蘇小文，高俊強(qiáng)

（1. 南京工業(yè)大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，江蘇 南京 210009）

基于Excel VBA的盾構(gòu)中心線計(jì)算程序設(shè)計(jì)

蘇小文1，高俊強(qiáng)1

（1. 南京工業(yè)大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，江蘇 南京 210009）

為克服現(xiàn)有盾構(gòu)中心線計(jì)算軟件難以解決曲線出洞和斷鏈等問題，結(jié)合工程實(shí)際，采用Excel VBA進(jìn)行二次開發(fā)。使用表明，程序計(jì)算準(zhǔn)確，計(jì)算誤差達(dá)mm級(jí)，且便于修改，很好地解決了以前計(jì)算方式的不足。

盾構(gòu)中心線；Excel VBA；程序

盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)中心線的計(jì)算是一項(xiàng)很重要的工作[1]。目前常用的方法有手工計(jì)算和程序計(jì)算。手工計(jì)算工作量大，且容易出錯(cuò)?，F(xiàn)有的多種計(jì)算程序雖能實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)的批量快速計(jì)算，但存在許多不足。如海瑞克的計(jì)算軟件，默認(rèn)管片距為1．0 m，而國內(nèi)通常為1．2 m；三維坐標(biāo)計(jì)算必須從直線段算起，難以滿足曲線出洞的需要；也難以處理斷鏈問題。為解決以上問題，采用首環(huán)計(jì)算和非首環(huán)計(jì)算的思想，基于Excel VBA進(jìn)行程序開發(fā)。

1 線路模型

1.1 平面曲線模型

盾構(gòu)平面軸線設(shè)計(jì)一般由直線、圓曲線和緩和曲線組成。

1.1.1 直線模型

假設(shè)控制點(diǎn)A的坐標(biāo)為（XA，YA），控制點(diǎn)到待定點(diǎn)的坐標(biāo)方位角為α，兩點(diǎn)間距離為l，則待定點(diǎn)坐標(biāo)可按下式計(jì)算:

1.1.2 圓曲線模型

圖1 圓曲線示意圖

如圖1，以曲線起點(diǎn)ZY（或終點(diǎn)YZ）為坐標(biāo)原點(diǎn)，其切線為x軸，過ZY點(diǎn)（或YZ點(diǎn)）的半徑為y軸，建立直角坐標(biāo)系。根據(jù)曲線上任意一點(diǎn)i的曲線長li及半徑R來確定i點(diǎn)的坐標(biāo)xi與yi。建立參數(shù)方程[2]：

以代入上式并用級(jí)數(shù)展開，可得圓曲線參數(shù)方程：

i的坐標(biāo)是在局部坐標(biāo)系下的，需轉(zhuǎn)換為工程坐標(biāo)系下的坐標(biāo)：

上式中，按計(jì)算方向，曲線右偏時(shí)δ取+1，左偏時(shí)δ取-1。

1.1.3 緩和曲線模型

以ZH點(diǎn)為原點(diǎn)，過ZH點(diǎn)的緩和曲線的切線為x軸，ZH點(diǎn)上緩和曲線的半徑為y軸，建立直角坐標(biāo)系。采用切線支距法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)緩和曲線上任意點(diǎn)的坐標(biāo)[3]：

在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，由于存在超高h(yuǎn)和超距e的影響，緩和曲線方程變?yōu)椋?/p>

式中，l0為緩和曲線長；li為以ZH點(diǎn)起算的弧長；e為偏移量；R為圓曲線半徑。在具體設(shè)計(jì)中，大部分將偏移后的曲線方程表現(xiàn)成以下兩個(gè)方程[4]：

式中，a、b、c、d為緩和曲線的待定系數(shù)；l0為緩和曲線長；R1為偏移后的圓曲線半徑。

為了能在直線和圓曲線之間插入緩和曲線，必須將原有圓曲線向內(nèi)移動(dòng)一定的距離p。通常采用圓心不動(dòng)、半徑減小，待定系數(shù)a可通過偏移后曲線終點(diǎn)的橫坐標(biāo)求之；同時(shí)縱坐標(biāo)也為b、c、d的求解提供了一個(gè)條件，再找異于起點(diǎn)和終點(diǎn)的兩點(diǎn)坐標(biāo)即可求出b、c、d[5]。將x、y代入式（4），計(jì)算出工程坐標(biāo)。

