數(shù)字化技術(shù)在高速公路施工中的應(yīng)用探索
——以山西太原某高速公路項(xiàng)目為例

蘇晉東

(山西路橋第一工程有限公司，山西 太原 030006)

1 數(shù)字化技術(shù)概述

數(shù)字化技術(shù)作為智能技術(shù)的基礎(chǔ)，主要包含了應(yīng)用軟件、系統(tǒng)軟件等。針對(duì)信號(hào)處理中的數(shù)字濾波、加密、編碼等，都需要借助數(shù)字化來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖像數(shù)據(jù)量較大，數(shù)字化之后可方便存儲(chǔ)[1]。針對(duì)數(shù)字化技術(shù)的實(shí)施，其主要的特點(diǎn)在于：①數(shù)字信號(hào)需要大規(guī)模集成電路，同時(shí)需要借助計(jì)算機(jī)來(lái)獲取對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，這樣可以滿足數(shù)字特技以及圖像處理；②數(shù)字信號(hào)就是加工信號(hào)，加工對(duì)于存在雜波并且容易出現(xiàn)失真的外部環(huán)境具有較高的穩(wěn)定性，這樣也可以滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊螅虎蹟?shù)字信號(hào)處理電路相對(duì)簡(jiǎn)單，沒有傳統(tǒng)模擬電路之中的各種調(diào)整，所以其電路工作相對(duì)穩(wěn)定，技術(shù)人員就能提高節(jié)能工作量。

2 山西太原某高速公路項(xiàng)目數(shù)字化施工應(yīng)用

2.1 工程現(xiàn)狀

山西省太原市某高速公路項(xiàng)目地處太原東二環(huán)高速公路的凌井店至龍白段(即東二環(huán)高速)現(xiàn)已全線開工建設(shè)，預(yù)計(jì)2020年內(nèi)建成通車。

該項(xiàng)目路線總體為南北走向，途經(jīng)太原市陽(yáng)曲縣、晉中市壽陽(yáng)縣、榆次區(qū)共2市3縣27個(gè)自然村，路線全長(zhǎng)33.199 km，雙向六車道，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h。在起終點(diǎn)處，分別與京昆、青銀兩條國(guó)家高速公路交叉，其中，起點(diǎn)北接規(guī)劃中的某一條高速公路，并與另一條高速公路十字交叉；終點(diǎn)南接某高速公路，還與一條高速公路十字交叉。

隨著近年來(lái)施工工藝要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的管理方式和施工控制方式對(duì)于施工質(zhì)量的把控和施工進(jìn)度的提高已經(jīng)顯得捉襟見肘，傳統(tǒng)的管理手段存在很大的不確定性，體現(xiàn)如下：①軟基處理問(wèn)題，主要為檢測(cè)不全面、全天候監(jiān)測(cè)不到位、監(jiān)測(cè)指標(biāo)無(wú)法量化、計(jì)量方式精度低、施工數(shù)據(jù)報(bào)告滯后；②路基填筑問(wèn)題，傳統(tǒng)施工運(yùn)用推土機(jī)粗平、平地機(jī)精平的施工工藝完成整平作業(yè)；③刷坡難度大，傳統(tǒng)施工采用挖機(jī)粗略刷坡，人工精準(zhǔn)修整的方式進(jìn)行刷坡作業(yè)；④成本、質(zhì)量控制問(wèn)題，其主要表現(xiàn)在成本逐年攀升、質(zhì)量無(wú)法精準(zhǔn)控制、管理及組織方法不完善[2]。

2.2 項(xiàng)目應(yīng)用情況

為有效解決該項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的難點(diǎn)問(wèn)題，其項(xiàng)目部特引進(jìn)三套數(shù)字化施工系統(tǒng)如下。

