GAT陀螺全站儀在地下工程測量中的應用

■陳富強 魏磊 王必成

（河南省地質礦產勘查開發局測繪地理信息院河南鄭州450006）

GAT陀螺全站儀在地下工程測量中的應用

■陳富強 魏磊 王必成

（河南省地質礦產勘查開發局測繪地理信息院河南鄭州450006）

本文簡要介紹了GAT陀螺全站儀的工作原理，主要總結了GAT陀螺全站儀在礦山、隧道等地下工程測量中的應用；最后通過GAT陀螺全站儀的應用實例總結出其方便、快捷、可靠性強、穩定性高、自動化程度高、環境適應性強等特點，能極大提高礦山、隧道測量的貫通精度和生產效率。

GAT 陀螺全站儀 工作原理 地下工程測量 優越性

1 引言

GAT高精度磁懸浮陀螺全站儀是由長安大學測繪與空間信息研究所和中國航天科技集團公司共同研制開發并具有獨立知識產權的國內第一臺高精度磁懸浮全自動陀螺定向儀器[1]。該儀器能無依托、自主尋北，測定地下目標的方位角。除架設、調平及瞄準需要人工干預外，整個測量過程為全自動、無需手工操作，只需8分鐘測量時間，結束后自動給出瞄準目標的法線與真北方位角，據此可以確定任意方向線的坐標方位角，實現地下工程測量的精準貫通和精確定向。

與國外的高精度自動陀螺全站儀相比，除具有精度高、自動化程度高和環境適應性強等特點之外，具有更多的自動數據處理、誤差評定、詳細的數據與信息顯示及存儲功能，更具有開機即工作的功能，也大大提高了在地下工程測量中對強磁、震動、瓦斯、風力、潮濕、高低溫等的環境適應性。極大地方便了地下測量工程作業。

2 工作原理

2.1 陀螺儀的兩個特性

陀螺儀的兩個基本特性是定軸性和進動性。

（1）轉子繞自轉軸高速旋轉時，如果不受外力作用，自轉軸將相對于慣性空間保持方向不變，即它的方向始終指向恒定方向，所謂定軸性。

（2）陀螺軸在受外力作用時，將產生非常重要效應——“推動”，所謂進動性。

沒有任何外力作用，并具有三個自由度的陀螺儀叫自由陀螺儀，下圖為自由陀螺儀的模型及原理示意圖：

2.2 陀螺方位角的計算

陀螺儀軸與望遠鏡光軸及觀測目鏡分化板零分化線所代表的光軸通常不在同一豎直面中，所以假想的陀螺儀的穩定位置通常不與地理子午線重合，二者的夾角稱為儀器常數，一般用Δ表示。如果陀螺子午線位于地理子午線的東部，Δ為正；反之，為負。

儀器常數Δ可以在已知方位角的精密導線邊或三角網邊上直接測出來，如下圖所示，精密導線邊CD之地理方位角為Ao，若在C點安置GAT陀螺全站儀，通過陀螺運轉和觀測可求出CD邊的陀螺方位角at，可按下式求出儀器常數：Δ＝Ao-at。

井下定向邊上測定陀螺方位角：井下定向邊的長度應大于30m，如上圖所示，儀器安置在C點，可測出CD邊的陀螺方位角at，測定向邊的地理方位角A為：Ao=at+Δ。

子午線收斂角：一般地面精密導線邊或三角網邊已知的是坐標方位角ao，需要求算的井下定向邊，也就是要求出其坐標方位角at，而不是地理方位角Ao，因此還需要求算子午線收斂角。如上圖所示地理方位角和坐標方位角的關系為：Ao=ao+yo[2]。

子午線收斂角yo的符號可由安裝儀器點的位置來確定，即在中央子午線以東為正，以西為負；其值可根據安裝儀器點的高斯平面坐標查表求得。

3 在地下工程測量中的應用

3.1 聯系測量

通過在井筒中懸掛的一根鋼絲形成的豎直面將井上的控制點位傳遞到井下。待鋼絲完全穩定后井上、井下同時進行觀測2至3個測回，取其平均值作為有效觀測值。再用GAT陀螺全站儀進行定向測量，即確定井下起始控制點的坐標與起始邊的方位角。最后采用鋼絲法導入控制點的高程。利用GAT陀螺全站儀進行豎井聯系測量，克服了幾何定向精度低、占用井筒時間長、影響施工或者生產等缺點，提高了井下測量的數據精度，為煤礦安全生產工作提供了有力保證[3]。

