基于C#與SQL Server的隧道洞門鋼環檢測系統*

張 洋，張志剛，錢 棟，田林亞，畢繼鑫

(1. 蘇州地質工程勘察院，江蘇 蘇州 215129； 2. 河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

基于C#與SQL Server的隧道洞門鋼環檢測系統*

張 洋1，張志剛1，錢 棟1，田林亞2，畢繼鑫2

(1. 蘇州地質工程勘察院，江蘇 蘇州 215129； 2. 河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

對基于空間向量擬合空間圓直接獲取圓心坐標及半徑的算法進行研究，將該算法應用于隧道洞門鋼環空間形態的檢測與分析。以C#編程語言和SQL Server數據庫為工具，開發了隧道洞門鋼環檢測數據處理與分析系統，利用該系統可進行洞門鋼環空間形態的擬合，進行洞門鋼環圓心坐標和半徑的計算，完成洞門鋼環空間形態的質量評價。通過工程實例，驗證了所提出的檢測方法與分析系統的正確性，研究成果也可為其它類似建筑物的空間形態檢測工作提供參考。

隧道工程；地鐵隧道;洞門鋼環;形態擬合;編程語言C#;數據庫SQLServer;檢測系統

0 引 言

在使用盾構機進行地鐵隧道施工時，由于洞門的施工和安裝存在誤差，使得洞門鋼環安裝后的實際位置與洞門鋼環的設計位置不一定完全重合。為了確保盾構機能夠順利出洞，需要對施工完成后的洞門鋼環的圓心坐標[1-2]、半徑、平整度以及圓度等特征值進行準確測定和計算，分析和評價洞門鋼環的空間形態。由于這些特征值是不可直接量測的，所以只能通過測量洞門鋼環上一系列點的三維坐標擬合出洞門鋼環的形態，間接得到洞門鋼環的特征值信息，將這些特征值與設計值進行比對，完成洞門鋼環的檢測工作。筆者結合蘇州軌道交通4號線施工監測項目，充分發揮全站儀Leica TM30測量精度高、靈活機動、快速便捷等特點，基于C#與SQLServer編程技術開發了隧道洞門鋼環檢測系統，利用該系統可進行洞門鋼環空間形態的擬合，計算和輸出洞門鋼環的特征值，將各洞門鋼環的觀測數據和計算成果入庫，完成洞門鋼環空間形態的質量評價。

1 隧道洞門鋼環檢測及數據處理

1.1 洞門鋼環檢測及數據預處理

在已知坐標和高程的地下控制點上安置全站儀，采用三維坐標法[3]觀測洞門鋼環內環上若干點的三維坐標，由于Leica TM30具有免棱鏡測量功能和很高的標稱精度(0.5″，1 mm+1 ppm)[4]，可以實現三維坐標的高精度測量。為了提高洞門鋼環空間形態的擬合精度，避免空間形態擬合時出現病態方程，將觀測點均勻分布于整個鋼環的內邊緣[5]。

1.2 洞門鋼環空間平面擬合

將洞門鋼環空間平面方程設為[6]

ax+by+cz+d=0

(1)

考慮到式(1)中系數a、b、c、d是線性相關的，平面擬合會得到無數組解，為了得到系數的固定解，在式(1)兩邊同時乘以一個非零的比例系數，將d化為1，所得方程依然表示該空間平面，即

ax+by+cz+1=0

(2)

當觀測點數目n>3時，采用最小二乘法擬合該空間平面，誤差方程如下：

(3)

其中：

由于是同精度獨立觀測，故將權陣P設為單位陣，根據VTPV=min，通過式(4)解得參數值，即

(4)

將參數值代入式(2)，擬合出洞門鋼環所在的空間平面方程。

1.3 洞門鋼環空間圓擬合

設P1、P2為位于同一平面上的洞門鋼環內環觀測點，其坐標分別為(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)，P0(x0，y0，z0)為圓心，P12為點P1與P2連線的中心點，根據空間幾何理論，向量P1P2與向量P0P12相互垂直，可得

(5)

