徐志勇， 張宗兵， 陳 剛， 鐘 文， 王思堯

(云南建投路面工程有限公司， 昆明 650000)

截止2020年底，我國(guó)公路總里程已達(dá)到519.81萬(wàn)km，高等級(jí)公路建設(shè)總里程已突破16萬(wàn)km，未來(lái)5～10年仍將迎來(lái)大量的國(guó)省道建設(shè)，公路總里程數(shù)有望進(jìn)一步增加，高等級(jí)公路有望達(dá)到20萬(wàn)km。高速公路作為連接城市的大動(dòng)脈得到了快速的發(fā)展，其中瀝青路面由于具有表面平整、行車(chē)舒適、耐磨抗滑、低噪聲、施工周期短、維修方便等特點(diǎn)而被廣泛使用。但目前國(guó)內(nèi)高速公路，特別是云南省部分高速公路瀝青路面的平整度不甚理想，甚至局部路段出現(xiàn)跳車(chē)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響車(chē)輛行駛安全及行車(chē)舒適性。

根據(jù)美國(guó)SHPR研究計(jì)劃的相關(guān)研究成果表明，大約95%的路面服務(wù)性能均與路表平整度有關(guān)[1]。美國(guó)著名的國(guó)家合作公路研究計(jì)劃的研究報(bào)告和K. L. SMITH等[2]的論文通過(guò)大量的調(diào)查和分析，得出結(jié)論：認(rèn)為瀝青路面平整度提高25%至少可延長(zhǎng)路面使用壽命9%，提高50%則至少可延長(zhǎng)使用壽命15%。平整度與瀝青路面使用壽命有很強(qiáng)的正相關(guān)性，良好的平整度是保證瀝青路面使用壽命的重要環(huán)節(jié)之一，提高路面平整度不僅可以改善行車(chē)舒適性、節(jié)約油耗，還能大幅提高路面整體的使用壽命，節(jié)約維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用[3]。

若僅通過(guò)改善瀝青混凝土質(zhì)量、嚴(yán)控?cái)備伳雺哼^(guò)程等來(lái)大幅提高瀝青路面平整度會(huì)相當(dāng)困難，因此，需采用毫米級(jí)GPS-3D激光數(shù)字控制系統(tǒng)施工技術(shù)來(lái)提高瀝青路面整體平整度。

周玉[4]提出的路面平整度傳遞規(guī)律表明：在實(shí)際施工過(guò)程中，下承層的平整度會(huì)傳遞到上一層路面，通過(guò)逐層傳遞最終直接反映在瀝青混凝土路面平整度上。針對(duì)云南省部分高速公路瀝青路面平整度不佳的問(wèn)題，引入毫米級(jí)GPS-3D激光數(shù)字控制系統(tǒng)用于路面底基層、基層的攤鋪過(guò)程，這可大幅提升其平整度，并能在很大程度上改善底基層和基層平整度對(duì)面層平整度的影響。

本文依托云南省元蔓高速公路級(jí)配碎石底基層、水泥穩(wěn)定碎石基層鋪筑實(shí)況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)高程和平整度檢測(cè)結(jié)果，研究分析傳統(tǒng)施工工藝與3D智能攤鋪施工工藝對(duì)高程精度控制和路面平整度提升的影響，可在后續(xù)高等級(jí)公路瀝青路面底基層、基層施工中推廣。

1 試驗(yàn)段路基路面施工方案

云南元蔓高速公路底基層采用級(jí)配碎石鋪筑，厚度擬定為20 cm；基層則采用水泥穩(wěn)定碎石鋪筑，厚度擬定為38 cm，采用分層攤鋪(每層19 cm)、連續(xù)施工、一次養(yǎng)生的工藝，并根據(jù)攤鋪溫度、攤鋪速度確定折返攤鋪長(zhǎng)度為200 m。以K88+745～K89+151路段作為試驗(yàn)路段，路面結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。

