CN110030972A - 基于ExcelVBA的隧道超欠挖检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ExcelVBA的隧道超欠挖检测方法，包括以下步骤：S1、原始数据采集，对隧道断面各点通过全站仪自由设站采集数据；S2、根据隧道设计中线、纵坡高程资料及计算公式，通过ExcelVBA开发隧道路线坐标高程计算程序，计算里程、偏距、高程；S3、根据隧道设计平面、立面图，通过ExcelVBA利用S2得到的程序进一步开发隧道超欠挖量值报表程序，得到超欠挖量值；S4、通过ExcelVBA与AutoCAD VBA交互通信，利用S3得到的超欠挖量值报表，开发自动绘制隧道断面线图形程序，得到超欠挖成果。本发明适用于多种类型隧道超欠挖检测，计算效率高，投入成本低，确保了生产进度、安全、质量。

Description

基于ExcelVBA的隧道超欠挖检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于ExcelVBA的隧道超欠挖检测方法。

背景技术

现有技术对于隧道超欠挖检定作业繁琐效率低下、精度可控性差及内业数据后处理量大等不利因素，作业过程易受隧道施工干扰，不但费工，而且费时,导致运用过程常常费工费时基本已经不能满足现阶段快速、高效的隧道施工要求。再加上内业数据处理计算量较大除易导致人为错误，误导施工外，费工费时等弊端。随着我国经济的高速发展和人民社会活动需求的不断提高，为全面满足社会发展和人民出行条件等需要，而我们通过Office Excel VBA编程技术与AutoCAD交互快速成图技术研发的隧道超欠挖数据处理程序是工程测量领域技术应用的探索，它将为精确计算、快速计算、多断面同步计算、快速成图与分析、优化作业程序，节资增效、释放劳动力等方面提供可能。本发明主要针对通过VBA宏语言的功能来开发隧道超欠挖测量的原始数据处理、形成报表及ExcelVBA与AutoCAD交互通信快速成图的研究。

现有隧道超欠挖检测方法都存在一定的弊端，而隧道超欠挖测量工作作为隧道施工控制的重要环节之一，作业过程若不能高效完成，测量原始数据处理、分析若错误或不及时，势必会影响隧道的整体施工。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于ExcelVBA的隧道超欠挖检测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，基于ExcelVBA的隧道超欠挖检测方法，包括以下步骤：

S1、原始数据采集，对隧道断面各点通过全站仪自由设站进行原始数据采集；

S2、根据隧道设计中线、纵坡高程资料及基本计算公式，通过ExcelVBA编程语言开发隧道路线坐标高程计算程序，用于计算其特征点的里程、偏距、高程；

S3、根据隧道设计平面图、立面图，通过ExcelVBA编程语言利用S2得到的基础程序进一步开发隧道超欠挖量值报表程序，得到超欠挖量值；

S4、通过ExcelVBA与AutoCAD VBA交互通信，利用S3得到的超欠挖量值报表成果，开发自动绘制隧道断面线图形程序，得到隧道设计断面线和实测断面线CAD图形及超欠挖成果，通过对比进一步指导现场施工。

作为优选方式，步骤S1原始数据采集，对隧道断面各点通过全站仪自由设站进行原始数据采集，包括：

S11.置镜及设站：将全站仪架设在没有遮挡且通视的两个控制点中间的任意位置，保证水平视线夹角为60度-90度，仪器视线高度适中，架设稳固，调平全站仪水准气泡；进入显示屏幕——点击“仪器”——点击“校核”——点击“2C”——当2C校验符合规范要求时可进入下一步；点击“设站”——点击“后方交会”——录入控制点P1坐标、高程并照准控制点P1——点击“测存”——录入控制点P2坐标、高程并照准控制点P2——点击“测存”——设站完毕——查看设站质量，保证在2mm以内方可进入下一步原始数据采集(超限时重复上一步重新设站)；

S12.原始数据采集：将全站仪目镜照准隧道开挖断面、二衬或初衬任意隧道轮廓上面，点击“测存”，以每5m、10m、20m、50m等里程间隔作为一个隧道测量断面，测量每个轮廓断面特征点的三维坐标(坐标X、坐标Y、高程Z)，并将每个测量点的数据储存在全站仪内存卡中。

作为优选方式，步骤S2中所述的根据隧道设计中线、纵坡高程资料及基本计算公式，通过ExcelVBA编程语言开发隧道路线坐标高程计算程序，用于计算其特征点的里程、偏距、高程，包括：