整理可得中垂面方程：

x12x0+y12y0+z12z0-l′=0

(6)

其中：

x12=x2-x1，y12=y2-y1，z12=z2-z1

當觀測點數目為n時，可列n-1個線性無關的中垂面方程式，由于洞門鋼環圓心P0同時位于1.2節所擬合的空間平面與本節所擬合的空間圓上，故結合1.2節中求出的空間平面的系數可列出誤差方程式：

(7)

其中：

(8)

根據所得空間圓圓心坐標值，結合觀測點坐標，通過式(9)可計算空間圓的半徑，當觀測點數目為n時，可計算各觀測點所對應的半徑，取其平均值作為洞門鋼環空間圓的擬合半徑：

(9)

1.4 基于擬合特征值的洞門鋼環檢測結果分析

隧道洞門鋼環檢測結果分析主要包括兩個方面：

1) 分析安裝的和設計的洞門鋼環在位置上的差異。洞門鋼環安裝的圓心坐標已在1.3節中通過擬合法獲取，法線方向即為(a，b，c)，這兩個因素是評定洞門鋼環安裝位置和設計位置差別的主要指標。

2) 分析安裝的和設計的洞門鋼環在形狀上的差異。這點可以通過洞門鋼環的平整度、圓度以及圓半徑等特征值進行評定。由1.2節擬合所得的空間平面方程，通過式(10)可計算各觀測點到該空間平面的距離，即：

(10)

(11)

2 隧道洞門鋼環檢測系統的設計與實現

2.1 系統的主要功能

C#語言擁有快速開發和簡單易用的特點，深受程序開發人員喜愛。筆者采用C#編程語言并連接SQL Server數據庫進行隧道洞門鋼環檢測系統的開發，系統主界面如圖1。

圖1 系統主界面Fig.1 Main interface of the system

系統具有以下幾個功能。

1) 數據錄入：可直接讀取全站儀觀測數據文件，并將檢測點坐標顯示在界面中。

2) 擬合計算：可直接調用觀測數據文件進行擬合計算，并將洞門鋼環的圓心坐標、半徑顯示在界面中。

3) 平整度計算：可將各特征點到洞門鋼環擬合平面垂直距離及洞門鋼環平整度顯示在界面中。

4) 圓度計算：可將各特征點到洞門鋼環擬合圓的垂直距離以及洞門鋼環的圓度顯示在界面中。

5) 數據入庫：與SQL Server數據庫進行連接，將觀測數據和計算結果存儲到數據庫中。

考慮到數據中可能存在的觀測粗差或過大安裝誤差對平面擬合和空間圓擬合效果的干擾，程序中設置了觀測點到擬合平面垂直距離的容限差ε1和各觀測點到擬合圓垂直距離的容限差ε2，當某點的Δd>ε1或Δd>ε2時，檢查原因并確認后將之剔除，然后重新進行平面和空間圓的擬合。

2.2 系統的工作流程

隧道洞門鋼環檢測系統的工作流程如圖2。

圖2 系統工作流程Fig.2 Working process of the system

2.3 系統開發關鍵技術

本系統是在Visual Studio2008集成開發環境平臺上，使用C#編程語言以及SQL Server數據庫技術開發完成的，系統開發時解決了以下幾項關鍵技術，它們是整個系統的核心內容。

2.3.1 文件讀取

利用全站儀自動存儲功能，將觀測點的三維坐標自動存儲到所生成的“.txt”格式文件中，其具有固定的數據組織格式，因此編寫本系統時仔細研究了數據文件格式，以實現一鍵讀取所有觀測數據。

