高精度陀螺全站仪在轨道交通工程测量中的应用

赵 启

（中国水利水电第十工程局有限公司，四川成都 611830）

1 概述高精度陀螺全站仪

1.1 高精度陀螺全站仪基本工作原理

高精度陀螺全站仪是根据陀螺定向原理和地球自转原理进行测定的高精度测量设备。由于高精度陀螺全站仪在应用时很少受地磁因素的干扰，且可适应复杂气候条件下的精密测量要求，能够按照工程需要对任意目标方向进行定位测量，因此在轨道交通工程等多个领域中得到了广泛应用。

1.2 高精度陀螺全站仪的基本作业流程

应用高精度陀螺全站仪对陀螺方位角进行地下定向测量时，应严格遵守相关的测量规范要求，对地面已知边进行测前测量，再对地下定向边进行定向测量的顺序开展测量。同时，为了保证测量精度，应在完成地下定向边测量后，对地面已知边再次进行测量。除此之外，按照测量规范的要求，在对陀螺方位角的地下定向边测量时，应达到3次以上，且陀螺方位角在不同测回之间在同一目标方位上的最大较差应控制在20″以内。

1.3 轨道交通工程中应用高精度陀螺全站仪的主要问题

应用高精度陀螺全站仪进行寻北测量时，必须根据内置程序开展定向测量工作，大多数高精度陀螺全站仪的预设测量顺序并不符合我国的测量规范要求，部分高精度陀螺全站仪无法对测回等重要参数进行自主设定，且高精度陀螺全站仪设备无法直接在强制归心标上设置，影响了对中精度。此外，在应用高精度陀螺全站仪进行测量时，其测量精度会受到仪器常数因素的影响。

2 高精度陀螺全站仪在轨道交通工程测量中的应用实践

2.1 某轨道交通工程基本概况

以某轨道交通工程为例，其在工程建设中需要进行隧道施工，隧道长度约为6.5 km，属于长距离隧道。为了保证隧道工程贯通施工精度，需要定向检查洞内长距离导线设置情况。根据该轨道交通工程的实际情况和施工精度要求，应采用高精度GYROMAT300型陀螺全站仪进行测量，以便及时发现施工误差，保证施工质量和效率。

2.2 高精度GYROMAT300型陀螺全站仪分析

（1）基本技术指标。

本次轨道交通工程测量工作采用高精度GYROMAT300型陀螺全站仪，该设备的测量精度较高，能够广泛适应多种条件下的定向测量要求，可满足该轨道工程对测量精度的要求。高精度GYROMAT300型陀螺全站仪共设置高精度、中等精度、高速度三种不同的测量模式，其在测量时间、标称精度方面均有所差异。

在高精度模式下的标称精度能够达到1 mgon，但其一测回所需的时间大约需要10 min。在高精度GYROMAT300型陀螺全站仪的中等精度模式下，其标称测量精度为5 mgon，其一测回的测量时间约为5 min。在高精度GYROMAT300型陀螺全站仪的高速度模式下，一测回的测量时间仅为2 min左右，标称的测量精度在10 mgon左右。测量人员应根据工程测量的实际需要，进行相应测量模式的选择，在该轨道交通工程中根据施工要求应选择高精度测量模式。

（2）各角度关系分析。

在应用高精度GYROMAT300型陀螺全站仪施测时，测量人员应准确把控其各角度在定向测量中的相互关系，大地方位角为真北方向和目标方向之间夹角。

确定高精度GYROMAT300型陀螺全站仪的E值时，应以参考基线为基础，在输入后不得在测量作业过程中对E值进行修改。在测量过程中，应注意高精度GYROMAT300型陀螺全站仪自重、仪器移动或设备老化等问题，导致的高精度GYROMAT300型陀螺全站仪在真北方向及指北方向上存在细微改变。高精度GYROMAT300型陀螺全站仪的仪器常数为真北方向和零方向夹角值，陀螺方位角是高精度陀螺全站仪在目标方向上的读数值。

在测量计算中，应准确把握陀螺方位、坐标方位角、大地方位角间的相互关系，以保证坐标方位角计算的准确性。可直接通过测量获得目标方向上的坐标方位角值，并定期对高精度GYROMAT300型陀螺全站仪进行专业检定。此外，为了获得仪器常数，需要对地面已知边进行多测回的定向测量。

（3）计算子午线收敛角方法。

在应用高精度GYROMAT300型陀螺全站仪进行测量时，应根据坐标真北方向、北方向夹角对子午线收敛角进行计算分析，在计算中应根据高精度GYROMAT300型陀螺全站仪的设置位置确定其符号，应将中央子午线以西作为负号，以东则应为正号。为了保证坐标方位角的计算精度，必须合理选择子午线收敛角的计算方法。在选择计算公式时，应充分考虑隧道两端间距、经差以及纬度等因素，确保选择计算公式的子午线收敛角计算结果精度，能够达到测量规范中的精度要求。

