深豎井及洞內(nèi)控制測量中多種測量儀器聯(lián)合定向的應(yīng)用研究

摘 要：鑒于特長隧道施工中深豎井聯(lián)系測量具有操作繁雜、精度不易控制等特點(diǎn)，為提高定向測量精度，縮短定向時(shí)間，提出了“全自動(dòng)陀螺儀+激光鉛錘儀+全站儀+GPS”聯(lián)合定向的測量技術(shù)，對(duì)其測量原理和技術(shù)方法進(jìn)行詳細(xì)論述。實(shí)踐表明該測量技術(shù)可使工作效率大幅度提高，確保隧道的高精度貫通。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合定向；豎井；全自動(dòng)陀螺儀；控制測量

前言

近年來隨著我國高速鐵路和城市軌道的大力建設(shè)，特長隧道不斷增多，為了加快施工進(jìn)度、降低施工成本，在暗挖工程中通常采用深豎井作為施工通道以增加開挖工作面。在施工中需要建立地面和井下測量的幾何關(guān)系，做好豎井傳遞控制測量使其達(dá)到井上和井下坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一，確保隧道按照設(shè)計(jì)要求高精度貫通。

目前，隧道豎井平面聯(lián)系測量的方法有很多，但都費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、精度較低。與傳統(tǒng)的懸吊鋼絲聯(lián)系三角法相比，采用“全自動(dòng)陀螺儀+激光鉛垂儀+全站儀+GPS”聯(lián)合定向的測量方法，可充分考慮到隧道貫通誤差產(chǎn)生的地面控制測量因素、豎井坐標(biāo)傳遞因素和洞內(nèi)控制測量三個(gè)因素，將各個(gè)環(huán)節(jié)中最大的測量誤差降低到最小，對(duì)提高測量精度具有重要的實(shí)踐意義。

1 多種儀器聯(lián)合定向的測量原理

1.1 陀螺儀定向原理

全自動(dòng)陀螺儀是陀螺儀和全站儀組合而成的測量儀器。其中陀螺儀是根據(jù)陀螺的作用原理，能在陀螺靈敏部本身重力和地球自轉(zhuǎn)的組合作用下，旋轉(zhuǎn)軸會(huì)一直穩(wěn)定指向一個(gè)方向的特性，使陀螺軸精確地指示出真北方向，并由全站儀讀出該方向讀數(shù)。因此，全自動(dòng)陀螺儀可以精確地測定地面和井下隧道任意測站的真北子午線位置，或任意測線的地理方位角，然后加入子午線收斂角即可算出該測線的實(shí)際坐標(biāo)方位角。

1.2 激光鉛垂儀原理

激光鉛垂儀是一種鉛垂定位專用儀器，利用光學(xué)準(zhǔn)直原理，在光學(xué)垂準(zhǔn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加了兩只半導(dǎo)體激光器，分別從向上和向下兩個(gè)方向發(fā)射鉛垂激光束，從而保證豎井井口和井底控制點(diǎn)的豎向準(zhǔn)直。

1.3 全站儀和GPS測量控制原理

利用GPS高精度定位原理，根據(jù)隧道的長度和貫通精度要求按照相應(yīng)的測量等級(jí)在隧道豎井的地面上做平面測量控制網(wǎng)。采用全站儀將豎井附近的GPS控制點(diǎn)坐標(biāo)引測到豎井井蓋上再利用激光鉛垂儀向井底進(jìn)行坐標(biāo)傳遞；在陀螺儀隧道洞內(nèi)定向完畢后，洞內(nèi)采用全站儀導(dǎo)線的測量方法進(jìn)行控制測量。

2 深豎井聯(lián)系測量技術(shù)方法

2.1 工藝流程

多種測量儀器在深豎井及洞內(nèi)聯(lián)合定向的操作流程如圖1所示。

2.2 操作要點(diǎn)

2.2.1 隧道洞外控制網(wǎng)建立

根據(jù)隧道長度及豎井和斜井位置對(duì)測量控制網(wǎng)的等級(jí)和網(wǎng)形進(jìn)行設(shè)計(jì)，在隧道的進(jìn)出口、豎井口和斜井口分別埋設(shè)不少于4個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)之間以500m為宜并盡可能呈矩形布置，以保證隧道的貫通精度。首先以進(jìn)出口的控制點(diǎn)組成骨架控制網(wǎng)，然后在此基礎(chǔ)上分別建立各個(gè)洞口的子網(wǎng)。GPS控制網(wǎng)等級(jí)根據(jù)隧道的長度制定，并做貫通誤差估算設(shè)計(jì)，長大隧道洞外平面控制網(wǎng)采用經(jīng)國家法定機(jī)構(gòu)鑒定合格的雙頻GPS，按照二等控制網(wǎng)精度要求靜態(tài)觀測施測。

高程控制點(diǎn)與平面控制點(diǎn)共用，采用電子水準(zhǔn)儀DNA03按照二等水準(zhǔn)測量技術(shù)要求執(zhí)行。

2.2.2 激光鉛垂儀平面坐標(biāo)逆向傳遞投點(diǎn)

（1）豎井井底控制點(diǎn)埋設(shè)。在豎井井底合適的位置并且豎井井口上部方便搭設(shè)臺(tái)架的位置埋設(shè)3個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)間的相互距離根據(jù)豎井的寬度尺寸盡可能的最大，以提高全站儀引測時(shí)的縱橫向精度。

