陀螺仪方位测量在超长隧洞掘进中的运用

陀螺仪方位测量在超长隧洞掘进中的运用一、工程简介XX二级水电站为XX江干流卡拉至江口河段水电规划的自下而上的第四级，位于凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的XX大河弯上，是XX江干流规划建设的21座梯级电站中装机规模最大的水电站。其上游紧接具有年调节水库的XX一级水电站，下游依次为官地、二滩（已建成）和桐子林水电站。XX辅助洞是XX一级、二级水电站前期工程的关键施工项目，走向与二级水电站的4条引水隧洞以及1条排水洞平行，其作用主要是连通XX电站东、西的交通，可缩短路程130多公里，并为XX一、二级水电站以及二级水电站引水隧洞的施工提供有利条件。辅助洞全长约17.5km，由二条相互平行、中心距35m、设计断面尺寸分别为5.5m×5.7m(宽×高)和6m×6.30m（宽×高）的单车道隧道组成，进口位于西XX江景峰桥上游约150m处，出口位于东XX江大水沟下游约400m处，大致沿东西向穿越XX山。位于南侧的A线辅助洞全长17485.07m，位于北侧的B线辅助洞全长17504.245m，两洞间每隔500m~800m设一条横通道。纵断面呈“人”字坡。B线辅助洞距4＃引水隧洞80m，XX辅助洞的设置，不仅解决了XX一、二级水电站对外交通和运行管理问题，而且为XX二级水电站长引水隧洞的进一步地质勘探和科研试验提供了条件。二、情况介绍XX辅助洞于2003年底开工，目前基本具备运营条件。在勘测设计阶段施工控制网由XX设计研究院建立，XX勘测设计研究院XX测量管理中心受XX有限责任公司XX建设管理局委托承担对洞外、洞内的施工控制网重新进行技术设计，XX勘测设计研究院测绘工程公司负责承建和测量。于2005年12月和2007年3月分别完成了第一次和第二次复测工作。第三次复测工作由中国水电顾问集团华东勘测设计研究院和XX勘测设计研究院分别独立进行，完成时间于2007年11月。从各次的观测成果来看在高程上没有出现不一致的问题，而在平面上各次测量成果产生了较大的误差，对于GPS的洞外测量其成果认为也是可靠的，根据B级GPS网平差后的点位精度，设置多种进洞方案，利用“科傻GPS数据处理系统”软件对辅助洞的贯通误差影响值进行了估算，洞外控制影响的横向贯通误差设计值±100mm的要求，满足贯通设计要求。洞内导线于2006年6月、2007年3月完成的第一次和第二次复测结果比较一致，而从2007年9月开始由中国水电顾问集团华东勘测设计研究院和XX勘测设计研究院分别独立进行的第三次复测工作，其2个单位的同一时间段的测量成果吻合较好，但是和前面2次复测的成果存在明显的差异，其横向的误差已经达到40厘米。分析其原因洞内导线测量非别为单洞交叉导线进行测量，为保证控制网精度，观测过程中，在单交叉导线的基础上，根据现场情况，尽量多的形成结点、结边。导线边长圆弧段最短边长约100m，直线段一般为300m～500m。针对上述误差情况、确保隧洞准确贯通，采取了加测陀螺方位角进行强制纠偏的措施。三、方位角观测设计方案的确定本项目按照如下原则选择实测方位的边：1、从洞外控制点进洞导线每隔10-15个转折角加测一条陀螺方位边。2、加测的陀螺方位边边长较长，且通视条件良好，成像清晰，没有旁折光影响的可能。3、便于架设陀螺仪和方便观测。因为陀螺仪本身比较重且其上部为经纬仪，因此仪器本身的高度已经达到半米高，选择合适的观测墩有利于提高观测成果的精度。根据东西端导线的实际观测条件在东端导线内部测量了3个陀螺方位角，即位于目前导线的中部和尾部，中部选择了EB24-EB22和EB23-EB22两条边，尾部选择了EB46-EB47，为计算常数需要还需要在洞外点上进行方位测量，洞外测量选择了JP140-JP129，西端中部选择WB11Y-WB12Z，尾部选择了WB25Z-WB26Y，洞外测量选择了JP112-JP117，陀螺方位测量要求外界无干扰，洞内测量时基本上是在无施工干扰的条件下进行的。