中文摘要

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隧道開挖是否符合標準斷面需求

，

其主要受限於開挖施工與施工廠商對於 超挖量多寡之控制，目前國內廠商在施工管理上多以擴大開挖斷面以符合標準 斷面之要求。然而以擴大開挖斷面之施工與管理，不但增加開挖數量，更增加 後續支撐回填之成本。

本研究以微軟 Visual Basic 視窗程式、Access 資料庫及 Excel 工作表為依據 發展隧道斷面量測視窗程式。將單一的表單及模組化程序，研發視窗程式且自 動化之多筆資料之展示，使程式使用方便且簡單明瞭，增加開挖斷面資料表單，

其功能為計算開挖斷面之面積，比較設計面與開挖面之開挖數量，了解開挖斷 面是否有超挖或是入侵的狀況。

本研究採用實際案例包含玉長公路隧道新建工程、湖山水庫南壩導水隧道工 程以及汐止山岳鐵路隧道工程。研究結果顯示，將隧道斷面量測資料整合為微 軟Excel 檔案格式，以符合程式自動擷取輸入之格式。視窗程式模組將自動化擷 取所需資料到下拉式功能表立即展現成果，並且在下拉式功能表即可選擇其他 斷面。除了斷面量測圖形展繪外，亦能顯示開挖斷面之土方計算，以及與設計 斷面相比其開挖數量之差值，另外將所有斷面之土方計算整合，計算出整段隧 道之開挖量，根據計算結果，施工廠商可以立即了解開挖數量，作為後續施工 管理與成本控制之根據。

關鍵字：隧道工程測量、隧道斷面測量、Visual Basic 視窗程式、斷面計算

Abstract

It mainly depends on excavation factors and the control of overbreak, whether the tunneling profile is able to consist with design profile. In order to fit design demands, for the most parts, contractors excavate a little more overbreak. By means of expanding excavation, either increases the quantity of excavation or increase the payment for replacement concrete.

Our research is based on the Microsoft Visual Basic and the Microsoft Access and Microsoft Excel to develop the tunnel profiling window program. The program could be applied easily by single sheet and metalized process automatic displaying multiple data. By comparing tunneling profile and design profile to find out whether overbreak or underbreak. We take three cases to operate and show the result.

The result of research said that we can not only profile but also calculate the area of profile. It is not only easy but convenient to execute the program by single sheet and modulated process, displaying automatically automatically multiple data through the window program. From the research, to conform the format of automatic retrieve input, we could intergrade the tunnel profile to MS.Excel format. The window program module automatically retrieves the data to the pull-table immediately, and pick other profile from the pull-table. Besides the tunnel profile, the program helps the calculations of excavation profile volume, and the difference between desired profile and excavation amount moreover, we could jute the excavation amount from the sum of volume calculation profiling. According to the calculation , the contractors could get the excavation amount as a reference for construction management and cost control.

Keywords: Tunnel Engineering Survey , tunnel excavation , Visual Basic window

致 謝

時光匆匆，兩年的研究所生涯眨眼間就要結束了，出社會後必運用兩年所學 努力開創自己的未來。承蒙恩師 李煜舲博士對學生論文的用心指導，適時的指 引學生，讓學生能順利將論文完成，在此獻上萬分的謝意。

感謝本校 吳淵洵老師以及朝楊科技大學 賴俊仁博士於校外口試期間不吝 指導，讓學生受益匪淺。感謝本校 楊朝平老師瑜組內口試時用心指導與課堂上 之教誨， 呂志宗老師於組內時認真的給予建議以及課堂中無私的教學。

在學期間，感謝專班許榮達學長無私的指導，感謝逸瑜學長的指引以及俊 傑、寬益、楨瑩、胤傑學長的傳承與教導，金榮、振宏、小童、阿達、老王學 長及小伶、美雯、樺姿學姊的熱心幫忙與照顧以及帶來的歡笑。感謝同儕昕煒、

韋志、柏瑋、禹雯給予的支持與鼓勵，感謝學弟俊煙、振興、奉舉的幫忙。也 感謝同在中華大學所有的朋友讓我擁有一個快樂的時光。

最後感謝支持與關懷我的家人；我敬愛的爸爸、媽媽、姐姐怡君以及哥哥凱 文感謝你們讓我在生活上的支持與鼓勵，讓我在求學期間無後顧之憂，能全新 全力的完成我的學業，感謝你們！

峰嘉謹識 97 年 8 月 於中華大學

目 錄

中文摘要...I 英文摘要... II 致 謝 ... III 目 錄 ...IV 表 目 錄 ...VII 圖 目 錄 ... VIII 符號說明... XIII

