盾构隧道陀螺仪工作原理及其应用

陀螺仪工作原理与应用

一. 陀螺仪工作原理与应用

为了求得测量的基准方位和日照时间的方位，必须使用磁针罗盘仪进行天体观测。然而，磁针罗盘仪的精度有限，在天体观测中还要受到确保通视、天气、场所和时间等观测条件的影响。为了解决这些问题，可采用利用了力学原理求得真北的陀螺经纬仪。陀螺经纬仪在隧道测量以及由于不能和已知点通视而无法确定方位、方向角的情况下都能发挥很大的作用。

（图1：陀螺工作站）

1、陀螺工作站的原理高速旋转的物体的旋转轴，对于改变其方向的外力作用有趋向于铅直方向的倾向。而且，旋转物体在横向倾斜时，重力会向增加倾斜的方向作用，而轴则向垂直方向运动，就产生了摇头的运动（岁差运动）。当陀螺经纬仪的陀螺旋转轴以水平轴旋转时，由于地球的旋转而受到铅直方向旋转力，陀螺的旋转体向水平面内的子午线方向产生岁差运动。当

轴平行于子午线而静止时可加以应用。

2、陀螺工作站的构造

（图4：陀螺经纬仪的构造 0点调整螺丝，吊线，照明灯，陀螺转子、指针、供电用馈线、反

射镜、陀螺马达、刻度线、目镜）。

陀螺经纬仪的陀螺装置由陀螺部分和电源部分组成。此陀螺装置与全站仪结合而成。陀螺本体在装置内用丝线吊起使旋转轴处于水平。当陀螺旋转时，由于地球的自转，旋转轴在水平面内以真北为中心产生缓慢的岁差运动。旋转轴的方向由装置外的目镜可以进行观测，陀螺指针的振动中心方向指向真北。利用陀螺经纬仪的真北测定方法有“追尾测定”和“时间测定”等。

追尾测定[反转法] 利用全站仪的水平微动螺丝对陀螺经纬仪显示岁差运动的刻度盘进行追尾。在震动方向反转的点上（此时运动停止）读取水平角。如此继续测定之，求得其平均震动的中心角。用此方法进行20分钟的观测可以求得+/-0。5分的真北方向。

时间测定[通过法] 用追尾测定观测真北方向后，陀螺经纬仪指向了真北方向，其指针由于岁差运动而左右摆动。用全站仪的水平微动螺丝对指针的摆动进行追尾，当指针通过0点时反复记录水平角，可以提高时间测定的精度，并以+/-20秒的精度求得真北方向。

（图2：摇头运动）

（图3：向子午线的岁差运动）

（图5：指针与刻度盘刻度线/0点/指针）

3、陀螺全站仪的应用实例 3.1 隧道中心线测量在隧道等挖掘工程中，坑内的中心线测量一般采用难以保证精度的长距离导线。特别是进行盾构挖掘（shield tunnel）的情况，从立坑的短基准中心线出发必须有很高的测角精度和移站精度，测量中还要经常进行地面和地下的对应检查，以确保测量的精度。特别是在密集的城市地区，不可能进行过多的检测作业而遇到困难。如果使用陀螺经纬仪可以得到绝对高精度的方位基准，而且可减少耗费很高的检测作业（检查点最少），是一种效率很高的中心线测量方法。

（图6：盾构挖掘的中心线测量陀螺工作站/真北/检查点/立坑/陀螺工作站）

3.2 通视障碍时的方向角获取，当有通视障碍，不能从已知点取得方向角时，可以采用天文测量或陀螺经纬仪测量的方法获取方向角（根据建设省测量规范）。与天文测量比较，陀螺经纬仪测量的方法有很多优越性：对天气的依赖少、云的多少无关、无须复杂的天文计算、在现场可以得到任意测线的方向角而容易计算闭合差。

（图7：通视障碍时的方向角获取已知点）

3.3 日影计算所需的真北测定在城市或近郊地区对高层建筑有日照或日影条件的高度限制。在建筑申请时，要附加日影图。此日影图是指，在冬至的真太阳时的8点到16点为基准，进行为了计算、图面绘制所需要的高精度真北方向测定。使用陀螺经纬仪测量可以获得不受天气、时间影响的真北测量。

现在我们的长江盾构穿越工程隧道长度约2600米，如果始发井口导线方向误差为7＂，那么采用原来支导线测量方法因为存在误差积累，当掘进到接收井口时的误差约为150mm,已经不能满足现场的施工需要，

陀螺仪的精度,因为陀螺仪测量的陀螺方位角没有误差积累，从洞口测得井上井下差值一直到隧道的最终点精度都是一样的，尤其对长隧道的井下方位控制非常有效，以陀螺仪精度为15＂，隧道最后200米计算，偏差值仅为14.5mm。

二.推荐仪器品牌

在宜昌盾构项目我们对日本索佳陀螺全站仪和天津707研究所制造的陀螺经纬仪进行实际测量精度试验，并综合各方面的调查和咨询，建议使用日本索佳陀螺全站仪。

日本索佳陀螺全站仪优点如下：

1.索佳陀螺仪只需要普通架腿，架设方法和我们的全站仪一样，可以使用隧道内的测量控制

点，测量时不影响井下施工；

2.索佳陀螺仪分解为两个箱子存放，移动方便；

3.它采用的是光学对中，对中精度较高；

4.陀螺全站仪设计比较合理，全站仪里面有两种测量模式，可以进行相互检核；

5.全站仪和陀螺仪非常牢固，陀螺仪旋转达到转速后非常的稳定，没有震动和噪音；

6.陀螺仪的精度为15秒，完全能够满足长江盾构隧道测量精度的需要。

这种仪器的唯一缺点就是观测时间较长，需要眼睛不停的跟踪陀螺的摆动。