在試驗(yàn)路段中，右幅采用傳統(tǒng)工藝攤鋪，左幅采用3D智能攤鋪工藝攤鋪。在施工準(zhǔn)備過(guò)程中，傳統(tǒng)施工工藝采用掛線的方式幫助攤鋪機(jī)實(shí)現(xiàn)高程精度控制，具體放樣方案為：橫向選擇距離道路中線3 m、5 m、8 m、10 m的位置，縱向選取間距每10 m里層樁號(hào)的位置，縱橫測(cè)線形成空間矩形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將交叉點(diǎn)坐標(biāo)作為打樁位置，測(cè)量得出該點(diǎn)路基實(shí)際高程，再根據(jù)該點(diǎn)級(jí)配碎石底基層、水泥穩(wěn)定碎石基層設(shè)計(jì)高程以及相應(yīng)的松鋪系數(shù)算出該點(diǎn)掛線高度，最終實(shí)現(xiàn)放樣打樁。

單位：cm

2 3D智能攤鋪系統(tǒng)測(cè)試原理

毫米級(jí)GPS-3D攤鋪控制系統(tǒng)由GNSS基準(zhǔn)站、域激光發(fā)射器、GPS流動(dòng)站和P63攤鋪機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)4部分組成。系統(tǒng)工作時(shí)，GNSS基準(zhǔn)站通過(guò)無(wú)線通訊衛(wèi)星實(shí)時(shí)向流動(dòng)站接收機(jī)發(fā)送差分信號(hào)，同時(shí)域激光發(fā)射器實(shí)時(shí)向流動(dòng)站發(fā)射高程信息；GPS流動(dòng)站接收機(jī)系統(tǒng)分別將接收到的GNSS衛(wèi)星信號(hào)、GNSS基站發(fā)送的差分信號(hào)和域激光發(fā)射器發(fā)射的高程信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理解算，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的厘米級(jí)GNSS平面定位精度和毫米級(jí)高程控制精度。其數(shù)據(jù)具體傳導(dǎo)方向如圖2所示。

P63攤鋪機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)利用配套的PZS-MC域激光接收器和MC-R3 GNSS接收機(jī)同時(shí)進(jìn)行厘米級(jí)的RTK平面定位和毫米級(jí)的高程定位，并實(shí)時(shí)將三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾X-60控制箱?？刂葡鋵?dāng)前獲得的3D坐標(biāo)信息與測(cè)試前導(dǎo)入的面層設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比，實(shí)時(shí)生成對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的高程修正信息模型，這些高程修正信息通過(guò)擬定算法，再由控制箱生成對(duì)應(yīng)比例的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使得電磁閥驅(qū)動(dòng)攤鋪機(jī)牽引臂的液壓油缸，進(jìn)而驅(qū)使熨平板在相應(yīng)方向上進(jìn)行調(diào)整，彌補(bǔ)路面波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的路面平整度和厚度。在整個(gè)攤鋪過(guò)程中，使用GPS流動(dòng)站實(shí)時(shí)檢測(cè)路面的攤鋪質(zhì)量狀況，按照設(shè)計(jì)需求，及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，真正實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的全流程監(jiān)控，以充分滿足高質(zhì)量的攤鋪設(shè)計(jì)要求[5]。

圖2 3D智能系統(tǒng)組成及工作原理

3 3D智能攤鋪系統(tǒng)安裝工藝及工作流程

1) 設(shè)備檢查及準(zhǔn)備。設(shè)備安裝前需對(duì)攤鋪機(jī)型號(hào)、安裝位置、找平接口的芯數(shù)進(jìn)行檢查確認(rèn)。

2) 地方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和域激光校檢。利用已有的地方坐標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，將施工坐標(biāo)系錄入到RTK中，實(shí)現(xiàn)GPS坐標(biāo)到地方工程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以便使用已有設(shè)計(jì)；在首次使用或者長(zhǎng)途運(yùn)輸、長(zhǎng)時(shí)間擱置或者使用過(guò)程中遇到精度不準(zhǔn)確時(shí)，需要檢校域激光精度，分別用發(fā)射器的4個(gè)面對(duì)準(zhǔn)流動(dòng)站接收機(jī)PZS-1進(jìn)行測(cè)量，確保2次互差在5″內(nèi)，若互差偏大，則需調(diào)整參數(shù)直至2次互差達(dá)到要求精度。