第一章 緒論 ... 1

1.1 研究背景 ... 1

1.2 研究動機與目的 ... 1

1.3 研究內容 ... 1

1.4 研究流程 ... 2

第二章 文獻回顧 ... 4

2.1 前言 ... 4

2.2 隧道工程測量 ... 4

2.2.1 隧道控制測量 ... 4

2.2.2 水準測量 ... 6

2.2.3 施工測量 ... 6

2.3 隧道斷面測量原理 ... 7

2.3.1 前方交會法 ... 8

2.3.2 後方交會法 ... 10

2.5 微軟Visual Basic簡介 ... 15

2.5.1 Visual Basic概述 ... 15

2.5.2 Visual Basic特性 ... 15

2.6 運用Visual Basic發展之視窗程式... 17

2.7 資料庫介紹 ... 19

2.8 Surfer 8 軟體介紹 ... 19

第三章 隧道斷面量測技術與視窗程式撰寫... 34

3.1 前言 ... 34

3.2 隧道斷面測量方法 ... 34

3.3 隧道斷面量測作業流程與步驟 ... 35

3.4 測量資料處理 ... 36

3.4.1 工程基本資料 ... 36

3.4.2 各斷面量測資料 ... 36

3.4.3 控制樁點資料 ... 36

3.4.4 中線各點資料 ... 37

3.4.5 資料整合 ... 37

3.5 視窗程式架構說明 ... 37

3.6 資料庫建立之說明 ... 38

3.7 視窗程式之運算流程 ... 38

3.7.1 前處理程序 ... 38

3.7.2 核心計算程序 ... 39

3.7.3 後處理結果程序 ... 40

3.8 視窗程式使用流程說明 ... 40

3.9 視窗程式之計算驗證 ... 41

4.1.1 工程概述 ... 63

4.1.2 隧道斷面量測基本資料 ... 63

4.1.3 應用隧道斷面量測視窗程式之分析結果 ... 64

4.1.4 Surfer 8 軟體繪圖結果 ... 64

4.2 湖山水庫南壩引水隧道 ... 64

4.2.1 工程概述 ... 65

4.2.2 隧道斷面量測基本資料 ... 65

4.2.3 應用隧道斷面量測視窗程式之分析結果 ... 65

4.2.4 Surfer 8 軟體繪圖結果 ... 66

4.3 汐止山岳鐵路隧道 ... 66

4.3.1 工程概述 ... 66

4.3.2 隧道斷面量測基本資料 ... 66

4.3.3 應用隧道斷面量測視窗程式之分析結果 ... 67

4.4 隧道土方計算與結果比較 ... 67

第五章 結論與建議 ... 93

5.1 結論 ... 93

5.2 建議 ... 94

參考文獻... 95

附錄A 應用案例之斷面量測資料 ... 98

附錄B 視窗程式使用說明 ... 145

一、程式開始... 146

二、輸入檔案與輸出... 147

附錄C 視窗程式表單使用說明 ... 151

1、程式表單說明 ... 152

表 目 錄

表3.1 各斷面測量資料（銢欣有限公司）... 42

表3.2 控制樁點資料（銢欣有限公司）... 43

表3.3 中線各點資料（銢欣有限公司）... 45

表4.1 案例分析之結果參照表... 69

附表1 玉長公路隧道控制樁資料... 99

附表2 玉長公路隧道中線各點資料... 102

附表3 玉長公路隧道斷面測量資料... 114

附表4 玉長公路隧道標準斷面... 117

附表5 湖山水庫南壩導水隧道工程控制樁資料... 121

附表6 湖山水庫南壩導水隧道工程中線各點資料... 123

附表7 湖山水庫南壩導水隧道斷面測量資料... 127

附表8 湖山水庫南壩導水隧道標準斷面... 129

附表9 汐止山岳鐵路隧道控制樁資料... 133

附表10 汐止山岳鐵路隧道中線各點資料... 137

附表11 汐止山岳鐵路隧道斷面量測資料 ... 141

附表12 汐止山岳鐵路隧道標準斷面資料... 143

圖 目 錄

圖1.1 研究流程圖 ... 3

圖2.1 導線測量之形狀：（1）閉合導線（2）附合導線（3）展開導線（4）導線 網... 21

圖2.2 三角測量圖 ... 22

圖2.3 測量之原理（a）導線法（b）偏角法（c）支距法（d）前方交會法（e） 後方交會法（f）距離交會法（g）直線交會法... 23

圖2.4 前方交會法圖形 ... 24

圖2.5 後方交會法圖形 ... 24

圖2.6 雙相攝影示意圖 ... 25

圖2.7 雙相攝影觀景窗 ... 25

圖2.8 攝影測量中經由處理後之三維圖形... 26

圖2.9 光切法測量示意圖 ... 26

圖2.10 光切法運用於隧道測量... 27

圖2.11 AMT Profiler 4000 以及後處理軟體 ... 27

圖2.12 光學三角測量儀器 ... 28

圖2.13 光學三角測量儀探頭... 28

圖2.14 數位攝影測量技術圖... 30

圖2.15 數位攝影測量技術量測隧道變形與位移照片... 30

圖2.16 不同之測量技術其相對精度與測量範圍... 31

圖2.17 模組化及結構化程序示意圖... 31

圖2.18 物件導向程序示意圖... 32

圖2.21 Surfer 8 等高線及 3D立體圖 ... 33

圖3.1 斷面量測儀器架設在任一點示意圖... 47

圖3.2 斷面量測儀器架設在已知點示意圖... 47

圖3.3 斷面量測儀器為自由測站示意圖... 48

圖3.4 Leica TCRM110 斷面量測儀器... 48

圖3.5 隧道斷面量測照片 ... 49

圖3.6 工程基本資料 ... 49

圖3.7 斷面量測示意圖 ... 50

圖3.8 各斷面量測資料 ... 50

圖3.9 控制樁三角網測量示意圖... 51

圖3.10 控制樁點資料 ... 52

圖3.11 隧道中線與法線方向關係示意圖 ... 53

圖3.12 中線各點資料 ... 53

圖3.13 資料庫內容 ... 54

圖3.14 Access資料庫中之設計斷面資料表... 54

圖3.15 視窗程式執行流程圖... 55

圖3.16 工程基本資料視窗 ... 56

圖3.17 控制樁點資料視窗 ... 56

圖3.18 中線資料視窗 ... 57

圖3.19 斷面測量資料視窗 ... 57

圖3.20 斷面圖形展繪視窗 ... 58

圖3.21 斷面土方計算視窗 ... 59

圖3.22 資料報表視窗 ... 59

圖3.23 斷面量測圖形展繪輸出成果視窗... 59

圖3.26 本研究之斷面量測圖形展繪成果視窗（斷面A-2，LC9220） ... 61

圖3.27 本研究之斷面量測圖形展繪成果視窗（斷面A-2，LC9270） ... 62

圖4.1 玉長隧道位置示意圖 ... 70

圖4.2 視窗程式開始畫面視窗... 71

圖4.3 匯入資料視窗 ... 71

圖4.4 玉長隧道設計斷面圖 ... 72

圖4.5 玉長隧道設計斷面圖 ... 73

圖4.6 玉長隧道設計斷面圖 ... 73

圖4.7 玉長隧道設計斷面圖 ... 74

圖4.8 玉長隧道設計斷面圖 ... 74

圖4.9 玉長隧道設計斷面圖 ... 74

圖4.10 玉長隧道各斷面量測圖與成果展顯視窗（斷面A-2，LC9190） ... 75

圖4.11 玉長隧道各斷面量測圖與成果展顯視窗（斷面A-2，LC9200） ... 76

圖4.12 玉長隧道斷面土方計算之視窗（斷面A-2，LC9190） ... 76

圖4.13 玉長隧道斷面土方計算之視窗（斷面A-2，LC9200） ... 77

圖4.14 Surfer 8 隧道測量資料輸入... 77

圖4.15 Surfer 8 檔案轉換成所需之grd檔案圖 ... 78

圖4.16 Surfer 8 軟體主畫面 ... 78

圖4.17 玉長隧道Surfer 8 軟體 3-D圖... 79

圖4.18 湖山水庫大壩，攔河堰及引水路平面圖... 79

圖4.19 湖山水庫南壩施工導水隧道位置示意圖... 80

圖4.20 視窗程式開始畫面視窗... 81

圖4.21 匯入資料視窗 ... 81

圖4.22 湖山水庫南壩導水隧道設計斷面... 81

圖4.24 湖山水庫南壩導水隧道各斷面量測圖與成果展顯視窗（斷面T0915：

T0170） ... 82

圖4.25 湖山水庫南壩導水隧道斷面土方計算之視窗（斷面T0915：T0175）... 83

圖4.26 湖山水庫南壩導水隧道斷面土方計算之視窗（斷面T0915：T0170）... 83

圖4.27 湖山水庫南壩導水隧道Surfer 8 軟體 3-D圖 ... 84

圖4.28 汐止山岳隧道位置示意圖... 85

圖4.29 視窗程式開始畫面視窗... 86

圖4.30 匯入資料視窗 ... 86

圖4.31 汐止山岳鐵路隧道設計斷面（完成面）... 87

圖4.32 汐止山岳鐵路隧道各斷面量測與成果展顯（斷面O6350：O6355）... 87

圖4.33 汐止山岳鐵路隧道各斷面量測與成果展顯（斷面O6360：O6365）... 88

圖4.34 汐止山岳鐵路隧道斷面土方計算之視窗（斷面O6350：O6355）... 88

圖4.35 汐止山岳鐵路隧道斷面土方計算之視窗（斷面O6360：O6365）... 89

圖4.36 玉長隧道之開挖斷面與設計斷面比較圖... 89

圖4.37 湖山水庫之開挖斷面與設計斷面比較圖... 90

圖4.38 汐止山岳隧道之開挖斷面與設計斷面比較圖... 90

圖4.39 玉長隧道土方計算 ... 91

圖4.40 湖山水庫土方計算 ... 91

圖4.41 汐止山岳隧道土方計算... 92

附圖1 歡迎畫面視窗 ... 146

附圖2 程式主畫面視窗 ... 147

附圖3 選擇匯入資料視窗 ... 147

附圖4 選擇匯入資料 ... 148

附圖5 玉長隧道各斷面量測圖形展繪視窗... 148

附圖8 玉長隧道斷面土方計算之視窗... 150 附圖9 資料報表視窗 ... 150

符號說明

h 儀高

hn 測站n 儀高 hx 測點儀高 D 距離

Dn 測站n 距離 Dx 測點距離 En 測站n 橫座標 Ex 測點橫座標

Exn 測站n 算未知點橫座標 H 高差

Hn 測站n 高差 Hx 測點高差 Nn 測站n 縱座標 Nx 測點縱座標

N_xn 測站n 算未知點縱座標 S 斜距

S_n 測站n 斜距 S_x 測點斜距 Z_n 測站n 高程 Z_x 測點高程

Z_xn 測站n 算未知點高程

θ_An 測站 n 基線方位角 θ_h 水平角

θ_hn 測站 n 水平角 θ_hx 測點水平角 θ_n 測站n 內角 θv 垂直角

θvn 測站 n 垂直角 θvx 測點垂直角

第一章 緒論

1.1 研究背景

隧道工程由於面臨地質條件難以事先探查完全掌握、施工環境惡劣及設計理 論未完善等狀況，為具高危險性之地下工程，而監測作業即是確保其施工安全 之最大保障。地下開挖施工方法進展至以新奧工法（NATM）理念施工後，監測 即為NATM 設計及施工之重要一環。面對台灣山多、地形險峻且地質複雜，在 不可避免興建隧道時，其工期、成本與品質均是ㄧ大挑戰。隧道斷面的開挖無 論使用鑽炸或機械工法，其開挖範圍之管理值完全由隧道斷面量測所控制。然 而擴大斷面導致之超挖量增加，更增加後續回填灌漿作業之數量；然而灌漿作 業良好與否勢必影響隧道之工程品質，而增加之混凝土數量，也使施工廠商不 易掌握其成本控制。