S21.查询设计要素：

根据设计提供的设计中线、纵坡高程资料，从设计文件中查询该隧道中线曲线要素、纵坡高程竖曲线要素等，将获得的相关要素已知条件进一步带入基本计算公式中。

S22.基本计算公式：

缓和曲线计算公式：在曲线局部坐标系中，当带求点桩号K满足ZH≤K≤HY时，则带求点桩号K出现在缓和曲线段内，公式为：

式中：l＝K-ZH、R:半径、ls:缓和曲线长；

式中：p1：内移量1、p2：内移量2、m1：切垂距1、m2：切垂距2；

圆曲线计算公式：在曲线局部坐标系中，当带求点桩号K满足HY≤K≤YH时，则带求点桩号K出现在圆曲线段内，公式为：

式中：β＝(2×l-ls)÷2×R、l＝K-ZH；

坐标反算公式：坐标反算在行业中常称为投影归算(当线元上出现无穷个点时对应的法线也会出现无穷个，通过带求点到线元上任意点的法线垂距d为0时为求得)，主要是计算线路外任一点到线路中线对应的垂距d及偏距Dp；

垂距d，趋近迭代公式为：

d＝(y_p′-y_i)·cos(a_i-90)-(x_p′-x_i)·sin(a_i-90)

偏距Dp，公式为：

式中：yp＇:逐步迭代坐标Y、xp＇:逐步迭代坐标X、yp:趋近坐标Y、yi:带求点坐标Y、xi:带求点坐标X、ai:路线切线方位角、ap:带求点切线方位角；

竖曲线计算公式：竖曲线是连接两相邻坡段的曲线；

切竖差公式为：

任意点高程公式为：h＝h₁±y(凹竖曲线取+，凸竖曲线取-)

式中：R:竖曲线半径、x:带求点桩号K与竖曲线起点或止点桩号之差；h1:计算点的切线高程。

S23.ExcelVBA模块程序开发

1)操作流程：

进VBE开发环境步骤：Excel工具栏→开发工具→Visual Basic→进入VBE开发环境；

在VBE环境中建立模块步骤：创建VBE标准模块→编写代码→返回工作表→添加ActiveX控件→关联模块过程→完成；

利用步骤S22所述得到的缓和曲线、圆曲线坐标计算公式，坐标反算、高程计算公式，通过Excel VBA编程语言将表达式转化为VBA模块代码并关联相关工作表。

2)坐标高程计算程序成果表：

根据步骤S23,1)操作流程，所述得到的代码通过VBA开发得到坐标正算程序，自动计算出“直缓、缓圆、曲中、圆缓、缓直”各点中桩及边桩坐标；

根据步骤S23,1)操作流程，所述得到的代码通过VBA开发得到坐标反算程序，自动反算出“直缓、缓圆、曲中、圆缓、缓直”各点对应的中桩里程及偏距；

根据步骤S23,1)操作流程，所述得到的代码通过VBA开发得到高程计算程序，自动计算出中桩设计高程。

作为优选方式，步骤S3中所述的通过ExcelVBA编程语言开发隧道超欠挖量值报表程序，得到超欠挖量值，包括：

S31.建立超欠挖计算模型

1)创建相对坐标关系：

创建方法是通过绘制隧道设计立面图CAD图形，在AutoCAD零点位置建立相对坐标系；相对坐标系是以线路中线和偏距建立的数学坐标系Y、X；步骤：1、全选隧道立面图CAD图形；2、在命令行中输入MOVE或M按回车键，提示指定基点，输入0,0按回车键(此处,逗号为英文标点)，还可以通过CAD命令UCS建立坐标系；坐标系建立完毕后，CAD图形中线路中心与设计高程交叉处会出现Y、X坐标轴(Y为纵坐标、X为横坐标与数学坐标系相同)。

2)创建隧道线元：

隧道线元模型是以隧道断面设计轮廓线为设计基准路线，按每段圆弧为一个线路单元，弧长为里程，圆弧半径为曲线半径R，以圆弧起始端点作为线元起点，依次标记出圆弧的起点坐标和止点坐标、半径R、弧长L，形成封闭路径作为隧道线元。

3)超欠挖算法：

超欠挖量值计算是通过步骤S22所述得到的缓和曲线计算公式、圆曲线计算公式，计算出隧道设计中线坐标及高程；再通过步骤S22所述得到的坐标反算公式，按步骤2)创建的隧道线元模型计算出特征点距离隧道线元中线的偏距，从中得到特征点与隧道设计轮廓线的差值，即为超欠挖量值。

S32.开发隧道超欠挖量值报表程序

1)隧道标准断面设计数据录入：

隧道断面设计数据的录入是通过S31步骤2)创建的隧道线元，在CAD图形中查询圆弧起止点坐标、弧长和半径依次录入到表格中相应位置，详细步骤如下：

第一步：通过在CAD命令行中输入ID依次查询圆弧起点、止点坐标，以及查询标注的圆弧长度L、圆弧半径R；

第二步：通过第一步查询得到的数值依次填入到“隧道设计值”表格中相应位置(如隧元1：X＝-2.081、Y＝-0.382、R＝6.98m、L＝6.642m)。

2)隧道断面实测数据录入：

根据步骤S12所述，将得到的隧道轮廓特征点实测数据，坐标、高程依次录入到“超欠挖计算”表格中。

3)ExcelVBA模块程序开发：

通过上述S32,步骤1)所得到的隧道线元要素以及S32,步骤2)所得到的实测数据坐标、高程，将实测数据通过ExcelVBA编程语言转化为VBA代码，通过VBE开发环境编写到Microsoft Visual Basic for Applications VBE标准模块中并关联相应表格及过程。

