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一、引言 地鐵隧道完成土建施工后，為了檢查成形隧道是否滿足地鐵列車的行車限界要求，需要根據(jù)設(shè)計單位的交底要求，施測隧道斷面，以便設(shè)計確認(rèn)限界。土建完工后，鋪軌作業(yè)前，我們要完成隧道斷面測量，由于工期等原因，能夠用于測量的時間一般很短，任務(wù)繁重，因此，提高工作效率，尋求簡便可行的測量方法很關(guān)鍵。 目前隧道斷面的測量方法主要有支距法、全站儀三維坐標(biāo)法、斷面儀法、三維激光掃描法，通過外業(yè)實(shí)踐和作業(yè)效率、成本等認(rèn)真分析，筆者認(rèn)為全站儀三維坐標(biāo)法外業(yè)效率高、受限制較小、可操作性強(qiáng)、成本低、可推廣，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)后處理易實(shí)現(xiàn)程序化，并研究了全站儀三維坐標(biāo)法的數(shù)據(jù)后處理方案，該方案能適應(yīng)不同類型的斷面測量工作。 二、斷面測量的一般要求 1.一般規(guī)定： ?。?）竣工測量主要為鋪軌前，區(qū)間和車站軌行區(qū)的結(jié)構(gòu)斷面測量。 ?。?）結(jié)構(gòu)斷面測量須以歸化改正后的線路中線點(diǎn)或貫通平差后的施工控制點(diǎn)為依據(jù)。 ?。?）竣工測量采用的坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)、圖式等應(yīng)與原施工測量系統(tǒng)一致。 2.精度要求： 根據(jù)《城市軌道交通工程測量規(guī)范》（GB50308-2008）14.3.6條：橫斷面里程中誤差為±50mm，斷面點(diǎn)與線路中線法距的測量中誤差為±10mm，斷面高程的測量中誤差為±20mm。  三、常用測量方法簡介 結(jié)構(gòu)橫斷面測量一般采用支距法、全站儀三維坐標(biāo)法、斷面儀法、三維激光掃描儀法等。 支距法 首先用全站儀放出線路中樁，然后依據(jù)設(shè)計給定的高度，用尺子直接量取橫距和高差。  此方法簡單、直觀，但是由于測量工具簡陋，對隧道環(huán)境要求較高，每一斷面限界控制點(diǎn)又需直接測量，個別點(diǎn)測量困難，所以勞動強(qiáng)度大、測量精度低。該方法適用于洞徑較小、測量精度要求較低的斷面測量。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時，需要手工將外業(yè)填寫的數(shù)據(jù)逐個錄入計算機(jī)的電子表格，供設(shè)計人員使用。操作起來很繁瑣、枯燥，沒有較好的快速處理方法。 全站儀三維坐標(biāo)法 采用全站儀直接測取斷面上限界控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并記錄在全站儀的數(shù)據(jù)采集器內(nèi)。   全站儀三維坐標(biāo)法外業(yè)測量時，不用每個斷面設(shè)站，可以一次性測量多個斷面，儀器可架設(shè)在中線點(diǎn)上，也可以架設(shè)在控制點(diǎn)上，受限制條件相對較少；內(nèi)業(yè)利用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，計算完成后，依據(jù)計算結(jié)果繪制橫斷面圖，并提供限界控制點(diǎn)坐標(biāo)、橫斷面尺寸以及與設(shè)計值的比較成果等一系列所需成果資料。全站儀三維坐標(biāo)法進(jìn)行橫斷面限界測量速度快、精度高、勞動強(qiáng)度小在限界測量中得到廣泛應(yīng)用。 斷面儀法 首先用全站儀放出每個斷面的線路中樁，然后在每個中樁上架設(shè)斷面儀，找到垂直線路方向，對斷面進(jìn)行掃描。  此方法簡單、直觀，但勞動強(qiáng)度大、每一個斷面都要設(shè)站一次，隧道底部分存在盲區(qū)。內(nèi)數(shù)需要在斷面圖上采集設(shè)計需要的橫距和高差數(shù)據(jù)，然后錄入電子表格，供設(shè)計人員使用。內(nèi)業(yè)繁瑣，沒有較好的快速處理方法。 三維激光掃描儀法 三維激光掃描儀是無合作目標(biāo)激光測距儀與角度測量系統(tǒng)組合的自動化快速測量系統(tǒng)，在復(fù)雜的現(xiàn)場和空間對被測物體進(jìn)行快速掃描測量，直接獲得激光點(diǎn)所接觸的物體表面的水平方向、天頂距、斜距和反射強(qiáng)度，自動存儲并計算，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。