1.2 研究動機與目的

本研究依據姚逸瑜（2007）發展之隧道斷面土方計算之視窗程式研發與應用 加以修正，將單一的表單及模組化，修改成程式之自動化以及多筆資料之展示，

使程式使用性方便且簡單明瞭，增加開挖斷面資料表單，其功能為計算開挖斷 面之面積，比較設計面與開挖面之開挖數量，了解開挖斷面是否有超挖或是入 侵的狀況。且根據開挖數量，施工廠商也可以快速掌握成本，期盼能提升隧道 斷面施工品質與水準，承包商能經濟且快速達成開挖符合設計斷面的目標。

1.3 研究內容

研究內容分為五個章節，第一章為緒論，主要闡述研究背景、研究動機與目

Basic 6 程式編譯軟體及微軟 Access 2000 資料庫軟體作簡介。隧道斷面量測技 術與相關理論，則分述於隧道工程測量原理、隧道斷面量測技術及隧道斷面測 量原理等。最後，說明3-D 繪圖 Surfer 8 軟體。

第三章說明隧道斷面量測技術與視窗程式開發之架構，進一步解釋隧道斷面 量測步驟、資料處理、表單模組如何建立以及程式核心運算程序之運作流程；

並詳細介紹程式操作的流程與步驟。

第四章接續第三章程式操作步驟，展現實際案例操作之結果，並於第五章將 針對程式在實際案例操作研究之結論與建議。

1.4 研究流程

本研究由緒論開始，闡明研究背景、動機與目的。接著蒐集前人在視窗化 程式相關之研究，並對微軟 Visual Basic 6 程式編譯軟體及微軟 Access 2000 資 料庫軟體作簡介，以及隧道斷面量測技術與相關理論。進一步結合隧道斷面測 量技術與相關理論，說明隧道斷面測量流程與資料。

根據前人在視窗化程式之研究與隧道斷面測量技術相關理論，對程式進行開 發與建構，視窗程式建立完成後，運用實際案例操作展現其結果，根據案例應 用之成果說明本研究之結論以及建議。研究流程由流程圖表示，如圖1.1。

圖1.1 研究流程圖

隧道斷面 測量技術 Surfer 8軟體介紹

第五章

視窗程式 架構說明 視窗程式 之計算驗證 隧道斷面量測技術與視窗程式撰寫

案例應用

結論與建議

前言 隧道工程測量

運用 Visual Basic 發展之視窗程式 微軟Visual

Basic介紹 資料庫介紹

隧道斷面 測量原理 緒論

第二章 文獻回顧

第三章

玉長公路隧道 湖山水庫南壩導水隧道 第四章

隧道斷面 測量方法

隧道斷面量 測作業流程 視窗程式之 運算流程 資料庫建立

之說明

視窗程式使 用流程說明 測量資料處理

汐止山岳鐵路隧道

第二章 文獻回顧

2.1 前言

本章針對前人所研究之結果，例如隧道斷面之量測原理及微軟Visual Basic 程式設計之原理與相關應用技術進行回顧，並對論文所使用之程式軟體做簡 介。分別敘述隧道工程測量與隧道斷面量測之相關理論與實務等，並簡介3-D 繪圖Surfer 8 軟體。

2.2 隧道工程測量

測量（survey）是使用儀器觀測測站與測點之角度、距離與高差計算其關係 位置，以圖示法繪製成圖之作業技術。

隧道測量是工程測量最困難的一項，在很多方面因受種種因素影響而與地 面測量有所不同，由於在地下施工，隧道內受到施工之妨礙，空氣混濁致視線 不良，隧道內溫度較高…等因素皆是。以致精度必受影響而降低，所以地面上 之測量控制精度務必準確，以地面高準度之控制網作為基礎，引測至隧道內。

隧道測量應先選定隧道進口與出口之位置，設立進出口根據樁，再利用各 種測量的方法與手段，計算出兩口根據樁的相對位置及相對高度，也就是求出 兩口根據樁的平面座標與高程，進而求得其間之長度、方位及縱坡等等。隧道 工程的測量大致可分為兩個階段，即高精度確定兩坑道口附近控制點的相對關 係位置，從這兩個控制點向坑道內實施高精度測量（高書屏，1998）。

2.2.1 隧道控制測量

（一） 導線測量（traverse surverying）

為導線點（traverse point）。導線測量依導線之形狀可分為下列四種（如圖2.1 所 示）：（葉怡成，1999）

（1） 閉合導線（closed traverse）：導線之起點與終點合一，形成一多邊形 者稱之；其角度閉合差可以多邊形之幾何條件改正之；適用於城市地區及施測 範圍集中處。

（2） 附合導線（connection traverse）：起點終點連於已知點（三角點或導 線點）者稱之；其角度閉合差可以終端之已知方位角改正之；適用於道路測量 及施測範圍成帶狀之處。

（3） 展開導線（open traverse）：由起始點自由伸展者稱之；此種導線無法 得知成果之精度，一般用於路線之初測。

（4） 導線網（traverse network）：多個閉合導線、附合導線連結成網狀者；

此種導線平差條件複雜，一般用於精密導線測量。

（二） 三角測量

三角系測量可分為兩種（如圖2.2 所示）：

（1）三角測量（triangulation）：係應用三角學之原理，所做大區域之控制 測量；其原理為於實地上精密測定一基線之長，再由此基線擴展到一系列之三 角形，並於三角形之每頂點上測定各邊所夾之水平角，由基線長及水平角計算 即可算得各頂點之平面座標；三角形之各頂點稱為三角點（triangulation

station），亦為控制點之一種。

（2）三邊測量（trilateration）：若於所佈設之三角形，不直接測量各點水平 角而改為測量各三角形之邊長，在換算所得各點之水平角，據以計算各點之水 平座標者，則稱為三邊測量；三邊測量之量距工作都應用電子測距儀。

三角測量及三邊測量之實施，宜用於展望良好之區域，倘地形過於隱蔽或 障礙太多，四周通視困難之處，則宜以導線測量方法施測控制點。

直接水準測量之方式與已知水準點（Bench Mark, B. M.）連測，定出水準標點之 高程，作為將來測圖及施工之依據。

水準標點應以半圓形黃銅或不銹鋼製成，埋設於混凝土柱上。埋設之處應注 意避免被施工車輛震動或輾壓，又水準控制點之高程，不可用間接高程法測定，

應其精度較差（詹勳山、莊惠群，1990）。

2.2.2 水準測量

隧道水準測量分導線水準及中線水準測量兩種，即在施工前之導線點水準 測量，和施工後之引道與洞內中線點水準測量，導線水準精度要求較高，因每 一導線點往往均為水準點。以下引述葉怡成（1999）水準測量原理。

水準測量之目的在於和已知水準點連測，以推算各點水準，水準測量之方 法有二：

（一） 直接水準測量（direct leveling）：又稱水準儀測量，為使用水準儀及 水準尺，直接測定水平視準線在兩水準尺上之讀數，求得該兩水準尺地面水準 差之測量。

