陀螺全站仪在地铁盾构测量中的应用

陀螺全站仪在地铁盾构测量中的应用

宋彦强

北京城建勘测设计研究院有限责任公司天津300000

摘要：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。基于此，对陀螺全站仪在地铁盾构测量中的应用进行研究，以供参考。

关键词：地铁盾构隧道;导线测量;陀螺全站仪;方位精度

引言

陀螺全站仪是一种将陀螺仪与全站仪相结合的定向仪器,并使用陀螺动力学原理。广泛应用于军事、采矿、地铁、山区隧道等定向测量领域。陀螺仪具有恒轴和流动性的两个基本特征,陀螺仪首先用陀螺仪确定经络的方向,然后用站测量定向侧和经络之间的角度,以获得地面或地下任何一侧的大局部角度。与传统的测量仪器相比,操作更加简单、高效、高效。陀螺仪的定向精度和稳定性取决于仪器制造过程、观测误差、环境条件和其他方面。

1高精度陀螺全站仪的基本作业流程

使用高精度陀螺仪测量地下方位时,应严格遵守测量规范的有关要求,在地面已知侧面进行初步测量,然后在地下方向侧进行测量序列。同时,为了保证测量的准确性,地下边方位角测量完成后,需要重新测量地面已知边方位角。

2定向原理

陀螺仪在陀螺仪中围绕其对称轴高速旋转,具有两个重要特征:(1)固定轴。也就是说,在没有外力矩的情况下,旋转轴的方向总是指向原来的恒定方向。(2)活跃性。也就是说,在外力矩作用下,转子旋转轴通过最短的外力矩沿旋转轴向前移动到铅垂直平面,直到2轴位于铅垂直平面上。当陀螺仪高速旋转时,它的旋转轴不在地球上真正的子午线的垂直平面上,陀螺的旋转轴在地球旋转的瞬间作用下,接近于真正的子午线的垂直平面和地球的旋转轴,因此陀螺的轴可以自动指示真正的北向。高速旋转的自由陀螺仪轴在惯性的作用下不会在真正的北方向停止,而是在真正的北方向上向右和向右摆动。

3陀螺全站仪在地铁盾构测量中的应用

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从仪器结构设计上加以改造，提高制造工艺水平

(1)选择优质悬挂胶带和金属丝材质,优化热处理工艺,进一步提高零稳定性;(2)选择低功耗、温升小的无刷直流电动机或三相异步电动机,进一步优化水轮机转速的稳定性;(3)电路元件应选择温度膨胀系数小的优质材料,以减小温度的影响;(4)屏幕优选采用高磁导率材料,增加屏幕磁层和防磁底盘的数量,改进防磁枪的热处理工艺,提高磁屏保护的质量和稳定性;(5)在选择陀螺仪零部件的材料时,要注意材料的加工时间,以消除内应力对恒温的影响。

3.3处理测量数据要点

高精度GYROMAT300陀螺仪全站常数应确定,其中现场测量应严格按照相关测量技术规范进行,每个方向测量的数据精度应符合测量要求,应根据各站所提供的经纬度数据计算经线收敛角并计算陀螺仪的校正。地面已知方位角坐标与陀螺仪校正值的差别在于高精度陀螺仪的仪器常数,在轨道工程的测量中,高精度陀螺仪全站仪是用来测量地面已知侧面的,测量前后测量三次后朝北,总测量达到6次,符合测量规定要求。当测量已知地板边缘的方位时,陀螺仪方位差的平均值约为2.3′′,符合测量规范的要求,不超过15′′。取向测量前后达到的仪器常数的平均值可用作该测量的仪器常数,并可根据地下取向边计算和分析。经测量计算,两站的坐标方位角分别为7.6′′和5.4′′,最大差距不超过20′′,符合测量规范的精度要求。收敛角的计算和分析,在计算陀螺仪角时,应将地下方位角的北向测量结果在现场测量中作为平均值的基础,再结合经度、纬度等的站差进行径向收敛角的计算和分析。在地面方向测量中获得的高精度陀螺全站常数,在地下方向测量中,应计算径向收敛角以校正陀螺角。

3.4固定装置在运输过程中的稳定性影响

由于其结构的特殊性,固定工具在运输过程中的变化主要发生在以下两个方面:(1)在运输过程中,碰撞,倾斜等。导致连接件变形,改变工具结构中的相互位置。(2)生产中的各种连接件和设备的残余电压因振动而产生。这些影响难以量化,只能通过在仪器设计过程中采取措施来解决仪器输送过程中振动引起的恒定值变化:1如果设计结构允许,通过增加连接件尺寸来提高连接强度;2)通过减少化合物之间的相容间隙,避免振荡,使化合物的位置发生相对变化;3、对于主要的连接件,在设计时采取改进的工艺措施,以消除机械应力变形,光学部件通过粘合固定;在设备的运输过程中,额外安装软垫和折旧底座。

3.5收敛角的计算误差

在几何测量和高精度工程测量中,通常需要在方位、方位和方位两种类型之间切换。陀螺仪测得的方位是一个大的局部方位,当我们需要得到方位的坐标时,首先要计算子午线的收敛角。无论是用大地坐标计算收敛角的真实值,还是用简单的广义投影公式计算经络收敛角的近似值,两种方法计算结果的差值都很小,计算精度为0.1“,在方位角坐标平面上的陀螺仪测量误差都很小。

3.6从不同角度分析关系

当应用高精度陀螺仪测量台GYROMAT300时,测量仪必须准确控制定向测量中角度的相互关系,较大的局部低氧是真北向与目标方向之间的角度。在确定GYROMAT300型高精度陀螺仪的E值时,应以基线为基础,输入后测量期间不应更改E值。在测量过程中,应注意高精度陀螺仪表GYROMAT300具有自身重量、仪器运动或设备老化等特点,导致高精度陀螺仪表GYROMAT300真正的北北方向变化不大。GYROMAT300高精度陀螺仪的固定仪器是真正的北角和零角的值,陀螺仪的方位角是高精度陀螺仪目标方向的读数值。在测量计算中,必须准确了解陀螺方位、坐标方位和大局部方位之间的关系,以保证坐标方位的计算精度。目标方向方位的坐标值可以直接测量得到,高精度陀螺仪GYROMAT300定期进行专业检查。此外,为了获得仪器常数,需要在地球已知的一侧进行多维定向测量。

3.7精度评定

在现场测量中,由于受风、温度、振动等外界条件的影响,应尽可能选择现场观测,以减少陀螺仪的定向误差。这项工作使用内部和外部匹配的准确性来评估陀螺仪方向数据的准确性。陀螺仪的内部匹配意味着在相同的测量条件下,对相同的目标进行多次测量以获得方位差,这反映了陀螺仪在相同测量条件下的内部稳定性。

结束语

陀螺仪器常量的稳定性对仪器的定向精度很重要。分析仪器常数及其对稳定性的影响因素，为提高仪器稳定性提出了若干建议，只有仪器常数才能有效降低测量误差，控制测角误差的传递，控制和修正导线测量角度的精度，提高控制网的整体精度，从而为未来的测量技术(如特殊隧道或地铁段)提供对测量结果可靠性的控制和积累经验。

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