一种基于多技术融合的超深竖井三维联系测量方法与流程

本发明涉及工程测量，尤其是涉及一种基于多技术融合的超深竖井三维联系测量方法。

背景技术：

1、随着我国地下基础设施建设不断向深部空间拓展，深埋长竖井工程应用日益广泛，竖井联系测量作为打通地面与井下测量坐标系统的核心工序，其测量精度直接决定隧道贯通偏差、井下构筑物施工放样精度与整体工程建设质量。

2、现有竖井联系测量技术主要存在以下不足：

3、平面联系测量方面：其一，垂线偏差的系统性误差被普遍忽视；依据《工程测量规范》gb 50026，竖井深度超过300m时，垂线偏差对定向方位角的影响可达3″至8″，极易超出规范允许偏差；然而，传统测量方法在深井大垂直角观测工况下，通常忽略垂线偏差带来的角度系统误差，导致定向方位角存在固定偏差，且该偏差随井深增加而累积放大；其二，两井定向仅依靠单一几何观测手段完成坐标传递，缺少独立的外部检核手段，观测粗差与系统误差难以被快速甄别和修正，成果可靠性不足；其三，现有技术中各类定向观测数据独立解算，未形成多源数据融合平差体系，当同时采用几何定向和陀螺定向时，陀螺定向成果仅用于与独立平差结果的事后比对校核，这种“先独立解算、再比对差值”的模式无法将陀螺定向的高精度方位信息融入平差过程以提升整体成果精度，形成了两类高精度数据无法有机融合的技术瓶颈；

4、高程传递测量方面：常规工程钢尺有效长度较短，超深井作业必须分段拼接测量，极易产生对接误差与逐级累计误差；拼接式钢尺普遍采用焊接、铆接拼接成型，长期竖向承重拉伸易出现塑性形变，大幅降低测量稳定性；传统钢尺高程改正模型过于简易，仅开展基础尺长改正与平均温度改正，完全忽略深井环境下钢尺自重伸长、拉力差值、竖向偏曲带来的高阶误差，深度越大误差累积越明显；同时常规作业仅采用单尺单次测量，无内部互检机制，测量成果可靠性无法保障。

5、综上，现有竖井联系测量技术无法满足千米级超深竖井毫米级高程、亚秒级方位角的高精度传递需求，亟需研发一套融合多元测量技术、完善误差改正体系、具备多重检核机制的一体化三维联系测量方法。

技术实现思路

1、为了克服背景技术中的不足，解决现有的技术问题，本发明公开了一种基于多技术融合的超深竖井三维联系测量方法，通过垂线偏差实测改正、双投点坐标互检、陀螺定向严格约束平差、超长钢尺五项全维度改正及双尺互检等多重技术手段的有机融合，实现地面平面坐标、方位角、高程三维基准向井下的同步高精度传递，全面提升超深竖井联系测量整体精度与成果可靠性。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于多技术融合的超深竖井三维联系测量方法，包含平面联系测量和高程传递测量；所述平面联系测量包括：测定测区的垂线偏差分量，并依据所述垂线偏差分量对全站仪实测水平方向观测值进行改正；分别采用激光投点和钢丝投点两种独立方式向井下投点，将钢丝投点坐标作为激光投点坐标的独立检核，经检核合格后，依据两井定向测量原理传递平面坐标与方位角；将经垂线偏差改正后的水平方向观测值和两井定向导线观测值构建误差方程，将陀螺全站仪实测坐标方位角作为严格的等式约束方程直接纳入平差模型，与所述误差方程共同组成法方程进行整体最小二乘迭代求解，输出井下平面坐标与起算方位角；所述高程传递测量包括：采用两把整体成型的长检定钢尺独立竖向悬挂，同步读取井上和井下的钢尺读数，依次完成尺长改正、分段温度改正、拉力改正、自重积分改正和悬链垂曲改正，叠加得到高程总改正量，将两把钢尺独立解算的高程成果进行互差核验，合格后取均值作为井下高程基准。

4、进一步，所述垂线偏差分量的测定方式为：采用gnss静态观测联合精密水准测量，获取测点大地高与正常高，计算高程异常值n，对测区高程异常曲面进行拟合求导，按下式计算垂线偏差分量：ξ=-(1/r)·(∂n/∂x)·ρ；η=-(1/r)·(∂n/∂y)·ρ；其中，r为地球平均曲率半径，x、y为高斯平面坐标系北向、东向坐标，ρ为弧度换算常数；所述曲面拟合所用已知高程异常的控制点数量不少于4个。

