■陳富強(qiáng) 魏磊 王必成

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)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(yīng)用

■陳富強(qiáng) 魏磊 王必成

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)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(jié)了GAT陀螺全站儀在礦山、隧道等地下工程測量中的應(yīng)用；最后通過GAT陀螺全站儀的應(yīng)用實(shí)例總結(jié)出其方便、快捷、可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、自動化程度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能極大提高礦山、隧道測量的貫通精度和生產(chǎn)效率。

GAT 陀螺全站儀 工作原理 地下工程測量 優(yōu)越性

1 引言

GAT高精度磁懸浮陀螺全站儀是由長安大學(xué)測繪與空間信息研究所和中國航天科技集團(tuán)公司共同研制開發(fā)并具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的國內(nèi)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(biāo)的方位角。除架設(shè)、調(diào)平及瞄準(zhǔn)需要人工干預(yù)外，整個(gè)測量過程為全自動、無需手工操作，只需8分鐘測量時(shí)間，結(jié)束后自動給出瞄準(zhǔn)目標(biāo)的法線與真北方位角，據(jù)此可以確定任意方向線的坐標(biāo)方位角，實(shí)現(xiàn)地下工程測量的精準(zhǔn)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(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)之外，具有更多的自動數(shù)據(jù)處理、誤差評定、詳細(xì)的數(shù)據(jù)與信息顯示及存儲功能，更具有開機(jī)即工作的功能，也大大提高了在地下工程測量中對強(qiáng)磁、震動、瓦斯、風(fēng)力、潮濕、高低溫等的環(huán)境適應(yīng)性。極大地方便了地下測量工程作業(yè)。

2 工作原理

2.1 陀螺儀的兩個(gè)特性

陀螺儀的兩個(gè)基本特性是定軸性和進(jìn)動性。

（1）轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果不受外力作用，自轉(zhuǎn)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(shí)，將產(chǎn)生非常重要效應(yīng)——“推動”，所謂進(jìn)動性。

沒有任何外力作用，并具有三個(gè)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(jì)算

陀螺儀軸與望遠(yuǎn)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(wěn)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(shù)，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(fù)。

儀器常數(shù)Δ可以在已知方位角的精密導(dǎo)線邊或三角網(wǎng)邊上直接測出來，如下圖所示，精密導(dǎo)線邊CD之地理方位角為Ao，若在C點(diǎn)安置GAT陀螺全站儀，通過陀螺運(yùn)轉(zhuǎn)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(shù)：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(yīng)大于30m，如上圖所示，儀器安置在C點(diǎn)，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(dǎo)線邊或三角網(wǎng)邊已知的是坐標(biāo)方位角ao，需要求算的井下定向邊，也就是要求出其坐標(biāo)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(biāo)方位角的關(guān)系為：Ao=ao+yo[2]。

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

3 在地下工程測量中的應(yīng)用

3.1 聯(lián)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(diǎn)位傳遞到井下。待鋼絲完全穩(wěn)定后井上、井下同時(shí)進(jìn)行觀測2至3個(gè)測回，取其平均值作為有效觀測值。再用GAT陀螺全站儀進(jìn)行定向測量，即確定井下起始控制點(diǎn)的坐標(biāo)與起始邊的方位角。最后采用鋼絲法導(dǎo)入控制點(diǎn)的高程。利用GAT陀螺全站儀進(jìn)行豎井聯(lián)系測量，克服了幾何定向精度低、占用井筒時(shí)間長、影響施工或者生產(chǎn)等缺點(diǎn)，提高了井下測量的數(shù)據(jù)精度，為煤礦安全生產(chǎn)工作提供了有力保證[3]。

3.2 井下導(dǎo)線測量

井下巷道導(dǎo)線測量是在聯(lián)系測量中對已確定井下導(dǎo)線起始點(diǎn)的坐標(biāo)與起始邊的方位角，采用GAT陀螺全站儀在起始邊一點(diǎn)上設(shè)站，另一點(diǎn)為后視運(yùn)用三架法進(jìn)行導(dǎo)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(dǎo)線測量法直返覘觀測偽高差，測量時(shí)用鋼尺丈量導(dǎo)線點(diǎn)至巷道頂、底板及左右?guī)偷木嚯x，求取其斷面和采出量。同時(shí)對一些導(dǎo)線邊加測陀螺邊，對加測陀螺邊的導(dǎo)線控制網(wǎng)進(jìn)行整體平差，一則為提高精度，二則為進(jìn)行檢查，這樣還能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，隨時(shí)進(jìn)行檢查，以確保導(dǎo)線質(zhì)量和精度。從測量精度和施測成本的角度出發(fā)，加測陀螺邊的導(dǎo)線測量方案比較符合井下測量實(shí)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(xiàn)，隧道工程中對貫通測量的要求很高。如果單純采用傳統(tǒng)的光電導(dǎo)線進(jìn)行隧道控制測量，要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高質(zhì)量的貫通，往往不大好實(shí)現(xiàn)。因?yàn)閷?dǎo)線在測量中具有誤差傳遞性，在經(jīng)過多個(gè)轉(zhuǎn)折角測量后的誤差傳遞可能導(dǎo)致最終貫通點(diǎn)有較大偏差，這樣會給施工很大的麻煩[4]。目前國內(nèi)解決這個(gè)問題的最好辦法就是在導(dǎo)線中適當(dāng)加測陀螺方位角，用以控制導(dǎo)線的誤差傳遞，實(shí)現(xiàn)高可靠性、高精度的隧道貫通。

