3D自動化攤鋪系統在路面工程施工中的應用

內蒙古路橋集團有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010010

如今，針對部分無機結合料結構層以及瀝青混凝土下面層鋪筑，相關的工作人員通常采取走鋼絲引導高程的方式進行鋪設，而在鋪設期間，因為受到鋼絲繩自重下垂以及抄平放線等方面因素的干擾，導致高程放樣不精準，使得結構層厚度不勻稱，平整度變化明顯。3D攤鋪技術的應用可以相應地縮減輔助人員規模以及測量放線的準備時間，提升安全性，減少成本費用，提升攤鋪精度，保障質量。我國包茂高速公路包頭至東勝段改擴建工程在進行公路路面底基層以及基層攤鋪作業中采取3D攤鋪技術，提升了厚度均勻性和平整度合格率，提升路面一次合格的比率。

1 3D自動化攤鋪系統施工優勢

第一，傳統作業朝著數字化作業方向轉變。過去在進行工程設計的過程中，多采取CAD等軟件設計二維及三維工程，上述設計工作一般只停留在計算機或者圖紙上，很難將之付諸實際施工，導致設計和施工環節無法獲得有效連接，拉低了設計文檔應用的效率。3D自動化攤鋪系統中的軟件能夠有效地彌補上述問題，有機地結合了工程設計以及施工等環節。第二，數字化攤鋪施工的實現。該方法不要求人工搭設引導基準，而采取全站儀引導進行精確數字化作業。數字化攤鋪施工在保證攤鋪標高的過程中可以提升攤鋪面的平整程度，能夠提供較為完備的聯合施工預案。針對施工信息，相關的工作人員能夠經過統一平臺與施工方進行分享，由此實現協同運作的目標，提升整體的工作效率。第三，施工流程的嚴格化控制。相關的工作人員能夠對攤鋪面三維坐標信息進行實時化檢測，同時還能夠實時反饋施工質量，嚴格把控施工的各個環節，達到施工流程透明化的效果。施工人員可以實時了解該路面結構施工層狀況，在此期間還能夠呈現施工報告實時掌控施工的過程，將數字化模型納入機械控制，最終保證其能夠在一次施工中符合規范。

2 3D自動化攤鋪系統工藝原理

mmGPS 3D數字化攤鋪自動控制系統包括兩部分，即測量系統和攤鋪自動控制系統。在正式攤鋪之前，相關的工作人員需要依據設計規范將設計參數轉變成3D信息輸入系統。在攤鋪的過程中，依據提前輸入的設計指數、系統傳輸至測量系統的高程信號，通過一定信息處理后，在攤鋪期間嚴控攤鋪機牽引臂液壓油缸，實時調控熨平板的朝向和高度，使攤鋪路面的坡度和高程不斷變化，由此避免路面大幅度波動的問題，進而提升路面的平整度和攤鋪厚度。在此期間，系統全流程實時監測攤鋪系數、控制攤鋪效果，有助于工作人員在第一時間發現問題并進行反饋。

2.1 測量系統

測量系統由GNSS基準站、激光發射器以及mmGPS流動站組成，其工作過程如圖1所示。在運作期間，相關的工作人員把GNSS基準站安置于已知坐標點方位上，而基準站則采用無線電的形式，朝著周邊實時傳送RTK改正信息、差分信號，由此給機載設施以及檢測設施（即mmGPS流動站），從而帶來厘米級3D定位基準點。激光發射器利用發射1000r/min、360°旋轉、±5m的激光墻，朝著半徑為300m的流動站和車載激光接收裝置傳輸高程信息，帶來毫米級高程基準。除此之外，mmGPS流動站還能夠傳輸GPS衛星信號、GNSS基準站傳輸的差分信號以及激光發射器的高程數據，通過一定的處理，就能夠獲取平面厘米級和高程毫米級定位。mmGPS流動站常被用于檢測施工期間的攤鋪精度,然后再綜合之前輸入的設計信息，進一步解析當前實際路面攤鋪的質量情況。

