提高隧道横向贯通精度的测量方法

摘要

本发明提供了一种提高隧道横向贯通精度的测量方法，其在传统的洞内导线测量的基础上，在部分控制点上利用陀螺经纬仪增加测定导线边的方位角，并用以在数据处理中得到各控制点的工程坐标。本发明利用了陀螺经纬仪各次测量结果相互间保持独立、误差不具有累计性的特点，避免了现有测量技术中误差不断积累导致控制点定位精度低的缺陷，明显提高了各控制点的工程坐标精度，从而达到了提高隧道横向贯通精度的目的。本发明所述测量方法广泛适用于各种隧道的施工，尤其适用于对贯通精度要求很高的特长穿山越江隧道。

说明书

技术领域：

本发明涉及用于隧道施工的测量方法，特别涉及一种能够提高隧道横向贯通精度的测量方法。

背景技术：

隧道横向的精确贯通对各种隧道工程都是至关重要的，其直接影响工程的质量，尤其是穿山越江隧道对贯通精度要求更高。影响横向贯通精度的因素有很多，其中隧道测量是重要的影响因素之一。导线测量是隧道洞内测量常用的一种方法，其由已知坐标的起始点出发，通过依次在各控制点上利用精密的全站仪进行观测，测定连接相邻控制点的各导线边的长度和各转折角值，然后根据起始点的起算数据，经平差计算等数据处理后推算得出各控制点的工程坐标。传统的洞内导线测量受隧道条件的限制属于支导线布设，其各导线边的方位是通过多次角度测量传递的，所以角度观测误差会不断积累，这必然导致后续控制点的导线方位产生较大的误差，因此，目前的洞内导线测量具有角度测量结果逐次传导而引起误差不断积累的缺陷，从而导致横向贯通误差随导线在测区内的延伸而不断增加，形成了降低隧道横向贯通精度的重大因素。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是克服现有洞内导线测量具有的角度误差不断积累的缺陷，提供一种提高隧道横向贯通精度的测量方法，在传统的洞内导线测量过程中，增加陀螺经纬仪对导线边方位角的测定，并将该值加入到数据处理中，明显提高各控制点的工程坐标精度，从而达到提高隧道横向贯通精度的目的。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下：

一种提高隧道横向贯通精度的测量方法，基于洞内导线测量，该导线测量通过依次在各控制点上利用全站仪测定各导线边的长度和各转折角值，经数据处理后得出各控制点的工程坐标，其特征在于：在部分控制点上利用陀螺经纬仪增加测定导线边的方位角，并用以在数据处理中得到各控制点的工程坐标。

本发明所述的提高隧道横向贯通精度的测量方法在洞内导线测量的操作过程中增加下列测量操作步骤：

(1)选择测量点：根据导线测角的精度和陀螺经纬仪的观测精度确定增加方位角测定的控制点作为测量点；

(2)实测前准备：在测量点上选择合适的观测墩架设陀螺经纬仪，并使陀螺经纬仪的温度与环境气温一致，在测量开始前和过程中停止能产生震动的施工作业；

(3)测定测量点上导线边的方位角：首先根据测量点的近似纬度用陀螺经纬仪寻北，然后用全站仪照准取得方位角测量结果；

(4)数据处理：利用上述方位角测量结果按下式计算该测量点上导线边的方位角值，并用以推算得出各控制点的工程坐标：

A＝γ+β+Z+R+δ_ik，

其中，A方位角值，

γ子午线收敛角，

β常数、仪器校准值，子午线方向与陀螺经纬仪寻北方向的夹角，

Z常数、全站仪零方向与陀螺经纬仪寻北方向间的夹角，即全站仪度盘零点与陀螺经纬仪的自转轴之间的角度差值，

R全站仪目标点读数平均值，

δ_ik地面观测值改化到高斯投影平面上的改化数。

上述步骤(1)中所述的测量点应满足下述要求：加测的方位边较长，通视条件良好、成像清晰、无旁折光影响；所述步骤(3)中，陀螺经纬仪寻北的次数为多次，各次寻北之间相隔一定时间以待陀螺经纬仪完全冷却，每次寻北经过四个过程：步进寻北、测定吊带零位、预定向、精确定北；陀螺经纬仪各次寻北结果的最大值与最小值的差不得大于12″，否则重新测定。

