陀螺全站仪在城市轨道交通工程测量中的应用

陀螺全站仪在城市轨道交通工程测量中的应用

朱礼长

广东华隧建设集团股份有限公司

摘要：本文分析了城市轨道交通项目测量方面陀螺全站仪的运用，简述了陀螺全站仪基本原理，验证了陀螺全站仪符合城市轨道交通项目测量标准，能够科学检核地铁轨道中导线方位角稳定性。

关键词：轨道交通；项目测量；陀螺全站仪

随着城市的日益进步以及人口的不断增加，城市轨道交通显得尤为关键，特别是城市地铁轨道交通由于客运量多、运行快速、不占地表空间等，已是大量城市改善交通拥堵的首选。地铁隧道中常用导线检测构建平面控制网，但受制于隧道空间，导线采用直伸型，伴随隧道的挖掘，因检核条件不足，下降了导线精度，积累了许多偏差。

陀螺全站仪是物理定向，免受几何定向投向偏差干扰，所以能够检核和修正洞中导线，由此提升控制网精度。若贯通导线较长，在合适地方增加陀螺定向边以检测导线，能够防止导线偏差积累，大幅度提升隧道贯通精度。

1、陀螺全站仪基本原理与运算

1.1基本原理

陀螺仪内绕于对称轴迅速转动的陀螺包含两个关键性质：①定轴性。指无外力矩影响下，陀螺转轴一直指着初始固定方向。②进动性。指受外力矩影响下，陀螺转轴出现进动，顺最短路程朝外力矩的转动轴所处铅垂面靠近，直至两轴处在同个铅垂面即止。

若陀螺仪陀螺快速转动，且转轴未在地表真子午线铅垂面中时，陀螺转轴受到地球自转力矩影响出现进动，朝真子午线与地球自转轴所处铅垂面靠拢，所以陀螺转轴能够智能指定真北方向[1]。迅速转动的自由陀螺转轴受惯性影响不会停在真北方位，会在真北方位两边摇摆。

1.2设备常数

    因陀螺仪有制造公差，因此陀螺仪轴的固定部位一般不和地理子午线重叠，两者的夹角就是设备常数（△）。若陀螺仪子午线处在地理子午线东侧，△代表正；相反，则代表负。△能够按照已知控制点方向角直接测出，二者关系见图1所示。

图1 陀螺仪定向基本原理图

2、城市轨道交通项目测量方面陀螺全站仪的运用

某城市轨道交通R3线二期项目某标段地底区间陀螺定向操作为例展开研究。该区间总厂3.473km，采取盾构法操作，线距离11-14米，该项目平面控制网采取单独坐标轴，某标段隧道中控制网分布全导线网。测量工具选择TS50全站仪，测角标称精度是±0.5〃，测距标称精度是±（0.06cm+1ppm×D），依靠设备内多测回测角作用测量，各测站角度与间距都测定四次，检测时根据测点气压、气温条件，校正气象信息常数。测量环节严格管理各种观测限差，确保外业手机信息的稳定性。

为确保地铁隧道正常贯通，选择BTJ-5陀螺仪，按照盾构机掘入里程节点，于某区间左右线隧道中分别确定两条待定边展开了陀螺定向检测[2]。检核了隧道中导线方位角，且研究了四条陀螺定向边信息的内符合精度与外符合精度。

2.1外业检测

    根据《城市轨道交通项目测量标准》（GB/T 50308-2017）规定，分别在盾构机掘入到大概750米与约1.35km时对左右线隧道中各两条未知边展开陀螺定向检测，而且地底定向边陀螺方位角检测要采取“地上已知边-地底定向边-地上已知边”检测程序。主要检测流程如下：

    （1）地面已知边测定。当盾构机掘入到750m左右节点时，选取地面和地下待定边距离很近的G2-1~D107当作已知边，其距离是251.064米，当盾构机掘入到1.35km左右节点时，选取地面和地下待定边距离很近的D109~G2-2当作已知边，其距离是399.63米，分别展开三测回陀螺定向检测，三测回测出的陀螺方位角较差至少20〃。

（2）地底待定边检测。当盾构机掘入到750左右节点时，选取左线L665T~L589Y，右线R590T-R488Y当作地底定向边，大概1.35km时，选取左线L1359T~L1200Y，右线R1261T-R1102Z当作地底定向边，每遍定向边展开定向检测时，分别检测三测回，三测回测出的陀螺方位角较差低于20〃。

（3）回到地面已知边，根据（1）同样的方法在地面已知边上展开测后陀螺定向检测。

2.2信息运算

测量前后设备参数（△）计算见表1所示。

表1 设备常数运算表

按照表1中陀螺定向原始信息，获取测回间最高互差是6〃，符合《城市轨道交通项目测量标准》（GB/T 50308-2017）规定；按照表1中设备常数运算，两次测量前后设备常数互差是2〃与2.4〃，符合《城市轨道交通项目测量标准》（GB/T 50308-2017）规定。

2.3精度评定

现场检测时，因受风、温度和振动等条件的制约，外业测量时要尽可能确定最佳测定条件，以降低陀螺仪定向偏差。

该工程选择内符合精度与外符合精度来评定陀螺定向信息精度。

陀螺仪内符合精度即在同样检测条件下反复测定同个目标，获得方位角的差，体现出陀螺仪在同个检测条件下的设备内部可靠性。其运算式子如下：

μ=±    （1）

其中，n代表定向检测总次数，代表此次定向检测值和该组定向检测均值的差（〃）。

结合式（1）通过运算统计研究，得知陀螺仪内符合精度中偏差μ=1.92〃，低于该全智能陀螺仪的标称精度5〃，能够表明陀螺仪较为稳固，可靠性良好。

陀螺仪外符合精度即陀螺仪测出的方位角和其他设备测定方位角之差，体现陀螺仪测定结果的稳定性。即运算式子如下：

M=±    （2）

其中，n代表定向检测总次数，代表此次定向检测所运算的坐标方位角和导线坐标方位角之差（〃）。

陀螺仪配备TS09全站仪，其定向精度为±5〃，借鉴陀螺仪定向检测隧道中待定边，运算得出地下定向边坐标方位角[4]。借助TS50全站仪，根据全导线网测定隧道中平面控制网，通过严密平差运算，获得地底待定边导向坐标方位角。

3、结束语

经本文分析得知，设备常数确定和地上已知边坐标方位角相关，因此要选择高精准的地上已知边。本文根据陀螺全站仪用于某市轨道交通R3线二期项目某标段项目测量实例，系统分析了外业检测、信息运算与精度评定等内容，按照测量结果的内符合精度中偏差与外符合精度中偏差，验证过了陀螺全站仪精度符合城市轨道交通项目测量标准，其定向结果具备良好的稳固性与可靠性，能够更好检核地铁隧道中导线方位角稳定性，提升城市轨道隧道建设精度。上文研究能够给陀螺全站仪在业内提供良好的技术依据。

参考文献：

[1]桂维振,刘阳,徐强,司典浩.BTJ-5陀螺全站仪在轨道交通工程测量中的应用[J].北京工业职业技术学院学报,2022,21(01):26-29.

[2]赵启.高精度陀螺全站仪在轨道交通工程测量中的应用[J].智能城市,2021,7(10):129-130.

[3]郭庆坤,全金谊,隋俭武,朱君.陀螺全站仪在城市轨道交通工程测量中的应用[J].城市勘测,2020(02):160-163.

[4]郭彩立,陈波.高精度陀螺全站仪在轨道交通工程测量中的应用研究[J].测绘与空间地理信息,2019,42(06):181-183+188.