卡西欧5800P计算器隧道施工测量程序设计.doc

卡西欧5800p计算器隧道施工测量程序设计

王庆军

随着铁路、公路建设的快速发展，我国隧道建设的施工技术也大幅度提高，由于工期紧迫促成测量放样的过程也是一个重要环节，如果再采用普通的尺距法不仅仅降低了放样效率还造成了轮廓线的放样精度，导致开挖掘进造成隧道超欠挖，所以现在通过卡西欧编程计算器结合带红外线的全站仪进行配套操作，这样不仅提高了施测效率还保证了放样精度，现通过本文分析讲解隧道超欠挖的计算原理和程序设计。
何为超欠挖？：隧道超欠挖分为（超挖和欠挖），超挖即为隧道开挖轮廓线大于隧道设计轮廓线，欠挖即为隧道开挖轮廓线小于隧道设计轮廓线。
超欠挖的影响：隧道超欠挖不止直接影响到了施工进度、安全质量，还会让开挖费用增加，更重要的是由此造成了过量超填混凝土的费用。超挖在实际施工中由于重视不够或方法不当，以至于在施工过程中会不知不觉地提高工程成本，从而也减少了应得的利润。
超欠挖是如何产生的？
在目前的隧道施工中，掘进技术有两种方法，一种是传统的“钻爆法（开挖台阶法）”；一种是“全断面掘进法（盾构掘进法）”。受各种条件的制约，“钻爆法”仍是山区隧道施工的主要掘进方法。所以隧道超欠挖的形成也是不可避免的，下面讲述一下形成超欠挖的三种情况。
1、岩层变化：由于隧道开挖过程中随着岩层的变化，地质条件和围岩裂隙的发生会出现不可避免的超欠现象，所以岩体是超欠挖的主要因素之一。

2、爆破方式：由于工作面（掌子面）是一个不平整的岩体面，导致钻孔间距控制不当或间距过大、过小，容易影响其他孔位的爆破效果，或者由于装药结构控制不当和掏槽不合理也会造成隧道超欠现象。

3、测量放线：由于隧道测量放线过程中能见度低，操作有限，测量人员进入隧道测量时导致前后视照准误差，同时因为掌子面的凹凸不平画轮廓线时也会产生偏离现象。

如何正确实施隧道测量工作？
隧道测量工作应由专业测量人员测量，根据设计院给定的坐标控制点和高程控制点进行建立导线控制网,并按规定程序检查验收,对施测人员实行详细的图纸交底和方案交底,所有施测的工作进度根据项目进度计划进行安排。
在隧道施工过程中,为了保证开挖、初期支护及二次衬砌后的净空满足设计规范要求，必须对已完工的主体工程进行全断面检查，现场检查一般采用带红外线的全站仪在现场实测三维坐标进行检查。对于测量数据应及时反馈到现场施工管理人员，以便及时控制开挖及衬砌净空标准。
 通过以上对隧道超欠挖的了解及形成和影响，如何正确施测和控制等，现在就谈谈隧道超欠挖的计算原理。
许多测量人员会把超欠挖点位检测和掌子面轮廓线放样程序颠倒不分，其实隧道超欠挖计算属于检测点至该圆弧所对的圆心的半径与设计圆心半径的差值，而隧道轮廓线放样则是放样点至设计轮廓线边缘的水平距离差值。
超欠挖计算原理：
隧道超欠挖检测的计算原理主要是通过三角函数所求，即由三角形的边角关系求出对应的边长和理论边长值产生的差值。

超欠挖检测数学模型

超欠挖实测模型

从“超欠挖检测数学模型”图中可以看出x为大于设计轮廓线位置，表示该点为超挖，可以通过以下方式及公式进行求解得出x差值。
1、      先通过tan-1求出∠α夹角。
2、      再通过cos求出边长c。
3、      用边长c减去r半径得出x差值。
示例：假如a=4.8142、b= 6.026m、r=6.96m，求x？计算公式如下：
x=a÷cos（tan-1(b÷a)）-r
x=0.753m
从计算式得出该检测点比隧道设计轮廓线大0.753米，属于隧道超挖。
轮廓线放样原理：
隧道开挖轮廓线放样的计算原理主要通过直角三角形的两直角边的平方和等于斜边的平方原理进行求解。（俗称勾股弦定理）数学公式中常写作a2+b2=c2（即勾的平方加股的平方等于弦的平方）。
勾股定理图示

