唐建亞

(江蘇中路信息科技有限公司，南京 211899)

3D攤鋪技術(shù)能夠基于機(jī)械實(shí)時(shí)三維定位信息與數(shù)字化設(shè)計(jì)模型對(duì)比生成基于位置的高程修正信息，并在路面攤鋪施工作業(yè)中基于對(duì)應(yīng)比例的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)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)方向和數(shù)值上的實(shí)時(shí)調(diào)整，從而使攤鋪道面根據(jù)對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)坡度和高程實(shí)時(shí)精準(zhǔn)變化，同時(shí)彌補(bǔ)路面波動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的路面平整度和厚度[1]。

雖有上述優(yōu)點(diǎn)，但3D攤鋪的作業(yè)條件也有諸多限制，如需要在施工路面兩側(cè)布設(shè)一定間距的高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)及三維坐標(biāo)的控制點(diǎn)，保證相鄰水準(zhǔn)點(diǎn)間的通視[2]，而路面養(yǎng)護(hù)施工中央分隔帶往往導(dǎo)致控制點(diǎn)難以實(shí)現(xiàn)通視?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)對(duì)路面養(yǎng)護(hù)工程攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的控制需求分析以及對(duì)3D攤鋪現(xiàn)場(chǎng)控制條件的分析，探索將3D攤鋪技術(shù)應(yīng)用在路面養(yǎng)護(hù)工程中的可行性。

1 路面養(yǎng)護(hù)工程對(duì)路面3D攤鋪技術(shù)的需求

高速公路的沉降問(wèn)題通常持續(xù)發(fā)生在從建設(shè)到營(yíng)運(yùn)的相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，其縱坡的變化也是動(dòng)態(tài)、不連續(xù)的。因此，通過(guò)養(yǎng)護(hù)工程改善縱斷面線形以提升高速公路的服務(wù)水平，是公路養(yǎng)管部門的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。為恢復(fù)道路的縱面線形，使其滿足原工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，在路面養(yǎng)護(hù)工程中一般采用銑刨加鋪的技術(shù)方案。設(shè)計(jì)單位給出的解決方案一般是長(zhǎng)坡的調(diào)坡加厚或是局部調(diào)坡，但在道路養(yǎng)護(hù)施工控制中又會(huì)遇到難以找平的問(wèn)題。

傳統(tǒng)的瀝青路面攤鋪過(guò)程中的找平方式主要是通過(guò)鋼絲線找平基準(zhǔn)配合角位位移傳感器、非接觸式超聲波掃描自動(dòng)找平方式等2D攤鋪控制工藝，這種非接觸式找平的工作原理主要是基于下基層具有較好的平順性，但對(duì)于需要局部調(diào)坡的段落是不適用的。路面養(yǎng)護(hù)工程攤鋪?zhàn)鳂I(yè)中，受制于作業(yè)窗口期短及路肩硬化難以掛鋼絲等條件，在封閉的作業(yè)區(qū)間內(nèi)需要集中投入力量開展測(cè)量放線、基準(zhǔn)線架設(shè)等工作，投入較大且不易控制養(yǎng)護(hù)調(diào)坡。因此，在路面養(yǎng)護(hù)攤鋪?zhàn)鳂I(yè)中，亟須能夠減少測(cè)量放樣工藝、加快施工進(jìn)度、保證路面施工平順性的技術(shù)手段。

相較于傳統(tǒng)的2D找平方式，3D攤鋪技術(shù)可以通過(guò)前期的測(cè)量建模，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件選擇高程變坡、路面平整度最佳的數(shù)字施工模型。3D攤鋪技術(shù)不需要掛線找平基準(zhǔn)控制，且在施工過(guò)程中可以通過(guò)對(duì)攤鋪機(jī)械姿態(tài)的動(dòng)態(tài)測(cè)量控制實(shí)現(xiàn)變厚攤鋪施工作業(yè)，可以減少測(cè)量放樣、基準(zhǔn)線架設(shè)等工序，提升作業(yè)效率，是路面養(yǎng)護(hù)工程攤鋪?zhàn)鳂I(yè)較理想的選擇。

