哈大鐵路客運專線路基數字化施工工藝

趙敏聰，白鵬程

(1.中鐵一局哈大鐵路客運專線項目經理部，遼寧大連 116103;2.中鐵一局集團第四工程有限公司，陜西咸陽 712000)

1 工程概況

哈大鐵路客運專線DK109+800～DK110+150段線路以填方通過低緩丘包及其洼地，地形稍有起伏，路堤中心最高填高8.71 m，邊坡最大高度8.35 m。線路位于直線上，路基頂寬13.6 m，線路縱坡為15.5‰，基床表層填0.55 m厚的級配碎石，以下依次為0.05 m厚的中粗砂、0.4 m厚的非凍脹土和1.7 m厚的A、B組填料，基床以下填合格填料，路堤邊坡坡度為1∶1.5。該段路基在施工過程采用了RTK測量技術、通過3DGPS系統對路基施工的攤鋪厚度、平整度、邊坡坡度進行實時控制并采用CCS900壓實系統對路基施工壓實度進行實時監測。

2 施工原理

2.1 概念

數字化施工，是指依托建立數字化的數據中心、地理信息系統(工地定位系統)、工地現場數據采集系統(工地管理系統)及現場機械控制系統(挖掘機、壓路機、推土機等機載 GPS定位系統，如圖1所示的GCS600、CCS900、GCS900系統)等基礎平臺，整合工地信息資源，突破時間、空間的局限，建立一個在現實中不可能建立的開放信息環境，從而實現高效施工，優化施工方案，提升工地管理水平的一種施工方式。

圖1 數字化施工工地示意

2.2 系統組成

數字化施工不僅局限于網絡上的信息交換，其最終目的是利用現有技術手段對工地資源、自然資源等信息進行有效收集、管理與共享，提高工地施工效率。數字化施工系統主要包括以下幾個方面。

(1)數字化施工基礎設施:作為數字化施工的基礎，利用長期運行的GNSS基準站為數字化施工的所有現場數據采集提供基準，為決策者提供現場信息支持，同時為大型項目完工后的系統提供基礎平臺。

(2)數字化施工控制系統:這是數字化施工系統的核心，利用機械控制系統對施工質量進行實時監測，及時修正可能出現的錯誤，始終保持設計精度要求，最大程度避免了返工。

(3)數據支持服務中心:數據是數字化施工的血液，它貫穿于整個施工過程，從最初的施工設計數據的三維轉化，到施工現場的技術支持，再到施工結果數據的處理都離不開數據服務中心的支持。該服務中心的主要職能是處理、收集、整理施工數據，建立動態信息管理系統，為工地管理者提供決策支持功能。

2.3 施工數據流程

數字一體化施工是一套完整的施工解決方案，主要集施工設計、施工測量和數字化施工方法于一體，它不僅依賴數字化手段整體性地解決工程施工問題。數字化施工流程如圖2所示。

2.4 關鍵技術

(1)聲納技術:通過聲納傳感器對設置基準線發出與接收聲波信號的時間差值來確定帶狀道路的表面的平整度，如圖3所示。

(2)激光技術:通過激光發射器在一恒定高程上發射生成一激光平面，施工機械通過控制執行機構上的液壓油缸使安裝在機械上的接收器時刻捕捉激光平面信號，從而滿足工作場地對設計高程和整形的要求，如圖4所示。

圖3 聲納系統示意

圖4 激光系統工作原理示意

(3)全站儀技術:是目前精度較高的一種控制技術，其精度能達到1 cm以下。機械行進過程中，全站儀采集棱鏡的高程數據，然后將高程數據通過電臺傳送給平地機械安裝的系統中，系統得到信號后，與施工前輸入的工程要求對比，系統發出修正信號給閥模塊，控制機械的油缸對鏟刀進行上升或下降的調整，從而使鏟刀保持工程要求的高程位置，如圖5所示。

(4)GPS技術:GPS技術是以衛星信號作為工作基準，能夠實現全天候施工。在工程機械的工作過程中，通過RTK技術，系統實時的采集鏟刀的三維坐標，并與工作前存儲的三維坐標數據進行比較，從而精確達到工地設計要求，如圖6所示。

圖5 全站儀系統

圖6 GPS系統工作示意

3 施工準備

該段路基施工數字化系統主要采用美國天寶公司的研發的Trimble系列控制系統，并采用卡特彼勒推土機、寶馬壓路機等設備進行配套施工。

3.1 機型配置

(1)TrimbleCCS900智能壓實系統設備(表1)

(2)TrimbleGCS900推土機自動系統設備(表2)

表1 TrimbleCCS900智能壓實系統設備 臺

表2 TrimbleGCS900推土機自動系統設備 臺

(3)TrimbleGCS600挖掘機自動系統設備(表3)