3.2 井下導線測量

井下巷道導線測量是在聯系測量中對已確定井下導線起始點的坐標與起始邊的方位角，采用GAT陀螺全站儀在起始邊一點上設站，另一點為后視運用三架法進行導線測量，水平角觀測1測回，距離觀測2測回，高程測量采用三角高程導線測量法直返覘觀測偽高差，測量時用鋼尺丈量導線點至巷道頂、底板及左右幫的距離，求取其斷面和采出量。同時對一些導線邊加測陀螺邊，對加測陀螺邊的導線控制網進行整體平差，一則為提高精度，二則為進行檢查，這樣還能夠及時發現問題，隨時進行檢查，以確保導線質量和精度。從測量精度和施測成本的角度出發，加測陀螺邊的導線測量方案比較符合井下測量實際。

3.3 貫通測量

隨著我國特長鐵路、公路隧道、大型礦山的不斷出現，隧道工程中對貫通測量的要求很高。如果單純采用傳統的光電導線進行隧道控制測量，要實現準確、高質量的貫通，往往不大好實現。因為導線在測量中具有誤差傳遞性，在經過多個轉折角測量后的誤差傳遞可能導致最終貫通點有較大偏差，這樣會給施工很大的麻煩[4]。目前國內解決這個問題的最好辦法就是在導線中適當加測陀螺方位角，用以控制導線的誤差傳遞，實現高可靠性、高精度的隧道貫通。

3.4 其他應用領域

其他應用領域：大型隧道貫通測量、地鐵工程測量、礦山貫通測量、導彈發射瞄準系統、炮兵陣地聯測、建立方位基準及導航設備標校等領域。

4 工程案例

目前GAT陀螺全站儀已形成系列化產品。在廈門翔安海底隧道貫通、南水北調穿黃工程、福建龍巖馬坑鐵礦等20余項國內重大工程中應用，并取得了良好的效果。

4.1 西安地鐵2號線

GAT陀螺全站儀被嘗試用于西安地鐵2號線南康村至方新村段的貫通測量，在國內地鐵建設領域尚屬首次。中鐵一局承擔的標段左右線全部采用GAT磁懸浮陀螺全站儀測量，最終貫通精度優于5厘米，實測定向精度分別為3.5秒、3.2秒[5]。

西安地鐵2號線進入“盾構時代”后，如何順利實現盾構隧道，特別是暗挖段隧道的精確貫通，是地鐵建設測繪工程師們需要費盡心思破解的技術難題。因為使用進口盾構機械，均自帶精確制導系統，誤差非常微??；但在車站連接處，還有暗挖隧道區間，精確定向難度比較大，傳統懸吊鋼絲的測量方法誤差相對較大。地鐵整體道床鋪軌要求高程貫通測量誤差在25mm內，嘗試使用新技術，代替傳統方法。在測繪行業專家的參與下，該設備完成地鐵領域的首次現場試驗，取得了良好的效果。

4.2 南水北調中線穿黃隧道

該隧道長度4250米，其中過河隧道長3450米，南岸邙山隧洞段長800米，埋深32.5米，水壓最大達4KG。工程造價48960萬元，工程工期55個月。GAT陀螺全站儀定向測量是隧道定向測量和精確貫通的必備條件。在該條件下，對GAT陀螺全站儀的精度、穩定性和效率都提出了新的要求。

2008年8月利用GAT陀螺全站儀對隧道內外的4條定向邊進行了定向測量并進行結果對比，結果顯示：用于南水北調穿黃隧道的貫通測量，一次測定中誤差±2.3秒。定向結果很好的修正了地下導線的測量成果[6]。GAT陀螺全站儀的測量成果穩定可靠、實用性強，操作方便?？傮w成果與國際公認的最好的Gyromat2000的測量成果的精度相當，但在儀器的自動化和環境適應性方面表現出更大的優越性。該項目選用GAT陀螺全站儀全程觀測3次，保證了該重大工程的高精度貫通。