2 3D攤鋪技術(shù)應(yīng)用在路面養(yǎng)護(hù)工程中的可行性分析

2.1 3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)

當(dāng)前3D攤鋪技術(shù)應(yīng)用的代表有瑞士徠卡PaveSmart 3D攤鋪系統(tǒng)、美國(guó)拓普康mmGPS 3D攤鋪控制系統(tǒng)、美國(guó)天寶3D智能攤鋪控制系統(tǒng)，3D攤鋪的主要工作流程如圖1所示。

圖1 3D攤鋪的主要作業(yè)流程

由圖1可知，攤鋪過(guò)程中的“蛙跳”搬站工作是常規(guī)2D攤鋪找平工作中沒(méi)有的。施工過(guò)程中的檢測(cè)控制是3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)的重要組成部分。其中在高程控制方面，對(duì)于路面工程必須達(dá)到毫米級(jí)，因?yàn)槁访媸┕ず穸纫话悴贿^(guò)10 cm，薄層的甚至可能設(shè)計(jì)為2 cm。而要達(dá)到毫米級(jí)的控制，必須在施工現(xiàn)場(chǎng)加設(shè)光學(xué)測(cè)量設(shè)備，如拓普康mmGPS 3D攤鋪控制系統(tǒng)的激光發(fā)射器、徠卡PaveSmart 3D和天寶3D智能攤鋪中的機(jī)器人全站儀，為便于描述，本文稱之為光基準(zhǔn)站。

在施工過(guò)程中，光基準(zhǔn)站會(huì)持續(xù)測(cè)量攤鋪機(jī)的姿態(tài)，與建模軟件中的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)傳輸至攤鋪機(jī)的機(jī)載控制終端，不斷對(duì)攤鋪機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行修正。在3D攤鋪施工現(xiàn)場(chǎng)必須留下一定凈空用于架設(shè)光基準(zhǔn)站，在施工前期就要通過(guò)測(cè)量創(chuàng)建施工控制網(wǎng)及平面坐標(biāo)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)一般用鋼釘進(jìn)行標(biāo)記，用作光基準(zhǔn)站控制點(diǎn)，考慮到其他施工通行車輛、運(yùn)輸車頂升卸料等因素引進(jìn)的遮擋現(xiàn)象，點(diǎn)間距通?？刂圃?50～200 m[3]。在全站儀方案中，考慮到安裝在攤鋪機(jī)兩側(cè)的360°棱鏡與光基準(zhǔn)站的通視，一般還會(huì)在攤鋪機(jī)的兩側(cè)設(shè)站，徠卡PaveSmart 3D攤鋪現(xiàn)場(chǎng)布置方案如圖2所示[4-5]。

圖2 徠卡PaveSmart 3D攤鋪現(xiàn)場(chǎng)布置方案

2.2 養(yǎng)護(hù)工程中3D攤鋪技術(shù)的實(shí)施方案

3D 智能攤鋪系統(tǒng)借助多種信號(hào)傳輸方式來(lái)完成整套系統(tǒng)的正常引導(dǎo)運(yùn)作，但是，當(dāng)光基準(zhǔn)站與機(jī)載激光接收器之間存在遮擋物時(shí)，會(huì)直接隔斷兩者之間的信號(hào)傳輸，長(zhǎng)時(shí)間的遮擋更會(huì)導(dǎo)致攤鋪機(jī)控制系統(tǒng)成為“瞎子”，攤鋪的厚度和平整度將完全失去控制[6]，這也是3D攤鋪技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

