盧俏宇，周洪劍

(廣西桂通工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530028)

0 引言

在建的柳州至南寧高速公路改擴(kuò)建工程(簡(jiǎn)稱柳南改擴(kuò)建工程)，全長(zhǎng)202 km，是全國(guó)一次性開工的路線最長(zhǎng)的高速公路改擴(kuò)建工程，項(xiàng)目以打造“廣西一流、全國(guó)領(lǐng)先、東盟知名”的品質(zhì)工程為總體管理目標(biāo)。在建過程中，采用了一系列的技術(shù)創(chuàng)新成果。其中，柳州至南寧高速公路改擴(kuò)建工程№8合同段，在路面工程中采用了3D自動(dòng)化攤鋪技術(shù)，取得了較好的效果。本文結(jié)合該應(yīng)用實(shí)例和取得的實(shí)際效果進(jìn)行分析，以供同行參考。

1 3D技術(shù)攤鋪系統(tǒng)控制基本原理

3D技術(shù)攤鋪系統(tǒng)主要由全站儀基準(zhǔn)站和攤鋪?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)組成。系統(tǒng)工作時(shí)，架設(shè)在控制點(diǎn)上的機(jī)械控制全站儀將捕獲安裝在攤鋪機(jī)桅桿上的360°棱鏡的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過攤鋪機(jī)系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)實(shí)時(shí)將棱鏡坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳送到攤鋪?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)的控制箱中，控制箱將獲得的當(dāng)前坐標(biāo)信息與設(shè)計(jì)卡中的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，生成相應(yīng)的高程修正信息并傳遞攤鋪機(jī)左右兩側(cè)邊控箱，這時(shí)再由邊控箱對(duì)應(yīng)生成相應(yīng)的比例驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過液壓閥驅(qū)動(dòng)攤鋪機(jī)牽引臂液壓油缸，使熨平板進(jìn)行相應(yīng)方向的調(diào)整和修正，從而使攤鋪道面產(chǎn)生坡度和高程變化，彌補(bǔ)路面波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)所要求的路面平整度。在具體施工過程中為實(shí)現(xiàn)道面攤鋪的精確控制要求，另一臺(tái)測(cè)量全站儀一直處于監(jiān)測(cè)道面攤鋪狀況，真正實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)控施工，滿足攤鋪設(shè)計(jì)要求。

2 3D技術(shù)攤鋪系統(tǒng)主要設(shè)備

設(shè)備主要包括1臺(tái)主控制器、2臺(tái)控制手柄、兩個(gè)360°棱鏡、1個(gè)橫坡傳感器、2臺(tái)車載電臺(tái)、2個(gè)接線盒以及連接線纜(見圖1)。

圖1 3D攤鋪?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備組成圖

3 現(xiàn)場(chǎng)施工準(zhǔn)備流程(見圖2)

圖2 3D攤鋪施工準(zhǔn)備流程圖

4 攤鋪過程與換站

選擇合適位置架設(shè)好左右兩臺(tái)全站儀，采取一前一后的布局，這樣可以避免兩臺(tái)全站儀同時(shí)搬站，并且第三臺(tái)全站儀可以交替搬站。由于每臺(tái)全站儀在自動(dòng)跟蹤模式下精度會(huì)有所降低，在半徑150 m范圍內(nèi)精度滿足要求，這樣每臺(tái)全站儀控制300 m距離后需要進(jìn)行搬站動(dòng)作。如果有備用全站儀，在搬站過程中需要先將備用全站儀自動(dòng)跟蹤到需要換站一側(cè)的棱鏡上，在車載電腦上點(diǎn)擊切換按鈕，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將新站作為控制站進(jìn)行不間斷作業(yè)。若沒有備用全站儀，在搬站過程中攤鋪機(jī)需要停下等待搬站完成并且在數(shù)據(jù)傳輸無誤的情況下才能繼續(xù)作業(yè)。

