陀螺全站仪在地铁盾构测量中的应用_史国强.pdf

2023 年 2 月第 1 期城市勘测Urban Geotechnical Investigation SurveyingFeb2023No1引文格式:史国强，王永锋，杨彬 陀螺全站仪在地铁盾构测量中的应用 J 城市勘测，2023(1):148150文章编号:16728262(2023)0114803中图分类号:P258文献标识码:B陀螺全站仪在地铁盾构测量中的应用史国强*，王永锋，杨彬*收稿日期:20220228作者简介:史国强(1990)，男，工程师，注册测绘师，主要从事工程测量技术工作。Email:327445192 qqcom基金项目:杭州市钱江新城投资集团有限公司科创基金项目(QT202208A001)(杭州市勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州310012)摘要:导线测量中的方位精度是保证地铁盾构隧道能够贯通的关键因素，也是难点。为提高地下导线测量的精度，通过对传统测量方法和陀螺全站仪的原理进行分析比较，采用了导线测量和陀螺全站仪定向边联合测量平差的方法，结合实际工程实例，得出加测陀螺定向能提高隧道贯通精度的结论，保证盾构隧道顺利贯通。关键词:地铁盾构隧道;导线测量;陀螺全站仪;方位精度1引言近些年来随着城市化进程加快，地下轨道交通工程正如火如荼地进行，如何保证隧道能够顺利贯通成为地铁精密测量至关重要的一个环节。传统的测量方式是通过地面上下做联系测量，通过支导线的方式向隧道掘进方向进行传递，然而随着隧道长度的增加，点位的精度会逐渐减弱，影响隧道的精确贯通。陀螺仪定向精度不受距离和时间的影响，弥补了传统导线测量的不足1，2。本文介绍了陀螺全站仪的工作原理以及使用方法，通过地面精密控制网对陀螺全站仪的精度进行验证，结合实际工程案例，总结了一套成熟的外业观测和内业计算方法，成功运用在地铁盾构测量中。2定向及工作原理2.1定向原理陀螺全站仪直接测出来的是陀螺北方位角，它与坐标北方位角和真北方位角不同，具体关系如图 1 所示:图 1三北关系示意图AB 为地面基准边，A 为设站点，B 为后视点。真表示地理方位角，坐表示坐标方位角，陀表示陀螺方位角，表示子午线收敛角。首先通过地面已知基准边的坐标方位角和地面陀螺方位角计算出仪器常数，然后根据地面和地下设站点概略坐标计算出地面和地下子午线收敛角的差值，最后根据地下陀螺方位角计算出待测边的坐标方位角3，4。具体计算过程详见 3.2 内业数据处理。2.2工作原理陀螺全站仪的工作原理是用吊丝悬挂重心下移的陀螺灵敏部敏感地球自转角速度的水平分量，在重力作用下，产生一个北向进动的力矩，使陀螺敏感部主轴围绕子午面往复摆动，通过光电传感器将陀螺灵敏部往复摆动的光信号，转换为电信号，传送给控制系统，控制系统自动跟踪陀螺灵敏部的方位摆动，并对灵敏部进行加矩控制，解算出被测目标的北向方位角，如图 2 所示。图 2陀螺仪工作原理3使用方法3.1外业测量方法(1)在地面选取 GPS 控制边进行至少 3 测回定向第 1 期史国强，王永锋，杨彬.陀螺全站仪在地铁盾构测量中的应用测量，标定仪器常数;(2)在地下待测边各进行至少 3 测回定向测量;(3)以地面控制边测量至少 3 测回定向测量结果检验仪器的稳定性和精度并最终确定仪器常数，确保陀螺定向成果准确可靠。以上各组测回数据之间互差应控制在规范范围内，外业观测数据合格后方可进行内业计算，保证陀螺仪定向的精度。3.2内业数据处理(1)计算仪器常数:=上T上(1)式中:为仪器常数;上为地面已知控制边坐标方位角;T上为地上陀螺全站仪测出来的陀螺方位角。(2)计算已知边和待定边子午线收敛角差值:=(y上y下)(2)为子午线收敛角差值，单位为秒;为当地纬度计算常数，为方便计算可近似为 32.3*tanB，B 为当地纬度;y上为地面已知边端点的横坐标(km);y下为地下待定边端点的横坐标(km)5。(3)计算地下待测边方位角:下=T下+(3)式中:下为地下待测边方位角;T下为地下待测边实测陀螺方位角。(4)地下待测边陀螺定向角度和导线测量的角度较差在 15以内时，两者取均值，取均值后的角度当作已知条件，参与地下精密导线平差，提高地下控制网的精度6，7。4应用实例分析4.1地面控制网验证在地面已知精密控制点上验证陀螺仪的精度，具体方法是以一条已知边为基准边，通过陀螺定向测出另外一条基准边的方位角，进而和坐标反算的方位角进行比较，具体验证情况如表 1、表 2 所示:表 18 号线地面陀螺仪精度验证定向边坐标反算方位角陀螺方位角子午线收敛角差值陀螺定向计算得方位角D808CQH4(基准边)15827391583542D804D805(基准边)892045892830205/8920475表 2机场轨道快线地面陀螺仪精度验证定向边坐标反算方位角陀螺方位角子午线收敛角差值陀螺定向计算得方位角JCGPS16JCGPS17(基准边)965236964916JCGPS13JCDX011(基准边)2821934282151462/2821936第一组数据 D804D805 坐标反算方位角为 892045，陀螺定向计算所得方位角为 892047.5，相差2.5;第二组数据 JCGPS13JCDX011 坐标反算方位角为 2821934，陀螺定向计算所得方位角为 2821936，相差 2。从以上两组数据可以得出，通过陀螺定向所测方位角和坐标反算所得方位角差值小，陀螺定向精度良好。4.2地下隧道应用以杭州地铁 8 号线文桥区间风井至桥头堡站区间为例，该区间横穿钱塘江，区间长度约为 35 km，是杭州地铁在建和已建最长的单向掘进区间，对测量精度要求极高。