許家瑜

（江西省交通工程集團(tuán)有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

高速公路是現(xiàn)代化交通的標(biāo)志，在新時(shí)期背景下，我國的高速公路正在朝著城市化與工業(yè)化方向發(fā)展，同時(shí)汽車技術(shù)飛躍式的進(jìn)步，也對高速公路建設(shè)提出更高的要求[1]。但是傳統(tǒng)高速公路工程瀝青路面攤鋪技術(shù)存在精度較低、受機(jī)械工況影響成分大、人工測量易出現(xiàn)誤差等問題，對高速公路建設(shè)質(zhì)量產(chǎn)生很大威脅，因此本文加大對先進(jìn)3D 攤鋪技術(shù)的研究，以期能解決高速公路施工問題。

1 3D 攤鋪技術(shù)在高速公路工程瀝青路面施工中應(yīng)用的具體路徑

1.1 3D 攤鋪系統(tǒng)組成及工作原理

攤鋪系統(tǒng)由P62 攤鋪?zhàn)钥叵到y(tǒng)、毫米級GPS 流動(dòng)站、LZ-T5 基站以及GPS 基站等部分構(gòu)成。GPS 基站內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用HIPER V 技術(shù)，能夠?qū)Ω黝愋盘栠M(jìn)行全面跟蹤，可連接移動(dòng)、聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)通信，設(shè)置可插拔內(nèi)存卡，并配置2 個(gè)大容量鋰電池，濕度95%，IPX6 防水性強(qiáng)。觸摸屏為LED 顯示屏，設(shè)置CX-60 控制箱，WINDOWS XP 系統(tǒng)，性能優(yōu)良，支持夜間運(yùn)行。系統(tǒng)增設(shè)激光發(fā)射器，對應(yīng)測量精度是±5，覆蓋半徑為300m，擁有自動(dòng)調(diào)平功能，測量寬帶為±5m（30～300m）、±100（5～30m），可以支持18h 連續(xù)運(yùn)行，以便加快施工進(jìn)度。系統(tǒng)內(nèi)增設(shè)MC-R3 接收系統(tǒng)，可以進(jìn)行無線傳輸，防震等級達(dá)到2 級。毫米級GPS 流動(dòng)站包括PZS-1 接收系統(tǒng)以及HIPER V 接收系統(tǒng)，對應(yīng)接收水平如下：±10o反向角度和±10o垂直信號。

系統(tǒng)運(yùn)行中，GNSS 基站率先向流動(dòng)站傳輸差分信號，激光裝置朝流動(dòng)站傳輸高程數(shù)據(jù)，經(jīng)過接收裝置順利接收、計(jì)算、處理相關(guān)信息以后，實(shí)現(xiàn)毫米級高程以及厘米級GNSS 平面實(shí)時(shí)定位，并確認(rèn)攤鋪區(qū)域。自動(dòng)攤鋪系統(tǒng)于控制點(diǎn)設(shè)置的LZ-T5 基站和GPS 基站中，經(jīng)無線電臺以及線纜向MC-R3 接收機(jī)傳輸激光高程以及GPS 差分信息，通過系統(tǒng)接收處理，向GX-60 控制箱傳輸三維數(shù)據(jù)，控制箱對比分析設(shè)計(jì)卡以及坐標(biāo)數(shù)據(jù)，形成高程修正信息，隨后誕生力驅(qū)動(dòng)信號，驅(qū)動(dòng)液壓閥攤鋪機(jī)，對液壓油缸進(jìn)行牽引，調(diào)整熨平板方向，調(diào)整路面攤鋪厚度和平整度。毫米級GPS 流動(dòng)站實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場攤鋪情況，判斷是否達(dá)到攤鋪設(shè)計(jì)要求[2]。

1.2 基于3D 攤鋪技術(shù)施工流程

綜合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，路面攤鋪3D 技術(shù)系統(tǒng)涵蓋五個(gè)層面，分別為：三維建模、部件組裝、設(shè)置全站儀、施工調(diào)控以及攤鋪控制。

基本工作流程如下：匯集下承層數(shù)據(jù)，針對目標(biāo)路面工程創(chuàng)建三維模型，對各種零部件和單獨(dú)設(shè)備進(jìn)行組裝，向系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)入三維數(shù)據(jù)，設(shè)置測量機(jī)器人，對設(shè)備參數(shù)進(jìn)行逐一核查，在設(shè)備滿足要求后便可以啟動(dòng)控制系統(tǒng)，如果設(shè)備未達(dá)到要求，則需要繼續(xù)調(diào)整參數(shù)直至滿足要求。