1.2 豎曲線模型

如圖2，已知豎曲線起點(diǎn)A及其高程HA、曲中點(diǎn)B、坡度i1、i2、豎曲線半徑R、離開A的里程x?？v斷面上的曲折角可以認(rèn)為α = ?i = i1-i2，i1、i2為兩相鄰的縱向坡度值。若α>0，表示豎曲線為凸曲線；反之，則是凹曲線。兩種模型如下[6]。

凸曲線模型：

圖2 豎曲線示意圖

2 程序設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算程序編制

程序設(shè)計(jì)思路如下：模型分段分類存儲(chǔ)曲線的要素，并根據(jù)實(shí)際需要，分里程從小到大和從大到小2種計(jì)算方式，按首環(huán)計(jì)算和非首環(huán)計(jì)算2種形式，考慮可能存在的斷鏈。

2.1.1 首環(huán)計(jì)算

在對(duì)應(yīng)線型中輸入特征點(diǎn)數(shù)據(jù)、起始方位角和首環(huán)距特征點(diǎn)距離。若數(shù)據(jù)為空，則報(bào)錯(cuò)提醒輸入數(shù)據(jù)。根據(jù)首環(huán)距就可以推算第一環(huán)里程。由于每環(huán)為1．2 m，可以算出線型內(nèi)每一環(huán)里程。套用模型公式，算出每一環(huán) 和 坐標(biāo)，當(dāng)管片里程和最后特征點(diǎn)里程差小于1．2 m計(jì)算完畢，輸出計(jì)算結(jié)果。

以緩和曲線為例，部分主要代碼如下：

1）對(duì)輸入?yún)?shù)定義并賦值。

Dim shj, fwjdfm, fwj, zhlc, zhx, zhy, hylc, hyx, hyy, a, b, c, d, l0, r, li, l, xi, yi, x, y, kk, fjlc, fjx, fjy As Double

Dim qcgpj, hcgpj, qclc, hclc, qcx, qcy, qch, hcx, hcy, hch, qcxi, qcyi, hcxi, hcyi, qcfjlc, hcfjlc, qcfjx, qcfjy, hcfjx, hcfjy, qcli, hcli As Double

Dim n, i, p As Integer

Dim tempmsgbox As VbMsgBoxResult

pi = Application.pi()

shj = Range("e8").Value

fwjdfm = Range("g8").Value

zhlc = Range("E9").Value

zhx = Range("E10").Value

zhy = Range("E11").Value

hylc = Range("h9").Value

hyx = Range("h10").Value

hyy = Range("h11").Value

a = Range("E16").Value

b = Range("g16").Value

c = Range("E17").Value

d = Range("g17").Value

r = Range("g18").Value

2）判斷輸入是否齊全。

If shj = "" Or zhlc = "" Or fwjdfm = "" Or zhx = "" Or zhy = "" Or hylc = "" Or hyx = "" Or hyy = "" Or a = "" Or b = "" Or c = "" Or d = "" Or r = "" Then

tempmsgbox = MsgBox("請(qǐng)回輸入初始參數(shù)", vbOKOnly, "錯(cuò)誤1")

Exit Sub

End If

3）判斷計(jì)算方式并通過公式計(jì)算。

If Worksheets("三維坐標(biāo)計(jì)算").CheckBox1.Value = True Then ’從小里程到大里程

fwj = (Int(fwjdfm) + Int((fwjdfm - Int(fwjdfm)) * 100) / 60 + (fwjdfm * 10000 - Int(fwjdfm) * 10000 -Int((fwjdfm - Int(fwjdfm)) * 100) * 100) / 3600) * pi / 180’角度換算弧度

If hylc > zhlc Then ’直線到圓的緩和曲線

fjlc = zhlc + shj

n = Int((hylc - fjlc) / 1.2)

For i = 0 To n ’緩和曲線坐標(biāo)計(jì)算

li = shj + i * 1.2

qcli = li + qcgpj

hcli = li + hcgpj

l = li + zhlc

qclc = l + qcgpj

hclc = l + hcgpj

p = i + 3

xi = li - (li * li * li * li * li) / a / (r * r) / (l0 * l0)

yi = b * xi * xi * xi - c * xi * xi + d * xi

qcxi = qcli - (qcli * qcli * qcli * qcli * qcli) / a / (r * r) / (l0 * l0)

qcyi = b * qcxi * qcxi * qcxi - c * qcxi * qcxi + d * qcxi

hcxi = hcli - (hcli * hcli * hcli * hcli * hcli) / a / (r * r) / (l0 * l0)

hcyi = b * hcxi * hcxi * hcxi - c * hcxi * hcxi + d * hcxi

If Worksheets("三維坐標(biāo)計(jì)算").OptionButton1. Value = True Then ’曲線左轉(zhuǎn)

x = zhx + xi * Cos(fwj) + yi * Sin(fwj)

y = zhy + xi * Sin(fwj) - yi * Cos(fwj)

qcx = zhx + qcxi * Cos(fwj) + qcyi * Sin(fwj)

qcy = zhy + qcxi * Sin(fwj) - qcyi * Cos(fwj)

hcx = zhx + hcxi * Cos(fwj) + hcyi * Sin(fwj)

hcy = zhy + hcxi * Sin(fwj) - hcyi * Cos(fwj)