1)北斗TX63挖掘機(jī)無(wú)樁化施工引導(dǎo)系統(tǒng)，主要針對(duì)道路施工中的邊坡修整難點(diǎn)問(wèn)題，在該項(xiàng)目的施工過(guò)程中存在著大量的邊坡工程，邊坡施工的精度要求是5～10 cm，對(duì)挖掘機(jī)操作手的要求非常高。傳統(tǒng)邊坡施工需要經(jīng)驗(yàn)豐富的挖掘機(jī)操作手1名、引導(dǎo)員1名、打樁放樣人員2名、檢核測(cè)量人員1～2名，并且需要前期大量的計(jì)算、打樁放樣的工作[3]。

應(yīng)用TX63系統(tǒng)后，只需前期制作好電子數(shù)據(jù)，導(dǎo)入系統(tǒng)中。施工過(guò)程中可節(jié)省1名引導(dǎo)人員，配套使用LS7道路放檢系統(tǒng)，可再節(jié)省1名檢核測(cè)量人員，精度可控制在2～3 cm，且能夠解決夜晚不可施工的問(wèn)題，有效地降低了安全風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度，工作效率大大提升。圖1為現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)例。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖

2)北斗T-D63推土機(jī)無(wú)樁化施工引導(dǎo)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱TD63系統(tǒng))，主要針對(duì)道路施工中的路基整平難點(diǎn)問(wèn)題。在道路施工過(guò)程中存在大量需填挖方的路段，填挖方的平整度直接影響了后續(xù)工作，如壓實(shí)、攤鋪的開展。傳統(tǒng)的路基整平施工中，進(jìn)行清表后，首先要進(jìn)行打樁定線，定出路基高程，后用推土機(jī)進(jìn)行初步推平，再由平地機(jī)進(jìn)行高程精度控制，工序較為繁瑣，人員、工時(shí)投入量大。

在該項(xiàng)目中應(yīng)用TD63系統(tǒng)后，只需前期制作好電子數(shù)據(jù)，導(dǎo)入系統(tǒng)中。精度可直接控制到2～3 cm，完全免除了平地機(jī)的工作，且無(wú)需前期打樁放樣。只需1名推土機(jī)駕駛員、1名測(cè)量檢核人員即可完成路基整平工作，大大減少了人員和時(shí)間的投入，提升了整體的施工效率和施工質(zhì)量。同時(shí)，施工時(shí)長(zhǎng)不再受夜晚光線影響，可真正做到24 h施工[4]。圖2為現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)例。

圖2 安裝示意圖

3)北斗TC63路基連續(xù)壓實(shí)管理系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱TC63系統(tǒng))，主要針對(duì)道路施工中的路基壓實(shí)管控難點(diǎn)問(wèn)題。傳統(tǒng)道路施工中的壓實(shí)環(huán)節(jié)一直面臨著檢測(cè)不全面、難以溯源、難以控制施工過(guò)程、施工報(bào)告滯后、全天候監(jiān)測(cè)不到位等問(wèn)題，由此帶來(lái)的人力、時(shí)間成本的投入居高不下。

應(yīng)用TC63系統(tǒng)后，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的施工質(zhì)量管控，將傳統(tǒng)的結(jié)果控制轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)時(shí)過(guò)程控制，施工成果可溯源。平臺(tái)和客戶端實(shí)時(shí)輸出壓實(shí)軌跡、厚度、速度和壓實(shí)遍數(shù)等壓實(shí)數(shù)據(jù)參數(shù)，引導(dǎo)壓實(shí)作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)壓實(shí)不合格區(qū)域，保證壓實(shí)質(zhì)量均勻性、提高檢測(cè)合格率，縮短檢測(cè)周期。

硬件設(shè)備安裝完成后，只需在電腦上安裝客戶端軟件即可通過(guò)后臺(tái)搭建的信息化管理平臺(tái)了解到現(xiàn)場(chǎng)工作的各項(xiàng)信息。客戶端界面展示見圖3。

