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　　目前隧道斷面的測(cè)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(guò)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(lèi)型的斷面測(cè)量工作。

二、斷面測(cè)量的一般要求

 

　　1.一般規(guī)定：
　?。?）竣工測(cè)量主要為鋪軌前，區(qū)間和車(chē)站軌行區(qū)的結(jié)構(gòu)斷面測(cè)量。
　?。?）結(jié)構(gòu)斷面測(cè)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)一致。
　　2.精度要求：
三、常用測(cè)量方法簡(jiǎn)介

　　結(jié)構(gòu)橫斷面測(cè)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(jì)給定的高度，用尺子直接量取橫距和高差。

　　此方法簡(jiǎn)單、直觀，但是由于測(cè)量工具簡(jiǎn)陋，對(duì)隧道環(huán)境要求較高，每一斷面限界控制點(diǎn)又需直接測(cè)量，個(gè)別點(diǎn)測(cè)量困難，所以勞動(dòng)強(qiáng)度大、測(cè)量精度低。該方法適用于洞徑較小、測(cè)量精度要求較低的斷面測(cè)量。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要手工將外業(yè)填寫(xiě)的數(shù)據(jù)逐個(gè)錄入計(jì)算機(jī)的電子表格，供設(shè)計(jì)人員使用。操作起來(lái)很繁瑣、枯燥，沒(méi)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(cè)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(cè)量時(shí)，不用每個(gè)斷面設(shè)站，可以一次性測(cè)量多個(gè)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(duì)較少；內(nèi)業(yè)利用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，計(jì)算完成后，依據(jù)計(jì)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(jì)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(cè)量速度快、精度高、勞動(dòng)強(qiáng)度小在限界測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。

　　斷面儀法
　　首先用全站儀放出每個(gè)斷面的線路中樁，然后在每個(gè)中樁上架設(shè)斷面儀，找到垂直線路方向，對(duì)斷面進(jìn)行掃描。


　　此方法簡(jiǎn)單、直觀，但勞動(dòng)強(qiáng)度大、每一個(gè)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(jì)需要的橫距和高差數(shù)據(jù)，然后錄入電子表格，供設(shè)計(jì)人員使用。內(nèi)業(yè)繁瑣，沒(méi)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(wú)合作目標(biāo)激光測(cè)距儀與角度測(cè)量系統(tǒng)組合的自動(dòng)化快速測(cè)量系統(tǒng)，在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)和空間對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行快速掃描測(cè)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(dòng)存儲(chǔ)并計(jì)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(cè)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(jià)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(cè)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(cè)量工作，普及性最高的就是全站儀，測(cè)量工程師最熟悉的也是全站儀，基本從事測(cè)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(cè)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(guò)Excel表格或簡(jiǎn)單編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，不需要購(gòu)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

　　（1）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(guò)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(jiǎn)單求得，在此不多說(shuō)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(gè)測(cè)點(diǎn)，首先計(jì)算出曲線起點(diǎn)O的坐標(biāo)及切線方位，通過(guò)計(jì)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(zhǎng)度，將OB的長(zhǎng)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(zhǎng)度，然后加上A點(diǎn)的里程得到下一個(gè)新起點(diǎn)，繼續(xù)重復(fù)迭代，直到計(jì)算得到的切線長(zhǎng)度為零，停止迭代，得到任意點(diǎn)P對(duì)應(yīng)中樁P’的里程。

　　（2）根據(jù)里程求相應(yīng)的設(shè)計(jì)值（線隧X、Y、Z、切線方位）
　　根據(jù)反求得到的P點(diǎn)對(duì)應(yīng)正線里程，可計(jì)算出對(duì)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(shū)籍。
　?。?）橫距計(jì)算
　　橫距計(jì)算指計(jì)算斷面上測(cè)點(diǎn)P偏離線路中線的距離。首先，我們?cè)O(shè)想一個(gè)特例：假設(shè)隧道是正南正北方向，那么測(cè)得斷面上測(cè)點(diǎn)的橫距計(jì)算，只需要計(jì)算測(cè)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(gè)坐標(biāo)軸構(gòu)成。由此啟發(fā)，如果P點(diǎn)對(duì)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(jì)算出來(lái)。

　　接下來(lái)的問(wèn)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(lái)，測(cè)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(duì)應(yīng)的橫距。

　　（4）高差計(jì)算
　　高差計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，根據(jù)里程求得對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)軌面高，實(shí)測(cè)點(diǎn)P的高程與之相減，得到P點(diǎn)距設(shè)計(jì)軌面的距離。
　?。?）斷面圖的繪制
有了斷面測(cè)點(diǎn)的橫距和高差，這樣就可以建立一個(gè)以設(shè)計(jì)線路中線與設(shè)計(jì)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(jì)坐標(biāo)系是吻合的，方便限界設(shè)計(jì)對(duì)隧道限界進(jìn)行檢查。
　　•設(shè)計(jì)線路參數(shù)與測(cè)量數(shù)據(jù)的輸入接口。
　　•計(jì)算任意里程的中樁坐標(biāo)、切線方位角和設(shè)計(jì)軌面高等。
　　•自動(dòng)計(jì)算限界測(cè)點(diǎn)偏離線路中線的橫距和距離設(shè)計(jì)軌面的高差。
　　•相關(guān)橫距、高差自動(dòng)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(kāi)發(fā)獨(dú)立的輸入界面；斷面點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)采用文件形式輸入，設(shè)計(jì)為讀取一定格式的文本文件或Eexcel文件，與全站儀外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)匹配。
　　•數(shù)據(jù)輸出：應(yīng)設(shè)計(jì)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(jì)院要求的格式；圖形文件為CAD格式。

　　軟件流程
　　輸入模塊：項(xiàng)目信息，線路信息（平、縱），斷面測(cè)量數(shù)據(jù)輸入。
　　計(jì)算模板：程序根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算對(duì)應(yīng)的里程、各限界控制測(cè)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(jì)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
　　（1）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
　?。?）線路中樁坐標(biāo)及切線方位計(jì)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(duì)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
　　……
　　（3）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(méi)有打開(kāi)，則打開(kāi)一個(gè)新的CAD
　　If Err Then
　　MsgBox Err.Description
　　'如果打開(kāi)CAD失敗顯示錯(cuò)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)
　　……
　 　　●盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，需要跟蹤實(shí)測(cè)管片姿態(tài)，了解偏位情況，需要計(jì)算橫距、高差。
　　●鋪軌基標(biāo)測(cè)量，需要對(duì)基標(biāo)進(jìn)行精調(diào)時(shí)，主要為橫向調(diào)整，需要了解實(shí)測(cè)基標(biāo)偏離線路的橫距。
　　●軌行區(qū)人防隔斷門(mén)、盾構(gòu)鋼環(huán)等重要部位復(fù)測(cè)，主要指標(biāo)就是橫向偏離線路的數(shù)值。 　　[2] 潭浩強(qiáng)，Visual Basic 語(yǔ)言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.
　　[3] 秦永樂(lè)，Visual Basic測(cè)繪程序設(shè)計(jì)[M].黃河水利出版社，2005.
　　[4] 徐海寧，淺談?dòng)们芯€迭代法反算坐標(biāo)里程，實(shí)用科技，2007.
　?。ū疚恼?016海峽兩巖巖土工程/地工技術(shù)交流研討會(huì)分會(huì)場(chǎng)報(bào)告，報(bào)告人：方秀友）