5 3D技術(shù)攤鋪效果

通過前期2 km路段的攤鋪，進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)檢測(cè)采集。根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，采用3D攤鋪?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行的施工和采用傳統(tǒng)施工方法進(jìn)行施工的數(shù)據(jù)精度基本上一致，無論壓實(shí)后和松鋪檢測(cè)的實(shí)際攤鋪標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高誤差基本都在10 mm以內(nèi)(設(shè)備開始啟動(dòng)階段，高程誤差較大，之后趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)驗(yàn)證路段實(shí)測(cè)極值為23 mm，同時(shí)平整度良好，設(shè)備穩(wěn)定。

試驗(yàn)段的攤鋪測(cè)試充分證明了利用3D攤鋪?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行的施工精度完全符合施工要求。

采用3D技術(shù)進(jìn)行路面攤鋪，按照其原理可知，實(shí)測(cè)高程可以在工程施工前預(yù)先設(shè)置，實(shí)際攤鋪邊線點(diǎn)的高程控制，克服了人工測(cè)量誤差和拉線誤差，結(jié)合紅外測(cè)量設(shè)備的應(yīng)用，克服了夜間測(cè)量的不便。高程測(cè)量的誤差取決于事前計(jì)算的結(jié)果，只有計(jì)算結(jié)果正確才可以做到零誤差；高程控制的誤差來源，在于攤鋪設(shè)備的機(jī)械性能，其與系統(tǒng)兼容的敏感性決定了其攤鋪控制的結(jié)果。實(shí)際施工結(jié)果表明，柳南改擴(kuò)建工程中實(shí)際使用的攤鋪設(shè)備，只要攤鋪底面無突變，可將高程的誤差控制在5 mm內(nèi)，加上攤鋪設(shè)備由液壓系統(tǒng)控制，平整度控制可達(dá)到自然的良好效果。

柳南改擴(kuò)建K1349+160～K1349+880段4%水穩(wěn)層采用3D技術(shù)攤鋪，僅以K1349+160～K1349+220現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例。松鋪系數(shù)為1.35。設(shè)計(jì)厚度為20 cm，現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣6個(gè)(19.8 cm、19.3 cm、19.6 cm、19.3 cm、19.4 cm、19.6 cm)，平均厚度19.5 cm，厚度分布均勻，滿足規(guī)范要求。

5.1 松鋪數(shù)據(jù)

松鋪數(shù)據(jù)見表1。

表1 松鋪數(shù)據(jù)表

5.2 壓實(shí)后數(shù)據(jù)

壓實(shí)后數(shù)據(jù)見表2。

表2 壓實(shí)后數(shù)據(jù)表

5.3 實(shí)施效果

攤鋪的實(shí)施效果見圖3、圖4。

圖3 3D攤鋪?zhàn)鳂I(yè)圖

圖4 3D攤鋪現(xiàn)場(chǎng)圖

采用3D技術(shù)進(jìn)行攤鋪?zhàn)鳂I(yè)，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員按審核的計(jì)算結(jié)果輸入數(shù)據(jù)，不用再進(jìn)行計(jì)算，只需具備測(cè)量的基本技能，即儀器設(shè)備的架設(shè)和照單輸入數(shù)據(jù)的能力，即可勝任現(xiàn)場(chǎng)工作，有利于人才的培養(yǎng)，人員的勞動(dòng)強(qiáng)度也會(huì)大為降低。

采用3D技術(shù)進(jìn)行攤鋪?zhàn)鳂I(yè)，無需掛線，減少了大量的輔助人工，節(jié)省了人力，有很好的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)，沒有桿線的影響，運(yùn)輸車輛的倒運(yùn)空間更大，現(xiàn)場(chǎng)整潔有序，安全性更好、效率更高。

由于高程控制準(zhǔn)確，路面結(jié)構(gòu)層的厚度得到良好的控制，厚度均勻，質(zhì)量可靠，減少了材料的浪費(fèi)，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