421陀螺定向测量(1)选取地面精密控制点 G3802 和 JJD3 为基准边，JJD3 在上架设陀螺全站仪，以 G3802 为后视点，观测 3 个测回，测回之间较差不超过规范允许的限差值15，如表 3 所示。表 3第一次地上边陀螺定向结果控制边编号陀螺方位角陀螺方位角均值最大互差JJD3G380210140021014004101400010140024(2)隧道内 Y1432Y1370 为未知边，在 Y1432 上架设陀螺全站仪，以 Y1370 为后视点，观测 3 个测回，测回之间较差不超过规范允许的限差值 15，如表 4 所示。表 4地下边陀螺定向结果控制边编号陀螺方位角陀螺方位角均值最大互差Y1432Y137028642142864220286422128642187(3)返回地面，重新在 JJD3 上架设陀螺全站仪，以941城市勘测2023 年 2 月G3802 为后视点，观测 3 个测回，检验仪器的稳定性和精度并最终确定仪器常数，确保陀螺定向成果准确可靠，如表 5 所示。表 5第二次地上边陀螺定向结果控制边编号陀螺方位角陀螺方位角均值最大互差JJD3G380210140111014009101400810140092422成果计算(1)根据地上已知点 JJD3 和 G3802 的坐标，计算得 JJD3G3802 的方位角 上为 1013242。(2)对地上两次陀螺定向角度取均值，按照 3.2中的式(1)计算仪器常数为0724。(3)根据地面上 JJD3 和隧道内 Y1432 的横坐标，按照 3.2 中的式(2)计算已知边和待测边子午线收敛角差值 为0054。(4)按照 3.2 中的式(3)计算 Y1432Y1370 的方位角 下为 2863400。423陀螺定向与导线测量方位角差值及校正隧道内控制边 Y1432Y1370 陀螺定向与导线测量方位角差值如表 6 所示:表 6陀螺定向与导线测量方位角差值控制边陀螺定向方位角导线测量方位角差值Y1432Y137028634002863353664通过比较陀螺定向和导线测量的方位角度差值为6.4，限差在规范限差要求的 15内。陀螺定向和导线测量方位角取均值，作为已知条件参与隧道内导线的平差，提高贯通精度。根据修正成果，最终该区间顺利贯通，且贯通精度良好。5结论本文介绍了陀螺全站仪的工作原理及使用方法，通过地面精密控制网对陀螺全站仪的精度可靠性进行了验证，另外结合工作中的实际案例详细介绍了陀螺全站仪的应用以及如何对隧道内的导线网进行纠正进而提高贯通精度。目前该技术已熟练应用在杭州地铁盾构施工测量中，为地铁建设保驾护航，避免因测量引起的工程事故8。参考文献 1 高军虎，秦宽 陀螺全站仪在地铁隧道贯通测量中的应用研究 J 城市勘测，2014(4):127130 2 孔祥元，郭际明，刘宗泉 大地测量学基础 M 武汉:武汉大学出版社，2010 3 杨馄 高精度陀螺全站仪国产化的现状和前景 C 中国测绘学绘 全国测绘仪器综合学术年会会议论文集，2009:204206 4 谢友鹏，赵尘衍 陀螺定向在隧道盾构平面控制测量检核中的应用 J 城市勘测，2018(2):148151 5 张正禄 工程测量学 M 武汉:武汉大学出版社，2005 6 王智，董雷，薛慧艳等 青岛地铁 1 号线过海隧道高精度贯通测量方法研究 J 城市勘测，2019(6):149152 7 GB/T 503082017 城市轨道交通工程测量规范 S 8 马强，陈荣，吴孟锋 基于加测陀螺定向边的隧道工程贯通测量研究 J 城市勘测，2014(5):136139Application of Gyro Total Station in Subway Shield SurveyingSHI Guoqiang，WANG Yongfeng，YANG Bin(Hangzhou Geotechnical Engineering Surveying esearch Institute Limited Company，Hangzhou 310012，China)Abstract:Azimuth accuracy in traverse survey is the key factor to ensure the penetration of long shield tunnel，and itis also a difficult point In order to improve the precision of underground traverse survey，through the traditional measuringmethod and the principle of the gyro total station carries on the analysis comparison，the combined adjustment method oftraverse survey and directional edge survey of gyro total station is adopted in this paper，combining with practical engi-neering examples，it is concluded that adding gyro orientation can improve the conclusion of the tunnel transfixion preci-sion，then ensuring smooth runthrough of shield tunnelKey words:subway shield tunnel;traverse survey;gyro total station;azimuth accuracy051