隧道尽头的曙光

在全球范围内，建造的隧道越来越多(甚至更长)。目前，世界上最长的隧道是瑞士圣哥达基地隧道(Gotthard Base tunnel)，全长57公里(35英里)，但未来几十年，这一情况可能会改变，计划在中国大连和烟台之间修建123公里(76英里)的海底隧道。每一个隧道项目都是数百万美元的投资，隧道测量所需的精度水平不断提高。当列车预计以300公里每小时(186英里每小时)的速度通过时，计划中的隧道轴线必须以最大的精度保持。在地下水隧道施工中，如汉堡的Elb隧道，巨型隧道掘进机在完成后必须以厘米的精度进入特殊的水封目标施工。在这种规模的关键项目中，最小的航向误差都可能导致相当大的技术问题和财务风险。

隧道测量员在确保隧道准确突破指定目标点方面起着至关重要的作用。挑战在于如何引导隧道的两边朝着正确的方向前进。定向传输的测量使用细长的导线，它只能连接到隧道入口的一个已知点的控制网络。没有办法检验隧道推进对端的定向精度。随着隧道长度的增加，为了正确确定隧道方向而配置两端，会带来相当大的风险和不确定性。

困难条件下的测量
许多隧道管道都有入口起动轴。从这些起始竖井，定点坐标被转移到隧道的水平，以便正确地掘进隧道，并引导隧道朝向目标，这是前进隧道的另一端。这一过程被称为管道铺设，在将固定参考点转移到这种又小又窄的竖井时，总是存在一定的风险。如果测量数据有一毫米的误差，这种误差本身就会加重，并导致隧道的许多曲线及其方向的横向穿越线出现相当大的偏差。

隧道本身的测量风险发生在视线被转移和受到温差、湿度或灰尘等折射影响时。这使得测量角度和可靠的测量变得困难，误差也不可避免。由于在大多数隧道中，由于后勤方面的原因，测量点不能位于隧道的中心，因此必须位于隧道的墙壁上，因此，这一点更加适用。瞄准靠近墙壁会增加折射的风险。隧道路线与众多(和紧)曲线也需要最大的准确性。

随着隧道长度的增加，管道和折射造成的误差加起来可达数米之多，使得在理想位置突破成为不可能。在这种情况下，通常需要相当多的额外工作。

解决方案是一个“玩具”
以前，矿工和隧道建设者用指南针来解决这个问题。然而，在今天的现代隧道中，由于使用了大量的钢铁，这是不可能的。利用陀螺仪解决这个问题的初步发展出现在20世纪50年代初。

几乎每个人都从小玩陀螺的时候就熟悉陀螺仪了。我们在日常生活中经常使用岁差的基本物理原理，例如，骑自行车时，我们的手从车把上拿开，然后像变魔术一样直走。

进动是旋转体(陀螺仪)在外力施加扭矩时轴方向的改变。如果将这样的陀螺仪安装在一个测量装置中，在地球某处放置一段时间，在这段时间内，地球的重力会作为外力作用在陀螺仪上。陀螺仪试图抵消这种外力，并保持在原来的位置。如果它能够测量这些值，这样的陀螺仪就可以用来确定地轴的方向(地图上的北方向)。

作者:诺伯特·贝内克，Volker Schäpe, Volker Schultheiss