引言
隧道防排水工程施工效果直接决定隧道的长期使用寿命，其中防水板的施工控制非常关键，并且防水板的铺设效果与初支平整度和防水板铺设的松弛系数密切相关。根据《公路隧道施工技术标准》防水板松弛度应控制在1.1~1.2。闫启方[1]则表明防水板与初支长度的比值应控制在10:8，而李筠[2]等明确指出10:8这个比值是没有依据，并提出应按照环向和纵向分别设置预留量，确保防水板和初支密贴为最佳。还有一些文献认为防水板的长度应比初支轮廓长度大于10%[3-4]。显然，目前防水板的控制方法尚有争论。
随着技术不断发展，三维激光扫描技术在隧道测量中得到广泛应用。主要被用来做初支轮廓侵限[5-6]、二衬净空尺寸[7]和平整度[8]分析等，并且都取得了较好的成果。这项技术具有精度高、用时短等特点。但是，关于三维激光扫描技术在防水板松弛度控制中应用的研究仍然很少。为此，从三个角度定义松弛系数，基于扫描点云分析选取最佳隧道防水板松弛度控制指标，促进防水板测量技术发展。
松弛度计算方法
基于三维激光扫描仪采集的高精度点云数据可以有效计算隧道防水板的松弛度，进而控制防水板的施工指标，保证二次衬砌的厚度。
数据采集和处理
三维扫描点云采用天宝SX12架站式三维激光扫描仪采集。SX12集全站仪和扫描仪与一体，可以免去点云拼接过程产生的误差，并且采用的是脉冲与相位相结合的测距方式，测角精度为1″。另外，利用Trimble Business Center（TBC）作为点云数据处理软件，具体数据处理流程如图1所示。
图1 数据处理流程图
防水板控制指标
实际上，当防水板施工控制较好时，初支和防水板是非常密贴的，两者的扫描点云非常接近，所以只有扫描精度足够的情况下才能做出准确的分析。并且在计算分析过程中，采样点的间距也会对结果产生很大影响。当采样点间距过大时会忽略防水板的特征点，甚至会出现截然相反的结果。经过多次试算得知，当分析初支和防水板这种非常密贴点云之间的差异时，环向采样点间距设为1cm比较合适，纵向间隔设为0.1m为宜。如果采用传统的1m作为采样点间距有可能出现两者特征颠倒的现象。即正常情况下，防水板的断面长度应该大于初支，但是由于采样点间距过大，某些特征点被忽略最终可能导致两者周长非常接近，甚至大小关系发生颠倒。所以，后文的分析是在环向采样点间隔1cm、纵向断面间隔0.1m的条件下进行的。并且分别采用根据点云计算得出的断面周长、断面面积以及表面积作为防水板施工控制指标。具体算方法表1所示。
表1 三种防水板松弛度计算方法
防水板控制指标
防水板的铺设效果非常重要，既不能过于紧绷也不能过于松弛。根据《公路隧道施工技术规范》防水板的松铺系数要控制在1.1-1.2。然而，防水板的铺设效果仍然只能根据传统的方法进行控制，不仅效率低操作难度也大。随着三维激光扫描技术在隧道施工过程控制中逐渐应用，初支和衬砌的效率得到了很大提高，然而关于该技术在防水板施工控制中应该采用的控制指标及其效果仍不明确。下面分别根据测量断面周长、面积和两个断面间表面积分别作为控制指标，探索各指标与铺设效果之间的关系。
基于断面周长的分析
测量断面的周长可以直接反映防水板的褶皱情况，周长越长表现为越褶皱。下面对某隧道洞口4m范围内的防水板轮廓进行分析。初支和防水板断面周长及差值沿着里程的分布如图2所示。可以看出，该隧道的初支沿着隧道走向方向分布比较均匀，在35m左右。但是防水板在沿着隧道走向有三次较大的凸起，说明0.3-0.7m、1.4-1.7m和3.1-3.4m范围内防水板褶皱较大，并且这三次的周长差值最大为8m。通过现场拍照发现第一处出现在拱顶位置，防水板集中褶皱。第二处和第三处分别为两次防水板搭接位置，呈现为环状均匀褶皱，如图3所示。