系統(tǒng)啟動(dòng)后全面校驗(yàn)攤鋪數(shù)據(jù)，在達(dá)到攤鋪?zhàn)鳂I(yè)精度后，系統(tǒng)在攤鋪施工中自動(dòng)監(jiān)測并控制攤鋪高程，對施工過程進(jìn)行全面校準(zhǔn)控制，最后結(jié)束攤鋪施工，檢測施工質(zhì)量，形成道路質(zhì)量報(bào)告。

1.3 基于3D 攤鋪技術(shù)的施工準(zhǔn)備

應(yīng)先對設(shè)計(jì)圖紙中的平、豎曲線以及橫縱坡所對應(yīng)的高層、坐標(biāo)等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行全面采集，并通過下承層按照10m 為標(biāo)準(zhǔn)采集斷面坐標(biāo)，最少應(yīng)采集3 個(gè)三維坐標(biāo)點(diǎn)。同時(shí)，嚴(yán)格按照工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及所采集三維坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，整合各種數(shù)據(jù)，創(chuàng)建基礎(chǔ)三維模型，并對其進(jìn)行細(xì)致檢查，確保所構(gòu)建三維模型不存在任何異常問題，以便確保工程坡度以及厚度等參數(shù)滿足工程項(xiàng)目施工設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在各項(xiàng)參數(shù)達(dá)標(biāo)以及數(shù)據(jù)完善后自動(dòng)形成模型文件、線形文件以及坐標(biāo)模型。結(jié)合攤鋪機(jī)3D 控制相關(guān)機(jī)械改造研究過程，進(jìn)一步總結(jié)出在系統(tǒng)設(shè)備組裝中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，如下所示：

第一，桅桿安裝應(yīng)該面向攤鋪機(jī)大臂中進(jìn)行垂直組裝，此外，桅桿和油缸間隔距離最少控制在30cm，在桅桿頂部固定組裝360o的反射棱鏡。第二，在熨平板內(nèi)固定組裝傾角傳感器，使設(shè)備安裝方向和攤鋪機(jī)作業(yè)方向保持一致。第三，在攤鋪機(jī)上層頂棚固定安裝數(shù)據(jù)電臺，確保數(shù)據(jù)電臺和測量機(jī)器人之間形成全面暢通的交流視野[3]。第四，在攤鋪機(jī)易操作部位增加設(shè)置主控制器。第五，剩余傳感器以及相關(guān)控制設(shè)備連接線需要選擇攤鋪機(jī)中的恰當(dāng)位置進(jìn)行安裝，避免影響整個(gè)攤鋪機(jī)的正常作業(yè)。第六，結(jié)束設(shè)備安裝后實(shí)施全面校準(zhǔn)調(diào)試，促進(jìn)各部分維持穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。按照現(xiàn)有水準(zhǔn)點(diǎn)與后方進(jìn)行交會(huì)建站，設(shè)置全站儀，使全站儀和棱鏡間維持開闊視野，避免周圍存在電子設(shè)備干擾。第七，應(yīng)該在遠(yuǎn)離施工現(xiàn)場、行車路段以及高邊坡部位設(shè)置全站儀，保障測試精度。組織專門管理人員，將導(dǎo)線點(diǎn)和全站儀夾角控制在15o～165o之間。結(jié)束測量后，針對全站儀設(shè)置專門防護(hù)箱，防止設(shè)備受到磕碰，并做好設(shè)備定期核查檢驗(yàn)。

1.4 基于3D 攤鋪技術(shù)施工工藝

先向智能監(jiān)控全站儀以及智能跟蹤全站儀內(nèi)導(dǎo)入各類模型、數(shù)據(jù)文件，并對棱鏡和全站儀兩者空間視野進(jìn)行檢查，保障棱鏡清晰度，通常棱鏡、全站儀兩者間距在300～400m。開啟智能控制系統(tǒng)以及攤鋪裝置，檢測操作性能。在開始路面攤鋪?zhàn)鳂I(yè)前，率先選定一段路進(jìn)行試鋪，做好過程監(jiān)測，結(jié)合監(jiān)測結(jié)果調(diào)整攤鋪精度，滿足工程設(shè)計(jì)要求以后，啟動(dòng)機(jī)械自動(dòng)控制模式。在攤鋪?zhàn)鳂I(yè)中，率先將模型文件導(dǎo)入其中，把攤鋪機(jī)對應(yīng)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成機(jī)械控制形式，使機(jī)器人對360o棱鏡實(shí)施自動(dòng)跟蹤。在攤鋪機(jī)兩端安裝跟蹤機(jī)器人，負(fù)責(zé)采集360o棱鏡觀察的三維坐標(biāo)信息，并于后方增設(shè)檢測設(shè)備，對攤鋪?zhàn)鳂I(yè)高程以及路面橫坡實(shí)施全面觀測。如果未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)繼續(xù)對控制器、跟蹤裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，跟蹤設(shè)備覆蓋范圍是150m 半徑，能夠支持智能檢測裝置交替轉(zhuǎn)站，促進(jìn)路面連續(xù)攤鋪。