4.3 山西安家嶺井工1號特大煤礦

在山西安家嶺特大煤田井工1號礦的地下8公里支導線的聯測中，該儀器常數一次測定精度為2.6″，測回間方位角最大較差5″；與Gyromat 2000陀螺全站儀同條邊觀測數據比對,方位角較差僅4″,定量分析證明了GAT磁懸浮陀螺全站儀具有較好的穩定性和較高精度[7]。陀螺邊與導線聯合平差，很好地解決了地下支導線的系統誤差控制問題。

4.4 成都地鐵2號線

在成都地鐵2號線成紅線貫通測量中，測量定向精度3.2秒。該地鐵于2009年12月14日順利貫通，貫通精度小于4cm。

4.5 安徽淮北礦業集團桃園煤礦

在安徽淮北礦業集團桃園煤礦20公里的特大型貫通中，精度5秒。檢測出某陀螺定向成果42秒的誤差。GAT陀螺全站儀很好的修正了其它陀螺定向的不足，為煤礦特大貫通取得了經驗和教訓。

4.6 廈門翔安海底隧道

2008年初，用于廈門海底隧道（我國第一個海底隧道）貫通測量，一次測定中誤差為±4秒，隧道內部測定陀螺邊3條，定向精度與德國Gyromat2000相當。

5 結論

GAT陀螺全站儀的優越性：它不僅能夠準確地測算出導線控制點兩條邊的夾角和各邊的距離，而且還能夠測定其每條邊的準確方位角。這樣省時省力還經濟實惠，是以前電子經緯儀、普通全站儀及陀螺經緯儀單獨無法完成的，而今一臺普通的GAT陀螺全站儀就完成了，況且它不受時間和環境的限制，觀測簡單方便、效率高、精度高。能有效控制導線測量方向誤差的積累。

與傳統測量邊角的工具比較，其突出特點主要有：

1、GAT陀螺全站儀可靠性強、穩定性高、配置齊全，采用磁懸浮吊帶等高尖技術，能夠無依托、自主式尋北測定目標的方位角，一次定向中誤差5秒[8]。

2、操作簡便、自動化程度高，除架設調平及瞄準之外，整個測量過程無需手工操作，測量結束后，自動給出瞄準目標的法線與真北方位角，據此可以確定任意方向線的坐標方位角，實現準確貫通和精確定向。

3、該儀器具有體積小、環境適應性強等特點，可極大提高礦山測量的貫通精度和生產效率。

[7] 王濤，楊志強，石震，謝忠 俍 新型陀螺全站儀方位定向誤差分析及工程應用[J] 煤炭科學技術，2014，11：90-92.

[8]石震 GAT高精度磁懸浮陀螺全站儀尋北關鍵技術及其應用研究 [J] 測繪學報，2014，4(4)：436-436.

[1]龔云，楊志強，石震 GAT磁懸浮陀螺全站儀在礦山測量中的應用 [J] 測繪科學，2012，2(2)：185-187.

[2]靳朝陽，王潤平，胡光偉，秦臻，閆文林 陀螺全站儀在井下導線測量中的應用 [J] 礦山測量，2010，6：57-60.

[3]劉紹堂，蔣瑞波，蘇軒 陀螺全站儀在礦井聯系測量中的應用 [J] 測繪科學，2011，2：94--96.

[4]高軍虎，秦寬 陀螺全站儀在地鐵隧道貫通測量中的應用研究 [J] 城市勘測，2014，4：127-130.

[5]姜雁飛，胡榮明，楊聯安 陀螺經緯儀在地理空間定向中的應用研究--以西安地鐵工程為例 [J] 西北大學學報 (自然科學版)，2011，01：145-149.

[6]楊成宏，丁濤 南水北調中線工程穿黃隧洞施工控制測量技術 [J] 人民長江，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[文獻碼]B

1000-405X（2016）-5-167-2

陳富強（1980～），男，武漢大學測繪工程領域工程碩士，工程師，研究方向為地籍地形測量、工程測量和管線測繪方面的生產研究和管理。