3) 設(shè)計(jì)制作。通常采用道路原設(shè)計(jì)CAD圖紙輸入配套的3D-office軟件，制作成3D設(shè)計(jì)。

4) 系統(tǒng)安裝。毫米級(jí)GPS攤鋪機(jī)系統(tǒng)的機(jī)載設(shè)備按要求安裝到攤鋪機(jī)上，須注意攤鋪機(jī)因制造廠商和設(shè)計(jì)不同，安裝前需確認(rèn)攤鋪機(jī)廠商和型號(hào)以及熨平板的工作長(zhǎng)度，同時(shí)需確認(rèn)攤鋪機(jī)找平系統(tǒng)自身有無(wú)問(wèn)題，尤其須注意激光接收器的安裝高度，以避免攤鋪過(guò)程中出現(xiàn)接收器信號(hào)被遮擋的問(wèn)題。

5) 架設(shè)域激光發(fā)射器。為避開(kāi)震動(dòng)和遮擋，架設(shè)該設(shè)備需考慮域激光的擴(kuò)展角，即毫米級(jí)GPS-3D操作系統(tǒng)垂直作業(yè)窗口上下5 m距離，并且保證機(jī)載激光接收器在此范圍內(nèi)，測(cè)量域激光架設(shè)點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)前后高程控制點(diǎn)對(duì)激光發(fā)射器進(jìn)行校核，合格后方可使用，且至少保證用2個(gè)及以上控制點(diǎn)檢測(cè)。

6) 機(jī)載設(shè)備準(zhǔn)備和調(diào)試。先將GPS接收機(jī)手簿里的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換信息、設(shè)計(jì)、域激光信息通過(guò)U盤(pán)導(dǎo)入MC控制箱，后設(shè)置攤鋪機(jī)參數(shù)和熨平板參數(shù)并進(jìn)行攤鋪工作。

7) 攤鋪?zhàn)鳂I(yè)[7]。(1) 用GPS 測(cè)量地面高程，計(jì)算并標(biāo)記攤鋪高度，將熨平板調(diào)整到合適高度，點(diǎn)擊匹配使高程調(diào)整值歸零，消除之前由于測(cè)量不準(zhǔn)確存在的誤差；(2) 在長(zhǎng)距離攤鋪過(guò)程中，系統(tǒng)默認(rèn)根據(jù)域激光信號(hào)強(qiáng)度自動(dòng)切換通道，由于域激光發(fā)射器存在發(fā)射偏角，在30 m距離內(nèi)不能使垂直作業(yè)窗口上下高度達(dá)到10 m，實(shí)際中不推薦使用自動(dòng)切換通道，一般設(shè)置使用單一激光，而用手動(dòng)切換，若切換后高度差超過(guò)5 mm，需再次匹配，使高程偏差值歸零；(3) 當(dāng)攤鋪機(jī)攤鋪距離超過(guò)當(dāng)前使用激光發(fā)射器精度范圍時(shí)，需手動(dòng)切換到另一個(gè)通道。3D智能攤鋪系統(tǒng)可實(shí)時(shí)控制高程偏差，通常在攤鋪機(jī)起步2 m范圍內(nèi)熨平板工作尚不穩(wěn)定，此時(shí)無(wú)需調(diào)整，在攤鋪機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行后，再對(duì)高程偏差進(jìn)行調(diào)整，其調(diào)整要求如表1所示。

表1 差值調(diào)整要求

4 3D智能系統(tǒng)攤鋪應(yīng)用

4.1 高程分析

以橫向距離道路中線3 m、5 m、9 m、11 m以及縱向間距為10 m的交叉點(diǎn)作為高程檢測(cè)點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)路段路基、底基層和基層進(jìn)行高程檢測(cè)，計(jì)算檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)高程和設(shè)計(jì)高程[8]的差值，并定義為實(shí)測(cè)高程差X，統(tǒng)計(jì)各偏差值范圍內(nèi)的檢測(cè)點(diǎn)所占比例，如圖3所示。