結(jié)合路面養(yǎng)護(hù)工程的特點(diǎn)，可以得出3D攤鋪技術(shù)應(yīng)用在路面養(yǎng)護(hù)工程中面臨的挑戰(zhàn)包括：路面養(yǎng)護(hù)施工周期短，因此要求前期測(cè)量工作更快完成；運(yùn)營(yíng)公路上可以架設(shè)光基準(zhǔn)站的空間有限，高速公路中央綠化、路側(cè)標(biāo)志牌均可能會(huì)遮擋光基準(zhǔn)站與機(jī)載激光接收器。針對(duì)如何既將3D攤鋪技術(shù)用于路面養(yǎng)護(hù)工程，同時(shí)解決養(yǎng)護(hù)工程的作業(yè)時(shí)間和空間限制對(duì)3D攤鋪技術(shù)應(yīng)用的制約，本文提出的方案如下：

(1) 應(yīng)用快速測(cè)量建模技術(shù)。如用百米或者十米間隔的水準(zhǔn)儀進(jìn)行閉合聯(lián)測(cè)，測(cè)量的時(shí)間周期必然是較長(zhǎng)的，因此可以通過(guò)使用無(wú)人機(jī)攜帶正射影像進(jìn)行航測(cè)以加速測(cè)量過(guò)程。另外，也可以嘗試應(yīng)用近年來(lái)快速發(fā)展的激光點(diǎn)云測(cè)量技術(shù)，如拓普康的RD-M1 路面掃描儀就可以通過(guò)車載正面向下的激光掃描方式采集數(shù)百萬(wàn)的點(diǎn)位信息，并直接導(dǎo)入建模軟件[7]。

(2) 預(yù)先規(guī)劃好光基準(zhǔn)站點(diǎn)位置。在道路封閉或是原路面銑刨前，即需要開始準(zhǔn)備測(cè)量設(shè)站工作，綜合考慮道路平曲線、綠化、標(biāo)志牌和開放車道行車的遮擋影響，以及現(xiàn)場(chǎng)施工中必要的通視距離，規(guī)劃控制站點(diǎn)位置。同時(shí)，由于全站儀或激光發(fā)射器均需要穩(wěn)定的基礎(chǔ)以形成絕對(duì)的水準(zhǔn)，站點(diǎn)位置還需要一定的強(qiáng)度基礎(chǔ)，松軟的綠化土是不合適的。

3 試驗(yàn)路概況及實(shí)施過(guò)程

3.1 試驗(yàn)路概況

為探索路面養(yǎng)護(hù)工程應(yīng)用3D攤鋪技術(shù)的可行性，2020年9月在江蘇省S49新?lián)P高速新?lián)P方向K47+100～K47+370段實(shí)施了3D攤鋪試驗(yàn)段工程。原路面的病害主要是路面車轍病害，養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案是行車道的銑刨重鋪。試驗(yàn)路所用的3D攤鋪設(shè)備為瑞士徠卡PaveSmart 3D攤鋪系統(tǒng)，試驗(yàn)路為單車道養(yǎng)護(hù)施工。

3.2 試驗(yàn)路鋪筑過(guò)程

3.2.1 測(cè)量建模工作

“倉(cāng)廩實(shí)，天下安”，糧食是國(guó)家治國(guó)安邦的根本。耕地更是保障糧食生產(chǎn)的重要前提與保障，而土地整治是補(bǔ)充耕地最直接有效的途徑，是推進(jìn)鄉(xiāng)村振興的有力手段。為保證耕地?cái)?shù)量的同時(shí)保障耕地質(zhì)量，在土地整治開發(fā)建設(shè)過(guò)程中，土壤環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、土地利用科學(xué)規(guī)劃及整治中各類信息收集分析存儲(chǔ)，是當(dāng)前一定時(shí)期內(nèi)土地整治管理過(guò)程中的重要工作。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，科技創(chuàng)新與信息技術(shù)發(fā)展息息相關(guān)，在土地整治中也得到了較多的應(yīng)用，極大地提高了土地整治各階段的效率。本文介紹了信息化技術(shù)在土地整治工程中的應(yīng)用，旨在推廣信息化技術(shù)的同時(shí)，提高土地整治質(zhì)量，構(gòu)建生態(tài)和諧土地。