4)超欠挖量值成果报表：

当ExcelVBA模块代码开发完毕并关联相关表格后得到以工作表形式的超欠挖量值成果报表，包含：线路里程、线路偏距、设计高程、隧中偏距、超欠挖结果、隧元位置；其中线路里程：根据实测坐标反算出线路外一点距隧道中线的实际里程；线路偏距：根据实测坐标反算出线路外一点距隧道中线的偏距；设计高程：竖曲线顶面设计高程；隧中偏距：特征点距隧道中线的偏距；超欠挖结果：欠挖表示实测轮廓线小于设计轮廓线，超挖表示实测轮廓线大于设计轮廓线；隧元位置：代表特征点位于隧道线元第几个单元圆弧。

作为优选方式，步骤S4中所述的通过ExcelVBA与AutoCAD交互通信，利用S3得到的超欠挖量值报表自动绘制隧道超欠挖断面图形，得到隧道断面设计与实测轮廓线图形，包括：

S41.ExcelVBA与AutoCAD交互通信

Excel和AutoCAD属于工作中常用的办公软件，有强大的数据处理功能，提供二次开发可以有效解决Excel和AutoCAD交互的工作。

AutoCAD提供绘图和VBA开发，对于测绘工程来说往往是需要将一大堆测量数据展示到CAD图形中，而处理这个过程只需将测量数据录入到Excel表格中，利用VBA及AutoCADActiveX对象接口技术编写相应程序可将Excel表格中的数据直接传送到AutoCAD中并自动生成相应的图形，实现ExcelVBA与AutoCAD VBA交互通信，从而达到自动化绘图；

ActiveX是AutoCAD提供的一种机制，方便程序员通过编程语言从Excel VBA来操控AutoCAD环境。AutoCAD与Excel中都加入了ActiveX接口功能，VBA可通过AutoCADActiveX Automation接口向AutoCAD进行通信，也可以通过Excel ActiveX接口与Excel交换数据

AutoCAD与Excel交互：Excel VBA与AutoCAD VBA交互通信是通过VBA提供的GetObject函数和CreateObject函数进行通信，GetObject函数属于返回ActuveX对象；CreateObject函数属于创建或返回Excel VBA联动AutoCAD的应用；

Excel VBA与AutoCAD交互通信需要引用AutoCAD类型库，其操作步骤：打开Microsoft Office Excel，选择“开发工具”——进入“Visual Basic”编辑器(VBE开发环境)，点击顶部“工具”——引用——选择“AutoCAD 2007 Type Library”或其他AutoCAD版本——确定(表示在工程中引用AutoCAD类型库)。

S42.AutoCAD读取Excel表格数据

AutoCAD读取Excel表格中的数据方式是以Excel VBA宏语言Range、Cells函数来提取单元格数据，然后将提取的数据XYZ三维坐标分别存储为AutoCAD VBA宏语言数组格式，再由Excel VBA与AutoCAD交互通信绘制点、线、圆弧，形成隧道实际轮廓CAD图形；

S43.超欠挖量值图形绘制程序开发

根据步骤S32所述得到的超欠挖量值数据，步骤S41、S42所述得到的方法,通过VBE开发环境将代码编写到Microsoft Visual Basic for Applications VBE标准模块；

S44.绘制隧道轮廓断面线图形

根据步骤S43所述得到的代码编写到VBE开发环境中并关联相关表格绘制出隧道轮廓断面线CAD图形。

本发明在于：1、全站仪快速采集隧道断面各点原始数据。2、通过ExcelVBA编程开发坐标高程计算程序，计算得到特征点里程、偏距、高程。3、通过ExcelVBA编程开发超欠挖量值报表成果程序，计算得到超欠挖量值。4、通过ExcelVBA与AutoCAD通信批量绘制隧道断面线图形，得到隧道设计断面线和实测断面线CAD图形及超欠挖成果。

本发明的有益效果是：本发明节约了设备和商用软件的购置成本，方便了测量从业人员在内业批量计算减轻了劳动强度，让现场测量人员更加了解和掌握超欠挖的测量方法及超欠挖数据处理的高效方式，起到了夯实基础；优化人力资源和杜绝了测量事故发生及有效确保隧道的施工生产进度、安全、质量。

附图说明：图1为后方交会示意图；图2为VBE开发环境图示；图3为关联控件示意图；图4为坐标正算成果表；图5为坐标反算成果表；图6为高程计算成果表；图7为公路隧道初衬设计图；图8为隧道线元计算模型标识图；图9为隧道超欠挖设计数据录入；图10为隧道超欠挖测量数据录入；图11为隧道超欠挖量值计算成果表；图12为AutoCAD与Excel交互图示；图13为在VBE开发环境中引用AutoCAD 2007 Type Library类型库；图14为程序自动绘制的隧道断面线CAD图形；图15为程序自动绘制的隧道断面线CAD局部图形；16为本发明流程示意图。