四、陀螺经纬仪方位测定原理与计算寻北有多种方法，目前主要有四种：磁北法、天文观测法、陀螺仪和加速度计寻北法。磁北法受地球磁偏角和磁偏角随时间变化的影响以及周围铁磁物质的影响，精度不易提高，只能粗略定向。天文观测法寻北是通过光学仪器观察天体而完成定向的，其定向精度很高，但是通常它需要较长的作业时间，还完全受气候条件的限制，不便于野外机动使用。陀螺和加速度计寻北都是惯性技术的产物，是根据惯性元件敏感地球的自转运动而实现定北的，地球的自转角速度水平分量就是地理正北方向，其主要特点是：定向精度较高，测量时间短，不受气候条件限制(可以全天候工作)，在任何时间和地点(高纬度地区除外)都可以自主测量，而且操作简便，易于实现自动定向和机动使用。陀螺寻北是目前使用较为普遍的方法，陀螺经纬仪高精度的测量是通过无机械位移的陀螺达到的。用于测定北方向的陀螺由通过其重心的悬挂带挂着，在重力的作用下，陀螺旋转轴处于水平状态。陀螺高度旋转时，由于惯性总是试图维持其原有空间位置。一旦陀螺旋转轴偏离北方向，地球自转会使陀螺旋转轴的水平状态发生改变，重心降低并生产一重力矩，陀螺将通过绕其竖轴的一系列转动做出反应。通过主辅控制功能，陀螺经纬仪将因此向北绕转，测量完成后便可确定出北方向。全站仪零方向与北方向的偏差通过高精度测定后显示在屏幕上。3.1子午线收敛角计算如下图所示，p＇、p＇N＇及p＇Q＇分别为椭球面p点、过p点的子午线pN及平行圈pQ在高斯平面上的描写。由图可知，所谓点p子午线收敛角就是在p＇上的切线p＇n＇与p＇t＇坐标北之间的夹角，用γ表示。忙在椭球面上，淡因为子午线同华平行圈正交，从又由于投影具肤有正形性质，侧因此它们的投住影线雪p参＇森n馒＇纯及花p锻＇础q羽＇童也必正交，由签图可见，平面膜子午线收敛角烦也就是等于捧p开＇悼Q斜＇疤在物p沈＇理点上的切线请p挎＇裙q庭＇目同平面坐标系箭横轴拆y脑的夹角。载址唯翻隐守蠢璃蔽尽削图胳1燃：子午线收敛瓣角鹿由大地坐标净(仁B,L)错计算平面子午暗线收敛燥角阔γ杯的公式栗裁(1)湾（才2给）由平面坐标映(戴X,Y)蔑计算平面子午宜线收敛僻角凡γ以的公式浪3.2蜻方向改化陶国家三、四等债和城市与工程担控制网，一般特不加堵“谷三差改正血”障，也就是把地贤面观测值直接假看作椭球面方钥向值，但是从笼椭球面到高斯泰平面需要加改互正，如图绒2先所示，椭球面考上的方向投影抗到高斯平面后元并非是一条直暂线，而是一条晚弧线，与高斯闲平面上的直线杂有差异，即改府正数，该改正祝与边长的大小貌以及距离中央狱子午线的距离线有关，具体可盟以采用公式子(加4)弹进行计算。对评于一般的工程乘控制网，当中弄央子午线过测体区中心，则该展影响可以忽略孝。茶因此，对于三晋、四等平面控池制网或工程控捉制网，由地面悦观测值改化到辨高斯投影平面汇上的其改化公参式为：iikXY贯漠介诊床忌哥图乖2卸方向改化的算糊在所观测的方昼位边长中只有绞西端洞外测量介选择了控JP112-冻JP117牺，其边长较长贺且距离中央子业午线最远，其漂他方位边长均困较短，该项改里正可以忽略。彻根据公式潜(诸3)饰计算的在含JP112莫点上瞄准凶JP117多的该项改正值盛为：亮0.2匆秒东3.3晋坐标方位角的磨计算蹄如图乖3杏为测站点至目薄标点方位角轿；得γ陡为子午线收敛说角愚，鼓β固为仪器常数；乡即子午线方向冤与仪器寻北方深向的夹角；狮R细为目标点读数坚平均值；形Z责为全站仪零方投向与仪器寻北静的角度；仪器返常数即仪器校崖准值，是指陀美螺仪的自转轴受与全站仪度盘促零点间的角度榨差值，该差值喉产生是由于机怨械重量及其老旷化等原因引起和仪器自身的微扛小变化，为保缺证仪器的高精灭度，应定期将话仪器在基准线溜上进行检定，轰测出其值。虫固翅系图孟3才：坐标方位角照的计揪其问中改γ磨可以精确计算拢，夺β抗和巴Z黑为仪器常数，嫌可以通过检定恐精确得到，因疮此仪器测量结阵果的主要误差共来源于陀螺经勇纬仪和目标点写的观测误差。杨为提高结果的小精度应该尽量励减小