瀝青路面3D智能攤鋪施工技術(shù)探討

廖 波

（貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

傳統(tǒng)的攤鋪技術(shù)前期施工準(zhǔn)備工序繁多，如路面攤鋪前，要對(duì)導(dǎo)線中線水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)、對(duì)斷面進(jìn)行檢查與補(bǔ)測(cè)，打樁安裝鋼絲導(dǎo)線作為引導(dǎo)高程控制，這些工作均需要人工來完成，而且人為誤差、鋼絲撓度、機(jī)械振動(dòng)等都會(huì)對(duì)路面施工精度產(chǎn)生影響，不僅會(huì)使施工質(zhì)量達(dá)不到要求，還會(huì)造成材料浪費(fèi)[1]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，瀝青路面攤鋪施工技術(shù)也在不斷改進(jìn)，為提升路面施工質(zhì)量，施工企業(yè)在三新技術(shù)上（新技術(shù)、新工藝、新材料）不斷加大人力、物力和財(cái)力的投入。該文主要介紹一種將道路設(shè)計(jì)、測(cè)量、攤鋪施工等關(guān)鍵環(huán)節(jié)綜合考慮、同步進(jìn)行的3D 智能瀝青路面攤鋪技術(shù)。目前，3D 智能攤鋪施工技術(shù)在路面攤鋪中應(yīng)用廣泛。

3D 智能攤鋪技術(shù)最早應(yīng)用于建筑領(lǐng)域中，后隨著施工技術(shù)日益成熟延伸到路面攤鋪中，并由此產(chǎn)生了一系列智能攤鋪技術(shù)。與傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)相比，3D 智能攤鋪技術(shù)不需要拉線、放樣，大幅節(jié)省了人力、物力成本，減少了人為測(cè)量誤差，提高了路面攤鋪的精度。利用智能攤鋪系統(tǒng)控制攤鋪精度，有效解決了傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)中因高溫、振動(dòng)等因素導(dǎo)致實(shí)際坡度存在的誤差問題，同時(shí)節(jié)約人工成本，提高施工效率[2]，但3D 智能攤鋪技術(shù)受外界因素干擾存在局限性。因此，該文針對(duì)瀝青路面3D智能攤鋪施工技術(shù)進(jìn)行以下探討。

1 技術(shù)原理

基于Topcon-mmGPS 提出一種三維智能攤鋪控制系統(tǒng)，該技術(shù)系統(tǒng)主要由測(cè)量、攤鋪兩部分組成。工作流程：①該設(shè)計(jì)參數(shù)轉(zhuǎn)化為3D 數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，以滿足設(shè)計(jì)需求；②按照設(shè)計(jì)提前將參數(shù)輸入到系統(tǒng)中，并獲取高程信號(hào)；③將采集到的高程信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了在攤鋪過程中自動(dòng)控制攤鋪工藝，并能適時(shí)地調(diào)節(jié)攤鋪機(jī)熨平板的方位，以改變攤鋪面的坡度和高度，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求的平整度和鋪層厚度，達(dá)到精準(zhǔn)控制自動(dòng)化攤鋪的目的；④3D 智能攤鋪施工技術(shù)可對(duì)整個(gè)瀝青路面施工中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)對(duì)工程質(zhì)量問題進(jìn)行快速的檢查修正。

（1）測(cè)量控制系統(tǒng)工作原理：由GNSS 基準(zhǔn)站、激光發(fā)射機(jī)、mmGPS 流動(dòng)站三大部分組成。

工作時(shí)，將GNSS 基準(zhǔn)站置于已知坐標(biāo)位置，GNSS基準(zhǔn)站以無線方式將RTK 改正數(shù)據(jù)、差動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)傳送給周邊環(huán)境，從而為機(jī)載設(shè)備和探測(cè)裝置提供一個(gè)高精度的3D 定位參考點(diǎn)。