3.4 其他應(yīng)用領(lǐng)域

其他應(yīng)用領(lǐng)域：大型隧道貫通測量、地鐵工程測量、礦山貫通測量、導(dǎo)彈發(fā)射瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、炮兵陣地聯(lián)測、建立方位基準(zhǔn)及導(dǎo)航設(shè)備標(biāo)校等領(lǐng)域。

4 工程案例

目前GAT陀螺全站儀已形成系列化產(chǎn)品。在廈門翔安海底隧道貫通、南水北調(diào)穿黃工程、福建龍巖馬坑鐵礦等20余項(xiàng)國內(nèi)重大工程中應(yīng)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(nèi)地鐵建設(shè)領(lǐng)域尚屬首次。中鐵一局承擔(dān)的標(biāo)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(yōu)于5厘米，實(shí)測定向精度分別為3.5秒、3.2秒[5]。

西安地鐵2號線進(jìn)入“盾構(gòu)時(shí)代”后，如何順利實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)隧道，特別是暗挖段隧道的精確貫通，是地鐵建設(shè)測繪工程師們需要費(fèi)盡心思破解的技術(shù)難題。因?yàn)槭褂眠M(jìn)口盾構(gòu)機(jī)械，均自帶精確制導(dǎo)系統(tǒng)，誤差非常微?。坏谲囌具B接處，還有暗挖隧道區(qū)間，精確定向難度比較大，傳統(tǒng)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(nèi)，嘗試使用新技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法。在測繪行業(yè)專家的參與下，該設(shè)備完成地鐵領(lǐng)域的首次現(xiàn)場試驗(yàn)，取得了良好的效果。

4.2 南水北調(diào)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(dá)4KG。工程造價(jià)48960萬元，工程工期55個(gè)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(wěn)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(nèi)外的4條定向邊進(jìn)行了定向測量并進(jìn)行結(jié)果對比，結(jié)果顯示：用于南水北調(diào)穿黃隧道的貫通測量，一次測定中誤差±2.3秒。定向結(jié)果很好的修正了地下導(dǎo)線的測量成果[6]。GAT陀螺全站儀的測量成果穩(wěn)定可靠、實(shí)用性強(qiáng)，操作方便?？傮w成果與國際公認(rèn)的最好的Gyromat2000的測量成果的精度相當(dāng)，但在儀器的自動化和環(huán)境適應(yīng)性方面表現(xiàn)出更大的優(yōu)越性。該項(xiàng)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?guī)X井工1號特大煤礦

在山西安家?guī)X特大煤田井工1號礦的地下8公里支導(dǎo)線的聯(lián)測中，該儀器常數(shù)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(shù)據(jù)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(wěn)定性和較高精度[7]。陀螺邊與導(dǎo)線聯(lián)合平差，很好地解決了地下支導(dǎo)線的系統(tǒng)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(yè)集團(tuán)桃園煤礦

在安徽淮北礦業(yè)集團(tuán)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(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

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(gè)海底隧道）貫通測量，一次測定中誤差為±4秒，隧道內(nèi)部測定陀螺邊3條，定向精度與德國Gyromat2000相當(dāng)。

5 結(jié)論

GAT陀螺全站儀的優(yōu)越性：它不僅能夠準(zhǔn)確地測算出導(dǎo)線控制點(diǎn)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(zhǔn)確方位角。這樣省時(shí)省力還經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，是以前電子經(jīng)緯儀、普通全站儀及陀螺經(jīng)緯儀單獨(dú)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(shí)間和環(huán)境的限制，觀測簡單方便、效率高、精度高。能有效控制導(dǎo)線測量方向誤差的積累。

與傳統(tǒng)測量邊角的工具比較，其突出特點(diǎn)主要有：

1、GAT陀螺全站儀可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、配置齊全，采用磁懸浮吊帶等高尖技術(shù)，能夠無依托、自主式尋北測定目標(biāo)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(shè)調(diào)平及瞄準(zhǔn)之外，整個(gè)測量過程無需手工操作，測量結(jié)束后，自動給出瞄準(zhǔn)目標(biāo)的法線與真北方位角，據(jù)此可以確定任意方向線的坐標(biāo)方位角，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確貫通和精確定向。

3、該儀器具有體積小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可極大提高礦山測量的貫通精度和生產(chǎn)效率。

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

[8]石震 GAT高精度磁懸浮陀螺全站儀尋北關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究 [J] 測繪學(xué)報(bào)，2014，4(4)：436-436.

[1]龔云，楊志強(qiáng)，石震 GAT磁懸浮陀螺全站儀在礦山測量中的應(yīng)用 [J] 測繪科學(xué)，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(dǎo)線測量中的應(yīng)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(lián)系測量中的應(yīng)用 [J] 測繪科學(xué)，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(yīng)用研究 [J] 城市勘測，2014，4：127-130.

[5]姜雁飛，胡榮明，楊聯(lián)安 陀螺經(jīng)緯儀在地理空間定向中的應(yīng)用研究--以西安地鐵工程為例 [J] 西北大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2011，01：145-149.

[6]楊成宏，丁濤 南水北調(diào)中線工程穿黃隧洞施工控制測量技術(shù) [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(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-5-167-2

陳富強(qiáng)（1980～），男，武漢大學(xué)測繪工程領(lǐng)域工程碩士，工程師，研究方向?yàn)榈丶匦螠y量、工程測量和管線測繪方面的生產(chǎn)研究和管理。