1.5 基于3D 攤鋪技術(shù)的質(zhì)量控制

結(jié)束現(xiàn)場攤鋪?zhàn)鳂I(yè)后，應(yīng)重新采集路面數(shù)據(jù)，認(rèn)真核查、檢測路面攤鋪質(zhì)量，使路面攤鋪質(zhì)量達(dá)到公路工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。如果道路攤鋪以分段攤鋪為主，需要逐段檢測路面攤鋪質(zhì)量，最終匯集相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理分析后形成質(zhì)量檢測報(bào)告，并自動(dòng)生成整個(gè)攤鋪路段的質(zhì)量數(shù)據(jù)。在道路攤鋪檢測中，需要對所采集的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)校驗(yàn)核對，一旦發(fā)現(xiàn)誤差，需要及時(shí)提升檢測精度，擴(kuò)大檢測頻率，在需要的情況下實(shí)施人工補(bǔ)救。

2 3D 攤鋪技術(shù)在高速公路工程瀝青路面施工中應(yīng)用案例分析

2.1 案例工程背景

依照上述施工思路，為探索3D 攤鋪技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用優(yōu)勢，本文以江西省高速公路某施工項(xiàng)目為例。項(xiàng)目背景如下：該工程位于連接江西省重要發(fā)展區(qū)域部位，是“一帶一路”建設(shè)的核心要道，支撐著區(qū)域的規(guī)劃建設(shè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展。該路段全長70km，主線采用標(biāo)準(zhǔn)的雙向八車道建設(shè)，且所設(shè)計(jì)的速度為120km/h。為了保證該施工項(xiàng)目的順利開展，在沿線設(shè)置了監(jiān)控通信分中心1 處，同時(shí)還有相應(yīng)的服務(wù)區(qū)、養(yǎng)護(hù)工區(qū)以及主線收費(fèi)站、閘道收費(fèi)站等，橋梁設(shè)計(jì)荷載等級水平為I 級。

2.2 施工方案介紹

針對所選取的高速公路路段建設(shè)要求較為嚴(yán)格的情況，在路面攤鋪時(shí)選擇了智能化、數(shù)字化、自動(dòng)化水平較高的3D 攤鋪技術(shù)，依照指導(dǎo)性組織方案以及實(shí)施性組織施工計(jì)劃有序推進(jìn)施工作業(yè)。在施工完畢后，為能夠全面化地評測項(xiàng)目質(zhì)量，分別從人員、效率、質(zhì)量三個(gè)方面進(jìn)行嚴(yán)格控制，同時(shí)為能夠評估3D攤鋪技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，還采用了傳統(tǒng)攤鋪方法與3D攤鋪方法平行施工的方式開展，以便形成良好的對比，為在類似工程中使用3D 攤鋪技術(shù)的相關(guān)施工組織機(jī)構(gòu)，提供一個(gè)理論實(shí)踐參考。具體方案設(shè)置為：高速公路項(xiàng)目的1 號攤鋪機(jī)使用3D 路面攤鋪控制系統(tǒng)；2 號攤鋪機(jī)選擇傳統(tǒng)的2D 控制方式；3 號攤鋪機(jī)采用傳統(tǒng)的2D 控制方式。

2.3 施工質(zhì)量評測

2.3.1 攤鋪厚度評測

該工程攤鋪厚度的標(biāo)準(zhǔn)值，通過公式（1），進(jìn)行了合理計(jì)算。

式（1）中：M 表示攤鋪厚度；A 表示上面層厚度；B 表示中面層厚度；C 表示下面層厚度。在檢測時(shí)使用了兩種方法：全站儀測量法和鉆芯取樣法。

在利用全站儀進(jìn)行檢測時(shí)，先在施工路段選取10m 左右的斷面作為樣本，然后再利用全站儀設(shè)備，對每個(gè)斷面左右幅的3 點(diǎn)進(jìn)行施工前后高程差的對比，生成一個(gè)便于直觀化比較評測傳統(tǒng)攤鋪與3D 攤鋪的厚度云圖。通過云圖對比分析，可以得出如下結(jié)論：第一，利用傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)的區(qū)域，在局部路段出現(xiàn)攤鋪過薄或者過厚的情況，且經(jīng)測量判定誤差值均在1cm 以上。第二，利用3D 攤鋪技術(shù)的區(qū)域，攤鋪厚度均勻，且誤差能夠控制在1cm 范圍之內(nèi)。因此，可以判定3D 攤鋪技術(shù)在攤鋪厚度方面具有攤鋪均勻、誤差性較小的優(yōu)勢。