確定試驗(yàn)段后，對(duì)K47+100～K47+370段行車道進(jìn)行銑刨，銑刨完成前后，現(xiàn)場(chǎng)分別對(duì)原地面、銑刨面進(jìn)行高程測(cè)量，測(cè)量間距為10 m。為數(shù)據(jù)化地表達(dá)道路的平順性，采用兩點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)際標(biāo)高差相減后除以兩點(diǎn)間距離的公式計(jì)算道路平順性。從高程測(cè)量數(shù)據(jù)及平順性計(jì)算結(jié)果來(lái)看，原地面的線形總體平順。原路面的高程測(cè)量數(shù)據(jù)如圖3所示，原路面的平順性檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖3 原路面的高程測(cè)量數(shù)據(jù)

圖4 原路面的平順性檢測(cè)結(jié)果

將原路面測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入ICON三維建模軟件，考慮到本次僅維修一個(gè)車道，為避免因臺(tái)階造成道路安全隱患，在三維建模中以貼近原地面的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，建模完成后將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入機(jī)載控制電腦。

3.2.2 機(jī)械設(shè)備配置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)單車道施工的實(shí)際作業(yè)條件，使用兩臺(tái)機(jī)器人全站儀對(duì)攤鋪機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行控制，其中一臺(tái)機(jī)器人全站儀進(jìn)行攤鋪后的數(shù)據(jù)檢測(cè)。攤鋪機(jī)械上配置360°棱鏡，用于機(jī)器人全站儀對(duì)攤鋪機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)的跟蹤。運(yùn)用無(wú)人機(jī)在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大范圍的航測(cè)以選定具體設(shè)站的位置，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的條件，為防止第一車道通行車輛對(duì)測(cè)量造成遮擋干擾，將兩臺(tái)跟蹤全站儀布置在砌石邊坡上，將測(cè)量全站儀設(shè)置在硬路肩上。試驗(yàn)路現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備配置如圖5所示，全自動(dòng)全站儀跟蹤攤鋪機(jī)姿態(tài)如圖6所示。

圖5 試驗(yàn)路現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備配置

圖6 全自動(dòng)全站儀跟蹤攤鋪機(jī)姿態(tài)

3.2.3 施工過(guò)程

現(xiàn)場(chǎng)施工中，首先對(duì)攤鋪機(jī)姿態(tài)(包括熨平板兩端位置和提升液壓缸位置)進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得攤鋪初始姿態(tài)數(shù)據(jù)。

在校準(zhǔn)工作完成后，現(xiàn)場(chǎng)攤鋪機(jī)械正常施工，攤鋪機(jī)不需要配置滑靴等找平裝置，施工中由機(jī)載控制電腦根據(jù)三維建模數(shù)據(jù)、攤鋪機(jī)械姿態(tài)數(shù)據(jù)控制熨平板的提升、橫坡。試驗(yàn)段當(dāng)天施工除起步約5 m范圍內(nèi)需要人工補(bǔ)料修正厚度外，后續(xù)段落均可由機(jī)械設(shè)備自動(dòng)工作，無(wú)須人為干預(yù)。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)機(jī)載控制電腦顯示的實(shí)際與設(shè)計(jì)高程之差

4 試驗(yàn)路檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)路完成后，分別從測(cè)量高程、路面平整度和厚度的角度開展試驗(yàn)檢測(cè)工作，以檢驗(yàn)3D攤鋪在路面養(yǎng)護(hù)工程中應(yīng)用的可行性。

4.1 高程測(cè)量數(shù)據(jù)

在施工完成后對(duì)道路進(jìn)行沿線高程測(cè)量，對(duì)比設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)。從高程測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)看，施工碾壓后的數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)基本相符，也與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)載控制電腦顯示結(jié)果吻合。道路高程數(shù)據(jù)測(cè)量(設(shè)計(jì)已考慮松鋪)如圖8所示。