(a) 路基實(shí)測(cè)高程差

(b) 底基層實(shí)測(cè)高程差

(c) 基層實(shí)測(cè)高程差

1) 底基層高程分析

根據(jù)圖3(a)可得，左幅路基所測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)高程普遍比設(shè)計(jì)高程偏大，偏差-0.02 m～0.02 m的數(shù)據(jù)占比為17%；右幅路基的高程偏差-0.02 m～0.02 m的數(shù)據(jù)占比為38%，因此左幅路基高程偏差更大，更不利于級(jí)配碎石底基層的施工。根據(jù)圖3(b)可得，左幅級(jí)配碎石底基層鋪筑完成后，設(shè)計(jì)高程與施工高程的偏差顯著減小，偏差>0.04 m的數(shù)據(jù)占比接近為0，偏差數(shù)據(jù)主要集中在-0.02 m～0.02 m之間，占比高達(dá)64%；右幅級(jí)配碎石底基層進(jìn)行攤鋪后，高程偏差值有所減小，高程偏差在-0.02 m～0.02 m之間的數(shù)據(jù)占比為51%。

本文為了更好地對(duì)比2種施工工藝在底基層精度控制方面的效果，采用-0.02 m～0.02 m為高程精度控制的對(duì)照區(qū)間，根據(jù)高程數(shù)據(jù)，采用3D智能攤鋪工藝后底基層在-0.02 m～0.02 m高程偏差的修正比例可達(dá)到47%，而采用傳統(tǒng)工藝在相同范圍的修正比例為13%。

在傳統(tǒng)工藝和3D智能攤鋪工藝下，級(jí)配碎石底基層鋪筑后都對(duì)高程控制精度有了一定的提升，高程偏差絕對(duì)值有所減?。坏c采用3D智能攤鋪工藝的左幅比較，傳統(tǒng)工藝對(duì)右幅高程控制精度相對(duì)較差，其高程精度修正比例較左幅低34%。在底基層高程控制精度方面，左幅所采用的3D智能攤鋪工藝會(huì)比右幅傳統(tǒng)工藝更有優(yōu)勢(shì)。

2) 基層高程分析

根據(jù)圖3(c)可得，左幅級(jí)配碎石底基層和水泥穩(wěn)定碎石基層鋪筑完成后，設(shè)計(jì)高程與施工高程的偏差大部分集中在-0.02 m～0.02 m之間，在此區(qū)間的數(shù)據(jù)占比81%，而偏差在-0.04 m～0.02 m的數(shù)據(jù)占比高達(dá)99%；右幅級(jí)配碎石底基層和水泥穩(wěn)定碎石基層鋪筑完成后，設(shè)計(jì)高程與施工高程的偏差在-0.02 m～0.02 m區(qū)間范圍的數(shù)據(jù)占比為78%，高程偏差在-0.02 m～0.02 m區(qū)間范圍的數(shù)據(jù)占比達(dá)到91%。

同樣采取-0.02 m～0.02 m為高程修復(fù)對(duì)照區(qū)間，在該區(qū)間3D智能攤鋪工藝在基層的修復(fù)比例達(dá)到64%，而傳統(tǒng)工藝在基層的修復(fù)比例為41%，說(shuō)明2種攤鋪工藝都對(duì)高程控制精度有了一定的提升作用，但左幅對(duì)高程精度控制的提升作用更加明顯，修復(fù)比例較右幅高23%，即采用3D智能攤鋪工藝更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)高程精度的精準(zhǔn)控制，使施工后的實(shí)際高程更加接近于設(shè)計(jì)高程。

4.2 平整度分析

對(duì)云南元蔓高速公路K88+800～K89+100路段的路基、級(jí)配碎石底基層、水泥穩(wěn)定碎石基層平整度采用連續(xù)式平整度儀按照T 0932的要求進(jìn)行檢測(cè)。以K88+800為起點(diǎn)將檢測(cè)路段每100 m劃分為一個(gè)段落，超車(chē)道對(duì)應(yīng)的段落編號(hào)為1、2、3，行車(chē)道對(duì)應(yīng)的段落編號(hào)為4、5、6。

1) 底基層平整度分析

整理試驗(yàn)段路基與底基層平整度檢測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖4可知，在攤鋪級(jí)配碎石底基層之前，兩幅路基的平整度相近，但左幅平整度數(shù)值的變異性較大，初始路況相對(duì)較差。通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得，采用連續(xù)式平整度儀測(cè)得右幅路基平整度的平均值為4.656 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.313；左幅路基平整度的平均值為4.440 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.611。

