3D 智能數字化攤鋪技術在溧高高速公路路面施工中的應用

顧江鳴，鄒文軍，白偉華，王芮文

（1.常州交通建設管理有限公司，江蘇 常州 213000；2.中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 710016；3.江蘇森淼工程質量檢測有限公司，江蘇 鎮江 212000）

0 引言

溧高高速公路是連接常州的溧陽市和南京的高淳區，是江蘇省南部地區的一條東西運輸通道，屬于江蘇省重點工程項目。溧高常州段路面標全標段跨越南渡和上興兩鎮，起點樁號為 K0+730.414，終點樁號為K17+389.172，道路全長 16.7 km，溧高常州段有湯橋互通一座，丁村服務區一處。路面基層為水泥穩定碎石，厚度 38 cm。面層共分 3 個層次，溧高高速公路南京段除路面上面層外，其他各層次均采用 3D 智能攤鋪技術，而常州溧陽段，則采用傳統的基準線法施工方式。

1 3D 智能攤鋪技術應用概況

3D 即“Three Dimensions”，泛指空間的三個維度，在 3D 攤鋪中，主要是指高程、厚度和寬度等 3 個方向。3D 數字化智能控制技術（以下簡稱“3D 技術”）就是經過數據采錄擬合建模、現場三維空間定位、自動施工控制 3 個步驟來實現施工自動化、智能化、精準化。

3D 數字化智能控制施工技術主要由測量機器人（ICR 80 智能型高精度 1″全站儀）基準站和路面攤鋪全自動監控部件和程序體系組成。在采用 3D 攤鋪施工時，自動監控的部件以及程序系統會對智能高精度機器人發出指令，機器人通過后方交會法確定攤鋪機的精確位置，通過攤鋪機踏板上固定的 360°棱鏡獲得坐標；接著再利用系列程序系統的數據傳輸功能將電臺實時獲取的三維坐標數據以電信號的方式傳輸給攤鋪控制器中的控制計算機的接收系統中；隨后控制計算機的接收系統再經復雜的計算，建立模型，再把即刻坐標與建立好的模型中的數據比對、分析及反饋，給出與模型中相契合的高程信息，同時對給出的數據進行修偏和訂正，接著對此信息數據通過計算機系統程序的模擬，再將其反饋給攤鋪機的找平控制器［1］。當施工正在進行的時候，為了能夠使輸出的數據精確、攤鋪的路面數據精準，其中的一臺測量機器人必須始終對攤鋪的具體情況進行監測，在過程中進行質量控制，使各項控制參數全部滿足設計要求。同時當原始地面出現坑洼導致攤鋪機車身發生傾斜時，系統安裝在桅桿上的傾角傳感器實時地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。

3D 攤鋪監控和調整體系通常是由空間三維位置確定體系、安裝在攤鋪機上的電腦控制體系以及軟件、程序等 3 部分組成。

2 3D 數字化智能攤鋪系統的應用

3D 數字化智能攤鋪系統在應用時，應根據工程的實際情況，按以下步驟進行。

2.1 數字建模

3D 技術目前在國外處于推廣應用階段，主要在鐵路、道路、機場、大壩、河道、礦山、垃圾填埋、港口、城市建設等領域得到了應用，為施工單位提供完整的聯合施工解決方案。在江蘇高速公路施工中，溧高高速常州段路面標率先在水穩底基層、基層和路面下中面層使用該 3D 攤鋪技術。

較傳統施工技術相比而言，實現了真正的數字化施工，不需要現場放樁、測量鋼釬標高等，3D 技術是通過三維建模將道路設計線導入 3D 控制系統來實現精準化施工。

數字建模是指將測量好的實測高程數據、設計路面厚度、設計高程以及樁號等參數輸入到 3D 攤鋪軟件，3D 攤鋪軟件會根據設計數據對擬攤鋪的路段高程進行擬合建模。

道路設計數據生成后，施工前可以對施工模型進行檢查，查看施工模型是否有異常凸起和下凹現象，同時也可以檢查結構層厚度，在平整度、橫坡度不受影響的前提下進行調整，保證結構層厚度，避免因設計數據異常導致的道路攤鋪問題。

數據建模完成后，系統會對單點數據從“點”“線”面”進行整合，形成一個平滑的施工面，使 3D 數字化智能控制施工技術在施工過程中改變了傳統工藝對“點”的控制從而實現了對“面”的控制，使其控制精度、廣度有了很大的提升。

2.2 智能攤鋪作業

把三維模型導入到 3D 數字化智能控制體系中，在施工時，該體系通過自動修偏和控制，實現對高程的精準控制，與傳統施工不同，不需要采用基準線法找平，這樣，就避免了人員和設備對工程質量帶來的影響，特別是能夠完整地反應傳統施工不能夠解決的曲線的彎曲度，且正確地反應橫坡度，對攤鋪線性控制更平順。

2.3 施工過程控制

1）質量控制。過程控制是質量控制的重要環節，在路面施工中，3D 技術可以實時采集、傳輸、反饋和控制三維坐標信息，做到了過程控制理念［2］，相對于傳統的基準線法在質量控制方面更加有效。

2）人員減少。使用 3D 數字化智能控制體系，能夠相對減少施工操作工和輔助工，減少了人員以及勞動強度；在安全管理方面，真正做到現場整齊美觀，保證了操作工人和設備的安全高效。