（2）豎井井口操作臺(tái)架搭設(shè)。將激光鉛垂儀架設(shè)在井底控制點(diǎn)上并打開激光，以便確定井口操作平臺(tái)的搭設(shè)位置，同時(shí)在激光束通過的位置預(yù)留150mm×150mm與井底控制點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的小方孔，保證能使激光束垂直向上穿過預(yù)留孔。平臺(tái)分為兩層，內(nèi)層架設(shè)鉛垂儀，外層供操作人員站立，避免相互影響，搭設(shè)的操作平臺(tái)必須確保安全和臺(tái)架穩(wěn)固。

（3）激光鉛垂儀投點(diǎn)。在豎井井底控制點(diǎn)上架設(shè)激光鉛垂儀，調(diào)置儀器對(duì)中整平。鉛垂儀上側(cè)的紅色激光投射到井口平臺(tái)預(yù)留孔放置的200mm×200mm的透明玻璃接收靶上，采用對(duì)徑讀數(shù)法將井底的鉛垂控制點(diǎn)向上傳遞至井口平臺(tái)。

（4）井口逆向投點(diǎn)同地面控制點(diǎn)聯(lián)系測量。將井底傳遞上來的井口控制點(diǎn)利用全站儀同井口附近的GPS控制點(diǎn)按照全站儀導(dǎo)線的測量方法進(jìn)行聯(lián)測，由于同一鉛垂線上兩點(diǎn)平面坐標(biāo)一致，從而將井口控制點(diǎn)坐標(biāo)引至井底鉛錘控制點(diǎn)上，TS30全站儀不少于6個(gè)測回。

2.2.3 全自動(dòng)陀螺儀定向

（1）地面陀螺邊測量。在井口附近選擇2個(gè)相互通視的GPS控制點(diǎn)作為地面陀螺邊，將陀螺儀安置在其中一個(gè)控制點(diǎn)上依次進(jìn)行尋北測量和方位測量。測量次數(shù)根據(jù)精度要求而定，通常測量三次，當(dāng)出現(xiàn)超限時(shí)，增加測回次數(shù)。

（2）計(jì)算儀器常數(shù)。地面陀螺邊所測量的角度為陀螺方位角值（真北方位角），該角值與隧道GPS控制網(wǎng)的進(jìn)洞邊已知方位角的差值即為儀器常數(shù)。

（3）洞內(nèi)陀螺邊測量。地面陀螺邊測量完畢后，將陀螺儀移至井內(nèi)，選擇一條長約150m的洞內(nèi)導(dǎo)線邊作為起算邊加測陀螺方位，確保平面聯(lián)系測量的精度。然后對(duì)該條陀螺邊最好進(jìn)行對(duì)向觀測，對(duì)向觀測的精度控制在5″以內(nèi)取算術(shù)平均值作為井內(nèi)陀螺邊的陀螺方位角。

（4）計(jì)算洞內(nèi)陀螺邊坐標(biāo)方位角。為提高儀器常數(shù)值的精度，洞內(nèi)陀螺邊測量完畢后，將陀螺儀再次至地面最開始觀測的陀螺邊，重新測定儀器常數(shù)，將地面兩次測量的陀螺邊方位角相比較，檢查陀螺儀在觀測過程中是否存在漂移現(xiàn)象，若較差在10″以內(nèi)取其算術(shù)平均值作為儀器常數(shù)的最終值。最后，利用公式（1）計(jì)算井下定向邊的坐標(biāo)方位角：

A=R+？茁-？酌 （1）

其中，A表示井下定向邊的坐標(biāo)方位角；R表示陀螺方位角；？茁表示儀器常數(shù)；？酌表示子午線收斂角。

2.2.4 洞內(nèi)導(dǎo)線測量

利用全站儀在井下檢查所投3個(gè)控制點(diǎn)的角度與距離，若滿足限差要求，采用交叉導(dǎo)線法向洞內(nèi)延伸導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)，如圖2所示。

由圖2可知，交叉導(dǎo)線每一測站至少觀測3個(gè)方向，一般都是4個(gè)觀測方向，相比于傳統(tǒng)的支導(dǎo)線、附和導(dǎo)線和閉合導(dǎo)線控制方法，該方法閉合條件和導(dǎo)線環(huán)數(shù)大幅度提高，圖形強(qiáng)度更強(qiáng)，極大的提高了洞內(nèi)導(dǎo)線精度。

3 結(jié)束語

“全自動(dòng)陀螺儀+激光鉛錘儀+全站儀+GPS”聯(lián)合定向的測量技術(shù)，既可以檢測導(dǎo)線觀測成果的質(zhì)量，保證成果的可靠性；又可以對(duì)加測高精度陀螺定向邊后的導(dǎo)線進(jìn)行方向附和導(dǎo)線角度差，從而大大提高了導(dǎo)線的精度和工作效率，確保隧道高精度貫通。

該測量技術(shù)與傳統(tǒng)的測量相比，投入人員少，人為干預(yù)不多，減少了人為誤差，且定向速度快，方位結(jié)果精確可靠，有利于提高施工進(jìn)度。在豎井平面坐標(biāo)激光鉛垂儀傳遞上提高23倍以上，精度比吊錘串線法更可靠，尤其是豎井越深精度越高。用全自動(dòng)陀螺儀定向，減少了方位引入過程中的累積誤差。同時(shí)，貫通精度的大幅度提高，減少了隧道在即將貫通時(shí)，兩個(gè)相向開挖的掘進(jìn)面在各自距貫通面100m范圍內(nèi)加寬5～10cm的測量誤差影響，節(jié)省了開挖、襯砌等費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著，為國內(nèi)各類特長隧道的豎井施工測量作用提供了一定的參考價(jià)值。

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