后處理采用商業(yè)軟件進(jìn)行。    三維激光掃描法是新興的高科技手段，外業(yè)測量的數(shù)據(jù)量大，效果好，能精細(xì)反映隧道現(xiàn)狀，但目前儀器和后處理軟件價格非常之高，一般單位難以承受，不具有普遍性。 四、推薦 綜合分析上述幾種測量方法，筆者認(rèn)為全站儀三維坐標(biāo)法最具有可操作性和普及性。因?yàn)楝F(xiàn)在測量工作，普及性最高的就是全站儀，測量工程師最熟悉的也是全站儀，基本從事測量工作的人天天都在用全站儀。而且，全站儀三維坐標(biāo)法測量斷面的外業(yè)效率也很高，靈活性強(qiáng)，數(shù)據(jù)后處理可以通過Excel表格或簡單編程來實(shí)現(xiàn)，不需要購置商業(yè)軟件。 五、全站儀三維坐標(biāo)法數(shù)據(jù)后處理解決方案 全站儀外業(yè)采集大量點(diǎn)的三維坐標(biāo)，數(shù)據(jù)如何處理? 數(shù)學(xué)模型 ?。?）反求里程 根據(jù)文獻(xiàn)4，直線段線外一點(diǎn)的里程，可直接通過坐標(biāo)反算和三角形解算得到該點(diǎn)與起點(diǎn)的里程差（如圖5-1），該點(diǎn)的里程便也可簡單求得，在此不多說明。這里介紹一下曲線段線外一點(diǎn)里程求算原理。如圖5-2，p為斷面上的一個測點(diǎn)，首先計算出曲線起點(diǎn)O的坐標(biāo)及切線方位，通過計算起點(diǎn)O與任意點(diǎn)P的坐標(biāo)反算出他們連線的方位，這樣差值△VI就可算得，解算三角形OBP，算得OB的長度，將OB的長度加上起點(diǎn)里程，得到新起點(diǎn)A的里程，同樣的方法算得AC的長度，然后加上A點(diǎn)的里程得到下一個新起點(diǎn)，繼續(xù)重復(fù)迭代，直到計算得到的切線長度為零，停止迭代，得到任意點(diǎn)P對應(yīng)中樁P’的里程。  ?。?）根據(jù)里程求相應(yīng)的設(shè)計值（線隧X、Y、Z、切線方位） 根據(jù)反求得到的P點(diǎn)對應(yīng)正線里程，可計算出對應(yīng)點(diǎn)P’的線路中心坐標(biāo)和隧道中心坐標(biāo)、切線方位角，具體算法比較成熟，可參閱相關(guān)書籍。 ?。?）橫距計算 橫距計算指計算斷面上測點(diǎn)P偏離線路中線的距離。首先，我們設(shè)想一個特例：假設(shè)隧道是正南正北方向，那么測得斷面上測點(diǎn)的橫距計算，只需要計算測點(diǎn)P與線路中樁點(diǎn)P’的Y坐標(biāo)差值即可，斷面坐標(biāo)系可以由Y、Z兩個坐標(biāo)軸構(gòu)成。由此啟發(fā)，如果P點(diǎn)對應(yīng)的線路中樁P’點(diǎn)的切線方位為0(正北方向),如圖5-3，P點(diǎn)的橫距也可以很方便的計算出來。  接下來的問題是如何將P’點(diǎn)的切線方位不是0的斷面與P’點(diǎn)切線方位為0的情況聯(lián)系起來，測量工程師比較熟悉的當(dāng)然是坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換了，如圖5-4，沿P’點(diǎn)的切線方向建立新坐標(biāo)系X’P’Y’，將P點(diǎn)的坐標(biāo)由原坐標(biāo)系XP’Y轉(zhuǎn)換到新坐標(biāo)系X’P’Y’,便可算出P點(diǎn)對應(yīng)的橫距。 （4）高差計算 高差計算相對簡單，根據(jù)里程求得對應(yīng)的設(shè)計軌面高，實(shí)測點(diǎn)P的高程與之相減，得到P點(diǎn)距設(shè)計軌面的距離。 （5）斷面圖的繪制 有了斷面測點(diǎn)的橫距和高差，這樣就可以建立一個以設(shè)計線路中線與設(shè)計軌面交點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，繪制斷面圖（如圖5-5），此斷面圖的坐標(biāo)系與限界設(shè)計坐標(biāo)系是吻合的，方便限界設(shè)計對隧道限界進(jìn)行檢查。  軟件需求分析 功能需求 ·設(shè)計線路參數(shù)與測量數(shù)據(jù)的輸入接口。·新建、存儲功能。 ·計算任意里程的中樁坐標(biāo)、切線方位角和設(shè)計軌面高等。 ·自動計算限界測點(diǎn)偏離線路中線的橫距和距離設(shè)計軌面的高差。 ·相關(guān)橫距、高差自動填入相應(yīng)的數(shù)據(jù)表。 ·繪制CAD版斷面圖。 