（2）3D 智能攤鋪控制系統(tǒng)工作原理：攤鋪控制系統(tǒng)以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，通過GNSS/激光接收機(jī)，獲取GNSS 接收機(jī)、控制器等提供的資料信息。在攤鋪過程中，通過車載GNSS/激光接收器，接收激光發(fā)射器所發(fā)出的激光和GNSS 衛(wèi)星信號(hào)，然后將其發(fā)送給GNSS 接收器，由GNSS 接收器對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以得出攤鋪機(jī)熨平板的平面、高程等數(shù)據(jù)，再把定位信息傳送到控制器，并按照預(yù)定的設(shè)計(jì)參數(shù)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)；采用液壓閥對(duì)攤鋪機(jī)拖動(dòng)臂油缸進(jìn)行攤鋪方向、高度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋪面質(zhì)量的實(shí)時(shí)、精確控制[3]。

機(jī)載GNSS/激光接收機(jī)采用可自動(dòng)或手動(dòng)提升的支撐，與攤鋪機(jī)熨平板連接牢固。機(jī)載GNSS/激光接收機(jī)在安裝時(shí)，需精確測(cè)量和校正機(jī)載GNSS/激光接收機(jī)和熨燙板的相對(duì)位置，使其能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出熨燙板的高度和位置數(shù)據(jù)。

2 攤鋪效果分析

為驗(yàn)證3D 攤鋪施工技術(shù)效果，在路段施工長度為100 m 的試驗(yàn)段，該段為城市次干路，其路面構(gòu)造由上至下分別為4 cm 級(jí)細(xì)粒狀瀝青混凝土+8 cm 粗粒式瀝青混凝土+34 cm 抗裂嵌擠型水泥穩(wěn)定碎石。在工程實(shí)施期間，對(duì)該道路的中面層進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)取樣，并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析。

2.1 面層厚度控制分析

為深入分析3D 智能攤鋪技術(shù)的施工效果，該文隨機(jī)抽取樣本點(diǎn)實(shí)測(cè)高程與設(shè)計(jì)高程并進(jìn)行對(duì)比，隨機(jī)樣本點(diǎn)設(shè)計(jì)高程與實(shí)測(cè)高程統(tǒng)計(jì)分布情況如圖1 所示。

圖1 隨機(jī)樣本點(diǎn)設(shè)計(jì)高程與實(shí)測(cè)高程統(tǒng)計(jì)分布

如圖1 所示，該段的設(shè)計(jì)高程隨著位置的變化而出現(xiàn)一定的波動(dòng)，最大的變化范圍在0.6 m 左右。由于設(shè)計(jì)高程的起伏，實(shí)際的攤鋪精確度會(huì)受到一定影響。圖1所示的測(cè)量高程值與設(shè)計(jì)高程的測(cè)量結(jié)果基本一致，為使測(cè)量高程與設(shè)計(jì)高程的差異更加清楚，方便對(duì)二者的高差進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，繪制隨機(jī)樣本點(diǎn)實(shí)測(cè)高程與設(shè)計(jì)高程偏差量圖，如圖2 所示。圖2 中的“正值”是指實(shí)際測(cè)量高程值比設(shè)計(jì)高程值相比較高，而“負(fù)值”是指實(shí)際測(cè)量的高程值比設(shè)計(jì)的高程值低。

圖2 隨機(jī)樣本點(diǎn)實(shí)測(cè)高程與設(shè)計(jì)高程偏差量

從圖2 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可以看出，實(shí)測(cè)高程值與設(shè)計(jì)高程值最小絕對(duì)偏差為0.2 mm，最大絕對(duì)偏差為9 mm根據(jù)規(guī)范要求，次干路上的熱摻雜料鋪面的厚度誤差應(yīng)在8%或5 mm 以內(nèi)。因此，經(jīng)檢驗(yàn)資料表明，中面層的誤差在6.4 mm 以下為標(biāo)準(zhǔn)。從圖中可以看出，超過6.4 mm 的數(shù)據(jù)有2 個(gè)，占全部檢測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量的5%，合格率95%，說明3D 智能攤鋪技術(shù)應(yīng)用在工程中具有良好的施工控制效果。

實(shí)現(xiàn)8級(jí)泵站聯(lián)合梯級(jí)調(diào)度，信息化采取聯(lián)合體投標(biāo)，委托中國航天科技集團(tuán)第十二研究院設(shè)計(jì)、施工一體化總承包。自動(dòng)化集成采用全國頂尖水利自動(dòng)化品牌，并引進(jìn)BIM設(shè)計(jì)，打破條塊化，將水泵監(jiān)控、水利調(diào)配和壓力測(cè)控融合到一個(gè)系統(tǒng)，實(shí)行可視化模型操控。