2.3 应用高精度GYROMAT300型陀螺全站仪外业测量要点

（1）准确测定地面已知边数据。

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在地面已知边的测前测量工作中，可应用高精度陀螺全站仪，对与地下定向边相距较近的邻近地面已知边进行测量，并确定测站、目标方向。

将高精度GYROMAT300型陀螺全站仪架设在测站点位置，且应保证高精度GYROMAT300型陀螺全站仪的指北箭头，基本保持在北方指向。实际测量过程中，应先将主机整平，再进行材料开机测量，且GYROMAT300型高精度陀螺全站仪应设置在高精度测量模式下，以保证测量的精度。

开机后高精度GYROMAT300型陀螺全站仪可以自动完成寻北定向，之后应利用高精度陀螺全站仪对目标方向进行4个测回的测量，定向测量次数应为1次。完成测量后，应将高精度GYROMAT300型陀螺全站仪暂时关闭，再重新开机测量，且测量步骤应与之前测量保持同步，定向测量次数应为3次。

完成各次定向测量后，应关闭高精度GYROMAT300型陀螺全站仪，并待设备冷却后，方可再次开机，以确保后续寻北测量的精度。在本次地面已知边的测量中，测得的陀螺方位角值在3次定向测量中的最大较差为4″，该较差符合测量规范中20″的较差上限要求，满足导线精密测量中对同一方向上各测回间的较差精度要求。

（2）测量地下定向边要点。

对地下定向边进行测量时，应将强制归心标作为其控制点，直接在待测点上架设高精度陀螺全站仪，并合理确定其目标方向。在测量时可采用与地面已知边相同的测量方法开展定向测量，测量人员应严格遵守测量规程，且寻北定向测量次数应达到5次以上。在对两个目标方位定向边进行定向测量时，对各测绘陀螺方位角测量数据进行对比分析，其最大较差分别为5.8″和5.9″，2个较差值均符合测量规范中较差不得超过20″的标准。

（3）地下定向边测后测量要点。

完成对地下定向边的测量后，应对地面已知边再次进行定向测量。在本次测后测量工作中，对地面已知边的定向测量次数为3次，且陀螺方位角在3次定向测量中的较差同样被控制在20″范围内，仅为1.4″，符合测量规范要求。

（4）处理测量数据要点。

应测定高精度GYROMAT300型陀螺全站仪常数，在测量工作中应严格按照相关测量技术规范进行外业测量，且每次定向测量的数据精度均应符合测量规要求，应以各测站给定的经差及纬度数据为基础，对子午线收敛角进行计算，并求出改正陀螺方位角。地面已知边方位角坐标与陀螺方位角改正值之差为高精度陀螺全站仪的仪器常数，在该轨道工程的测量工作中，应用高精度陀螺全站仪对地面已知边进行测量，分别在测前及测后进行3次寻北定向，总测回达到6次，符合测量规范要求。

在对地面已知边进行测前及测量的定向测量时，获得的陀螺方位角差均值在2.3″左右，符合测量规范中要求不超过15″的规定。可将测前及测后定向测量中，获得的仪器常数均值作为本次测量的仪器常数，并以此为依据对地下定向边进行计算分析。经测量计算，两个测站的坐标方位角较差分别为7.6″和5.4″，均未超过20″的最大较差范围，符合测量规范的精度要求。

对子午线收敛角进行计算分析，计算陀螺方位角时，应以外业测量中地下定向边的5次寻北定向测量结果，为基础取其平均值，再结合测站的经差、纬度值等，对子午线收敛角进行计算分析。应根据地上定向边测量时，获得的高精度陀螺全站仪常数及在地下定向测量时，计算子午线收敛角，纠正陀螺方位角。

（5）分析高精度GYROMAT300型陀螺全站仪测量精度。

对全站仪角度实测值、陀螺方位角进行对比分析，其较差被控制在2.2″左右，符合轨道工程测量规范的精度要求，未超过10″最大允许值。

3 结语

高精度陀螺全站仪具有较高的测量精度，可定向检核轨道交通工程的隧道洞内导线设置情况，有效提高长距离导线设置的精度，可保证隧道贯通施工的顺利进行提供可靠的参考依据。在轨道交通工程的建设中，应积极应用高精度陀螺全站仪等先进的测量仪器设备。积极总结高精度陀螺全站仪的应用实践经验，通过连接基座的研制等途径，提升高精度陀螺全站仪精度，确保轨道交通工程贯通测量定向基准精确无误，推动我国工程测量技术的发展，提升工程建设的应用效果。