轮廓线放样数学模型

说明：放样点为现场开挖实测掌子面实际点位，x为超挖宽度，通过计算出x宽度然后将该点水平移动到设计标准轮廓线位置即可。
方  式：
1、   通过全站仪（配合红外线或反射片）直接测出放样点坐标X、Y和高程Z。
2、   用卡西欧编程计算器反算出放样点的实际里程和该点距隧道中心线水平距离d。
过  程：
a）用放样点实测高程Z减去O1点圆心设计理论高程得出高度a。
b）斜长c等于圆心理论半径R，求b长度，公式：
c）求x宽度，公式：

示例：放样点至隧道中心间距d= 6.026m、放样点实测高程Z=314.8142m、O1圆心高程H=310.0000m、O1圆心理论半径c=6.96m，通过以下公式求解！
x= 
x=1.000m
从以上计算式中得出现场放样点距设计理论轮廓线的水平距离为1m，说明放样点需要向设计轮廓线内移动1m才是放样的标准位置，然后将所有放样的点位用线形链接起来即成了掌子面开挖轮廓线。

轮廓线放样数学模型

超欠挖程序设计：
通过以上了解相信各位对隧道超欠挖和隧道轮廓线放样的方式并不陌生了，现在对隧道轮廓线的放样程序进行设计。
程序适用：CASIO fx-5800P工程测量编程计算器
程序主题：隧道开挖轮廓线放样程序
准备工作：
1、公式：路线坐标正算、反算公式，路线纵坡计算公式，勾股定理公式。
2、工具：CASIO fx-5800P工程测量编程计算器。
3、数据：隧道标准设计图、放样点实测三维坐标X、Y、Z数据。

双线隧道横断面设计图

关于坐标正算公式，坐标反算公式，纵坡计算公式见相关测量书籍。
程序建立：
程序设计需要有一个明确的思路和合理的方法，然后通过结合数学计算模型进行程序化语言编译。
通过本文了解到超欠挖的计算原理分析后，现在运用程序语言采用线元法进行设计和编译，超欠挖程序主要分为（主程序和子程序）共11个，其中TYQXJS为运算主程序，其他均为调用子程序。
 主程序TYQXJS（入口程序）
1. ＂［1-N］=0→ZD,=1→SD1,=2→SD2”（［1-N］=0现场输入线元数据。=1,2,3…..等进入各线路数据库提取数据进行计算）
2. Deg:Fix4:20→DimZ↙（扩充变量）
3. “TYQXJS:[1-N]”?→Z[5]↙(输入线路代码，比如数字1,2,3,4分别表示a,b,c,d线路，并储存在变量Z[5]中，对于具体的线路项目，用户可参照自行决定对应关系)
4. IfZ[5]=0:Then “X0”?U:“Y0”?V:“S0”?O:“F0”?G:“Ls”?H:“Rs”?P:“Rn”?R:“Q”?Q:If End↙
5. Cls:“1:SZ→XY,2:XY→SZ”?→Z[6]:Z[6]=2＝＞Goto2
(1为坐标正算，放线计算。2为里程偏距计算)
6. “CZX=”?M:“CZY=”?N↙(置仪点坐标)
7. Lbi0:“Kp”K↙
8. Z[5]>0=>Prog“TYQXJS-DATA”:Abs(K-O)→W↙
9. Prog“TYQXJS-SUB1”↙
10. Lbi1:90→Z:“JJ=0→Kp”?Z:Z=0＝＞Goto0:“JB=”?B↙(输入夹角和偏距，夹角为0时输入下一个桩号)
11. If B≤0:Then Res(AbsB,Z[4]+Z-180):Else Rec(AbsB,Z[4]+Z):IfEnd↙
12. X+I→Z[7]:Y+J→Z[8]↙
13. Pol(Z[7]-M,Z[8]-N):J＜0＝＞J+360→J↙
14. 1→T:Prog“TYQXJS-XS”↙
15. Lbi3:“S=”?S:I-S→S▲ If Abs(S)≥0.01:Then Goto3:Else Goto1:IfEnd↙
16. Lbi2:“Xm=”?X:“Yn=”?Y:”SXG=”?Z[17]:“Kp=”?K↙（输入实测坐标及附近桩号）
17. Z[5]＞0＝＞Prog“TYQXJS-DATA”↙
18. Prog“TYQXJS-SUB2”↙
19. 2→T:Prog“TYQXJS-XS”↙
20.”Z1=”?Z:Z=0＝＞Goto2:Prog”BPEH-DATD”:Prog”BPEH-BPH”(Z=0返回进行里程，偏距计算。Z≠0进入高程计算)
21: Prog”SOIDAO-DATA（隧洞数据库路由引导）
22.Prog” SOIDAO”(进行隧洞超，欠挖计算)
23.Goto2