系統(tǒng)施工不受光線影響，可以24 h全天候施工作業(yè)。

5.4 存在問題和思考

采用3D技術(shù)進(jìn)行攤鋪，頂面高程控制的誤差主要來源有：(1)測(cè)站儀器安裝的精度；(2)施工攤鋪設(shè)備與系統(tǒng)發(fā)出指令反應(yīng)的靈敏度。以上兩個(gè)方面的誤差因素，實(shí)施證明，能控制好難度不大。因此，頂面高程達(dá)到預(yù)設(shè)值是可行的。而底層高程控制不理想，要達(dá)到理想的平整度和保證壓實(shí)后標(biāo)高完全控制在容許范圍，就需要對(duì)鋪筑底面設(shè)置足夠多的測(cè)點(diǎn)，根據(jù)松鋪系數(shù)調(diào)整頂面攤鋪高程，這樣既增加底面測(cè)量工作量，又增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入。因此我們對(duì)實(shí)施過程進(jìn)行了一些思考，如果鋪筑底面，標(biāo)高控制不理想，我們以路床標(biāo)高達(dá)到50 mm這種情形進(jìn)行分析。因測(cè)點(diǎn)設(shè)置少，以下承層誤差為0的極端情況指導(dǎo)上層結(jié)構(gòu)的攤鋪，同時(shí)為方便計(jì)算，松鋪系數(shù)均按1.35計(jì)算(實(shí)際各結(jié)構(gòu)層松鋪系數(shù)是不同的)，以優(yōu)化施工控制。以柳南改擴(kuò)建項(xiàng)目擴(kuò)建部分路面結(jié)構(gòu)層為例，其結(jié)構(gòu)層組成如下：

15 cm級(jí)配碎石墊層+20 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層+38 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+1 cmSBS改性瀝青同步碎石封層+8 cmAC-25C瀝青混凝土下面層+6 cmAC-20C瀝青混凝土中面層+4 cmSMA-13瀝青混凝土上面層。

從15 cm級(jí)配碎石墊層開始使用3D技術(shù)進(jìn)行攤鋪，路床頂面高程出現(xiàn)±50 mm的情況，誤判誤差為0。則最簿處松鋪值為20×1.35-5=22 cm，最厚處松鋪值為20×1.35-5=32 cm。實(shí)際壓實(shí)厚度最簿處為22÷1.35=16.3 cm，與設(shè)計(jì)高層差值為16.3+5=21.3 cm，結(jié)論為壓實(shí)后高出設(shè)計(jì)值1.3 cm；實(shí)際壓實(shí)厚度最簿處為32÷1.35=23.7 cm，與設(shè)計(jì)高層差值為23.7-5=18.7 cm，結(jié)論為壓實(shí)后低于設(shè)計(jì)值1.3 cm?？梢?，在誤判的情況下，差值傳遞到級(jí)配碎石墊層時(shí)的數(shù)值減少量為37 mm，絕對(duì)誤差為±13 mm，±13 mm的誤差還會(huì)往上傳遞，同理推出±13 mm傳遞到上一層，絕對(duì)

誤差量±3.4 mm，在規(guī)范容許范圍。以上各結(jié)構(gòu)層所受的影響在承受范圍內(nèi)。

由此可知：底層高程的誤差，厚度不經(jīng)松鋪系數(shù)的調(diào)整，誤差會(huì)向上一層傳遞，誤差的正負(fù)值保持原有特征，高者恒高，低者恒低，但振幅會(huì)收窄。

誤差振幅收窄量遵守以下規(guī)律：

H=L-L/S

H——上層結(jié)構(gòu)底面接收下層機(jī)構(gòu)傳遞的誤差量；

L——下層誤差量(高為+，低為-)；

S——結(jié)構(gòu)層松鋪系數(shù)，S>1。

可見，在底層大面平整，高程誤差在+50 mm的情況下，采用3D攤鋪技術(shù)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)層的施工，攤鋪兩層結(jié)構(gòu)以上，誤差傳遞到第二層頂面時(shí)，可以滿足規(guī)范要求。可以結(jié)合松鋪系數(shù)，采用設(shè)計(jì)高程計(jì)算松鋪高程值進(jìn)場(chǎng)施工控制，第三層基本沒有影響。

6 結(jié)語

采用3D技術(shù)進(jìn)行路面攤鋪，在柳州至南寧高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目路面工程施工中得到了實(shí)際的應(yīng)用。應(yīng)用3D技術(shù)，減少了人為控制誤差，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求，節(jié)約了資源投入，提高了工作效率。相信不久的將來，這一技術(shù)一定會(huì)在公路工程建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用推廣。

[1]JTG/T F20-2015，公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則[S].

[2]JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].