圖1 GPS定位原理示意圖

2.2 攤鋪自動控制系統

攤鋪自動控制系統包括控制器、機載GNSS/激光接收器以及GNSS接收機。GNSS接收機示意圖如圖2所示。在攤鋪期間，機載GNSS/激光接收器能夠在同一時間內傳輸測量系統內激光發射器傳輸的激光信號和GNSS衛星信號，同時將信號傳輸至GNSS接收機，通過接收機信號轉換和數據處置后，獲取攤鋪機熨平板內平面及高程方位等信息，接著再將該信息傳輸到控制器，依據預先輸入的設計參數產出驅動調控信號，再經過液壓閥調控攤鋪機牽引臂液壓缸，進一步調控熨平板的朝向以及高程。除此之外，機載GNSS/激光接收器通常裝配在自動或手動可升降的支桿之上，同時可以和攤鋪機熨平板剛性連接。在安裝期間，相關的工作人員要對機載GNSS/激光接收器以及熨平板的方位信息進行精準化測量以及校準，進而通過幾何關系精準推算出熨平板底部的同步方位和高程。

圖2 GNSS接收機示意圖

3 3D自動化攤鋪機控制系統施工作業流程

3.1 施工準備工作

（1）攤鋪數據準備工作。內業數據準備工作就是指將傳統的項目施工設計數據和圖紙整合在一起，搭建三維數字模型，即通過3D攤鋪系統配套的一系列軟件將原本的項目二維設計藍圖轉變為器械設施、測量設施可以自動識別的三維電子設計圖。

（2）施工現場準備。在實際施工之前，相關的工作人員需要連接3D自動化控制系統中的各項元部件，使其順利工作，確保下承層通過核查過關，同時保證現場各施工設施、工作人員根據規范到場，各作業設施、儀器試運作順暢。施工現場準備工作主要包括以下幾個環節：①安裝并調控系統。先要保證攤鋪機器械、電器、液壓系統契合設施出廠的標準，同時還需要將系統安置于相對平整的場地，周邊要提供配合輔助設施。②相關的工作人員要在現場加密測量控制點，核查控制點精度。③設計鋪筑段數據。測量人員應提供線路設計水平定線參數、線路設計垂直定線參數、線路設計標準橫斷面圖、線路設計逐樁坐標等數據信息。

3.2 施工攤鋪階段

（1）攤鋪前，需要及時和現場施工負責人對接，確定攤鋪機運作方向，和現場測量工作人員明確鋪筑段的松鋪參數。（2）合理選取全站儀架設方位，同時要仔細核查攤鋪鋪筑段原地面平整度，現場施工管理者要及時配合管控現場行駛的交通工具，在第一時間調度輔助施工人員，避免產生遮擋儀器的不良問題。（3）實現系統精準配置，進一步簡化施工流程，由此縮減施工周期，并減少人力資源的投入，提升工作效率。（4）攤鋪的實時測量檢測，依據實時測量信息，3D自動攤鋪系統可以進一步調控攤鋪厚度、坡度以及實際朝向。（5）確保全自動3D控制精確，減少人為性誤差，嚴格控制好各個攤鋪層的攤鋪實際標高、厚度以及坡度。

3.3 攤鋪數據采集分析存檔

首先，合理分析攤鋪測量數據。相關的工作人員要依據現場采集數據進行分析，在利用3D自動化攤控制系統進行施工的過程中，不管是壓實還是松鋪檢測，其攤鋪標高和設計標高偏差要控制在10mm以下，而且要確保設備運作平穩，3D自動化攤鋪控制系統的測量、施工精度完全契合施工技術規范標準。其次，相關的工作人員要完成數據存檔工作。搭建數據庫，根據實際情況以及規范儲存測量數據，接著再向業務部門提供細分化的存檔數據。

4 結束語

綜上所述，3D攤鋪能夠實時獲取攤鋪效果反饋，而且能夠進一步提升攤鋪控制精度，在施工期間，激光系統控制高程精準，GPS系統控制方位以及朝向，攤鋪厚度較為勻稱，平整度俱佳，成型后的底基層、基層厚度、平整度等要素均符合設計標準。在此次工程實踐中，上述方法在開展路面底基層、基層攤鋪等工作中發揮著不可替代的作用，經濟及社會效益顯著，應用前景樂觀，獲得了諸多業主的認可。隨著現代化施工的要求趨于精細化和數字化，挖掘機、推土機等設施的控制系統也會獲得普遍應用。