5、进一步，所述垂线偏差分量的测定方式还可替换为：在地面近井控制点上使用天文测量仪器观测恒星获取天文经纬度（φ，λ），与同一点已知的大地坐标（b，l）进行比较，按下式计算垂线偏差分量：ξ=φ–b；η=(λ-l)·cosφ；在不少于2个地面近井点上进行天文测量后取均值作为统一的垂线偏差改正参数。

6、进一步，所述水平方向观测值的改正按下式进行：a修= a观-(ξ·sina观-η·cosa观)·tanv；式中，a观为实测水平方向值，v为天顶距，a修为改正后的水平方向值，ξ、η分别为垂线偏差北向分量和东向分量。

7、进一步，所述激光投点坐标与钢丝投点坐标互检的合格限差为10mm，当两组坐标互差≤10mm时判定激光投点成果合格；所述钢丝投点采用直径1.5mm、抗拉强度不低于1860mpa的碳素钢丝，下端悬挂重锤重量为钢丝破断拉力的1/3，静置不少于30min后以机械对中方式测定坐标。

8、进一步，所述等式约束方程为：

9、αgyro= arctan[(yj+δyj-yi-δyi)/(xj+δxj-xi-δxi)]；式中，αgyro为陀螺全站仪实测坐标方位角，(xi，yi)与(xj，yj)为导线边两端点近似坐标，(δxi，δyi)与(δxj，δyj)为对应坐标改正数；所述等式约束以真值约束方式直接纳入平差模型，不采用赋权转化方式，且陀螺定向观测边与两井定向导线边相互独立不重合。

10、进一步，所述陀螺全站仪实测坐标方位角与两井定向推算方位角的检核限差为±5″，且陀螺全站仪一次定向中误差±3.5″。

11、进一步，五项高程改正的计算模型为：

12、δlk=a·l+b；

13、δlt=α·∑(ti-20)·li；

14、δlf=δf·l/(e·a)；

15、δls=γ·h²/(2·e)；

16、δlsag=-q²·l³·sin²θ/(24·t²)；

17、δh总=δlk +δlt +δlf +δls +δlsag；

18、其中，δlk为尺长改正，a为尺长一次项系数，b为尺长常数项；δlt为分段温度改正，α为钢尺线膨胀系数，ti为第i区段实测温度，li为第i区段钢尺长度；δlf为拉力改正，δf为现场拉力与检定拉力之差，e为弹性模量，a为横截面积；δls为自重积分改正，γ为钢尺体积容重，h为悬挂深度；δlsag为悬链垂曲改正，q为钢尺单位长度自重，θ为竖向偏斜夹角，t为轴向拉力。

19、进一步，所述两把钢尺高程成果的互差核验合格限差为2mm；所述钢尺检定精度等级不低于ⅱ级，钢尺预拉伸静置时长不少于30min且预拉伸期间拉力恒定，井上井下读数采用电信号同步触发方式，单把钢尺独立观测读数不少于3次。

20、进一步，所述方法适用竖井竖向深度区间为300m～1000m，经平差后井下平面最弱点点位中误差±8mm、最弱边方位角中误差±3.2″，高程传递中误差±1.5mm。

21、由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：

22、本发明公开的基于多技术融合的超深竖井三维联系测量方法，通过垂线偏差实测改正消除了大垂直角观测工况下的系统性角度误差，通过双投点坐标互检有效剔除了激光投点可能存在的粗差，特别是通过将陀螺定向方位角作为严格的等式约束方程直接纳入平差模型进行整体最小二乘迭代求解，实现了几何定向数据与陀螺定向高精度方位信息的深度融合与整体优化，使两类数据的精度冗余转化为实际的精度增益，从根本上克服了现有技术中陀螺定向成果无法融入平差过程以提升整体精度的技术瓶颈；

23、采用整体成型超长检定钢尺进行全程无分段测量，从根源上消除了传统短钢尺分段接续测量的对接误差与累计误差；通过覆盖尺长、分段温度、拉力、自重积分、悬链垂曲五项全维度误差改正模型的系统化校正，填补了超深竖井钢尺导高高阶误差改正的技术空白；配合两把独立钢尺同步观测、成果互差核验的质控机制，确保了高程传递成果的可靠性；

24、本发明作业流程规范，所用测量设备均为工程测量领域通用精密设备，无需定制专用大型装备，可适配300m～1000m全深度区间、不同断面尺寸的超深竖井，具有良好的推广适用性。