圖3 客戶端界面展示

界面中可實(shí)時(shí)顯示壓路機(jī)的位置、工作速度、碾壓遍數(shù)等信息，并可進(jìn)行歷史回放。通過(guò)顏色的差異可直觀了解到壓路機(jī)的工作狀況，能夠及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)于降低返工風(fēng)險(xiǎn)，有著很大的意義。

后臺(tái)也可直接生成施工報(bào)告，總結(jié)一段時(shí)間內(nèi)的工作情況，對(duì)施工決策有著很大的指導(dǎo)意義。此平臺(tái)后期還可集成到路面信息化平臺(tái)中，支持多臺(tái)壓路機(jī)在線。

2.3 效益分析(以TX63系統(tǒng)為例)

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況與傳統(tǒng)施工的施工方法、人員、效率、費(fèi)用、精度上進(jìn)行了對(duì)比。

傳統(tǒng)施工中，挖掘機(jī)在粗略削坡時(shí)，需要 測(cè)量人員用測(cè)量?jī)x器引導(dǎo)挖機(jī)進(jìn)行工作，粗略削坡結(jié)束后，測(cè)量人員開始打標(biāo)準(zhǔn)樁，然后在標(biāo)準(zhǔn)樁上拉一個(gè)坡度標(biāo)準(zhǔn)線，然后由人工根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)線進(jìn)行精準(zhǔn)的修整坡度。最后，再由測(cè)量人員抽樣檢查坡度是否合格。

應(yīng)用TX63系統(tǒng)后，由 GPS 基準(zhǔn)站和挖掘機(jī)安裝部件組成，系統(tǒng)工作時(shí)，安裝在挖掘機(jī)機(jī)身的GPS接收機(jī)和數(shù)傳電臺(tái)通過(guò)接收GPS信號(hào)和基站發(fā)送的差分信號(hào)獲得挖掘機(jī)實(shí)時(shí)的三維位置，然后通過(guò)安裝在挖掘機(jī)大、小臂和回轉(zhuǎn)上的傳感器位置實(shí)時(shí)計(jì)算出挖掘機(jī)鏟斗精確的 三維坐標(biāo)，并將坐標(biāo)信息傳到安裝在駕駛室里的控制箱，系統(tǒng)通過(guò)比較數(shù)字化三維設(shè)計(jì)基準(zhǔn)模型與當(dāng)前鏟斗所處位置信息，以機(jī)器模擬圖形、數(shù)值和聲音信號(hào)等多種方式指示實(shí)際鏟斗與目標(biāo)工作面的相對(duì)位置，引導(dǎo)操作手精確施工。在傳統(tǒng)施工工藝的基礎(chǔ)上，TX63更加方便、快捷。

3 結(jié)束語(yǔ)

高速公路施工屬于高度動(dòng)態(tài)的過(guò)程，施工過(guò)程和施工管理都十分復(fù)雜，借助先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)和手段提升施工效率、施工質(zhì)量是高速公路建設(shè)者的共同追求。作為在山西應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)的重要項(xiàng)目，某高速公路項(xiàng)目在施工中引入數(shù)字化技術(shù)，使用多種數(shù)字化系統(tǒng)，徹底改變了傳統(tǒng)的施工方式和手段，在施工效率、精度控制以及綜合效益等方面和傳統(tǒng)施工模式相比均有不同程度的提升，是未來(lái)優(yōu)化高速公路施工技術(shù)的主要發(fā)展方向，真正實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)施工方式到數(shù)字化施工的轉(zhuǎn)變。隨著現(xiàn)代高速公路要求施工逐步走向精細(xì)化，數(shù)字化施工及其控制系統(tǒng)在高速公路施工中的應(yīng)用必然會(huì)越來(lái)越頻繁，努力打造數(shù)字工程和智慧工程。當(dāng)然，數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用是一項(xiàng)長(zhǎng)期性的艱巨任務(wù)，今后在高速公路施工中應(yīng)持續(xù)完善并優(yōu)化數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，確保能為交通建設(shè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

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