據進行溫度修正，得到如表13數據。

由表13可知，在進行溫度改正后差值明顯減小。其中方位邊C02Y—C01陀螺定向過程由于施工影響存在干擾，可能對其值產生影響。

5 結語

西秦嶺特長隧道后期的工程情況證實了文中的導線測量結果和陀螺定向結果可靠。

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