图2 断面周长纵向分布
图3 防水板对比
基于断面面积的分析
基于测量断面面积作为控制指标，这种情况下设松弛系数为初支与防水板的断面面积比。初支和防水板断面面积及差值沿着里程的分布如图4所示。
从图2可以看出总体上初支断面面积大于防水板面积，仅有个别点小于防水板，可能是点云计算存在一定偏差，但是整体分析效果很好，精度也能满足测量要求。另外，初支和防水板断面面积随着里程的增加逐渐变小，这说明隧道隧道喷射混凝土的厚度在逐渐增加，并且防水板与初支始终保持紧贴。
通过图1和图3对比不难发现，当防水板周长变大时，其断面面积在相同位置发生减小，呈现一种负相关现象，这说明防水板的褶皱同时表现为周长增加和断面尺寸减小，这一点是符合客观规律的。
图4 横断面面积纵向分布
基于表面积的分析
初期支护和防水板的表面积是根据点云生成的三角网格计算得出。0-1m、1-2m、2-3m和3-4m四个区间范围的表面积分布情况如图5所示。从图中可以看出，在0-2m范围内防水板表面积远远大于初支表面积，在2-3m范围内两者非常接近，3-4m范围内防水板表面积略大于初支表面积。结合图2和图4可以看出，这里的表面积随里程的表现出变化趋势与断面周长和断面面积的趋势相同，即松弛系数越大，体现出断面周长和表面积越大，而断面面积越小。由此可知，三种参数均可以用于代表隧道防水板松弛系数。
图5 防水板表面积纵向分布
三种指标对比
各断面的松弛系数可以分别基于断面周长、断面面积和表面积求得。当采用断面周长作为指标时，松弛系数为防水板周长与初支周长的比值。当采用断面面积作为指标时，松弛系数为初支断面面积与防水板断面面积之比，当采用表面积作为指标时，松弛系数为防水板表面积与初支表面积之比。
基于三种指标求得的松弛系数沿着隧道走向的分布如图6所示。可以看出3个指标沿着隧道走向方向分布的变化规律具有较好的一致性，均在0.3-0.7m、1.4-1.7m和3.1-3.4m范围内增大，其他断面的指标沿着隧道走向分布比较平缓。
还可以看出，当防水板褶皱情况发生变化时，基于三总参数计算的松弛系数灵敏性大小关系为：断面周长＞表面积＞断面面积。由此可知，虽然三种参数所代表的松弛系数具有一致的变化趋势，但是灵敏度不同。当松弛度发生变化时，断面面积的波动很小，不利于分辨。相反，断面周长则表现出非常高的灵敏度，因此更适用于作为松弛系数计算指标。根据公路隧道施工技术规范要求松弛系数应该在1.1-1.2之间，显然当根据断面周长进行评价时更加接近这个区间范围。但是在这4m区间范围的断面周长比平均值为1.07，比这个区间范围下限值略小，并且通过图2可以观察到，该隧道的防水板与初支贴合有点紧密。通过图6可以看出，断面周长比大部分小于1.1，仅有个别断面处于1.1-1.2之间，更有个别断面超过1.2，综合以上分析该隧道铺设效果控制的不均匀。侧面反映了采用三维激光扫描技术可以更好的精细定量分析隧道防水板的铺设效果。
图6 三种控制指标对比
结论
三维激光扫描技术在隧道防水板铺设效果控制中可以发挥较好的作用；
断面周长、断面面积和表面积作为指标求得松弛系数具有较好一致性，均可用来评价防水板松弛度；
三种控制指标的灵敏度大小关系为：断面周长＞表面积＞断面面积，且断面面积随松弛情况的变化很小，断面周长用作松弛系数控制指标最为合适。
参考文献
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