具体实施方式：下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

基于ExcelVBA的隧道超欠挖检测方法，如图16所示，包括以下步骤：

S1、原始数据采集，对隧道断面各点通过全站仪自由设站进行原始数据采集；

S2、根据隧道设计中线、纵坡高程资料及基本计算公式，通过ExcelVBA编程语言开发隧道路线坐标高程计算程序，用于计算其特征点的里程、偏距、高程；

S3、根据隧道设计平面图、立面图，通过ExcelVBA编程语言利用S2得到的基础程序进一步开发隧道超欠挖量值报表程序，得到超欠挖量值；

S4、通过ExcelVBA与AutoCAD VBA交互通信，利用S3得到的超欠挖量值报表成果，开发自动绘制隧道断面线图形程序，得到隧道设计断面线和实测断面线CAD图形及超欠挖成果，通过对比进一步指导现场施工。

在一个优选实施例中，步骤S1中所述的原始数据采集，对隧道断面各点通过全站仪自由设站进行原始数据采集，包括：

自由设站是将全站仪架设在任意某一未知点P上，利用后方交会原理，通过观测两个及以上已知控制点P坐标、高程点的方向、距离、高差，计算出设站未知点P点坐标、高程，然后采用任意一个已知控制点边进行定向，如图1所示。

S11.置镜及设站：将全站仪架设在没有遮挡且通视的两个控制点中间的任意位置，保证水平视线夹角为60度-90度，仪器视线高度适中，架设稳固，调平全站仪水准气泡；进入显示屏幕——点击“仪器”——点击“校核”——点击“2C”——当2C校验符合规范要求时可进入下一步；点击“设站”——点击“后方交会”——录入控制点P1坐标、高程并照准控制点P1——点击“测存”——录入控制点P2坐标、高程并照准控制点P2——点击“测存”——设站完毕——查看设站质量，保证在2mm以内方可进入下一步原始数据采集(超限时重复上一步重新设站)。

S12.原始数据采集：将全站仪目镜照准隧道开挖断面、二衬或初衬任意隧道轮廓上面，点击“测存”，以每5m、10m、20m、50m等里程间隔作为一个隧道测量断面，测量每个轮廓断面特征点的三维坐标(坐标X、坐标Y、高程Z)，并将每个测量点的数据储存在全站仪内存卡中。

在一个优选实施例中，步骤S2中所述的根据隧道设计中线、纵坡高程资料及基本计算公式，通过ExcelVBA编程语言开发隧道路线坐标高程计算程序，用于计算其特征点的里程、偏距、高程，包括：

线路由直线、缓和曲线、圆曲线三个基本线型要素组成。圆曲线曲率半径固定，缓和曲线是曲率逐渐变化形成圆曲线与直线过渡；坐标高程计算程序开发需要应用到基本计算公式，其包括：缓和曲线计算公式、圆曲线计算公式、坐标反算公式、竖曲线高程计算公式。

S21.查询设计要素：

根据设计提供的设计中线、纵坡高程资料，从设计文件中查询该隧道中线曲线要素、纵坡高程竖曲线要素等，将获得的相关要素已知条件进一步带入基本计算公式中。

S22.基本计算公式：

缓和曲线计算公式：在曲线局部坐标系中，当带求点桩号K满足ZH≤K≤HY时，则带求点桩号K出现在缓和曲线段内，公式为：

式中：l＝K-ZH、R:半径、ls:缓和曲线长；

式中：p1：内移量1、p2：内移量2、m1：切垂距1、m2：切垂距2；

圆曲线计算公式；在曲线局部坐标系中，当带求点桩号K满足HY≤K≤YH时，则带求点桩号K出现在圆曲线段内，公式为：

式中：β＝(2×l-ls)÷2×R、l＝K-ZH；

坐标反算计算公式：坐标反算在行业中常称为投影归算(当线元上出现无穷个点时对应的法线也会出现无穷个，通过带求点到线元上任意点的法线垂距d为0时为求得)，主要是计算线路外任一点到线路中线对应的垂距d及偏距Dp；

垂距d，趋近迭代公式为：

d＝(y_p′-y_i)·cos(a_i-90)-(x_p′-x_i)·sin(a_i-90)

偏距Dp，公式为：

式中：yp＇:逐步迭代坐标Y、xp＇:逐步迭代坐标X、yp:趋近坐标Y、yi:带求点坐标Y、xi:带求点坐标X、ai:路线切线方位角、ap:带求点切线方位角；

竖曲线计算公式：竖曲线是连接两相邻坡段的曲线；

切竖差公式为：

任意点高程公式为：h＝h₁±y(凹竖曲线取+，凸竖曲线取-)

式中：R:竖曲线半径、x:带求点桩号K与竖曲线起点或止点桩号之差；h1:计算点的切线高程。

S23.ExcelVBA模块程序开发

Excel VBA是一门开发Excel的宏语言。VBA数据类型分为：变量与常量、运算符、循环语句等。通过VBA宏语言开发程序不仅可以解决工作中的问题，还可以开发工程测量程序，本发明基于Excel VBA开发的程序设计目标是将繁琐计算过程转入到计算机中，利用VBA宏语言的重复性高速循环原理，可自动、高效、快速、准确完整的计算出坐标、高程等数据。

