長距離盾構隧道陀螺定向技術應用

朱寧利

摘要 隨著我國現代化交通運輸的發展，城市地鐵在交通運輸中越來越重要，盾構機開挖隧道成為多數地鐵施工的優先施工方案。文章以南京地鐵10號線為例，分析陀螺經緯儀在隧道貫通中的使用，介紹陀螺經緯儀在隧道測量中的必要性，結合南京地鐵10號線中間風井至江心洲區間隧道陀螺定向數據分析，剖析陀螺定向的工作過程。

關鍵詞 閉合導線;隧道測量;陀螺定向

中圖分類號 TD175 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0100-03

0 引言

地鐵施工測量工作受到復雜環境的影響日益增大，特別是在城市繁華區修建地鐵，在盾構井下測量條件受到極大限制，隧道定向精度難以確保[1]。而將陀螺定向技術運用到地下工程施工中，可大大提升地鐵隧道測量的精度，確保隧道工程的順利貫通。

1 所在項目情況

實例工程位于南京地鐵10號線中間風井至江心洲區間隧道，隧道區間總長度為3 200 m，陀螺定向的目的是檢核隧道內DGY950～DGY1041邊的方位角，保證隧道貫通精度。

2 陀螺定向的原理

陀螺定向是運用陀螺經緯儀直接測定井下未知邊的方位角[2]。它運用幾何定向方法，解決了聯系測量中操作時間過長、工作組織困難等問題，廣泛應用于盾構井下聯系測量和控制井下導線方向誤差的積累。

陀螺經緯儀是利用陀螺儀特性及地球自轉來測定地理真北的儀器。它不受氣候、地理、磁場的影響，可以根據現場情況進行任意目標地理方位的測定，在建設行業發展方面具有重要的作用，尤其是在地下空間施工過程中格外重要[3]。使用陀螺經緯儀能提高地面、聯系、井下導線測量方位測量中的精度，直接提高隧道橫向貫通的準度。

陀螺經緯儀進行井下定向常用方法有逆轉點法和中天法。兩者差別在于測定陀螺北方向時，中天法的儀器照準部處于固定狀態，而逆轉點法的儀器照準部則是處于跟蹤狀態。中天法具有施工條件較差，不受人員、突發因素干擾，靈活省力，確保精度的優勢，所以在施工中有很好的適用性。

3 采用坐標系統及控制點成果

采用北京54坐標系，利用導線點DXJ13、DXJ12兩個點作為儀器常數測定邊，而隧道內未知定向點所使用的是DGY950和DGY1041，坐標數據如表1。

4 隧道采用陀螺經緯儀定向時的聯系測量

測量采用索佳GP3130/R3陀螺全站儀，全站式陀螺儀是將陀螺儀安放在全站儀之上而構成的。隧道陀螺定向經過盾構井聯系測量一般分為三個步驟：

（1）經盾構井由地面向已知點水平投點。

（2）盾構井上、下用垂球吊線連接測量。

（3）盾構井下基本控制導線起始邊的陀螺經緯儀定向。

聯系測量的平面布置圖如圖1所示：DXJ13～DXJ12邊為起始方向;DG1為連接地面的導線點：DGY950～DGY1041為隧道基本導線控制邊，即陀螺定向邊;GS15、GS120、GS200、GS500、GS800、GS400、GS300、GS100為隧道內的連接二級導線點。GS15與GS120組成一組隧道內永久導線點。

4.1 盾構井導向點橫向布設

為保證精度該次采用鋼絲投點法，因盾構井深度大，采用鋼絲投點可以減少風、濕度、空氣質量對于精度的影響，也可以減少對于盾構井的占用空間，進而快速有效地完成施工作業。

4.2 聯系定向測量

地面連接：由地面已知邊DXJ13～DXJ12鋪設二級導線至連接點DG1。在DG1架設儀器和吊垂線上A連接，測得角和量邊的精度。

盾構井下連接的方法：井下未知點從GS15到GS50后閉合至點GS15。在GS15上架設儀器與兩根鋼絲垂球線進行連測，每次定向須獨立測量三次，取三次的平均結果，連測精度要求與二級導線相符。

4.3 使用陀螺定向時的過程

陀螺定向采用中天法，測量過程如下：

（1）在已知方位的邊上測量卻定儀器的常數。

（2）在未知邊上進行儀器架設并計算出結果。

①觀測測量前的方向值;

②觀察測前的零位;

③簡單定向，調整望遠鏡視準軸位于靠近北的方向;

④精密定向，即測定陀螺擺動的平衡位置（陀螺北方向）;

⑤觀測測后零位;

