基于3D技術的路基整平和路面攤鋪協同控制技術的研究

曹 妍，孫明祥，王芮文

(1.江蘇省交通技師學院，江蘇 鎮江 212000；2.江蘇省交通工程集團有限公司，江蘇 鎮江 212000；3.江蘇森淼工程質量檢測有限公司，江蘇 鎮江 212006)

0 前 言

隨著公路基礎設施投資的加大，公路橋梁的建設速度也不斷加快，同時，建設質量不斷提高，對建設管理精細化要求也提到日程，特別是自2016年以來，交通運輸部品質工程的推進，對基層的技術創新、新設備的應用的促進作用更加凸顯。2015年年底開始，交通運輸部就提出建設公路基礎設施品質工程的質量提升活動，2017年，江蘇省交通運輸廳根據交通運輸部的要求，逐步推出建設品質工程的各項舉措，其中一項就是要推進施工智能化和數字化。近年來，我省高速公路建設在智能化和數字化建設方面做了很多創新與研究，在工程質量改善方面起到了良好的推動作用。

3D技術是本世紀初由國外引入到國內的自動化、智能化的施工技術之一。自2017年以來，國內的研究應用逐步展開。溧高高速公路在施工中，采用了3D路基整平和路面攤鋪技術，其對于路基路面的平整度、橫坡度以及路面的厚度、高程等都有非常大的質量提升。特別是由于這些指標的提升，給路基路面協同工作性創造了條件。

溧高高速公路作為重點高速公路項目，在路基施工新機械設備的應用方面都走到了全省的前列。近3D的使用后，發現路基頂面高程和路面設計高程合格率創江蘇新高，路基與水穩、水穩與路面協同工作模型模擬后發現其耐久性指標大大提升，證明這一技術是有效提高質量的途徑。

1 國內外研究現狀

1.1 路基3D整平和路面攤鋪工藝控制系統原理

路基3D整平技術和3D路面攤鋪技術是近兩年剛剛開始興起的路基施工和路面攤鋪工藝。在國外，最早的研究見于2008年，國內使用最早可以追溯到2018年，主要使用部位為路面結構層。

3D攤鋪自動控制系統主要由測量機器人、攤鋪自動控制系統和攤鋪機車身姿態控制系統組成。系統工作時，機械控制測量機器人(測量機器人通過后方交會獲得自身位置信息)將捕獲安裝在攤鋪機大臂兩側桅桿上的360°棱鏡的三維坐標數據，通過3D攤鋪機系統的數傳電臺實時將測量的棱鏡三維坐標數據傳輸給攤鋪自動控制系統的控制箱中，控制箱將獲得的當前坐標信息與施工的設計三維數據進行計算，生成相應的坡度和高程修正信息數據并傳輸給攤鋪機左右兩側邊控箱，這時再由邊控箱對應生成相應的比例驅動信號，通過攤鋪機液壓閥驅動牽引臂液壓油缸使熨平板進行相應方向的調整和修正，從而使攤鋪道面產生坡度和高程變化，彌補路面波動，實現所要求的路面平整度和高程。在具體施工過程中為實現道面攤鋪的精確控制要求，另一臺檢測測量機器人一直處于監測道面攤鋪狀況，真正實現過程控制施工，滿足攤鋪設計要求；同時當原始地面出現坑洼導致攤鋪機車身發生傾斜時，安裝在桅桿上的傾角傳感器實時的對車身的姿態進行校正，使攤鋪機車身的姿態始終與設計面相吻合，進而確保系統穩定性，真正實現精準攤鋪。

1.2 技術指標和精度研究

以徠卡iCON iCR80為例，它是徠卡測量全新一代面向機械控制的自動全站儀，可以幫助您靈活、簡單、精確的完成工程施工。無論是其獨特的智能設站流程，還是行業領先的棱鏡鎖定技術，以及施工現場3D設計模型的靈活應用，徠卡iCON iCR80都能為您呈現“一機在手，應用無憂”的全新機械控制應用體驗，高精度、高效率的為您提供貼合機械控制施工的測量方案。遠程連接徠卡ConX智能施工管理平臺，更能滿足您全新的智能化、數字化全流程施工需求。

1.3 路基路面3D系統優勢和精度指標

測量機器人的測角精度有1″和2″兩種，高精度測量，保證施工質量，避免返工；控制面板采用圖標式、向導式的符合機械控制習慣的機械控制測量軟件，降低對操作人員的專業性要求，提高操作人員的工作效率；簡單易用、功能強大的機械控制測量可用于iCR80 mC版、也可以用于GPS70和CC66/80手簿，統一的用戶界面，節省您培訓時間，簡單學習，高效使用；3D超級搜索、智能設站、框體搜索、棱鏡捕捉等功能提供了優秀的機械控制應用體驗，解放勞動力；支持接入3D系統遠程智能施工管理平臺Leica ConX，實現遠程軟件升級、文件實時共享和遠程技術支持，帶給您全新的數字化施工管理體驗；3D優秀品質，堅固耐用，滿足野外復雜施工環境要求，使設備利用率最大化，一次投入，長期受益。