（二） 間接水準測量（indirect leveling）：間接水準測量因使用儀器及作業 方法有異，可分為三角水準測量（trigonometric leveling）、視距水準測量（stadia leveling）及氣壓計水準測量（barometric leveling）等三種。

水準測量以直接水準測量為主，其精度較間接水準測量為高；於間接水準 測量中，三角水準測量多用於兩點間之距離及水準差均較大者；視距水準測量 之精度較低，僅於小地區之導線測量及細部測量應用之；氣壓計水準測量之精 度最低，但因其作業簡單快速，故多用於踏堪之水準測量。水準儀測量適用於 地面起伏不太大之地區，至於地面起伏較大之地區，宜採用間接水準測量。

2.2.3 施工測量

測量隨工程之進展而進展，需逐日辦理，主要之工作項目有：方向之標定與檢 查、高程檢查、距離檢查、斷面測量、橫坑（斜坑）測量、豎井測量 （高書屏，

1998）。

2.3 隧道斷面測量原理

測量之意義為測定地球表面上及其附近各點間之相關位置，故測量之基本 原理在於應用各種方法以求得「點」之關係位置，通常皆由地面上已設立且經 確定相關位置之點（稱之為基點base station）測定出新點之位置。此等新點復 可作為定出其他新點之基點，如此不僅可求得欲測各點之相關位置，且可標示 於圖上，由圖上各點連成線面，並繪成所需之圖籍。以下將各種定出新點之方 法歸納為七種（如圖2.3 所示），分述如下（葉怡成，1999）：

（一） 導線法（traversing）

若 A、B 兩點為基點，求新點 C 之位置，可測量角 CAB 之角度及量 AC 之距離，定出C 點，此法即為導線測量中所用之法。

（二） 偏角法（method of deflection angle）

以 A、B 兩點為基點，C 為新點，惟 AC 點間之距離無法量時，可測角 CAB 之角度在量BC 距離亦可定出 C 點之位置，但此法可能產生 C 與 C’兩種結果，

應參考實地情形，選擇適用之ㄧ種，此法因有此顧慮，於測量上較少應用，僅 見於細部測量及曲線測設之偏角法。

（三） 支距法（offset method）

以 A、B 兩點為基點，欲求新點 C 之位置，可由 C 點做垂直於 AB 線之直 線CD 並量其距離，稱為支距（Offset），再量AD 或 BD 之距離，即可定出 C 點 之位置。此法常用於細部測量。

（四） 前方交會法（forward intersection）

或角BCA 等組角度，求得 C 點位置。此法即為三角測量中所使用之法。

（五） 後方交會法（resection）

以 A、B、D 三點為基點，C 為新點，可測 α、β 兩角。即可求得 C 點。此 法應用於三角測量及平板儀測量之後方交會法。

（六） 距離交會法（Distance Intersection）

以 A、B 兩點為基點，C 為新點，欲求 C 與 A、B 兩點於平面上之相關位置，

可測量AC 與 BC 兩段距離，求得 AC 與 BC 之交點，即為 C 點之位置。此法即 為三邊測量中所用之法。

（七） 直線交會法（linear intersection）

以 A、B、E、F 四點為基點，欲求新點 C（即交點）之位置，可以 AE 及 BF 線連結之，定出點之位置。此法常用於定樁測量及工程測量之直線焦點測設。

測量之基本資料為水平距離、垂直角、水平角、斜距及高程差，其原理是 因時、因地使用不同之測量方法測量基本資料，以下章節僅對就本研究使用之 前方交會法、後方交會法及綜合前述測量原理之綜合式後方交會法原理理論進 行介紹。

2.3.1 前方交會法

經緯儀先後在A、B 測站上照準 P 點測得 α，β 角（如圖 2.4 所示），其交角 γ＝180˚－（α＋β）。惟一般規定 γ 角不可小於 30˚，或大於 120˚，故交會點 P 應 與已知點作適當配合，交會點P 之座標計算法如下（管晏如，1990）：

（一） 直接按三角形計算：

（1）

AB

、

AP

及

BP

的方位角計算：

AB

方位角ψAB：

A

B

x

x −

= tan

⁻¹

φ

（2-1）

⎭ ⎬

⎫ +

° +

=

−

=

β φ

φ

α φ

φ

AB

180

BP

AB

AP （2-2）

（2） 計算

AB

、

AP

及

BP

各邊的邊長：

AB AB

A B A

B

x y y

AB x

φ

φ

cos

sin

= −

= −

（2-3）

( )

( ) ^{⎪ ⎪} _⎭

⎪ ⎪

⎬

⎫

= +

= +

β α α

β β α sin sin sin sin

BP AB AP AB

（2-4）

（3） 計算測點 P 之座標：

⎪⎭

⎪ ⎬

⎫ +

= +

=

+

= +

=

BP B

AP A

p

BP B

AP A

p

BP y

AP y

y

BP x

AP x

x

φ φ

φ φ

cos cos

sin sin

（2-5）

（二） 角度法：

在已知點A、B 測站上，觀測得α、β角，可按下列所推演的公式，直接求 得交會點P 的座標（如圖 2.4 所示）。

由式（2-5）知

( ) ( φ α )

β α

φ β × −

+ +

= +

=

_{A AP A AB}

P

x AB AP

x

x sin

sin

sin sin

（2-6）

( ) ( φ α )

β α

φ β × −

+ +

= +

=

_{A AP A AB}

P

y AB AP

y

x cos

sin

cos sin

（2-7）

( φ

_AB

− α )

sin = sin φ

_AB

cos α − cos φ

_AB

sin α α

α sin

cos AB

y y AB

x

x

_{B A B}

−

_A

− −

=

（2-8）

式（2-8）代入式（2-6）得：

) ^{α β} )

α

β cos sin cos

sin

(

_{B A}

) (

_{B A}

)

A

x x y y

x −

− + + −

+

= α β α β

α

cot cot

1 cot

cot cot

( )

β α

α β

cot cot

cot cot

+

+ +

=

^B

−

^{A A B}

P

x x

x

x x

（2-9）

同理可推演得：

( )

β α

α β

cot cot

cot cot

+ + +

=

^B

−

^{A A B}

P

Y Y

Y

Y Y

（2-10）

2.3.2 後方交會法

後方交會法又稱三點法，經緯儀整置在求點P，（如圖 2.5 所示）。照準三已 知點A、M、B 觀測其間夾角

α

、

β

，按幾何圖形推算

ω

、

φ

角及γ角再由三已知點 座標，按前方交會計算法計算所求點P 的座標值。但所求點 P 的觀測位置，不 可與三已知點位於同一圓周上，否則計算結果不準確，或不能解算（管晏如，

1990）。

ω、

φ

角的計算公式為：

°

= + + +

+ φ α β γ 360 ω

ω γ β α

φ = ° − + + −

∴ 360 ( )

（2-11）

假設己知H

( α + β + γ )

−

°

= 360 H

ω φ = −

∴ H

（2-12）

且

b K

a = =

ω φ α

β

sin sin sin

sin

（2-13）

K ( )

ω

ω ω

ω ω ω

φ

sin

sin cos cos

sin sin

sin sin

sin = H − = H − H

=

−

= ω

H H K

sin

cot ω = + cos

（2-15）

求得

ω

角後，則由式（2-11）可計算得

φ

角。後方交會點 P 的座標，可按式（2-6）

及式（2-7）計算而得。

2.3.3 綜合式後方交會法

當後方交會法測站角度限制介於 30°~120 時°，容易產生誤差。為兼顧架設 儀器站多種方法選擇，發展「綜合式後方交會法」，當測站與稜鏡站皆為已知點 時，於後置處理虛擬另一位觀測點，距離設定為0.1 mm，將方向偏差量控制在 半徑0.1mm 以內，若條件符合（角度介於 30°~120°）則使用後方交會法（許榮 達，2004）。