2.2 技術(shù)應(yīng)用效果分析

為分析3D 智能攤鋪技術(shù)應(yīng)用效果，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)偏差量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖3 所示。

圖3 檢測(cè)數(shù)據(jù)偏差量統(tǒng)計(jì)圖

從圖3 可以看出：①絕大多數(shù)的偏差量分布在0～3 mm范圍內(nèi)；②當(dāng)偏差量>4 mm 時(shí)，數(shù)據(jù)量顯著減小；圖4為檢測(cè)數(shù)據(jù)偏差量的累積占比曲線，從圖中可以看出，偏差值為≤3 mm 的數(shù)據(jù)量為85%，偏離值為4 mm 的數(shù)據(jù)量為91%，而符合標(biāo)準(zhǔn)要求的偏差為6 mm 的數(shù)據(jù)量為95%。

圖4 檢測(cè)數(shù)據(jù)偏差量累計(jì)占比曲線

檢測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式見式（1）：

式中，N——自由度。經(jīng)計(jì)算得出，檢測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差σ=2.757 mm，平均值r=2.1 mm。

由公式計(jì)算可得，3D 智能攤鋪技術(shù)應(yīng)用在路面攤鋪施工階段，可以提高施工技術(shù)水平，有效解決由于振動(dòng)、高溫導(dǎo)致實(shí)際坡度與設(shè)計(jì)誤差較大的問題，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化施工，極大提高了攤鋪質(zhì)量。

3 3D 智能攤鋪系統(tǒng)施工質(zhì)量控制

對(duì)于傳統(tǒng)攤鋪施工技術(shù)來說，攤鋪?zhàn)鳂I(yè)人員的技術(shù)水平、人工精度的控制以及機(jī)械自身的攤鋪能力是決定工程質(zhì)量的重要因素。

（1）采用高精密的測(cè)控技術(shù)取代手工操作，實(shí)現(xiàn)三維3D 智能攤鋪，減少了人工工序和人為誤差[4]。3D 智能攤鋪技術(shù)的施工質(zhì)量除受到攤鋪機(jī)本身特性的影響外，還受3D 智能攤鋪控制系統(tǒng)精度的影響。由專業(yè)人員進(jìn)行安裝和校驗(yàn)，基本上可以避免系統(tǒng)的設(shè)置錯(cuò)誤，確保系統(tǒng)的控制精度。

（2）下層路基的填筑質(zhì)量對(duì)智能攤鋪技術(shù)的施工效果有很大的影響。如果下層路基的標(biāo)高和平整度沒有達(dá)到要求，則會(huì)造成實(shí)際攤鋪厚度與設(shè)計(jì)厚度不一致，而攤鋪瀝青則會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)厚度進(jìn)行攤鋪，這就直接造成壓實(shí)后的路面標(biāo)高與設(shè)計(jì)值存在誤差，影響攤鋪質(zhì)量[5-6]。

（3）3D 智能攤鋪系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)應(yīng)確保下層路基壓實(shí)率達(dá)到要求，否則會(huì)導(dǎo)致攤鋪設(shè)備碾壓路面產(chǎn)生沉降以及路面攤鋪的實(shí)際標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高存在誤差。

（4）為了進(jìn)一步提高3D 智能攤鋪技術(shù)的施工質(zhì)量，必須盡可能地提高設(shè)備的安裝精度，減少系統(tǒng)誤差，并對(duì)路基填筑質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制，降低外部因素對(duì)攤鋪質(zhì)量的影響。

4 3D 智能攤鋪系統(tǒng)施工需重點(diǎn)注意事項(xiàng)

3D 智能攤鋪技術(shù)是利用高精度智能全站儀，結(jié)合自動(dòng)化控制和3D 數(shù)字化建模及無線通信的施工技術(shù)，立體控制攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的平面位置和高程精度。徹底改變了傳統(tǒng)的手工作業(yè)方式，強(qiáng)化了施工過程的質(zhì)量控制，既能改善工程質(zhì)量，又能在減少投資成本的同時(shí)提高工程的綜合效益。但是，在施工中應(yīng)用3D 智能攤鋪技術(shù)還需要注意幾點(diǎn)，具體如下：