在進(jìn)行鉆芯取樣檢測時(shí)，利用鉆芯儀器對選定路段范圍進(jìn)行采樣，采樣的標(biāo)準(zhǔn)為每200m 一個(gè)斷面，每個(gè)斷面中選取3 個(gè)采集點(diǎn)位，最后如實(shí)記錄了傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)與3D 攤鋪技術(shù)的測點(diǎn)位置、樁號、橫距、厚度等數(shù)據(jù)。所得到的評測結(jié)果如下：第一，利用傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)攤鋪厚度較高，對建設(shè)材料造成了嚴(yán)重浪費(fèi)，同時(shí)也增加了建設(shè)成本。從厚度標(biāo)準(zhǔn)差的角度來講，傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)的差值為6.539。第二，利用3D 攤鋪技術(shù)的測量區(qū)域厚度平均值為59.3m 與63.3m，其符合設(shè)計(jì)要求及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，且技術(shù)厚度標(biāo)準(zhǔn)差值為1.011。由此可以判定3D 攤鋪技術(shù)應(yīng)用于高速公路瀝青路面的施工中，在控制厚度方面有著絕對的優(yōu)勢，具體參數(shù)對比見表1。

表1 基于鉆芯取樣法的傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)與3D 攤鋪技術(shù)評測參數(shù)對比

2.3.2 平整度的檢測

在檢測路面平整度時(shí)，參考的測量依據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)差S，其是我國較為常見的路面平整度評價(jià)指標(biāo)，能夠根據(jù)所測得的一系列高程值，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)差S，以此作為路面平整度的表征，具體可以參考公式（2）。

式（2）中：S表示測量路面的不平整度，單位為mm；Ya表示每一步長內(nèi)所包含的高程值計(jì)算平均數(shù)，單位為mm；Yi表示每一步長內(nèi)第i個(gè)高程值，單位為mm。

在檢測過程中，使用了連續(xù)式平整儀，對兩項(xiàng)技術(shù)的施工結(jié)果進(jìn)行全面對比，最終得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：第一，使用傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)與3D 攤鋪技術(shù)，其平整度均未超過允許范圍，因此合格率為100%。第二，在實(shí)際施工過程中，應(yīng)用傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)的平整度波動(dòng)性較強(qiáng)，最大值能夠達(dá)到1.79mm，而應(yīng)用3D 攤鋪技術(shù)的最大波動(dòng)值僅為0.71。由此可以斷定，3D 攤鋪技術(shù)的平整度更高一些，且波動(dòng)性較小，具體可以參考表2 內(nèi)容。

表2 傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)與3D 攤鋪技術(shù)平整度檢測參數(shù)對比單位：mm

2.3.3 應(yīng)用3D 攤鋪技術(shù)的要點(diǎn)總結(jié)

雖然利用3D 攤鋪技術(shù)進(jìn)行高速公路路面的施工存在著諸多優(yōu)勢，但在應(yīng)用過程中，也存在著諸多影響施工質(zhì)量的因素。本文依照工程的實(shí)際情況，總結(jié)了如下控制方法，以便提高技術(shù)應(yīng)用質(zhì)量[4]。

第一，在施工過程中，利用高精度的現(xiàn)代化儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工操作，雖然減少了人為因素的干擾，但是攤鋪機(jī)本身的性能也會(huì)影響技術(shù)質(zhì)量，在使用與工程標(biāo)準(zhǔn)相符的攤鋪機(jī)的同時(shí)，更應(yīng)重視對相關(guān)施工設(shè)備的安裝與校驗(yàn)，以避免自動(dòng)化控制系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤執(zhí)行指令的情況，同時(shí)也可以提高系統(tǒng)的精度。

第二，如果地基的壓實(shí)水平不滿足實(shí)際工程要求，那么在攤鋪碾壓的過程中，也會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的沉降現(xiàn)象，從而影響整體攤鋪工程質(zhì)量，因此要控制好前一環(huán)的施工作業(yè)，以便為后一環(huán)的施工打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

綜上所述，此次研究以江西省高速公路某施工項(xiàng)目為例介紹3D 攤鋪技術(shù)的具體應(yīng)用，通過施工質(zhì)量測評發(fā)現(xiàn)路面各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)較好，控制質(zhì)量優(yōu)良，由此看出3D 攤鋪技術(shù)這種精細(xì)化施工技術(shù)對于高品質(zhì)工程創(chuàng)建具有重要作用，針對發(fā)現(xiàn)的問題，需要加強(qiáng)施工過程控制，通過加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備檢驗(yàn)、管理和有效施工控制，進(jìn)一步提升施工質(zhì)量。