2.4 隧道斷面測量技術

隧道斷面測量主要包含空間位置以及方向兩種資料，這些資料做為下列應 用所需（Clark, 1996）：

（一） 估計隧道淨空

（二） 檢視定線之方向

（三） 監測位移變化

（四） 編輯竣工圖

（五） 測定開挖襯砌之體積

（六） 指出結構是否受到破壞

（七） 收集作為整修之資訊

（八） 檢核隧道堀進是否正確

（九） 監控工程進展

隧道斷面量測為根據隧道斷面測量成果，進行斷面之土方計算。然而有許多

非接觸式（None-contact methods）測量方法分為兩類，手動式與全自動式。

手動式：即在測量程序中必須依靠人員的操作；全自動式：只需對儀器做有限 的管理與監督，對測點之觀測以及資料處理與輸出皆為自動執行。以下分別對 手動式與全自動式儀器做介紹。

（一） 手動式

（1） 經緯儀（theodolite）、電磁波測距（Electro-magnetic Distance

measurement, EDM）或電子測距儀（electronic tacheometer）：一般而言，經緯儀 負責測量角度，電磁波測距（EDM）用以測量距離，然而為了因應儀器之功能 性，多將測角與測距功能結合在一起發展，如電子測距儀或是全測站儀。測量 所得之點皆以x、y、z 座標表示，其測角之精度可達 1 秒，測距精度可到正負 1 至10mm。主要特性為在可在現場執行資料之收集與處理，潛在精度高。其缺點 則是若要達到理想觀測狀況而逐點測量，將會花費大量的時間，故多取具代表 性之測點做測量（Clark, 1996）。

（2） 光學測距（optical tacheometer）：目前光學測距已被取代，但是其功 能可以做為斷面測量，精度依不同測量方法介於1:500~1:1000。主要特性為便 宜、使用快速且堅固，可用於具危險性之環境。缺點為精度有限，勞力密集且 由人工紀錄，被測體需要一定的照明（Clarke & Lindsey, 1992）。

（3） 雷射測距（laser tacheometer）：主要特性為便宜且操作簡單，應用於 不同的用途皆能有良好的精度。缺點為人工操作且須手動紀錄，必須遵守雷射 安全規範（Clark, 1996）。

（4） 攝影測量（photogrammetry）：由於數值資訊的發展，攝影測量可由 單相攝影或是雙相攝影達成快速且非接觸式之影像數值資料紀錄（如圖2.6 所 示）。運用非量測型照像機或是量測型照像機於現地快速取得照片（2.7 所示），

再由實驗室做後置處理及分析如圖（如圖2.8 所示）。攝影測量之成果可提供一

分析設備；在現場必須要有均勻的照明，而在建立測量標點時多需要昂貴之量 測型照相機（Clark，1996）。

（5） 光切法測量（light sectioning）：近年來在攝影測量中最重要的發展便 是光切法測量，光切法測量是以平面光投射至待測物體，受到投射的部位具有 明顯之亮帶與暗帶，可顯示出待測物體之斷面形狀，利用各種形式的照相機做 攝影，經過分析即可得知斷面之數值資料（如圖2.9 所示）。

運用於隧道斷面之測量時，運用雷射定位確保光源保持在同一值線上，由 比例尺訂出比例；光源經由電鍍鋁盤投射至斷面上，斷面之輪廓經由照相機攝 影曝光至底片上（如圖2.10 所示）。精度可高達到30mm，具有不錯的測量速度，

每小時可得25-40 張斷面資料，後續之測量可以了解隧道之位移狀況。其缺點在 於需要專業人員操作，在使用雷射線測量法時，其曝光時間較長（Clarke &

Lindsey，1992）。

（6） 三維雷射掃描：主要原理分為三種，計算飛行時間法（time-of-flight）

是利用計算雷射撞擊待測點反射回感應器之往返飛行時間求得掃描頭至待測點 之距離觀測量，據此計算待測點之座標位置。雙相機三角量測法（triangulation principle-double camera solution），利用雷射光撞擊於待測點上時，瞬間由兩側之 相機攝影該光點形成三角關係，而兩相機位置為固定基線長度，藉以計算待測 點之座標位置。單相機三角量測法（triangulation principle-single camera

solution）：利用雷射光撞擊於待測點上時，瞬間由另一側之相機攝影該光點形成 三角關係，而雷射頭與相機位置為固定基線長度，藉以計算待測點之座標位置。

主要特性為廣視野掃描，高精度（最高可達0.1mm），高密度的蒐集三維座標級 影像資料。方便攜帶、可遙控及機動地定點操作，室內外皆宜。對環境適應性 強，直接蒐集目標的結構及表面屬性（張裕民等人，2003）。

（二） 全自動式

改良，增加自動化測量的設備並視需要可擴充，如伺服馬達驅動定位裝置可依 照設定的角度自動旋轉進行測量，以及附帶後級處理系統，自動收集資料並做 後處理，達到快速完成斷面測量，且能測得以往受限於反射稜鏡所無法測量到 的斷面點（如圖 2.11 所示）。操作簡單，測量速度中等且全自動紀錄資料，非常 適合隧道斷面測量。主要的缺點為設備昂貴，且使用在隧道之外的場合其精度 並不高（Collett，2005）。

（2） 自動化經緯儀（automated theodolites）：將經緯儀之望遠鏡頭改良為 CCD（Charge Coupled Device，感光耦合元件）鏡頭，加上佈置一系列可識別之 準標，經由設定，經緯儀可以由準標至準標自動觀測。優點為精度高且能夠自 動運作，缺點為測量速度相對較慢，需要設定，昂貴且不適合用於隧道測量。

（3） 光學三角測量（Optical triangulation）：將光學測距儀加以改良，使用 CCD 線性感應器（如圖 2.12 與 2.13 所示），經由這樣的電眼系統，使得觀測速 度可達到每秒100 點以上，精度可達到+/-2mm，超過隧道測量所要求之精度。

測量速度快，可自動紀錄，堅固但是輕便，必須符合雷射使用安全規範（Clarke

& Lindsey， 1990）。

（4） 軌道測量車（Railway gauging train）：於軌道載具上架設一定數量之 相機以及儀器，一邊移動一邊測量，具有一定的照明。主要用途為檢查隧道淨 空以及軌道週邊之建築界線是否符合標準，測量速度極快但只適用於特殊狀況 而且十分昂貴。

（5）數位攝影測量：數位攝影測量是一種簡單又實用的量測技術，藉由現 地所拍攝的相片可以獲得監測標的物三維座標，進而推算出被測物的位移量，

因此常用以評估水壩、隧道、地下結構物、懸崖、邊坡與擋土結構物的安全性

（如圖2.14 所示）。本技術具有不妨礙工地施工，以及所需工作時間短暫的情況 下，迅速完成現地量測，其簡單且高效率的量測過程使得本技術特別適用於施

2.5 微軟 Visual Basic 簡介

本研究以微軟 Visual Basic 6.0 編譯軟體撰寫視窗化程式，以下摘錄許慶 芳、翁婉真（2006）對 Visual Basic 語言之概述。

2.5.1

Visual Basic

^概述

BASIC 是 Beginner’s All Purpose Symbolic Instruction Code （初學者的全功 能語言）的縮寫字，而不是英文Basic （基礎）一字，不過取其意即為「初學 電腦的人適用之程式語言」，簡單易學，而且適合各種用途來使用。

Visual 的中文意思是「視覺化」，顧名思義，Visual basic 是一套視覺化的程 式開發工具。在設計程式的過程中，對於使用者的介面，設計師可以用直覺化 的方式來編排視窗程式的外觀。Visual Basic 同樣延襲 BASIC 語言易學易懂的特 性，並且將介面操作的細節包裝起來，使得初嘗試程式設計的使用者，能夠快 速且輕易地撰寫程式。