表3 TrimbleGCS600挖掘機自動系統設備 臺

3.2 設備安裝

CCS900壓路機、GCS900推土機、GCS600挖掘機的安裝示意如圖7～圖9所示。

圖7 CCS900壓路機安裝圖示

圖8 GCS900推土機安裝圖示

3.3 數據準備

(1)基站系統:在RTK作業模式下，基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站通過數據鏈接收來自基準站的數據，同時采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結果，歷時幾秒鐘，其工作原理見圖10。

圖9 GCS600HEX挖掘機安裝圖示

圖10 流動站工作原理示意

(2)機械控制系統:機械控制系統需要數據的支持，這里的數據是指機械控制系統所識別的設計單位的三維道路設計數據。利用天寶的設計軟件SVO(Site Vision Office)將設計單位給出的二維設計圖紙數據進行轉換，將轉換后的3維數據保存在機械控制箱的存儲卡中，如圖11所示，主要包括起始樁號，垂直定向、道路橫坡及偏移量。

圖11 機械控制系統數據轉換流程

4 施工工藝

4.1 工藝流程(圖12)

圖12 數字化施工流程示意

4.2 基站準備

在工地固定位置架設1套SPS881 GPS接收機作為基準站，為流動站和3D機械控制系統提供差分信號。現場校正 CPII083、CPII081、HD18三個控制點，CPII082－1作為校正后檢查點，校正完成后生成校正文件。流動站和安裝在機械上的GPS接收機通過校正文件就可以將GPS系統的WGS84坐標轉換成施工現場坐標，從而控制鏟刀達到厘米級精度。

4.3 攤鋪

攤鋪前，通過辦公軟件(SVO)對施工場地表面進行設計，確定場地內各點的三維坐標信息，這些信息將通過閃存卡下載到機載系統中，系統會將這些信息作為工作過程中的標準進行存儲。通過RTK技術，系統實時采集鏟刀三維坐標，并與工作前存儲的三維坐標數據進行比較，判斷自己所處的點高程是否符合工程設計要求，并且清楚地知道怎樣工作來達到這個要求，從而確保了整個場地的地形能夠按照設計者的要求進行精確的修整。

4.4 碾壓

為了和傳統施工方法檢驗的參數標準相匹配，首先需建立CCS 900系統的CMV參數與傳統監測結果的關系，步驟如下:(1)檢測傳統施工方法試驗段的道路碾壓是否達到符合設計;(2)將裝有天寶CCS 900系統的壓路機開到該路面上行進，以獲取相應的CMV范圍，將該范圍作為CCS 900系統在數字化施工工段進行碾壓的參考值。

天寶CCS 900系統將碾壓標準存入內存，碾壓過程中實時顯示碾壓次數、密實度信息;輸出數據與設計要求實時對比，生成圖形，及時發現不符合要求的區域進行補充碾壓，從而實現圖形化操作，確保精確壓實且不漏壓。

4.5 邊坡修整

施工中主要采用配備了天寶激光和傳感器顯示控制系統(GCS600 HEX)的挖掘機，進行實時路基坡度顯示控制操作。GCS600HEX系統著眼于過程控制，即實現顯示作業控制情況，擺脫了對機手經驗的束縛。施工前，將施工要求的深度和坡度輸入控制箱，機手便可根據可視化的參考線進行施工，這樣隨著作業的完畢，工程質量就達到了要求。

5 數據采集處理

數字化施工中推土機的GCS900系統和壓路機CCS900系統中，都配備有CB430控制箱，可以實時顯示數據和圖形。每完成一道工序后，利用 TrimbleSCS900系統采集地表數據，用于核算工程量、檢查表面坡度、平整度和厚度。GCS900中的CB430可以顯示挖填量、高程、偏移量等，CCS900中的CB430可以顯示碾壓次數、CMV及超壓欠壓區域。

6 結語

(1)采用RTK測量技術、通過3DGPS系統對路基施工的攤鋪厚度、平整度、邊坡坡度進行實時控制，確保了路基施工過程中幾何尺寸的控制精度。

(2)采用CCS900壓實系統對路基施工壓實度進行實時監測，為路基碾壓過程壓實度控制提供了參考。

(3)減少傳統施工中平地機整平施工環節，一定程度上提高了作業效率并降低了施工成本。

［1］鐵道部經濟規劃研究院.客運專線鐵路路基工程施工技術指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］中華人民共和國鐵道部.客運專線鐵路路基工程質量驗收暫行標準［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［3］劉基余，李征航.全球定位系統原理及其應用［M］.北京:測繪出版社，2004.

［4］胡伍生，高成發.GPS測量原理及其應用［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［5］國家測繪局.全球定位系統實時動態(RTK)測量技術規范［S］.北京:測繪出版社，2010.