隧道尽头的光亮

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，长57公里(35英里)，但随着中国大连和烟台之间计划建设123公里(76英里)的海底隧道，这一情况在未来几十年可能会改变。每一个隧道工程都需要数百万美元的投资，而隧道测量所需的精度水平也在不断提高。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的精度。在地下水隧道建设的情况下，如在汉堡的埃尔布隧道，巨型隧道掘进机必须被驱动到一个特殊的水封目标建筑，精度为厘米。在这种规模的关键项目中，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。

隧道测量员对保证隧道在规定的目标点上准确突破起着至关重要的作用。挑战在于引导隧道的双方朝着正确的方向前进。定向传输的测量使用拉长导线，这只能连接到隧道入口的一个已知点的控制网络。没有办法检查隧道另一端前进的方向准确性。随着隧道长度的增加，在隧道两端配置正确的隧道方向会带来相当大的风险和不确定性。

艰苦勘测
许多隧道管都有入口起动轴。从这些开始的竖井，定点坐标向下传递到隧道的水平面上，这样隧道就可以被正确地钻孔，并导向目标，也就是前进隧道的另一端。这个过程，被称为管道，总是包含一个风险因素，当转移固定的参考点在如此小和狭窄的竖井。如果实测数据有哪怕一毫米的误差，这种误差就会加剧，并导致隧道许多曲线的横向横贯线及其方向出现相当大的偏差。

在隧道中测量的风险发生在视线被转移和受到诸如温差、湿度或灰尘等折射影响时。这些使得测量角度和可靠测量困难，误差不可避免。这一点更加适用，因为在大多数隧道中，由于后勤原因，测量点不能位于隧道的中心，因此必须位于隧道壁处。靠近壁的目标会进一步增加折射的风险。有许多(和紧密)弯道的隧道航道也要求最高的精确度。

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，使得在理想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。利用陀螺仪解决这一问题的初步发展出现在20世纪50年代早期。

几乎每个人都熟悉陀螺仪从小玩一个旋转陀螺。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，把手从车把上拿下来，像魔法一样继续直线行驶。

进动是外力对旋转体(陀螺仪)施加转矩时旋转轴的方向变化。如果将这样的陀螺仪安装在测量装置中，并在地球上某处放置一段时间，在这段时间内，地球的重力就会作为外力作用在陀螺仪上。陀螺仪试图抵消这种外力，保持在原来的位置。如果它成功地测量了这些值，这样的陀螺仪就可以用来确定到地轴(地图上的北方)的方向。

作者:Norbert Benecke, Volker Schäpe和Volker Schultheiss