2.5.2 Visual Basic 特性

由於Visual Basic 是以 BASIC 為基礎發展的語言環境，因此包含了 BASIC 語言原有的優點如下（陳錦輝，2002）：

（一） 直譯式

BASIC 語言使用之語法及數學邏輯運算方式，十分接近人類的語言結構，

因此使用者只需下達各種簡單的指令，即可命令電腦執行相關運算動作。

（二） 模組化與結構化

早期 BASIC 語言僅著重於初學者學習使用，後來微軟公司在 MS-Dos 作業 系統內建所開發之QBasic 設計環境，便慢慢加強了 BASIC 語言的整體程式結 構。如今使用者可以透過各種結構化與模組化語法，將一個大型應用程式劃分

Visual Basic 具有傳統 BASIC 易學易懂的優點，且擴充了傳統 BASIC 無法 達到的功能，這些新功能整理如下：

（一） 物件導向程式設計（OOP ,Object-Oriented Programming）的觀念

傳統的BASIC 程式設計採用程序導向設計，當程式撰寫完畢時，也就確定 了程式的執行流程。而Visual Basic 則改以物件為主的程式設計方式，設計者在 程式設計過程中，必須考慮各物件間相互的關聯，設定物件的屬性與操作方式，

透過事件的驅動引發程式中各種可能發生的結果（如圖 2.18 所示）。換句話說，

Visual Basic 程式雖然撰寫完畢，但實際的程式執行流程則交由使用該程式的使 用者來決定。例如：表單上有兩個按鈕，我們不必限制使用者必須先按下哪一 個按鈕。

（二） 方便的輸出入介面設計

Visual Basic 提供了許多好用的工具，程式設計師只要透過設定該工具（控 制項）的屬性，不用撰寫程式碼，就可以完成一個實用的輸出入介面，而傳統 BASIC 程式則必須撰寫繁複的程式碼。

（三） 友善的人機介面

Visual Basic 於各物件中，皆提供了大量鍵盤與滑鼠操作的反應處理。例如：

按一下、按右鍵等等都可以設定相關執行的程序（副程式）。

（四） 具有多工處理能力

傳統的 BASIC 程式必須一次執行一個程式，而無法同時執行多個 BASIC 程式。而由於Windows 環境本身就是多工的作業系統，並且 Visual Basic 亦提供 多工處理功能，所以Visual Basic 可以同時開啟多個視窗並且執行不同的工作。

（五） 完整支援 Windows GUI 元件

微軟整合旗下軟體，讓 Visual Basic 預設支援 Windows 作業系統內建的 GUI

（Graphical User Interface，使用者圖型介面）元件模組（如圖 2.19 所示），方便

Visual Basic 為微軟公司旗下多種應用軟體的共同語言（如 Word、Excel 與 Access 等等），使用者可以在這些應用軟體中透過 Visual Basic 的程式，來擴充 程式的支援功能。

2.6 運用 Visual Basic 發展之視窗程式

根據Visual Basic 之特性，在土木工程研究與實務上有許多運用 Visual Basic 發展之視窗化程式，整理如下：

徐瑞旻（2002），利用物件導向語言 Visual Basic，將 IBM PC-AT 或其相容 之個人電腦上執行的共振柱試驗自動控制程式RCTEST，完成整個自動控制程 式的視窗化，使這套程式能夠相容於目前的視窗作業系統，透過視窗化介面直 覺與親和的操作特性，讓使用者能夠輕鬆的完成整個試驗。

江昇峰（2002），以等腰梯形、三角形及伽瑪形作為滯洪池入流歷線之型態，

並採藍吉-庫塔法（Runge-Kutta method）之數值方法將一系列演算程序之步驟予 以整合，利用 Visual Basic 程式語言撰寫一視窗化模式，以供設計者使用，亦收 集現地滯洪池設計資料，並與研發之不同入流歷線模式之計算結果進行比較，

期能使滯洪池設計上更為便捷、推算上更為精確。

丁原智等人（2002），使用微軟 Windows 介面操作平台，核心程式以微軟 Visual Basic 6.0 語言發展隧道電腦自動化地質輸入與立體展示系統。此立體自動 化地質模型將可以最迅速之方式，提供現地進行地質模式之研判或開挖地質之 預判之應用。

翁啟鍾（2003），在「DDA 模擬隧道開挖與岩栓設置之視窗化程式發展與應 用」中，將林志森博士以Fortran 77 改寫之 DDA 分析程式加以視窗化，並增加 可模擬的塊體數目以及提升前後處理程式的使用功能，以符合解析較複雜地質 構造之需求。

輔以視窗化電腦軟體分析，最後藉由軟體研發之完成，達到隧道工程分析之及 時輔助效能。

王銘峰（2005），使用以視覺化為主體的程式語言微軟 Visual Basic 6，利用 隧道回歸分析方法結合外顯式收斂圍束法撰寫成一套視窗程式，另將計算過程 中所需的處理動作以模組化方式編寫，並將各表單模組進行整合為一視窗程 式，提供日後之程式新增模組，使之更具功能性，並藉由實際隧道分析測試視 窗程式之可行性。

李文元（2006），利用傳統隧道斷面收方的方法結合 Visual Basic 程式語言 撰寫成一套視窗程式，並藉由實際隧道斷面收方資料測試視窗程式之可行性。

完成之視窗化表單包含工程基本資料系統、隧道斷面收方資料處理系統、隧道 收方繪圖系統。結合測量原理與程式編輯撰寫適合隧道斷面收方之程式，期能 提昇國內隧道工程測量之多元化。

劉凱文（2006），針對外顯式收斂圍束法視窗程式內容進行修改，期望能使 本視窗程式之內容更加豐富，分別對多模組化表單系統視窗修改增加其使用 性，不僅對隧道上部測點進行分析計算，岩體分類系統增加四種系統可供參考，

並對資訊繪圖系統、支撐建議系統和說明視窗進行使用性增加且驗證其迴歸分 析以及計算之正確性。進而實際應用分析八卦山、新永春和新南澳隧道斷面測 點。並以表單方式整合斷面收方技術視窗程式並對資料庫系統整合為一，整合 此兩個視窗程式相互輔助應用，期可發展為一適用於隧道工程應用之視窗軟體。

姚逸瑜（2007），利用傳統隧道斷面土方計算的方法結合 Visual Basic 程式 語言撰寫成一套視窗程式，視窗化程式採用模組化與結構化之方式撰寫，程式 模組分成三大程序：資料輸入程序、主運算程式以及輸出程序。而將表單獨立 建構後，程式更加簡單明瞭，使用者能夠更快速的上手。並且新增設斷面資料 表單，主要為快速掌握隧道開挖斷面之開挖量，相較於以往區域偏差量資料控

2.7 資料庫介紹

資料庫是指相關資料的集合，在資訊發達的現在，隨處都可得到龐大的資 料，因此利用資料庫系統來儲存資料且管理，能增加軟體使用之便利性以及易 維護性。資料庫之優點及特點如下：

（一） 整齊劃一性：大量結構相同的資料項目，有相同的大小，並且儲存 時整齊不易出錯。

（二） 資料錄導向：基本的資料項由固定長度紀錄組成，即使資料龐大，

資料庫本身檔案也不會過大。

（三） 基元欄位：在一個紀錄內的欄位都很短，而且長度固定，同時在欄 位內沒有結構性的組成。

（四） 靜態概觀架構：資料庫的綱要並不會改變，即使變動其改變的類別 也很簡單。

現今市面上的資料庫大至SAP、MS SQL，亦或小型如 SOHO 的應用、Access 等，每一種皆有其特性與使用上之優點，由於微軟 office 作業軟體之使用者廣 泛，Access 2000 也較普遍，因此程式選擇微軟 Access 2000 作為資料庫應用之 軟體，具有直接輸入之介面、容易維護、儲存容量小之優點。