与现有技术不同的是，本发明所述的提高隧道横向贯通精度的测量方法在传统的洞内导线测量的操作过程中，在一些适当的控制点上利用陀螺经纬仪增加对导线边方位角的测定，并且将该观测值用在数据处理中以得到各控制点的工程坐标。由于陀螺经纬仪测定方位角是根据地球自转来获得观测结果的，因此定向精度较高，而且各次的测量结果相互间保持独立，误差不具有累计性，避免了现有洞内导线测量角度误差不断积累导致控制点工程坐标定位精度低的缺陷，从而提高了隧道横向贯通的精度。

附图说明：

图1为本发明的工作流程图。

图2为方位角示意图。

图3为采用传统方法的测量误差示意图。

图4为采用本发明所述方法的测量误差示意图。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

首先请参阅图3，该图表示了某17.5km长隧道的测量导线，该导线分东、西两端，EB为东端洞内控制点，WB为西端洞内控制点，JP为东、西两端洞外控制点。按照技术设计书，使用瑞士徕卡公司生产的TCA2003全站仪对导线边、角进行自动观测、自动记录。方向观测按二等导线技术设计要求观测12测回，测角中误差为1秒；边长观测每条边往返各测1个时段，每个时段测4测回。按照测角中误差1秒、测距精度为1mm+1ppm以及实际的导线网型进行点位误差的估算，图3表示了应用传统洞内导线测量得到的各控制点的误差椭圆，从图中可以看出点位误差主要是表现在隧道横向贯通方向上，而且数值较大，因而将在很大程度上影响隧道横向贯通的精度。

为确保该隧道的顺利贯通和建设质量，决定采用本发明所述的测量方法，利用陀螺经纬仪加测导线边的方位角。传统的洞内导线测量是通过依次在各控制点上利用全站仪测定各导线边的长度和各转折角值，经数据处理后得出各控制点的工程坐标，而本发明所述提高隧道横向贯通精度的测量方法是在洞内导线测量的基础上，选择部分合适的控制点，利用陀螺经纬仪增加测定导线边的方位角，并用以在数据处理中得到各控制点的工程坐标。

请结合参阅图1和图4，本实施例采用本发明所述方法的具体操作过程如下：

1、选择测量点

首先根据导线测角的精度和陀螺经纬仪的观测精度确定若干增加方位角测定的控制点作为测量点，该若干测量点应满足下述要求：加测的方位边较长，通视条件良好、成像清晰、无旁折光影响。

本实施例所用的陀螺经纬仪为用于寻北的GYROMAT-2000型陀螺仪，其寻北的中误差为3″，以及用于目标瞄准的T1800电子经纬仪，其方向测量精度为1″。一般来说，如果控制点很多，则可以从导线洞外控制点开始每隔10-15个转折角加测一条陀螺方位边；如果转折角较少，可以只测定支导线末端的边；而对于联系测量精度较差的洞内导线，则应该在开始时就加测陀螺方位边。

本实施例根据东西端导线的实际观测条件，在东、西端导线内部各选择2个测量点加测2个陀螺方位角，东端中部选择了EB24-EB22，尾部选择了EB46-EB47；西端中部选择了WB11Y-WB12Z，尾部选择了WB25Z-WB26Y。为了计算常数需要，另外在洞外控制点上也进行了陀螺方位测量，根据东西端导线的实际观测条件，在东端洞外选择了JP140-JP129，西端洞外选择了JP112-JP117。

2、实测前准备

在测量点上选择合适的观测墩架设陀螺经纬仪，并使陀螺经纬仪的温度与环境气温一致，在测量开始前和过程中停止能产生震动的施工作业。

在进行陀螺经纬仪测量前，应该首先将仪器箱打开一段时间，使得仪器与周围环境的温度相一致，避免温度的变化对陀螺经纬仪测量结果产生影响。因为GYROMAT-2000型陀螺仪本身比较重且其上部为T1800电子经纬仪，所以仪器安装后本身的高度已经达到半米，因此选择合适的观测墩有利于提高观测成果的精度。

为了避免震动对测量结果产生不良影响，在在测量开始前和整个测量过程中停止能产生震动的施工作业。

3、测定测量点上导线边的方位角

首先根据测量点的近似纬度用陀螺经纬仪寻北，然后用全站仪照准取得方位角测量结果。

观测开始前需要给定测量点的近似纬度，将陀螺经纬仪的指向与北方向大致相同。陀螺经纬仪寻北的次数为多次，本实施例中每条方位边观测6测回，即寻北6次。各次寻北之间相隔一定时间，如10分钟，等待陀螺经纬仪完全冷却后再进行下一次寻北测量，以保证各次观测结果的相互独立，提高观测的精度。每次寻北经过四个过程，即，步进寻北(粗找北)过程、测定吊带零位、预定向过程和精确定北过程(测量壳体北向剩余偏差)，整个过程大致10分钟左右。每个方向陀螺经纬仪6次寻北的结果，按照仪器的精度，其最大值与最小值的差不得大于12″，否则重新测定。