（1）3D 智能攤鋪系統(tǒng)利用各種信號(hào)傳送程序，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)可識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)格式的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的正常啟動(dòng)[7]。其中，激光發(fā)射器是通過發(fā)射激光信號(hào)向系統(tǒng)提供毫米級(jí)精度的定位坐標(biāo)，如果激光發(fā)射機(jī)器和激光接收機(jī)器之間有很高的障礙物，會(huì)直接干擾信號(hào)傳輸，從而影響攤鋪系統(tǒng)的施工精度。其中，障礙物與信號(hào)傳輸干擾因素包括施工周邊的高層建筑、電線桿、城市道路兩側(cè)標(biāo)牌等。

（2）激光發(fā)射器的工作距離為300～1 500 m，為減少激光發(fā)射器周圍環(huán)境的干擾，需對(duì)激光發(fā)射器進(jìn)行加密，并增加換站工作量[8]。但頻繁換站或使用多個(gè)智能攤鋪系統(tǒng)存在一定局限性，會(huì)使多個(gè)系統(tǒng)誤差疊加導(dǎo)致施工攤鋪精度較差，很難達(dá)到預(yù)期施工效果。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

與傳統(tǒng)的施工技術(shù)相比，使用3D 智能攤鋪技術(shù)可有效降低設(shè)備的采購成本及人工成本，且3D 智能攤鋪施工技術(shù)的精度高，節(jié)省了攤鋪材料的投入[9]。因此，不考慮后續(xù)維護(hù)費(fèi)用，采用3D 智能攤鋪技術(shù)鋪筑的路面工程超過5.3 km 時(shí)，其節(jié)省的材料投入可彌補(bǔ)全部設(shè)備的費(fèi)用。綜合考慮經(jīng)濟(jì)、公路工程量等因素，提出了采用3D智能攤鋪設(shè)備的方案。

6 結(jié)論

3D 智能攤鋪施工技術(shù)將高精度的測(cè)量與定位設(shè)備用于瀝青攤鋪，減少了人工干預(yù)和準(zhǔn)備工作，并使瀝青攤鋪的精度明顯改善。通過對(duì)其技術(shù)原理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得到如下主要結(jié)論：

（1）3D 智能攤鋪施工技術(shù)包括對(duì)GPS 衛(wèi)星信號(hào)、GNSS 差分信號(hào)、激光高程信號(hào)進(jìn)行處理，并按預(yù)先設(shè)置的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)熨平板液壓閥進(jìn)行精確的控制，調(diào)節(jié)攤鋪機(jī)熨平板的姿態(tài)，使攤鋪?zhàn)鳂I(yè)智能化、無樁化。

（2）根據(jù)隨機(jī)選取的代表路段施工測(cè)試攤鋪效果，結(jié)果表明應(yīng)用3D 智能攤鋪技術(shù)節(jié)約了人工成本，且攤鋪質(zhì)量合格率大于95%，攤鋪精度較高。

（3）由于道路施工條件比較復(fù)雜，3D 智能攤鋪系統(tǒng)的信號(hào)傳輸可能受到不利影響。因此3D 智能攤鋪技術(shù)是否能夠可靠、穩(wěn)定地用于路面攤鋪，還需不斷改進(jìn)。

（4）為了提高3D 智能攤鋪施工技術(shù)的施工質(zhì)量，在能夠解決系統(tǒng)自身的安裝誤差的前提下，還應(yīng)對(duì)下層路基的填筑質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制，或采用其他高精度的碾壓技術(shù)。

（5）采用3D 智能攤鋪施工技術(shù)，會(huì)增加系統(tǒng)設(shè)備的采購成本、后期的維護(hù)成本，但另一方面因通過精確的系統(tǒng)控制，可以節(jié)省物料費(fèi)用。經(jīng)量本利模型分析，建議在公路工程量超過5.3 km 時(shí)，購置并應(yīng)用3D 智能攤鋪設(shè)備。