2.8 Surfer 8 軟體介紹

Golden Software Surfer 8.0 （簡稱Surfer）是一款繪製三维圖（等高線,image map, 3d surface）的軟件，最主要的功能是繪製等高線圖，但並不是具有了數據 文件就可以直接繪製等高線圖，Surfer要求繪製等高線圖的數據有特殊的格式要 求，即首先要將數據文件轉換成Surfer可讀取的grd文件格式，才能繪製等高線圖

（如圖 2.20 所示）。

Surfer 有五種基本檔案型態：資料檔（data files）、網格檔（grid files）、邊界

（1）資料檔（data files）：資料檔係用來產生網格檔，其檔案的內容包含 X，Y 座標值及Z 值，Z 值可以是高程、濃度或其他值。Surfer 可以讀的檔包含

ASCII[.DAT]檔、Excel[.XLS]檔、或 Lotus[.WKI]檔或[.WKS]檔。

（2）網格檔（grid files）：網格檔係將空間資料予以規則化，即以內差方法將 X，Y 座標資料以等間距格式表式，可用來產生等高線圖或立體圖，並藉以計算 土方、殘土以及用來切邊界、畫縱斷面圖。在Surfer 中網格檔存成.GRD 型態。

（3）邊界檔（boundary files）： 邊界檔可用來做圖形套疊，如邊界、道路、水 系之套疊。邊界檔可以是向量檔，如Autocad 中之.dxf 檔，或圖形檔.bmp。

（4）基本設定檔（default setting .SET）：在 Surfer 中可以做一些基本操作之設 定，存成.SET 檔，以免去一些重複的操作，達到事半功倍的效果。

（5）Surfer 格式[.srf]檔：在 Surfer 中所畫之等高線圖及立體圖，經過適當修飾 排版後，可存成.SRF 檔，往後若有需要可直接由檔案叫出，不必再重新編排圖 形。

Surfer 是以網格為計算基礎來顯示等高線圖及立體圖之地形分析軟體，藉由 數化而得之地形空間資料，即 X、Y 座標及高程資料，在 Surfer 中以內差方法，

將資料規則化，顯示出等高線及立體圖（如圖 2.21 所示），此外亦可藉由圖形 套疊的功能，將規劃區之道路，水系...等圖檔疊在等高線或立體圖上，並可計算 土方，及繪出坡面或河道之斷面圖。在坡地水土保持規劃設計上，可達到精確、

快速、省工之目的。surfer 軟件自帶的幫助文件是相當完美且容易閱讀的，只要 學過英語的人都可以很快上手。

A

B E D

F

（1）

P

A B

E Q D

（2）

A

B F E

P

（3）

D

（4）

圖2.1 導線測量之形狀：（1）閉合導線（2）附合導線（3）展開導線（4）導 線網（重繪自葉怡成，1999）。

圖2.2 三角測量圖（重繪自葉怡成，1999）

F E

A

1 B

2 3 5 4

7 6

8

F E

A

B D

1

2

3 4

5 6

C

A α B

（a

α A

B C

C^'

（b）

A

B C

D h

b

（c）

C

　α

β

A

B

（d）

A C B

D

（e）

（f）

A B

C

C

A B

E F

（g）

A（x

_A

,y

_A

）

B（x

_B

,y

_B

） P（x

P

,y

P

）

γ

φ

_BP

φ

AP

φ

ΑΒ

φ

AP

α β

A B

P φ ω

γ

α β

M

(a)

a b

A B

P φ

ω

γ

α β

M

a b

B

P

φ ω

γ

α β

M

(b)

a b

A B A

P φ ω

γ

α β

M

(a)

a b

A B

P φ ω

γ

α β

M

(a)

a b

A B

P φ

ω

γ

α β

M

a b

A B

P φ

ω

γ

α β

M

a b

B

P

φ ω

γ

α β

M

(b)

a b

A B

P

φ ω

γ

α β

M

(b)

a b

A

圖2.4 前方交會法圖形（重繪自管晏如，1990）

圖 2.6 雙相攝影示意圖（Clarke & Williams，1999）

圖2.7 雙相攝影觀景窗（http://www.chester.gov.uk/amphitheatre）

圖2.8 攝影測量中經由處理後之三維圖形（Clarke，1996）

圖2.9 光切法測量示意圖（陳曉榮等人，2002）

圖2.10 光切法運用於隧道測量（Clarke，1995）

圖 2.11 AMT Profiler 4000 以及後處理軟體（Amberg Technologies Technique Ltd ）

圖2.12 光學三角測量儀器（Clarke，1995）

圖2.13 光學三角測量儀探頭（Clarke，1995）

圖 2.14 數位攝影測量技術圖

圖 2.15 數位攝影測量技術量測隧道變形與位移照片

圖2.16 不同之測量技術其相對精度與測量範圍（Clarke，1998）

使用者登入模組 登入驗證模組 程式A運算模組 程式A輸出模組

使用者登入模組 登入驗證模組 程式B運算模組 程式B輸出模組 修改後直接套用

使用者登入模組 登入驗證模組 程式A運算模組 程式A輸出模組

使用者登入模組 登入驗證模組 程式B運算模組 程式B輸出模組 修改後直接套用

圖 2.17 模組化及結構化程序示意圖（陳錦輝，2002）

事件A程式碼 事件B程式碼

事件C程式碼 物件A：按鈕1

物件B：按鈕2

相對事件A之運算處理 相對事件B之運算處理 事件A程式碼

事件B程式碼

事件C程式碼 物件A：按鈕1

物件B：按鈕2

相對事件A之運算處理 相對事件B之運算處理

圖2.18 物件導向程序示意圖（陳錦輝，2002）

設計主要程式流程

套用GUI模組

修改內建模組內容

故障排除 正確輸出結果

設計主要程式流程

套用GUI模組

修改內建模組內容

故障排除 正確輸出結果

圖2.19 GUI 元件程序示意圖（陳錦輝，2002）

圖2.20 Surfer 8 使用介面

第三章 隧道斷面量測技術與視窗程式撰寫

3.1 前言

本章將針對隧道斷面測量流程與視窗程式撰寫做一敘述，並說明各基本測量 資料與各程序表單之步驟作，例如控制樁點資料、中線各點資料與隧道斷面量 測資料。另外介紹視窗程序之前處理程序、核心計算程序與後處理程序。

3.2 隧道斷面測量方法

隧道測量大致可分為兩個階段，即高精度確定隧道兩端洞口附近控制點的 相對關係位置，從這兩個控制點向隧道內進行高精度測量，再由隧道洞口之控 制點引測至隧道內，以測得隧道內控制樁點與中線已知點。根據許榮達（2004）

所提出之量測方法，指出隧道斷面量測過程的不同處，在於定出隧道測站的位 置，方法簡單介紹如下：

（a）架設在隧道內任一點上（Prism Method）

（b）架設在已知點（On Prism Method）

（c）後方交會法（Resection Method）

（d）綜合式後方交會法。

依其定出測站測量方法不同，其步驟分別敘述如下：

（一） 架設在隧道內任一點上

採用此方法測量儀器需經過特殊處理，於儀器上有安裝稜鏡桿之孔位，以 利觀測儀器之位置，其方法為另外一台儀器架設在已知點，後視另一已知點稜 鏡，觀測量測斷面位置儀器上稜鏡之水平角、距離、高程差，計算平面座標及 高程（如圖3.1 所示）。

里程座標資料，放樣到現場並觀測高程差計算高程；其二為按現場需要定出觀 測斷面位置，計算架設儀器位置之平面座標與高程，此兩種狀況皆為事先將架 設儀器位置點位定出，並求出高程資料（如圖3.2 所示）。