寻北完成后用全站仪瞄准目标，每照准一次均将度盘读数输入到陀螺经纬仪中，经过2个测回共4次的照准后可以获得1个方位角测量结果。

4、数据处理

利用上述方位角测量结果按下式计算该测量点上导线边的方位角值，并用以推算得出各控制点的工程坐标：

A＝γ+β+Z+R+δ_ik，

其中，A方位角值，

γ子午线收敛角，

β常数、仪器校准值，子午线方向与陀螺经纬仪寻北方向的夹角，

Z常数、全站仪零方向与陀螺经纬仪寻北方向间的夹角，即全站仪度盘零点与陀螺经纬仪的自转轴之间的角度差值，

R全站仪目标点读数平均值，

δ_ik高斯改正数。

请参阅图2方位角示意图，图中表示了方位角A的计算值与各参数的几何关系。其中：γ为子午线收敛角，可以由已知控制点的平面坐标(X，Y)通过精确计算得到，具体的计算公式可以参考有关的资料和书籍。β为子午线方向与陀螺经纬仪寻北方向的夹角，是仪器常数即仪器校准值，其一般通过仪器检定获得，为了避免仪器常数检定的剩余误差和该常数随时间变化的影响，仪器常数β也可以利用已知点上进行方位测定的结果，按照以距离的倒数为权的加权平均来求得常数。Z为全站仪零方向与陀螺经纬仪寻北方向间的夹角，即全站仪度盘零点与陀螺经纬仪的自转轴之间的角度差值，也是仪器常数；其是由机械本身重量及老化等原因引起的，可以通过定期将仪器在基准线上进行检定而精确得到其值。R为全站仪目标点读数平均值，由测量时的观察得到。δ_ik为高斯改正数，是地面观测值改化到高斯投影平面上的改正数；椭球面上的方向投影到高斯平面后是一条弧线，其与高斯平面上的直线的差异即改正数δ_ik，该改正数δ_ik与边长的大小以及距离中央子午线的距离有关，对于一般的工程控制网，当中央子午线过测区中心时，该影响可以忽略。

本实施例中，通过测量和计算得到下表所列各导线边的方位角值：

                                表1  测量结果

  测线名  测量结果Z+R  子午线  收敛角  γ(″)  常数β  高斯改正  数δ_ik  方位角值  A＝γ+Z+R+β+δ_ik  EB23-EB22  120°58′24.7″  378.9  27.3″  0.0  121°05′10.9″  EB24-EB22  121°53′19.8″  379.6  27.3″  0.0  122°00′06.7″  EB46-EB47  299°42′33.2″  417.2  28.6″  0.0  299°49′59.0″  WB11Y-WB12Z  120°57′24.8″  586.1  34.3″  0.0  121°07′45.2″  WB25Z-WB26Y  122°44′31.2″  501.0  31.5″  0.0  122°53′23.7″  JP140-JP129  194°08′14.0″  358.3  26.2″  0.0  194°14′38.5″  JP112-JP117  9°50′59.3″  612.3  35.1″  0.2  10°01′46.9″

然后应用上述方位角值A，加入到传统的平差计算方法中推算得出各控制点的工程坐标。图4表示了应用本发明所述提高隧道横向贯通精度的测量方法得到的同一隧道各控制点的误差椭圆，从图中可以看出点位误差比图3所示应用传统洞内导线测量得到的各控制点的误差小得多。下表2列出了传统方法及本发明所述方法所得各控制点的工程坐标与原始测量所得各控制点的工程坐标的偏差，其中东端原测量导线到达了EB43点，西端原测量导线到达了WB23Z点，各方法的比较在能在洞口到这两个点间的点名相同的观测点上，限于篇幅，在此仅列出导线个别中间点和末点的比较结果：

                 表2  各方法结果比较

总之，从误差椭圆的变化来看，加测陀螺方位角以后点位精度有了明显的提高，从计算的结果来，加测陀螺方位角以后其结果从原来最大偏差0.368和0.2019分别减小到0.1868和0.1025，因此，本发明所述提高隧道横向贯通精度的测量方法提高了导线的精度和可靠性，达到了提高隧道贯通精度的目的。