⑥觀測測后測線方向值。

（3）在已知邊上再次布設儀器測定得出其上值。測量和計算的結果可從文中圖表中表現。

5 陀螺定向時的專業計算

5.1 當子午收斂角計算時注意事項

由地面上的已經知道的點作為已知邊進行測定，可求出它的坐標方位角α，但不是地理方位角A。因此還需要計算出子午線的收斂角γ。可以根據公式γ=Ky計算出數值是9′20.7″。

5.2 地面已知邊上進行儀器常數測算

在地面已知邊用兩次三測回測，獨立測得陀螺方位，求得平均儀器常數。

可以根據公式求出：

Δ=A0?αT （1）

求得平均常數為：Δ=?17.0″。

式中，Δ——儀器常數;

A0——已知邊的地理方位角;

αT——已知邊的陀螺方位角。

地面已知邊地理方位角A0=坐標方位角αT+收斂角γ=279°32′38.7″。

根據表2可計算出其結果為：?16.3″。

表3可知儀器的常數均值：?17.6″。

第一次定向儀器常數均值?17.0″。

5.3 井下隧道定向邊測定陀螺方位

儀器安置在點DGY950上，可測出DGY950～DGY1041兩點邊的陀螺方位角αT′。

測定定向陀螺方位角應獨立二次進行，定向邊地理方位角A可根據下式計算：

A=αT′+Δ （2）

計算求得其地理方位角的均值為313°54′36.1″。

盾構井下測量計算如表4。

在井下測出其結果是：314°04′26.7″，算出定向邊的均值：313°54′36.1″。

5.4 儀器由地面重新測定儀器常數

儀器上井后，應在已知邊DXJ13～DXJ12上重新測儀器常數3次。然后求出儀器的第二次定向儀器常數均值?19.4″，前后兩次測得儀器常數互差應小于15″。并根據公式來評定測定中誤差：

（3）

式中，nΔ——所用儀器測量儀器常數的次數。

表5可知：儀器常數均值：?17.6″。

表6可知：儀器常數均值：?21.3″。

第二次定向儀器常數均值?19.4″。

5.5 儀器在井下重新測定未知邊的陀螺方位角

為了保證測量精度，儀器重新下井測的陀螺方位角的平均值：314°04′34.0″;坐標方位角平均值：313°54′41.0″。

表7可知：前后兩次測得DGY950～DGY1041邊坐標方位角互差為4.9″，符合規范要求;兩次測得盾構井下兩點定向邊方位角平均值為：313°54′38.6″。

6 主要的測算要求

（1）全站儀的精度不應低于2″，陀螺儀一次定向的精度不應小于20″。

（2）測前、測后各三測回測定的陀螺經緯儀兩常數平均值較差不應大于15″。

（3）三測回間的陀螺方位角較差不應大于25″。

（4）每次獨立測定的平均值比較差值應小于12″。

7 陀螺定向時注意事項

陀螺經緯儀是以動力學理論為基礎的光、機、電相結合的精密儀器。在作業時陀螺靈敏部位具有比較大的慣性，必須注意使用方法，進行專業化管理，注意儀器的日常維保工作。同時在測量前應考慮到周邊環境對陀螺經緯儀的影響，所以在使用中應注意以下事項：

（1）陀螺經緯儀必須專業人員來操作。儀器的定向精度與人員的操作熟練程度有關，因為人眼觀測時不同人觀測目標有微小差異，在作業時盡可能同一人員操作。

（2）在儀器運轉時禁止搬動和水平旋轉儀器，如移動儀器容易損壞儀器軸承，對陀螺全站儀要輕拿輕放，避免猛烈沖擊和震動。

（3）在架設儀器時應考慮到儀器的敏感性，不要將儀器架設樓房電梯附近;也應遠離水塔等容易發生震動的物體附近。

（4）當儀器目鏡或其他光學零件受到污染時，應用軟毛刷輕輕刷掉灰塵，然后用鏡頭紙或者絨布擦拭，以免鏡片受到污染。

（5）在野外觀測時，要避免太陽光照射。

8 結語

陀螺定向技術在施工過程中應用比較廣泛，但是在實際施工過程中會遇到各種難點。該次陀螺定向采用中天法，在較長盾構隧道布設導線時，加測陀螺定向并進行平差，從而提高了導線點的橫向精度，保證了隧道順利貫通。確定了長距離、大直徑復雜地質環境下的地鐵隧道中運用陀螺定向可行性。工程施工效果比較明顯，對于類似盾構地鐵施工也能夠起到參考和借鑒作用。

參考文獻

[1]張國良. 礦山測量學[M]. 江蘇：中國礦業大學出版社， 2001.

[2]陽華， 刑應和， 張號召， 等. 井下陀螺定向及其精度分析[J]. 礦山測量， 2002（1）： 36+43.

[3]城市軌道交通工程測量規范： GB50308-2008[S]. 北京：中國建筑工業出版社， 2008.