1)操作流程：

进VBE开发环境步骤：Excel工具栏→开发工具→Visual Basic→进入VBE开发环境，如图2所示；

在VBE环境中建立模块步骤：创建VBE标准模块→编写代码→返回工作表→添加ActiveX控件→关联模块过程→完成，如图3所示；

利用步骤S22所述得到的缓和曲线、圆曲线坐标计算公式，坐标反算、高程计算公式，通过Excel VBA编程语言将表达式转化为VBA模块代码并关联相关工作表；

第一缓和曲线段局部点计算表达式转化为VBA模块代码如下：

圆曲线段局部点计算表达式转化为VBA模块代码如下：

第二缓和曲线段计算表达式局部点坐标计算转化为VBA模块代码如下：

坐标反算趋近迭代计算表达式转化为VBA模块代码如下：

竖曲线高程计算表达式转化为VBA模块代码如下：

2)坐标高程计算程序成果表：

根据步骤S23,1)操作流程,所述得到的代码通过VBA开发实现的坐标正算程序，自动计算出“直缓、缓圆、曲中、圆缓、缓直”各点中桩及边桩8m坐标和切线方位角，如图4所示；

根据步骤S23,1)操作流程,所述得到的代码通过VBA开发实现的坐标反算程序，自动反算出“直缓、缓圆、曲中、圆缓、缓直”各点对应的中桩里程及偏距，如图5所示；

根据步骤S23,1)操作流程,所述得到的代码通过VBA开发实现的高程计算程序，自动计算出中桩设计高程，如图6所示。

在一个优选实施例中，步骤S3中所述的通过ExcelVBA编程语言开发隧道超欠挖量值报表程序，得到超欠挖量值，包括：

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必须精准、快速、高效。如果再采用传统方法计算超欠挖量值，不仅仅降低了施工效率，还会造成测量精度不足，引起隧道过量的超欠挖情况；

隧道超欠挖分为(超挖和欠挖)，超挖：隧道实测轮廓线大于隧道设计轮廓线，欠挖：隧道实测轮廓线小于隧道设计轮廓线；

超欠挖的影响：隧道超欠挖的控制情况将直接影响到隧道的施工进度、安全质量和施工成本。

S31.建立超欠挖计算模型

由于传统超欠挖量值计算模型应用范围有限，本发明研究出一种以隧道轮廓线为设计线路的隧道线元超欠挖量值计算程序，可适用于各种类型隧道，能够快速指导现场施工；

实例：以某市政公路隧道初衬设计图(图7)为本项目载体，位置为左洞，隧道偏移值为-10.6m(设计线路偏左10.6m)。

1)创建相对坐标关系：

创建方法是通过绘制隧道设计立面图CAD图形，在AutoCAD零点位置建立相对坐标系；相对坐标系是以线路中线和偏距建立的数学坐标系Y、X；步骤：1、全选隧道立面图CAD图形；2、在命令行中输入MOVE或M按回车键，提示指定基点，输入0,0按回车键(此处,逗号为英文标点)，还可以通过CAD命令UCS建立坐标系；坐标系建立完毕后，CAD图形中线路中心与设计高程交叉处会出现Y、X坐标轴(Y为纵坐标、X为横坐标与数学坐标系相同)，如图7所示。

2)创建隧道线元：

隧道线元模型是以隧道断面设计轮廓线为设计基准路线，按每段圆弧为一个线路单元，弧长为里程，圆弧半径为曲线半径R，以圆弧起始端点作为线元起点，依次标记出圆弧的起点坐标和止点坐标、半径R、弧长L，形成封闭路径作为隧道线元，如图8所示；

3)超欠挖算法：

超欠挖量值计算是通过步骤S22所述得到的缓和曲线计算公式、圆曲线计算公式，计算出隧道设计中线坐标及高程；再通过步骤S22所述得到的坐标反算公式，按步骤2)创建的隧道线元模型计算出特征点距离隧道线元中线的偏距，从中得到特征点与隧道设计轮廓线的差值，即为超欠挖量值。

S32.开发隧道超欠挖量值报表程序

1)隧道标准断面设计数据录入：

隧道断面设计数据的录入是通过S31步骤2)创建的隧道线元，在CAD图形中查询圆弧起止点坐标、弧长和半径依次录入到表格中相应位置，详细步骤如下：

第一步：通过在CAD命令行中输入ID依次查询圆弧起点、止点坐标，以及查询标注的圆弧长度L、圆弧半径R；

第二步：通过第一步查询得到的数值依次填入到“隧道设计值”表格中相应位置(如隧元1：X＝-2.081、Y＝-0.382、R＝6.98m、L＝6.642m)，如图9所示。

