隧道尽头的光

在全球范围内，越来越多的隧道(以及更长的隧道)正在修建。目前，世界上最长的隧道是瑞士的圣哥达基地隧道(gothard Base tunnel)，全长57公里(35英里)，但这可能在未来几十年改变，计划在中国城市大连和烟台之间修建123公里(76英里)海底隧道。每一个隧道项目都需要数百万美元的投资，隧道测量所需的精度水平不断提高。当火车预计以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保持最大精度。汉堡Elb隧道等在地下水中进行隧道施工时，必须在完工后以厘米的精度将巨大的隧道掘进机打入特殊的防水目标建筑中。在从事这种规模的关键项目时，航向中最小的方向误差都可能导致相当大的技术问题和财务风险。

隧道测量师在确保隧道准确地在指定的目标点突破方面起着至关重要的作用。我们面临的挑战是如何引导隧道双方朝着正确的方向前进。定向传输的测量是通过加长导线进行的，而导线只能连接到隧道入口已知点的控制网上。没有办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，为正确配置隧道的正确方向两端会带来相当大的风险和不确定性。

艰苦条件下的测量
许多隧道管有入口起动竖井。从这些开始的竖井，定点坐标被转移到隧道的水平，这样隧道就可以正确地钻孔并导向它的目标，这是前进隧道的另一端。这个过程被称为管道，当在如此小而狭窄的竖井中传递固定参考点时，总是会涉及到风险因素。如果测量的数据哪怕有一毫米的误差，这种误差就会加剧，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。

隧道内的测量风险发生在视线改变和受到温差、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。这一点更加适用，因为在大多数隧道中，由于后勤方面的原因，测量点不能设在隧道中心，因此必须设在隧道壁上。瞄准靠近墙壁会进一步增加折射的风险。具有大量(和紧密)弯道的隧道也需要最大的精度。

随着隧道长度的增加，来自管道和折射的误差加起来可能高达几米，在想要的位置突破是不可能的。在这种情况下，通常需要大量的额外工作。

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进展出现在20世纪50年代早期。

几乎每个人都熟悉陀螺仪的童年，当玩旋转陀螺。在日常生活中，我们不断地使用进动的基本物理原理，例如，当我们骑自行车时，把手从车把上移开，然后像变魔术一样一直往前走。

进动是转动物体(陀螺仪)在外力施加扭矩时轴的方向变化。如果将这样一个陀螺仪安装在一个测量装置中，并在地球上的某个地方放置一段时间，在这段时间内，地球的重力将作为外力作用在这个陀螺仪上。陀螺仪试图抵消这个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(地图上的北)的方向。

作者:Norbert Benecke, Volker Schäpe和Volker Schultheiss