2 路基路面3D攤鋪控制系統方案組成

2.1 單機攤鋪控制系統配置說明

徠卡3D攤鋪控制系統方案是由車載控制系統+車身姿態控制系統、ICR80測量機器人和數據處理軟件+加密盤組成。

2.2 架設與基站

路基路面3D施工系統還可以通過基站與全球衛星定位系統建立連接，以精確進行定位。

3 路基路面施工需要3D解決的技術問題

3.1 路基路面協同工作出現的問題

目前路基路面施工過程中，一些涉及到強度、穩定性的質量指標已經初步得到解決，比如，路基、路面壓實度合格率偏低的問題、水泥穩定碎石強度問題等，通過管理和技術手段得到一定解決。但是，在高速公路施工中仍然有一些質量參數難以滿足技術要求，因而產生一些質量隱患。

(1)路基路面的平整度影響。首先，平整度好的路面行車更加安全舒適。其次，無論是上層還是下層路基路面，表面平整度對于路基路面排水也是有利條件之一。下層平整度不好，會使層間水滯留，上層平整度不好，會使路面局部積水，影響行車安全。另外，下層的路基路面的平整會利于上層厚度控制。

(2)路基路面縱橫坡度影響。路面縱橫坡度越符合設計圖紙，縱斷線形越美觀并利于路基和路面的排水。

(3)縱斷高程的影響。在公路建設中，由于施工機械的精準度不高，路基路面高程合格率不高，這樣會導致路橋銜接過程中高程和厚度控制的矛盾以及路基路面整體縱斷線形與設計不符。

(4)填筑層厚度控制的影響。填筑層厚度直接影響路基路面質量，路基路面分層厚度控制不均勻，會導致路面的早期破壞。

為了解決路面層次以上問題，3D攤鋪技術在我國得到嘗試應用。我省高速公路首次3D應用在溧高高速公路和常宜高速公路，通過省內外多條高速公路應用數據進行分析，認為，3D攤鋪是解決以上現實質量問題的有效途徑。但是在底基層施工中，存在仍然存厚度控制不均勻、高程和厚度控制之間的矛盾等問題。為了徹底解決這些問題，本研究嘗試采用3D整平技術控制路基頂面質量參數而采用3D攤鋪技術控制路面底基層、基層和面層質量參數，并且研究采用3D工藝和不采用3D工藝，對于路基路面層次間協同工作機理和整體質量以及耐久性綜合影響區別。

3.2 協同工作中3D應用意義

通過路基頂面3D平地與路面3D攤鋪協同控制技術應用，可以達到以下效果。

(1)從根本上解決路基質量參數對路面質量的絕對影響。對以往的3D攤鋪工藝研究，初步得到以下結論：平整度合格率提高30%；橫坡度合格率提高30%；高程合格率提高15%；厚度合格率提高15%。采用過程能力指數分析分層檢測數據表現，已經基本肯定了上述數據參數合格率和過程指標的主要影響因素來自下一層的數據參數。因此可以推斷，如果路基頂面采用3D整平技術，可以從根本上解決路面各層次的高程不符合設計要求、厚度不均勻、縱坡不順適等問題，實現路基路面各層施工的協同控制。

(2)精益和精準施工的需要。常規的施工工藝控制的是常規技術下質量盡量滿足標準和規范的要求，常規技術下，合格率低甚至不合格現象屢屢發生，因此，工作的重點是消除不合格且使合格率提高。在采用3D平地和攤鋪技術后，合格率的大幅度提升，在這種合格率下，3D應用解決的已經不是合格率問題，而把質量控制引入到精益生產領域，讓質量參數與設計完全契合，實現工程質量控制手段的革命性改變。

(3)路基路面結構層耐久性需要。路基路面各結構層是協同工作的，其強度和穩定性直接影響到公路使用性能和使用壽命。層間結合面平整和層厚控制均勻是耐久性的基本保障。路基路面分層施工后不平整的層間結合面會使水氣分布更為不均勻，且難以消散。試驗證明，在土路基間的結合面，其含水量高于層內含水量的30%。在瀝青路面水損壞研究中，由于層間水引起的病害高達85%以上。路基路面分層厚度均勻性直接影響路基路面的應力應變狀況。路基、路面的各層間是協同工作的，在厚度均勻一致的各結構層，其協同受力達到最佳組合，厚度不均勻的結構層，相鄰層次的變形會有差距，造成路基路面的疲勞破壞。

綜上，基于3D技術進行路基路面施工協同控制對保證工程質量、延長使用壽命、提升公路服務水平具有重要意義。

4 溧高高速公路路基路面協同工作后的質量參數提升情況

4.1 各項指標的合格率提升

對溧高高速公路基合格率情況進行分析，并將與全省平均水平比較。路基高程合格率提升79%、路基頂面平整度提升81%，路基橫坡度提升66%。

對溧高高速公路路面基層合格率情況進行分析，并將與全省平均水平比較。基層高程合格率提升62%、基層頂面平整度提升65%，路基橫坡度提升33%，厚度合格率提升90%。

對溧高高速公路路面面層合格率情況進行分析，并將與全省平均水平比較。面層高程合格率提升52%、路面頂面平整度提升35%，路面橫坡度提升19%，厚度合格率提升17%。

4.2 協同工作性能的研究

由于橫坡度、平整度提升，增加了層間的致密性，經模擬試驗，層間積水率降低78%。

5 結論及后續展望

3D路基路面施工技術是一次革命性的施工技術和工藝變革，通過路基路面的協同應用，提高了檢測指標的合格率，公路工程施工質量得以進一步提升。