2)隧道断面实测数据录入：

根据步骤S12所述，将得到的隧道轮廓特征点实测数据，坐标、高程依次录入到“超欠挖计算”表格中，效果图如图10所示。

3)ExcelVBA模块程序开发：

通过上述S32,步骤1)所得到的隧道线元要素以及S32,步骤2)所得到的实测数据坐标、高程，将实测数据通过ExcelVBA编程语言转化为VBA代码，通过VBE开发环境编写到Microsoft Visual Basic for Applications VBE标准模块中并关联相应表格及过程,代码如下：

4)超欠挖量值成果报表：

当ExcelVBA模块代码开发完毕并关联相关表格后得到以工作表形式的超欠挖量值成果报表，包含：线路里程、线路偏距、设计高程、隧中偏距、超欠挖结果、隧元位置；其中线路里程：根据实测坐标反算出线路外一点距隧道中线的实际里程；线路偏距：根据实测坐标反算出线路外一点距隧道中线的偏距；设计高程：竖曲线顶面设计高程；隧中偏距：特征点距隧道中线的偏距；超欠挖结果：欠挖表示实测轮廓线小于设计轮廓线，超挖表示实测轮廓线大于设计轮廓线；隧元位置：代表特征点位于隧道线元第几个单元圆弧，如图11所示。

在一个优选实施例中，步骤S4中所述的通过ExcelVBA与AutoCAD交互通信，利用S3得到的超欠挖量值报表自动绘制隧道超欠挖断面图形，得到隧道断面设计与实测轮廓线图形，包括：

S41.ExcelVBA与AutoCAD交互通信

Excel和AutoCAD属于工作中常用的办公软件，有强大的数据处理功能，提供二次开发可以有效解决Excel和AutoCAD交互的工作；

AutoCAD提供绘图和VBA开发，对于测绘工程来说往往是需要将一大堆测量数据展示到CAD图形中，而处理这个过程只需将测量数据录入到Excel表格中，利用VBA及AutoCADActiveX对象接口技术编写相应程序可将Excel表格中的数据直接传送到AutoCAD中并自动生成相应的图形，实现ExcelVBA与AutoCAD VBA交互通信，从而达到自动化绘图；

ActiveX是AutoCAD提供的一种机制，方便程序员通过编程语言从Excel VBA来操控AutoCAD环境。AutoCAD与Excel中都加入了ActiveX接口功能，VBA可通过AutoCADActiveX Automation接口向AutoCAD进行通信，也可以通过Excel ActiveX接口与Excel交换数据，如图12所示；

AutoCAD与Excel交互：Excel VBA与AutoCAD VBA交互通信是通过VBA提供的GetObject函数和CreateObject函数进行通信，GetObject函数属于返回ActuveX对象；CreateObject函数属于创建或返回Excel VBA联动AutoCAD的应用；

Excel VBA与AutoCAD交互通信需要引用AutoCAD类型库，其操作步骤：打开Microsoft Office Excel，选择“开发工具”——进入“Visual Basic”编辑器(VBE开发环境)，点击顶部“工具”——引用——选择“AutoCAD 2007 Type Library”或其他AutoCAD版本——确定(表示在工程中引用AutoCAD类型库)，如图13所示。

S42.AutoCAD读取Excel表格数据

AutoCAD读取Excel表格中的数据方式是以Excel VBA宏语言Range、Cells函数来提取单元格数据，然后将提取的数据XYZ三维坐标分别存储为AutoCAD VBA宏语言数组格式，再由Excel VBA与AutoCAD交互通信绘制点、线、圆弧，形成隧道实际轮廓CAD图形。

S43.超欠挖量值图形绘制程序开发

根据步骤S32所述得到的超欠挖量值成果报表数据，以及步骤S41、S42所述得到的方法,通过VBE开发环境将代码编写到Microsoft Visual Basic for Applications VBE标准模块如下：

S44.绘制隧道轮廓断面线图形

隧道断面线图形是采用逐个里程绘制，由于现场测量通常会使用云点测量模式，会同时出现多个特征点里程相近或重合，采用逐个里程绘制可以有效解决多点重复情况；

根据步骤S43所述得到的代码编写到VBE开发环境中并关联相关表格绘制出隧道轮廓断面线CAD图形，如图14所示。局部效果如图15所示。

本发明在于：1、全站仪快速采集隧道断面各点原始数据。2、通过ExcelVBA编程开发坐标高程计算程序，计算得到特征点里程、偏距、高程。3、通过ExcelVBA编程开发超欠挖量值报表成果程序，计算得到超欠挖量值。4、通过ExcelVBA与AutoCAD通信批量绘制隧道断面线图形，得到隧道设计断面线和实测断面线CAD图形及超欠挖成果。

本发明的有益效果是：本发明节约了设备和商用软件的购置成本，方便了测量从业人员在内业批量计算减轻了劳动强度，让现场测量人员更加了解和掌握超欠挖的测量方法及超欠挖数据处理的高效方式，起到了夯实基础；优化人力资源和杜绝了测量事故发生及有效确保隧道的施工生产进度、安全、质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于ExcelVBA的隧道超欠挖检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、原始数据采集，对隧道断面各点通过全站仪自由设站进行原始数据采集；

