隧道尽头的灯光

在全球范围内，越来越多的隧道（以及更长的隧道）正在修建中。目前，世界上最长的隧道是位于瑞士的57公里（35英里）长的哥特哈德基地隧道，但这可能会在未来几十年内发生变化，因为计划在中国大连和烟台之间修建123公里（76英里）长的海底隧道。每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。当列车预计以高达300公里/小时（186英里/小时）的速度通过时，计划的隧道轴线必须保持最大精度。在地下水隧道施工的情况下，例如汉堡的Elb隧道，完成后，必须将巨型隧道掘进机打入一个具有厘米精度的特殊防水目标施工中。在进行如此规模的关键项目时，标题中最小的方向误差可能会导致相当大的技术问题和财务风险。

隧道勘测员在确保隧道在指定目标点准确突破方面起着至关重要的作用。挑战在于引导隧道两侧走向正确的方向。定向传输的测量使用加长导线进行，导线只能连接到隧道入口处已知点的控制网络。无法检查隧道另一端前进方向的准确性。随着隧道长度的增加，配置两端以确保正确的隧道方向将导致相当大的风险和不确定性。

艰苦条件下的测量
许多隧道管具有入口启动轴。从这些起始竖井开始，定点坐标向下传输到隧道的标高，以便隧道能够正确钻孔并朝向其目标导航，这是前进隧道的另一端。这一过程被称为管道工程，当在这样小而窄的竖井中转移固定参考点时，总是涉及到风险因素。如果测量数据不准确一毫米，这种不准确会加剧自身的不准确，并导致隧道多条曲线的横向横穿线及其方向出现相当大的偏差。

当视线被转移并受到折射影响（如温差、湿度或灰尘）时，隧道本身存在测量风险。这使得测量角度和可靠测量变得困难，误差不可避免。这一点更为适用，因为在大多数隧道中，由于后勤原因，测量点不能位于隧道中心，因此必须位于隧道壁上。靠近墙壁的目标会进一步增加折射风险。具有众多（和紧密）曲线的隧道路线也需要最大的精度。

随着隧道长度的增加，管道和折射产生的误差加起来可能高达几米，使得在所需位置突破成为不可能。在这种情况下，通常需要进行大量的额外工作。

解决方案是“玩具”
以前，矿工和隧道建设者用圆规解决了这个问题。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。使用陀螺仪解决这一问题的初步发展出现在20世纪50年代初。

几乎每个人从小就熟悉陀螺仪，在玩陀螺的时候。我们在日常生活中不断地使用进动的基本物理原理，例如，当我们骑自行车时把手从自行车的把手上拿下来，然后像变魔术一样继续直行。

进动是当外力作用在旋转体（陀螺仪）上时，旋转体（陀螺仪）轴线的方向变化。如果将这样一个陀螺仪安装在一个测量装置中，该装置在地球上某个地方放置一段时间，地球的重力将在这段时间内作为外力作用于该陀螺仪。陀螺仪试图抵消这一外力并保持在其原始位置。如果它能够测量这些数值，这样的陀螺仪就可以用来确定地轴的方向（地图上的北方）。

作者：诺伯特·贝内克、沃尔克·施佩斯和沃尔克·舒尔特海斯