圖4 路基平整度

圖5 底基層平整度

由圖5可得，采用連續(xù)式平整度儀測(cè)得右幅級(jí)配碎石層的平整度平均值為2.858 mm，樣本標(biāo)準(zhǔn)差為0.398；左幅平整度平均值為2.751 mm，樣本標(biāo)準(zhǔn)差為0.210。相較路基平整度，采用傳統(tǒng)工藝時(shí)，級(jí)配碎石底基層平整度提高了1.798 mm，標(biāo)準(zhǔn)差由0.313增加到0.398，厚度均勻性變差；采用3D智能攤鋪工藝時(shí)平整度提升了1.808 mm，標(biāo)準(zhǔn)差由0.611減小到0.210，明顯減小，表明采用3D智能攤鋪工藝對(duì)平整度方面的提升不夠顯著，但厚度的均勻性方面顯著變好。

2) 基層平整度分析

整理試驗(yàn)段基層平整度檢測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，右幅水泥穩(wěn)定碎石基層采用連續(xù)式平整度儀測(cè)得的平整度平均值為3.071 mm，樣本標(biāo)準(zhǔn)差為0.289；左幅平整度的平均值為2.356 mm，樣本標(biāo)準(zhǔn)差為0.329。相較級(jí)配碎石層平整度，采用傳統(tǒng)工藝攤鋪時(shí)，水穩(wěn)基層平整度由底基層2.858 mm增加到了3.071 mm，標(biāo)準(zhǔn)差由0.398減小到0.289，平整度反而變差；而采用3D智能攤鋪工藝時(shí)，水穩(wěn)基層平整度由底基層2.632 mm變?yōu)?.356 mm，平整度變好，標(biāo)準(zhǔn)差由0.210變?yōu)?.329，在水泥穩(wěn)定碎石基層施工完成后，左幅平整度由4.440 mm提高到2.356 mm，提升值達(dá)到2.084 mm；右幅平整度由4.656 mm提高到3.071 mm，提高值達(dá)到1.585 mm，相較左幅低了0.499 mm。本路段檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，相比傳統(tǒng)工藝，采用3D智能攤鋪工藝施工能提高水穩(wěn)基層平整度。

圖6 基層平整度

4.3 傳統(tǒng)工藝與3D智能攤鋪工藝的對(duì)比

根據(jù)以上試驗(yàn)段底基層與基層高程與平整度試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，綜合對(duì)比分析傳統(tǒng)工藝與3D智能攤鋪工藝，并結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀分析[9-15]，主要存在以下不同，如表2所示。

表2 3D智能攤鋪工藝與傳統(tǒng)工藝對(duì)比

5 結(jié)論

1) 試驗(yàn)段實(shí)踐證明，使用毫米級(jí)GPS-3D激光數(shù)字控制系統(tǒng)在攤鋪環(huán)節(jié)可實(shí)現(xiàn)無(wú)樁化施工，使得攤鋪?zhàn)鳂I(yè)更加智能化。

2) 在高程精度控制方面，3D智能攤鋪工藝在底基層對(duì)于路基高程偏差-0.02 m～0.02 m區(qū)間內(nèi)修復(fù)比例提高51%，在相同區(qū)間內(nèi)在基層對(duì)路基修復(fù)比例提高64%；而使用傳統(tǒng)工藝相應(yīng)提高了13%和41%，因此，采用3D智能攤鋪工藝較傳統(tǒng)工藝而言，高程精度控制更佳。

3) 在平整度提升方面，左幅采用3D智能攤鋪工藝，測(cè)得路基、底基層和基層平整度分別為4.440 mm、2.751 mm和2.356 mm，底基層和基層分別提高了1.689 mm和0.395 mm；右幅采用傳統(tǒng)工藝，測(cè)得路基、底基層和基層平整度分別為4.656 mm、2.858 mm和3.071 mm，底基層提高1.798 mm。在基層施工結(jié)束后，基層的平整度出現(xiàn)了反增，增加了0.213 mm。因此，采用3D智能攤鋪工藝較傳統(tǒng)工藝，平整度提升更加明顯且穩(wěn)定。