用戶需求 ·輸入界面：線路平縱參數(shù)等數(shù)據(jù)錄入，開發(fā)獨(dú)立的輸入界面；斷面點(diǎn)測量數(shù)據(jù)采用文件形式輸入，設(shè)計為讀取一定格式的文本文件或Eexcel文件，與全站儀外業(yè)測量數(shù)據(jù)匹配。 ·數(shù)據(jù)輸出：應(yīng)設(shè)計院的相關(guān)要求，輸出部分直接輸出到Excel表，表格樣式同設(shè)計院要求的格式；圖形文件為CAD格式。 程序設(shè)計 軟件模塊及流程圖 軟件流程 輸入模塊：項(xiàng)目信息，線路信息（平、縱），斷面測量數(shù)據(jù)輸入。 計算模板：程序根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)計算對應(yīng)的里程、各限界控制測量點(diǎn)偏離線路的橫距、距軌面的高差，填入相應(yīng)的表格、生成CAD繪圖文件。 繪圖模塊：程序根據(jù)計算得到的橫距、高差在CAD中給制斷面圖。 程序?qū)崿F(xiàn)的有關(guān)代碼 ?。?）坐標(biāo)正反算 坐標(biāo)正算 …… v = xb - xa: u = yb - ya s = Sqr(v ^ 2 + u ^ 2) If v = 0 Then t = Sgn(u) * 90 Else t = Atn(u / v) / pi * 180 If v < 0 Then t = dms(t + 180) GoTo line1 End If End If t = dms(t - Int(t / 360) * 360) line1: …… 坐標(biāo)反算 Dim A As Double …… A = deg(A) * pi / 180 dx = JU * Cos(A) dy = JU * Sin(A) …… Private Function dms(de As Double) As Double sign = Sgn(de) de = Abs(de) d1 = Int(de) d2 = (de - d1) * 3600 d3 = Int(d2 / 60) d4 = d2 - d3 * 60 dms = sign * (d1 + d3 / 100 + d4 / 10000) End Function Private Function deg(de As Double) As Double sign = Sgn(de) de = Abs(de) d1 = Int(de) d2 = Int((de - d1) * 100) d3 = de - d1 - d2 / 100 deg = sign * (d1 + d2 / 60 + d3 / 0.36) End Function （2）線路中樁坐標(biāo)及切線方位計算 …… k = Val(temp) G = r * h If P < 0 Then E = -P - k If P > 0 Or P = 0 Then E = k - P x = E - E ^ 5 / (40 * G ^ 2) + E ^ 9 / (3456 * G ^ 4) Y = (E ^ 3 / (6 * G) - E ^ 7 / (336 * G ^ 3) + E ^ 11 / (42240 * G ^ 5) - E ^ 15 / (9676800 * G ^ 7)) Call pol(x, Y) Call rec(i, dms((deg(FW) + z * deg(j)))) M = c + dx N = d + dy f = (z * (E ^ 2 / (2 * r * h)) * 180 / Pi) + deg(FW) If f > 360 Then f = f - 360 f = dms(f) '求對應(yīng)的偏移量 q = Val(Text10) * E / h If z = -1 Then Call rec(q, dms((deg(f) - 90))) SuiX = M + dx SuiY = N + dy End If If z = 1 Then Call rec(q, dms((deg(f) + 90))) SuiX = M + dx SuiY = N + dy End If …… ?。?）平面直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 …… Call POL((B1X - ST1X), (B1Y - ST1Y)) T1 = J S1 = I …… DX = ST2X - ST1X DY = ST2Y - ST1Y Call POL((B2X - ST2X), (B2Y - ST2Y)) T2 = J S2 = I DT = (deg(Val(T2)) - deg(Val(T1))) If DT < 0 Then DT = DT + 360 DT = dms(Val(DT)) …… STX = ST1X + DX STY = ST1Y + DY DATA(4) = DATA(2) + DX DATA(5) = DATA(3) + DY Call POL((DATA(4) - STX), (DATA(5) - STY)) P1 = deg(Val(J)) P2 = deg(Val(DT)) P3 = P1 + P2 DDT = dms(Val(P3)) Call REC(I, Val(DDT)) XN = ST2X + DDX YN = ST2Y + DDY XN = Format(XN, '.0000') YN = Format(YN, '.0000') line0: …… ?。?）