S2、根据隧道设计中线、纵坡高程资料及基本计算公式，通过ExcelVBA编程语言开发隧道路线坐标高程计算程序，用于计算其特征点的里程、偏距、高程；

S3、根据隧道设计平面图、立面图，通过ExcelVBA编程语言利用S2得到的基础程序进一步开发隧道超欠挖量值报表程序，得到超欠挖量值；

S4、通过ExcelVBA与AutoCAD VBA交互通信，利用S3得到的超欠挖量值报表成果，开发自动绘制隧道断面线图形程序，得到隧道设计断面线和实测断面线CAD图形及超欠挖成果。

2.根据权利要求1所述的基于ExcelVBA的隧道超欠挖检测方法，其特征在于，步骤S1中所述的对隧道断面各点通过全站仪自由设站进行原始数据采集，包括：

S11.置镜及设站：将全站仪架设在没有遮挡且通视的两个控制点中间的任意位置，保证水平视线夹角为60度-90度，仪器视线高度适中，架设稳固，调平全站仪水准气泡；进入显示屏幕——点击“仪器”——点击“校核”——点击“2C”——当2C校验符合规范要求时可进入下一步；点击“设站”——点击“后方交会”——录入控制点P1坐标、高程并照准控制点P1——点击“测存”——录入控制点P2坐标、高程并照准控制点P2——点击“测存”——设站完毕——查看设站质量，保证在2mm以内方可进入下一步原始数据采集；

S12.原始数据采集：将全站仪目镜照准隧道开挖断面、二衬或初衬任意隧道轮廓上面，点击“测存”，以每5m、10m、20m、50m等里程间隔作为一个隧道测量断面，测量每个轮廓断面特征点的三维坐标，并将每个测量点的数据储存在全站仪内存卡中。

3.根据权利要求1所述的基于ExcelVBA的隧道超欠挖检测方法，其特征在于，步骤S2中所述的根据隧道设计中线、纵坡高程资料及基本计算公式，通过ExcelVBA编程语言开发隧道路线坐标高程计算程序，用于计算其特征点的里程、偏距、高程，包括：

S21.查询设计要素：

根据设计提供的设计中线、纵坡高程资料，从设计文件中查询该隧道中线曲线要素、纵坡高程竖曲线要素等，将获得的相关要素已知条件进一步带入基本计算公式中；

S22.基本计算公式：

缓和曲线计算公式：在曲线局部坐标系中，当带求点桩号K满足ZH≤K≤HY时，则带求点桩号K出现在缓和曲线段内，公式为：

式中：l＝K-ZH、R:半径、ls:缓和曲线长；

式中：p1：内移量1、p2：内移量2、m1：切垂距1、m2：切垂距2；

圆曲线计算公式：在曲线局部坐标系中，当带求点桩号K满足HY≤K≤YH时，则带求点桩号K出现在圆曲线段内，公式为：

式中：β＝(2×l-ls)÷2×R、l＝K-ZH；

坐标反算计算公式：坐标反算是计算线路外任一点到线路中线对应的垂距d及偏距Dp；

垂距d，公式为：

d＝(y_p′-y_i)·cos(a_i-90)-(x_p′-x_i)·sin(a_i-90)

偏距Dp，公式为：

式中：yp＇:逐步迭代坐标Y、xp＇:逐步迭代坐标X、yp:趋近坐标Y、yi:带求点坐标Y、xi:带求点坐标X、ai:路线切线方位角、ap:带求点切线方位角；

竖曲线计算公式：竖曲线是连接两相邻坡段的曲线；

切竖差公式为：

任意点高程公式为：h＝h₁±y

式中：R:竖曲线半径、x:带求点桩号K与竖曲线起点或止点桩号之差；h1:计算点的切线高程；

S23.ExcelVBA模块程序开发

1)操作流程：

进VBE开发环境步骤：Excel工具栏→开发工具→Visual Basic→进入VBE开发环境；

在VBE环境中建立模块步骤：创建VBE标准模块→编写代码→返回工作表→添加ActiveX控件→关联模块过程→完成；

利用步骤S22所述得到的缓和曲线、圆曲线坐标计算公式，坐标反算、高程计算公式，通过Excel VBA编程语言将表达式转化为VBA模块代码并关联相关工作表；

2)坐标高程计算程序成果表：

根据步骤S23,1)操作流程，所述得到的代码通过VBA开发得到坐标正算程序，自动计算出“直缓、缓圆、曲中、圆缓、缓直”各点中桩及边桩坐标；

根据步骤S23,1)操作流程，所述得到的代码通过VBA开发得到坐标反算程序，自动反算出“直缓、缓圆、曲中、圆缓、缓直”各点对应的中桩里程及偏距；

根据步骤S23,1)操作流程，所述得到的代码通过VBA开发得到高程计算程序，自动计算出中桩设计高程。

4.根据权利要求1所述的基于ExcelVBA的隧道超欠挖检测方法，其特征在于，步骤S3中通过ExcelVBA编程语言开发隧道超欠挖量值报表程序，得到超欠挖量值，包括：