圖8 道路高程數(shù)據(jù)測(cè)量(設(shè)計(jì)已考慮松鋪)

4.2 路面平整度與厚度數(shù)據(jù)

在施工完成后第二天，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)路面檢測(cè)，對(duì)3D攤鋪中較為關(guān)鍵的厚度、平整度數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。采用鉆芯法檢測(cè)厚度，對(duì)相應(yīng)位置的芯樣厚度與設(shè)計(jì)厚度數(shù)據(jù)(設(shè)計(jì)面與銑刨面差值)進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)吻合性較好。因條件限制，路面平整度采用3 m直尺進(jìn)行檢測(cè)，滿足規(guī)范要求。路面芯樣厚度檢測(cè)結(jié)果如圖9所示，路面平整度檢測(cè)結(jié)果如圖10所示。

圖9 路面芯樣厚度檢測(cè)結(jié)果

圖10 路面平整度檢測(cè)結(jié)果

該試驗(yàn)路通車一年后，跟蹤觀測(cè)顯示各項(xiàng)路表性能指標(biāo)正常。

綜上，本文在詳細(xì)分析路面養(yǎng)護(hù)工程的需求及3D攤鋪?zhàn)鳂I(yè)流程后，鋪筑試驗(yàn)路以進(jìn)一步論證3D攤鋪技術(shù)在路面養(yǎng)護(hù)工程中應(yīng)用的可行性。根據(jù)施工過(guò)程中的控制數(shù)據(jù)、檢測(cè)結(jié)果以及通車一年后的運(yùn)營(yíng)表現(xiàn)可知，本次試驗(yàn)是成功的。

5 結(jié)論

3D攤鋪技術(shù)是測(cè)量定位、機(jī)械控制和工程施工等諸多領(lǐng)域的技術(shù)融合，符合當(dāng)前各行業(yè)數(shù)字轉(zhuǎn)型的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)分析路面養(yǎng)護(hù)工程應(yīng)用3D攤鋪技術(shù)工藝過(guò)程中的方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)路鋪筑和檢測(cè)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

(1) 通過(guò)分析3D攤鋪技術(shù)的特點(diǎn)，結(jié)合路面養(yǎng)護(hù)的實(shí)際條件進(jìn)行針對(duì)性的方案設(shè)計(jì)以及施工組織中的動(dòng)態(tài)化措施調(diào)整，將3D攤鋪技術(shù)應(yīng)用于路面養(yǎng)護(hù)工程是可行的。

(2) 路面養(yǎng)護(hù)工程應(yīng)用3D攤鋪技術(shù)的難點(diǎn)在于確定光基準(zhǔn)站點(diǎn)位置，通過(guò)試驗(yàn)路的鋪筑，總結(jié)應(yīng)在道路封閉或是路面養(yǎng)護(hù)銑刨前準(zhǔn)備此項(xiàng)工作，將光基準(zhǔn)站點(diǎn)架設(shè)于硬路肩、砌石邊坡上，以保證光基準(zhǔn)站良好的通視性。

(3) 總結(jié)試驗(yàn)路的鋪筑過(guò)程可知，3D攤鋪技術(shù)無(wú)須基準(zhǔn)掛線、安裝平衡梁，施工中應(yīng)用三維測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)械姿態(tài)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整，解決了養(yǎng)護(hù)工程難以基準(zhǔn)掛線的困難。

(4) 試驗(yàn)路鋪筑過(guò)程檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，3D攤鋪施工過(guò)程實(shí)際控制高程與設(shè)計(jì)值之差基本在±3 mm以內(nèi)，路面平整度良好。針對(duì)路面養(yǎng)護(hù)工程中的道路平順性問(wèn)題，3D攤鋪技術(shù)是較佳的解決方案。