文本文件的讀取 Dim str As String CommonDialog1.Filter = '文本文件（*.txt）|*.txt|所有文件（*.*）|*.*' Dim namel As String CommonDialog1.ShowOpen name1 = CommonDialog1.FileName If name1 = '' Then Exit Sub Open name1 For Input As #1n = 1 Do While Not EOF(1) …… （5）與CAD接口 Set Acadapp = CreateObject('AutoCAD.Application') ' 如果CAD沒有打開，則打開一個新的CAD If Err Then MsgBox Err.Description '如果打開CAD失敗顯示錯誤信息 Exit Sub End If Acadapp.Visible = True …… ?。?）與Excel接口 Dim XlApp As Excel.Application Dim xlBook As Excel.Workbook Dim xlSheet As Excel.Worksheet Set XlApp = CreateObject('Excel.Application') XlApp.Visible = True Set xlBook = XlApp.Workbooks.Add Set xlSheet = xlBook.Worksheets(1) …… 成果展示/斷面繪圖數(shù)據(jù) 成果展示/斷面圖 六、結(jié)論 ●盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，需要跟蹤實(shí)測管片姿態(tài)，了解偏位情況，需要計算橫距、高差。通過對常用斷面測量方法的分析，鑒于全站儀是目前測量工作普及程度最好、使用率最高的測量儀器，筆者認(rèn)為全站儀三維坐標(biāo)法測量隧道斷面具良好的外業(yè)作業(yè)效率并提出了切實(shí)可行的數(shù)據(jù)后處理解決方案，雖然需要計算機(jī)編程，但對計算機(jī)語言要求不是很高，會一些基礎(chǔ)編程的工程師基本能解決。該方法可操作性較強(qiáng)，與支距法、斷面儀法有明顯優(yōu)勢，外業(yè)操作方便，內(nèi)業(yè)可借助計算機(jī)進(jìn)行批處理，雖然該測量方法與三維激光掃描儀測量存在差距，但三維激光掃描儀價格昂貴，一般土建單位和測繪單位很難配備這樣的設(shè)備，國內(nèi)一些甲級單位雖配備了三維激光掃描儀，但數(shù)量也很有限。綜合考慮，基于全站儀的測量方法還是最具推廣價值。線路工程測量主要就是要測實(shí)體與設(shè)計的橫向、豎向偏差，因此，筆者提出的數(shù)據(jù)后處理解決方案也可延伸至軌道交通工程的其它過程測量，具體羅列幾項(xiàng)如下： ●鋪軌基標(biāo)測量，需要對基標(biāo)進(jìn)行精調(diào)時，主要為橫向調(diào)整，需要了解實(shí)測基標(biāo)偏離線路的橫距。 ●軌行區(qū)人防隔斷門、盾構(gòu)鋼環(huán)等重要部位復(fù)測，主要指標(biāo)就是橫向偏離線路的數(shù)值。 ●綜上所述，筆者認(rèn)為基于常用儀器全站儀的斷面測量方法，在操作性、推廣價值等方面有優(yōu)勢，也可用于類似工程。 [2] 潭浩強(qiáng)，Visual Basic 語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.參考文獻(xiàn) [1] 李表岳，陳永奇.工程測量學(xué)[M].北京：測繪出版社，1995. [3] 秦永樂，Visual Basic測繪程序設(shè)計[M].黃河水利出版社，2005. [4] 徐海寧，淺談用切線迭代法反算坐標(biāo)里程，實(shí)用科技，2007. （本文摘自2016海峽兩巖巖土工程/地工技術(shù)交流研討會分會場報告，報告人：方秀友） |
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