TYQXJS-SUB1（坐标正算子程序）
1．1÷P→C：（P-R）÷（2HPR）→D：180÷π→E↙
2.0.1739274226→A:0.3260725774→Z[1]:0.0694318442→S:0.3300094782→L:1-L→Z[2]:1-S→Z[3]↙
3.U+W(ACos(G+QESW(C+SWD))+Z[1]Cos(G+QELW(C+LWD))+Z[1]Cos(G+Z[2]QEW(C+Z[2]WD))+A Cos(G+Z[3]QEW(C+Z[3]WD)))→X（计算点X坐标）↙
4.V+W(ASin(G+QESW(C+SWD))+Z[1]Sin(G+QELW(C+LWD))+Z[1]Sin(G+Z[2]QEW(C+Z[2]WD))+A Sin(G+Z[3]QEW(C+Z[3]WD)))→Y（计算点Y坐标）↙
5.G+QEW(C+WD)→Z[4]（计算点切线方位角）↙

TYQXJS-SUB2（反算里程和边距子程序）
1． X→I：Y→J↙
2． Abs(J-V)Cos(G-90)-(I-U)Sin(G-90)→W:0→B↙
3． Lbi0:Prog”TYQXJS-SUB1”↙
4． (G-90)+QEW(C+WD)→L↙
5． (J-Y)CosL-(I-X)SinL→B↙
6． If AbsB＜10^(-6):Then Goto1:Else W+B→W:Goto0:IfEnd↙
7． Lbi1:0→B:Prog“TYQXJS-SUB1”↙
8． (J-Y)÷Sin(Z[4]+90)→B↙
9． O+W→K:B→B↙(K为反算桩号，B为偏距)

TYQXJS-DATA（路由器）
1.If Z[5]=1:Then Prog“TYQXJS-DAT1”:Goto1:IfEnd↙(调用线路一数据库据)
2.If Z[5]=2:Then Prog“TYQXJS-DAT2”:Goto1:IfEnd↙（调用线路二数据库据）
3.If Z[5]=3:Then Prog“TYQXJS-DAT3”:Goto1:IfEnd↙（调用线路三数据库据）
4.If Z[5]=4:Then Prog“TYQXJS-DAT4”:Goto1:IfEnd↙（调用线路四数据库据）
5.。。。。。。（根据实际项目情况增减线路）
6.Cls:Locate 4,2,“TYQXJS-ERROR”▲
7. Stop↙(线路不存在，则警告后终止运行)
8.Lbi1：MatB[1,1]→O:MatB[1,2]→U:MatB[1,3]→V:Mat[1,4]→G:MatB[1,5]→H:MatB[1,6]→P:MatB[1,7]→R:Mat[1,8]→Q(将线元数据赋值给相关变量。O线元起点程，U,V线元起点坐标，G线元起点切线方位角，H线元长度，P线元起点半径，R线元终点半径，Q线元左右偏标志，左偏取-1，右偏取+1，直线段取0)↙