End If

2.1.2 非首環(huán)計(jì)算

非首環(huán)計(jì)算的關(guān)鍵在于提取上一環(huán)的里程和平面坐標(biāo)，其他計(jì)算和首環(huán)計(jì)算一致。

提取上環(huán)里程和平面坐標(biāo)的代碼如下：

tempx = Worksheets("三維坐標(biāo)")．Range("b65536")．End(xlUp)．Row

p = Worksheets("三維坐標(biāo)")．Range("a" & tempx)．Value ’P為上一環(huán)環(huán)數(shù)

plc = Worksheets("三維坐標(biāo)")．Range("b" & tempx)．Value ’plc為上一環(huán)里程

2.1.3 斷鏈處理

斷鏈有長鏈和短鏈之分：斷前里程-斷后里程>0，長鏈；斷前里程-斷后里程<0，短鏈[7]。我們稱斷鏈前里程為新里程dllxc，斷鏈后里程為舊里程dljlc，里程差lcc。為計(jì)算斷鏈后各環(huán)的里程，需先判別斷鏈?zhǔn)情L鏈還是短鏈，同時(shí)計(jì)算長、短斷鏈值。計(jì)算思路如下：

lcc=lxc-jlc，長鏈lcc>0，短鏈lcc<0，則斷鏈后任意環(huán)里程l=l-lcc。具體代碼如下：

lcc = dlxlc - dljlc

If l >= dlxlc Then

l = l - lcc

End If

2.1.4 高程計(jì)算

平面計(jì)算結(jié)束后每一環(huán)都有了里程，高程只需根據(jù)每一環(huán)里程對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)線型加以計(jì)算。判別代碼為：

For Each temprag In Worksheets("三維坐標(biāo)")．Range ("b2:b" & Worksheets("三維坐標(biāo)")．Range ("b65536")．End(xlUp)．Row)’temprag為每一環(huán)里程

If (temprag．Value >= stzdlc And temprag．Value <= mtzdlc) Then

li = temprag．Value - stzdlc

li2 = mtzdlc - temprag．Value

2.2 實(shí)例應(yīng)用

利用本程序計(jì)算無錫一號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)中心線三維坐標(biāo)，各線型中選取一環(huán)，將結(jié)果與手算結(jié)果比較，最大計(jì)算誤差為0．4 mm，完全滿足施工需要。

[1] 陳祥,饒雪平．軌道交通盾構(gòu)推進(jìn)中心坐標(biāo)計(jì)算軟件[J]．中國市政工程,2007(4)：78-80

[2] 王維．地鐵盾構(gòu)法施工人工導(dǎo)向測(cè)量研究[D]．南京:南京工業(yè)大學(xué)，2008

[3] 李青岳．工程測(cè)量學(xué)[M]．北京:測(cè)繪出版社，1995

[4] 王榮,楊雪．計(jì)算隧道軸線三維坐標(biāo)偏差方法的介紹及探討[J]．測(cè)繪技術(shù)裝備,2011,2(13):37-39

[5] 冉利剛．地鐵隧道偏移計(jì)算方法探討[J]．隧道地下工程,2009(1)：79-83

[6] 張德海．地鐵隧道盾構(gòu)自動(dòng)定位系統(tǒng)開發(fā)研究[D]．上海:同濟(jì)大學(xué)，2006

[7] 郝紅彬．公路線路斷鏈編程計(jì)算及平面中線編程繪制[J]．山西建筑,2003,29(13):112-113

[8] 李文軍,唐爭(zhēng)氣,周青山．基于Excel全路線三維坐標(biāo)計(jì)算與實(shí)現(xiàn)[J]．電腦編程技巧與維護(hù),2011(10):22-24

P258

B

1672-4623（2014）06-0129-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.06.045

蘇小文，碩士，研究方向?yàn)榫芄こ虦y(cè)量。

2013-07-12。