2.3.2 系統數據庫結構設計

在設計數據庫結構時，做到盡量降低數據庫冗余度，達到結構合理、易于維護的目的[8]。數據庫結構設計時，采用的主要數據表如下：

1) 觀測數據表：包括洞門號、觀測日期、觀測點號、觀測點橫坐標X、觀測點縱坐標Y、觀測點豎坐標Z等字段。

2) 洞門特征值計算表1：包括洞門號、觀測日期、觀測點號、觀測點到擬合平面的垂直距離、觀測點到擬合圓的半徑之差等字段。

3) 洞門特征值計算表2：包括洞門號、觀測日期、洞門圓心橫坐標X、洞門圓心縱坐標Y、洞門圓心豎坐標Z、洞門半徑、洞門平整度、洞門圓度等字段。

2.3.3 觀測數據和計算結果導入SQLServer數據庫

對外業觀測數據進行計算后，將觀測數據和計算成果導入SQL Server數據庫中保存。

3 工程應用實例

對蘇州軌道交通4號線汽車客運站東南洞門鋼環進行了檢測，共觀測了11個點，經空間平面和空間圓的初步擬合計算和分析，剔除了3個點，保留8個特征點的觀測數據(表1)用于洞門鋼環的空間形態擬合和分析。

表1 特征點觀測數據Table 1 Observation data of each feature point

將表1中的觀測數據錄入到本系統中，然后進行擬合計算，得到該洞門鋼環的半徑r=3.346 5 m和圓心坐標(25 346.771 5，57 994.597 2，-10.322 9)。各特征點到擬合平面的垂直距離見表2，到擬合圓的垂直距離見表3。

表2 特征點到擬合平面的距離Table 2 Distance between feature points to fitting plane m

表3 特征點到擬合圓的距離Table 3 Distance between feature points to fitting circle m

由表2可知，特征點到擬合平面的最大垂直距離為-0.007 2 m，最小垂直距離為-0.001 1 m，計算洞門鋼環的平整度為±0.004 1 m。由表3可知，特征點到洞門鋼環擬合圓的最大垂直距離為-0.006 8 m，最小垂直距離為0.000 2 m，計算洞門鋼環的圓度為±0.003 2 m。

4 結 語

筆者研究了隧道洞門鋼環的空間形態檢測和數據處理方法，將圓形類洞門鋼環看成一個球體與過球心的空間平面相交而成的大圓，根據空間向量理論推導了中垂面方程，并與空間平面方程聯立求解其特征值，采用C#編程語言和SQL Server數據庫技術實現了洞門鋼環檢測系統的開發，將研究成果應用于蘇州軌道交通4號線隧道洞門鋼環檢測數據的計算與分析，取得了良好的實際應用效果。隨著馬蹄形、類矩形等非圓形盾構在隧道施工中的使用，對這些形狀的洞門如何進行有效的檢測、計算與分析，是筆者接下來要研究和解決的問題。

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Detection System of Tunnel Portal Steel Ring Based on C# and SQL Server

ZHANG Yang1，ZHANG Zhigang1，QIAN Dong1，TIAN Linya2，BI Jixin2

(1. Suzhou Geological Engineering Investigation Institute，Suzhou 215129，Jiangsu，P. R. China； 2. School of Earth Science and Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，Jiangsu，P. R. China)

The research on the algorithm that directly obtains the center coordinates and the radius based on space vector fitting 3D circle was carried out，and the proposed algorithm was applied to the detection and analysis of tunnel portal steel ring’s spatial formation. C# programming language and SQL Server database were used to develop the data processing and analysis system for detection of tunnel portal steel ring. The proposed system could fit portal steel ring’s spatial formation，calculate the center coordinates and radius of tunnel portal steel ring and accomplish the quality evaluation of the spatial formation of portal steel ring. Through an example of engineering application，the correctness of the proposed detection method and analysis system was verified. Research results can provide the reference to the detection work of spatial formation for other similar buildings.

tunnel engineering; metro tunnel; tunnel portal steel ring; formation-fitting; C# programming language; SQLServer database; detection system

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.12.04

2016-11-08；

2017-03-10

江蘇省地質礦產勘查局科研項目(2016-KY-03)

張 洋(1968—)，男，江蘇徐州人，高級工程師，主要從事精密工程測量方面的研究。E-mail：873240839@qq.com。

畢繼鑫(1994—)，男，黑龍江牡丹江人，碩士，主要從事測量數據處理理論與方法方面的研究。E-mail：bijixin7317@163.com。

U231+.4

A

1674-0696(2017)12-018-04

譚緒凱)