TYQXJS-XS（显示子程序）
1. Cls:If T=1:Then “X=”:Locate 4,1,Z[7]:“Y=”:Locate 4,2,Z[8]:Fix4:“FJ=”:Locate 4,3,J°:“HD”:Locate 4,4,I▲ EfEnd↙
2. If T=2:Then “K=”:Locate 4,1,K:“B=”:Locate 4,2,B▲ IfEnd↙

线元法数据库子程序（TYQXJS-DAT1,2,3……）的格式
1． If K≤线元计算终点桩号：Then[[线元起点桩号O,线元起点U(X)坐标，线元起点V(Y)坐标，线元起点切线方位角G,线元长度H,线元起点半径P,线元终点半径R,线元左右偏标志Q]]→MatB:Return:IfEnd
2． 根据以上格式，编写1--N各线元数据库
3． Cls:Locate6,2,”KP OUT”▲(若输入的桩号不在匝道范围内，则提示警告)

BPEH-DATA（纵断面数据库路由引导子程序）
1. If Z[5]=1:Then Prog“BPEH-BPH1”:Goto1:IfEnd↙（调用线路一数据库据）
2. If Z[5]=2:Then Prog“BPEH-BPH2”:Goto1:IfEnd↙（调用线路二数据库据）
3. If Z[5]=3:Then Prog“BPEH-BPH3”:Goto1:IfEnd↙（调用线路三数据库据）
4. If Z[5]=4:Then Prog“BPEH-BPH4”:Goto1:IfEnd↙（调用线路四数据库据）
5. (根据实际项目情况增减线路数目).↙
Lbi1:MatC[1,1]→H:MatC[1,2]→M:MatC[1,3]→I:MatC[1,4]→J:MatC[1,5]→R（将竖曲线数据赋值给相关变量）

BPEH-BPH（纵断面高程计算子程序）
1. R×Abs(J-I)÷2→T:M-K→C:1→F↙
2. If I＞J:Then -1→F:IfEnd↙
3. If K≤M-T:Then 0→Z:I→P:Goto1:IfEnd↙
4. If K＞M-T And K≤M:Then 1→Z:I→P:Goto1:IfEnd↙
5. If K＞M And K≤M+T:Then 1→Z:J→P:Goto1:IfEnd↙
6. If K＞M+T:Then 0→Z :J→P:Goto1:IfEnd↙
7. Lbi1:H-CP+ZF(T-AbsC)∧2÷(2R)→V ↙（设计高程）

纵断面竖曲线数据库子程序格式（BPEH-BPH1,2,3,4………）
1. If K≤竖曲线计算终点桩号：Then[[竖曲线顶点高程H,竖曲线顶点桩号M，竖曲线前纵坡I，竖曲线后纵坡J，竖曲线半径R]]→MatC:Return:IfEnd
2. If K≤竖曲线计算终点桩号: Then［［根据实际项目情况编写竖曲线数据库］］→MatC:Return:IfEnd
3. Cls:Locater4,2,”BPH-OUT”▲

隧道数据库路由引导子程序（SOIDAO-DATA）
If Z[5]=1:Then Prog” SD-LX1”:Return:IfEnd（调用隧道一数据库数据）
If Z[5]=2:Then Prog” SD-LX2”:Return:IfEnd（调用隧道二数据库数据）

隧道超欠挖数据库子程序名：（SD-LX）
？→Z[9]    （设计线路中心与隧道中心偏距，左偏为负，右偏为正数，相等为0）
？→Z[10]     (O11圆心半径)
？→Z[11]     (O22圆心半径)
？→Z[12]  (O11圆心点高程与设计点之高程差)
？→Z[13]  (O22圆心点高程与设计点之高程差)
？→Z[14]  (O11圆弧最小高程与设计点之高程差，低于设计高取负值。)
？→Z[15]  (O22圆弧最小高程与设计点之高程差，低于设计高取负值。)
？→Z[16]  (O12圆心距隧道中心间距)