3）成本控制。使用 3D 數字化智能控制體系，施工中，只需對原始下承層的固定高程點進行測量，不需要打測樁，在施工過程中，也不需要人為控制高程。在工期緊張的情況下，還可以全天候地施工，減少人員、連續不間斷施工，設備的使用效率得以提高，降低油耗、縮短工期、節約物料等。

3 3D 數字化智能攤鋪技術應用效果

3.1 成本降低

3D 智能攤鋪技術應用在成本控制方面遠比傳統的基準線法要節省。與基準線法相比，可以少投入 9～10 人，按人工工資每月 6 000 元計算，總共節省 6 萬元以上。其中用 3 萬元支付設備租賃費，還剩余 3 萬元，每年可以節省成本 36 萬元。

3.2 安全得到保障

3D 攤鋪施工相對于傳統攤鋪來說需要輔助人員較少，尤其是測量放線、架設鋼絲導向線及鋼梁的人員可以省去，而且這些工序中存在著很大的安全隱患。

傳統攤鋪施工需要大量輔助人員，與施工機械存在不可避免的交叉作業，埋下很大的安全隱患。

3.3 路面基層檢測數據情況

在 3D 智能攤鋪路段和普通基準線法施工的路段分別測量高程、橫坡度、平整度和厚度，得到圖 1～7。

圖1 3D 攤鋪高差情況（單位：mm）

圖2 基準線法攤鋪高差情況（單位：mm）

圖3 3D 攤鋪橫坡度檢測情況

圖4 傳統基準線法攤鋪橫坡度檢測情況

圖5 基準線法攤鋪和 3D 攤鋪的平整度檢測情況（單位：mm）

圖6 3D 攤鋪的厚度檢測情況（單位：mm）

圖7 基準線法攤鋪的厚度檢測情況（單位：mm）

比較圖 1 和圖 2 可以看出，在高差的控制方面，傳統的基準線法高差控制波動［3］較大，這主要是由于在施工過程中，基準線擾動較大，而 3D 攤鋪則避免了這種情況。

對比圖 3 和圖 4，傳統的基準線法施工的橫坡度檢測數據波動大，說明整個路段橫坡度控制不好，而 3D 攤鋪橫坡度有序波動，標準差小［4］。

在圖 5 中，3D 施工的平整度遠遠優于傳統基準線法施工，這也可以從高差和橫坡度控制方面看出這個結論。

對比圖 6 和圖 7，在厚度控制方面，3D 攤鋪厚度控制明顯優于傳統基準線法。

綜上比較發現，無論從高差、橫坡度、平整度和厚度方面比較，3D 攤鋪較傳統的基準線法具有明顯優勢，再次證明 3D 技術是革命性的施工技術變革。

從上述圖形對比中，發現較傳統的施工方法，高程的合格率提升了 79 %，橫坡度的合格率提升了 21 %，平整度的合格率提升了 57 %，厚度的合格率提升了 33 %，達到了品質工程的要求。

4 結語

為了解決路面施工中高程控制、平整度控制、橫坡度控制和厚度控制中的質量通病，溧高高速公路采用了3D 數字化智能攤鋪解決方案，通過建模、控制和檢測程序實現對路面攤鋪參數的精準控制，并通過與傳統的基準線法對比，發現路面參數的合格率指標明顯提升，質量控制優良。

3D 智能攤鋪工藝屬于精細化、精準化施工工藝，對品質工程的創建有非常大的促進作用，特別是在實現智能化施工方面，3D 技術是一項非常值得推廣的應用技術，它可以對工程質量的提升起到明顯的推動作用。

3D 智能系統屬于數字化施工范疇，它必將成為公路工程建設中的提升質量的利器，為施工的精準、精確控制提供了一套優良的工程解決方案。通過這一技術的應用，可以將施工過程中各個質量參數通過平臺有機地聯系起來，并通過云存儲，隨時調閱有關數據，實現工作中相關各方的協同管理控制，工作的方便性效率性顯著提高。3D 智能攤鋪系統由于取代了傳統工藝中人為操作中的各種可能產生質量問題的各個環節，從而減小操作中的偏差。3D 數字化智能控制施工技術未來在中國一定會得到廣泛的應用推廣，并且在功能方面會延伸到整個項目的技術、質量、成本、進度、安全等綜合管控中去，實現施工全部智能化。在管理范圍方面，盡可能地利用存儲的信息情況，隨時隨地、精準無誤、急速處理等優勢，解決施工中存在的各類問題。盡可能地消除傳統施工工藝中存在的工、料、機等劣質質量成本，節約建設資金，增大經濟和社會效益，實現全智能和數字施工。

因試驗條件和時間限制，本研究中還存在諸多不足，需要在以下方面對路面 3D 技術應用予以更加廣泛地研究。

1）3D 技術可以進一步加強對攤鋪機的控制，如：攤鋪速度、進料速度、夯錘振搗頻率、補料螺旋轉速、混合料用量等，可以實現真正的無人駕駛攤鋪。

2）3D 技術可以應用到碾壓上，可根據攤鋪的厚度、速度，智能化調節碾壓參數，可以把攤鋪機與壓路機聯系起來，實現攤鋪、碾壓一體化控制。

3）3D 技術可以應用到拌合場，通過無線通信技術與前場聯系起來，前后場可以實現無障礙溝通，前后場可以根據實際情況進行調整，以達到最佳施工效果。

4）隨著 5G 技術的發展應用，3D 技術也可以與無線通信技術、大數據平臺對接，實現整個項目的智能化控制。Q