（三）後方交會法（自由測站）

利用現場已知控制點，將儀器架設在量測斷面不妨害通行之位置，觀測兩 處已知點，計算儀器位置平面座標與高程（如圖3.3 所示）。

（四） 綜合式後方交會法

作業同架設在已知點，在後置處理，一點為實測值，另一點為虛擬現場已知 點距離設定為0.1mm，使誤差值控制在 0.1mm 以內。

3.3 隧道斷面量測作業流程與步驟

介紹完隧道斷面量測方法後，接著敘述隧道斷面量測流程與步驟。本研究使 用測量儀器廠牌型號 Leica TCRM1101（如圖 3.4 所示），雷射免稜鏡測距功能、

免稜鏡測距精度5mm±1mm、稜鏡測距 2mm±1mm、測角精度 1 秒，使用於斷面 量測精度以符合要求，針對量測作業流程與步驟，分為三個部分敘述如下。

（一）儀器站：架好儀器將氣泡居中，求心器對準地上己知點，儀器內部儀器 高及稜鏡高設定為零。

（二）後視站：架設稜鏡於已知控制點。

（三）斷面量測流程：

（a）採用綜合式後方交會法，綜合架設已知點與後方交會法。

（b）儀器紀錄控制點編號、日期、之保編號、完成階段。

（c）完成架設儀器定心定平及後視稜鏡動作，旋轉儀器將視準軸位於法線 上開始觀測斷面測點（如圖3.5 所示），並記錄資料於儀器記錄器內，視精度要 求調整點距。

3.4 測量資料處理

以下對於各斷面所有測量資料，以及設計所有資料使用在 Excel 如何處理成 符合程式輸入之檔案格式包含：工程基本資料、斷面量測資料、控制樁點資料，

以及中線各點資料等做說明。

3.4.1 工程基本資料

工程基本資料主要由：（1）工程名稱、（2）測量日期、（3）設計斷面高程、

（4）設計斷面形式、（5）承包商、（6）專業廠商（如圖 3.6 所示）。

3.4.2 各斷面量測資料

各斷面量測資料是運用儀器架設於已知點或是後方交會法（自由測站），使 用具有免稜鏡電子測距儀所得之開挖斷面各測量點之水平角、垂直角與斜距（如 圖3.7 所示）。

斷面量測資料包括：水平角之「度、分、秒」，垂直角之「度、分、秒」，斜 距與儀器高（如表3.1 與圖 3.8 所示）。

3.4.3 控制樁點資料

控制樁點資料首先是根據大地三角基準點，以導線法或是三角法引測至隧 道兩端洞口並做閉合，作為整個隧道測量控制之基準（如圖3.9 所示）。並隨著 隧道開挖前進方向逐漸引測至隧道內，做各種定線與量測之控制，控制樁點資 料包含下列符號（如表3.2 與圖 3.10 所示）。

（1）點號：各控制樁之代號

（2）縱座標 N 值：測量所得之 N 值

（3）橫座標 E 值：測量所得之 E 值

（4）高程 Z 值：測量所得之 Z 值

3.4.4 中線各點資料

於隧道設計時依據路線及線型所定出之中線座標，隧道施工時控制樁放樣 定位，決定隧道開挖之前進方向與開挖面中點。根據不同之量測方式，亦可作 為斷面量測作業之已知點（如圖3.11 所示）。隧道中線資料（如表 3.3 與圖 3.12 所示）說明如下。

（1）里程：中線點之標號以里程做表示，例表 3.3 之 9190 即里程為 9k+190m 之中線點。

（2）中心座標 N 值：設計時所計算出的縱座標 N 值。

（3）中心座標 E 值：設計時所計算出的橫座標 E 值。

（4）高程 Z：設計時所計算出的高程 Z 值。

（5）法線方向之 N 值：與隧道前進方向垂直稱之法線方向，根據中線點經 由計算定出法線N 值。

（6）法線方向之 E 值：與隧道前進方向垂直稱之法線方向，根據中線點經 由計算定出法線E 值。

3.4.5 資料整合

以上是對於斷面量測基本資料包含：工程基本資料、斷面量測資料、控制樁 點資料與中線各點資料等加以說明。本節將針對斷面量測的四筆資料整合架構 於微軟Excel 軟體下，以符合程式自動擷取輸入之檔案格式（如圖 3.6、3.8、3.10 及3.12 所示）。

3.5 視窗程式架構說明

本研究之視窗化程式乃延續姚逸瑜（2007）所發展之隧道斷面量測程式加以 修改，採用模組化與結構自動化之方式撰寫，首先經由前處理程序之隧道斷面

軟體下，以符合程式自動擷取輸入之檔案格式，讓程式架構簡單明瞭，以便於 程式開發者之管理及使用者能快速熟悉與應用。

3.6 資料庫建立之說明

微軟Access 2000 資料庫軟體包含資料表、查詢、表單、報表、巨集及模組 等（如圖3.13 所示）。資料表是 Access 2000 資料庫中實際進行使用者資料儲存 的地方，也是資料庫其他延伸物件的資料來源基礎，使用者可用資料表精靈新 增資料表資料。

資料庫在視窗程式中為提供資料進行放置，在隧道斷面量測計算過程中，

經由斷面測量所獲得原始資料以外部檔案開啟載入，設計斷面資料建立在資料 庫之資料表，視窗程式可直接存取進行運算。而格式內容分別如下（如圖3.14 所示）：

（一）編號：為隧道斷面各點之順序編號。

（二）標準斷面形式：依造各案例所示之斷面形式，例如玉長隧道的標準 斷面形式可分為噴凝土面、完成面等6 種標準斷面形式。

（三）標準斷面x、y 軸資料：經由 x、y 軸資料繪製隧道標準斷面圖。

3.7 視窗程式之運算流程

視窗程式由三大程序所組成，即前處理程序、核心計算程序以及後處理程 序，各程序將緊密連結，完成自動化成果展現。其運算流程如圖3.15 所示，並 詳細敘述如下。

3.7.1 前處理程序

由姚逸瑜（2007）四個獨立之表單模組包含工程基本資料表單（如圖 3.16 所示）、控制樁點資料表單（如圖 3.17 所示）、隧道中線各點資料表單（如圖 3.18

本研究前處理程序即為工程資料輸入程序，將前人的四個獨立表單資料結 合在微軟Excel 軟體，使用欄位設計為每個工作表（Sheet）的第一列皆為名稱，

程式將不讀取此資料，第二列開始皆為資料輸入，以便程式讀取，並詳細敘述 如下：

（1）Sheet1「工程基本資料」：工程基本資料主要由工程名稱、測量日期、

設計斷面高程、設計斷面形式、承包商以及專業廠商（如圖3.6 所示）。

（2）Sheet2「各斷面原始量測資料」：斷面量測資料主要由水平角之「度、

分、秒」，垂直角之「度、分、秒」，斜距與儀器高（如表1 與圖 3.8 所示）。

（3）Sheet3「控制樁」：控制樁資料主要由點號、縱座標 N 值、橫座標 E 值以及高程Z 值（如表 2 與圖 3.10 所示）。

（4）Sheet4「中線資料」：中線資料主要由里程、中心座標 N 值、中心座標 E 值、高程 Z、法線方向之 N 值與法線方向之 E 值（如表 3 與圖 3.12 所示）。

在資料輸入中必須依照固定格式輸入，以免在程式讀取時發生錯誤。如（圖 8 所示）玉長公路隧道案例中 Sheet2 各斷面原始量測資料裡 A-2 與 LC9190，這 兩筆資料皆為控制樁點資料將會擷取到主程式中的下拉式功能表裡，以便選擇 其他斷面。而擷取中線資料是由LC9190 判斷，程式將判斷右邊四碼 9190 在由 中線各點資料中讀取里程9185 與 9190 兩筆資料。隧道斷面測量資料將以設計 欄位輸入後，並儲存於 xls 檔，以便匯入核心計算程序，核心計算程序再下節敘 述。

3.7.2 核心計算程序

在視窗程式之核心計算皆為隱藏表單，將前處理程序資料匯入，皆個別至 隱藏表單中相對應之資料框架位置。如讀前處理程序資料即傳至取資料框架，

當資料框架內之資料皆正確，便進行核心計算程序。