隧道轮廓线放样子程序：（SOIDAO）
Z[12]+V→Z[12]
Z[13]+V→Z[13]
Z[14]+V→Z[14]
Z[15]+V→Z[15]（中间值加上计算高差进行赋值）
If Z[17]>Z[12]+Z[10]：Then
Cls：Locate 2,2,＂H>CFW？＂◢
Goto 4：IfEnd（判断语句，当放样点高程大于O1圆心高程加O1圆心半径时则提示该语句H>CFW？，然后结束运行）
If Z[17]<Z[15]：Then
Cls：Locate 2,2,＂H<CFW？＂◢
Goto 4：IfEnd（判断语句，当放样点高程小于O2圆弧最小高程时则提示该语句H<CFW？，然后结束运行）
If Z[17]≥Z[14]：Then Goto 1：IfEnd（判断语句，当L≥Z[6]时则跳转至Lbl 1语句）
If Z[17]≥Z[15]：Then Goto 2：IfEnd（判断语句，当L≥Z[7]时则跳转至Lbl 2语句）
Lbl1：Abs(Z[17]-Z[12])→L：If L≥Z[10]：Then √（L2-Z[10]2）→I：Else √（Z[10]2-L2）→I：IfEnd：0→J：Goto 3
Lbl2：Abs(Z[17]-Z[13])→L：If L≥Z[11]：Then √（L2-Z[11]2）→I：Else √（Z[11]2-L2）→I：IfEnd：Z[16]→J：Goto 3
Lbl3：If B>0：Then Abs(B)-Z[9]-I-J→V：Else Abs(B)+Z[9]-I-J→V：IfEnd
Cls：＂CQW=＂：Locate 5,1,V◢（显示超欠计算结果，正数为大于设计轮廓线，超挖。负数为小于设计轮廓线，欠挖）
Lbl 4：