S31.建立超欠挖计算模型

1)创建相对坐标关系：

创建方法是通过绘制隧道设计立面图CAD图形，在AutoCAD零点位置建立相对坐标系；相对坐标系是以线路中线和偏距建立的数学坐标系Y、X；步骤：1、全选隧道立面图CAD图形；2、在命令行中输入MOVE或M按回车键，提示指定基点，输入0,0按回车键，还可以通过CAD命令UCS建立坐标系；坐标系建立完毕后，CAD图形中线路中心与设计高程交叉处会出现Y、X坐标轴；

2)创建隧道线元：

隧道线元模型是以隧道断面设计轮廓线为设计基准路线，按每段圆弧为一个线路单元，弧长为里程，圆弧半径为曲线半径R，以圆弧起始端点作为线元起点，依次标记出圆弧的起点坐标和止点坐标、半径R、弧长L，形成封闭路径作为隧道线元；

3)超欠挖量值算法：

超欠挖量值计算是通过步骤S22所述得到的缓和曲线计算公式、圆曲线计算公式，计算出隧道设计中线坐标及高程；再通过步骤S22所述得到的坐标反算公式，按步骤2)创建的隧道线元模型计算出特征点距离隧道线元中线的偏距，从中得到特征点与隧道设计轮廓线的差值，即为超欠挖量值；

S32.开发隧道超欠挖量值报表程序

1)隧道标准断面设计数据录入：

隧道断面设计数据的录入是通过S31步骤2)创建的隧道线元，在CAD图形中查询圆弧起止点坐标、弧长和半径依次录入到表格中相应位置，详细步骤如下：

第一步：通过在CAD命令行中输入ID依次查询圆弧起点、止点坐标，以及查询标注的圆弧长度L、圆弧半径R；

第二步：通过第一步查询得到的数值依次填入到“隧道设计值”表格中相应位置；

2)隧道断面实测数据录入：

根据步骤S12所述，将得到的隧道轮廓特征点实测数据，坐标、高程依次录入到“超欠挖计算”表格中；

3)ExcelVBA模块程序开发：

通过上述S32,步骤1)所得到的隧道线元要素以及S32,步骤2)所得到的实测数据坐标、高程，将实测数据通过ExcelVBA编程语言转化为VBA代码，通过VBE开发环境编写到Microsoft Visual Basic for Applications VBE标准模块中并关联相应表格及过程；

4)超欠挖量值成果报表：

当ExcelVBA模块代码开发完毕并关联相关表格后得到以工作表形式的超欠挖量值成果报表，包含：线路里程、线路偏距、设计高程、隧中偏距、超欠挖结果、隧元位置；其中线路里程：根据实测坐标反算出线路外一点距隧道中线的实际里程；线路偏距：根据实测坐标反算出线路外一点距隧道中线的偏距；设计高程：竖曲线顶面设计高程；隧中偏距：特征点距隧道中线的偏距；超欠挖结果：欠挖表示实测轮廓线小于设计轮廓线，超挖表示实测轮廓线大于设计轮廓线；隧元位置：代表特征点位于隧道线元第几个单元圆弧。

5.根据权利要求1所述的基于ExcelVBA的隧道超欠挖检测方法，其特征在于，步骤S4中所述的通过ExcelVBA与AutoCAD交互通信，利用S3得到的超欠挖量值报表自动绘制隧道超欠挖断面图形，得到隧道断面设计与实测轮廓线图形，包括：

S41.ExcelVBA与AutoCAD交互通信

Excel VBA与AutoCAD交互通信是通过VBA提供的GetObject函数和CreateObject函数进行通信，GetObject函数属于返回ActuveX对象；CreateObject函数属于创建或返回ExcelVBA联动AutoCAD的应用；

Excel VBA与AutoCAD交互通信需要引用AutoCAD类型库，其操作步骤：打开MicrosoftOffice Excel，选择“开发工具”——进入“Visual Basic”编辑器VBE开发环境，点击顶部“工具”——引用——选择“AutoCAD 2007 Type Library”或其他AutoCAD版本——确定；

S42.AutoCAD读取Excel表格数据

AutoCAD读取Excel表格中的数据方式是以Excel VBA宏语言Range、Cells函数来提取单元格数据，然后将提取的数据XYZ三维坐标分别存储为AutoCAD VBA宏语言数组格式，再由Excel VBA与AutoCAD交互通信绘制点、线、圆弧，形成隧道实际轮廓CAD图形；

S43.超欠挖量值图形绘制程序开发

根据步骤S32所述得到的超欠挖量值数据，步骤S41、S42所述得到的方法,通过VBE开发环境将代码编写到Microsoft Visual Basic for Applications VBE标准模块；

S44.绘制隧道轮廓断面线图形

根据步骤S43所述得到的代码编写到VBE开发环境中并关联相关表格绘制出隧道轮廓断面线CAD图形。