结合以上程序设计与编写现在进行数据核对与演示，现在以道安二标核桃弯隧道右线隧道放样实测点理论计算图示（方法采用勾股定理）。

隧道轮廓线放样示意图

程序演示：
运行主程序TYQXJS
Z[N-1]?(=0,现场输入线元数据，输入1,2,3等为线路1,2,3等数据库数据)
1:SZ=>XY ,2:XY=>SZ?(输1为坐标正算，输2为坐标反算和超欠计算)
Xm？=3197918.523（实测点坐标X）
Yn？=497808.386（实测点坐标Y）
SXG？=939.400（实测点高程）
KP？=24450（实测点附近桩号）
计算结果：
K=24500.039（显示线路反算结果里程）
B=-0.7947（显示线路反算结果偏距，正数为偏右，负数为偏左）
Z1=?(输0返回继续进行里程和偏距计算，1,2,3……进入隧道1, 进入隧道2,进入隧道3……超欠挖计算)
CQW=-0.129（显示超欠计算结果，正数为大于设计轮廓线，负数为小于设计轮廓线）
本程序是采用线元法编写和演示的隧道超欠挖程序，对于交点法，有志立于隧道施工测量的同仁可与我联系，以便相互探讨。 
通过对本文的了解与认识隧道超欠挖的计算原理和程序设计，运用三维坐标测量法在隧道施工测量中，方便、准确、实用。这种方法也是隧道掌子面画轮廓线测量工作的方法之一。也适用于检查隧道的初期支护、二衬的断面超欠挖，能及时正确的指导施工。为隧道提前贯通和节约成本提供可靠保障。
声明：本文演示的隧道超欠挖数据为道安二标（位于贵州道真县）核桃弯隧道右线实测断面数据，计算结果真实可靠，对于以上隧道超欠挖程序源，有可能存在输入错误，如有需要，可与本人联系，我可以用计算器传输，以保证程序应用的正确性。（内部职工可免费传输）个人工作业务总结
本人于2009年7月进入新疆中正鑫磊地矿技术服务有限公司(前身为“西安中正矿业信息咨询有限公司”)，主要从事测量技术工作，至今已有三年。
在这宝贵的三年时间里，我边工作、边学习测绘相专业书籍，遇到不懂得问题积极的请教工程师们，在他们耐心的教授和指导下，我的专业知识水平得到了很到的提高，并在实地测量工作中加以运用、总结，不断的提高自己的专业技术水平。同时积极的参与技术培训学习，加速自身知识的不断更新和自身素质的提高。努力使自己成为一名合格的测绘技术人员。
在这三年中，在公司各领导及同事的帮助带领下，按照岗位职责要求和行为规范，努力做好本职工作，认真完成了领导所交给的各项工作，在思想觉悟及工作能力方面有了很大的提高。
在思想上积极向上，能够认真贯彻党的基本方针政策，积极学习政治理论，坚持四项基本原则，遵纪守法，爱岗敬业，具有强烈的责任感和事业心。积极主动学习专业知识，工作态度端正，认真负责，具有良好的思想政治素质、思想品质和职业道德。
在工作态度方面，勤奋敬业，热爱本职工作，能够正确认真的对待每一项工作，能够主动寻找自己的不足并及时学习补充，始终保持严谨认真的工作态度和一丝不苟的工作作风。
在公司领导的关怀以及同事们的支持和帮助下，我迅速的完成了职业角色的转变。
一、回顾这四年来的职业生涯，我主要做了以下工作：
1、参与了新疆库车县新疆库车县胡同布拉克石灰岩矿的野外测绘和放线工作、点之记的编写工作、1:2000地形地质图修测、1:1000勘探剖面测量、测绘内业资料的编写工作，提交成果《新疆库车县胡同布拉克石灰岩矿普查报告》已通过评审。
2、参与了库车县城北水厂建设项目用地压覆矿产资源评估项目的室内地质资料编写工作，提交成果为《库车县城北水厂建设项目用地压覆矿产资源评估报告》，现已通过评审。
3、参与了《新疆库车县巴西克其克盐矿普查》项目的野外地质勘查工作，参与项目包括：1:2000地质测图、1:1000勘查线剖面测量、测绘内业资料的编写工作；最终提交的《新疆库车县康村盐矿普查报告》已通过评审。
4、参与了新疆哈密市南坡子泉金矿2009年度矿山储量监测工作，项目包括：野外地质测量与室内地质资料的编写，提交成果为《新疆哈密市南坡子泉金矿2009年度矿山储量年报》，现已通过评审。
6、参与了《新疆博乐市五台石灰岩矿9号矿区勘探》项目的野外地质勘查工作，项目包括：1:2000地质测图、1:1000勘探剖面测量、测绘内业资料的编写工作，并绘制相应图件。
7、参与了《新疆博乐市托特克斜花岗岩矿详查报告》项目的野外地质勘查工作，项目包括：1:2000地质测图、1:1000勘探剖面测量、测绘内业资料的编写工作，并绘制相应图件。
通过以上的这些工作，我学习并具备了以下工作能力：
1、通过实习，对测绘这门学科的研究内容及实际意义有了系统的认识。加深对测量学基本理论的理解，能够用有关理论指导作业实践，做到理论与实践相统一，提高分析问题、解决问题的能力，从而对测量学的基本内容得到一次实际应用，使所学知识进一步巩固、深化。
2、熟悉了三、四等控制测量的作业程序及施测方法，并掌握了全站仪、静态GPS、RTK等测量仪器的工作原理和操作方法。
3、掌握了GPS控制测量内业解算软件（南方测绘 Gps数据处理）以及内业成图软件（南方cass）的操作应用。能够将外业测量的数据导入软件进行地形图成图和处理。
4、在项目技术负责的指导下熟悉了测量技术总结的编写要求和方法，并参与了部分项目测量技术总结章节的编写工作。
5、在项目负责的领导下参与整个测量项目的组织运作，对项目的实施过程有了深刻理解。通过在项目组的实习锻炼了自己的组织协调能力，为以后的工作打下了坚实基础。
二、工作中尚存在的问题
从事测绘工作以来，深深感受到工作的繁忙、责任的重大，也因此没能全方位地进行系统地学习实践，主要表现为没有足够的经验，对于地形复杂的地段理解不够深刻；理论知识掌握不够系统，实践能力尚为有限。以上问题，在今后工作中自己将努力做到更好。
三、今后的工作打算
通过总结四年来的工作，我无论从工作技术上，还是从世界观、人生观、价值观等各个方面，都有了很大的提高。今后，我会在此基础上，刻苦钻研，再接再厉，使自己在业务知识水平更上一层楼，为测绘事业的发展，贡献自己的力量。