基于3D機械控制的瀝青路面施工攤鋪技術研究

王文學 李昌華 張文聞 吳方鈺 俞騰翔

摘要：為研究基于3D機械控制的瀝青路面攤鋪施工攤鋪技術，該文分析了3D機械控制原理，并闡述了3D機械控制的瀝青路面施工攤鋪流程和質量控制方法，依托實際工程，對傳統攤鋪施工和3D攤鋪施工后的厚度、平整度進行檢測，結果發現基于3D機械控制的瀝青路面攤鋪效果優于傳統攤鋪方式，提高了路面攤鋪的精準化、智能化和自動化。

關鍵詞：道路工程??3D機械控制??攤鋪??施工

中圖分類號：TU753??文獻標識碼：A

Research?on?Asphalt?Pavement?Construction?Paving?Technology?Based?on?3D?Mechanical?Control

WANG?Wenxue1??LI?Changhua1?ZHANG?Wenwen1??WU?Fangyu2??YU?Tengxiang1

（1.?Construction?headquarters?of?Ningbo?Zhoushan?Port?Main?Channel?Project，?Ningbo，?Zhejiang?Province，?316000?China;?2.?Zhejiang?University，?Hangzhou，?Zhejiang?Province，?310058?China）

Abstract：?In?order?to?study?asphalt?pavement?construction?paving?technology?based?on?3D?mechanical?control，?this?paper?analyzes?the?principle?of?3D?mechanical?control，?and?expounds?the??process?and?quality?control?method?of?asphalt?pavement?construction?paving?with?3D?mechanical?control.?Based?on?the?actual?project，??it?tests?the?thickness?and?flatness?after?the?traditional?paving?construction?and?3D?paving?construction，?and?finds?that?the?effect?of?the?asphalt?pavement?paving?based?on?3D?mechanical?control?is?better?than?that?of?the?traditional?paving?method，?which?improves?the?accuracy，?intelligence?and?automation?of?the?pavement?paving.

Key?Words：?Road?engineering;?3D?mechanical?control;?Paving;?Construction

自改革開放以來，我國道路需求量大，發展迅速，相應的建設技術也在不斷提高。瀝青路面具有行車舒適、無揚塵和泥漿、自修復能力強等優點，廣泛應用于高等級公路建設中。研究發現，攤鋪技術是影響瀝青路面施工質量的核心技術，而我國攤鋪技術由開始的人工攤鋪發展為機械攤鋪，提高了施工精度和效率，大大節約了成本[1]。

近年來，3D技術逐漸應用到工程領域，后被延伸到路面攤鋪中，也由此產生了3D攤鋪技術。祖民星[2]通過對3D智能攤鋪系統的原理進行研究，同時依托實際工程分析了3D智能攤鋪的效能。雷小磊[3]結合工程實例，闡述了3D攤鋪控制技術的原理。盧俏宇[4]對3D攤鋪技術系統的主要設備和工藝流程進行分析，并結合工程實例，評價了3D自動化攤鋪技術具有良好的應用效果。相較于機械攤鋪技術，3D攤鋪技術結合了機械控制技術、北斗定位技術和計算機技術，實時定位攤鋪機運行軌跡，實時監測并反饋攤鋪狀態，從高程、厚度和寬度三方面實現對瀝青路面攤鋪的自動化、智能化和精準化控制。該文基于對3D機械控制的工作原理分析，闡述了瀝青路面攤鋪施工技術流程，并依托實際工程進行實施效果分析，對進一步提高我國瀝青路面攤鋪質量，提升工作效率具有重要意義。

3D機械控制系統主要由攤鋪機、測量設備、機械設備及軟件系統四部分組成，如圖1所示。測量設備以全站儀為主，機械設備為攤鋪機和液壓系統。在攤鋪施工前，建立瀝青路面設計高程、坐標、橫縱坡坡度等參數的三維模型，并將其與現場導線結合，使用全站儀完成基準測量工作。在攤鋪過程中，攤鋪厚度主要依靠攤鋪機的熨平板進行調整，通過將建立的三維模型導入攤鋪機的操作系統中，可以實時獲得熨平板的三維坐標和角度姿態，根據當前的三維坐標和角度分別計算熨平板的坐標偏差和角度偏差，將偏差信號傳遞給控制轉換器，控制轉換器接收信號并發送指令給閥控模塊，施工中攤鋪機通過指令實現對牽引臂油缸和熨平板的操作、調整、控制和修正，確保攤鋪機能夠根據路面坡度和高程變化及時調整攤鋪厚度。

2基于3D機械控制的瀝青路面施工攤鋪技術

該文通過總結工程應用經驗，對3D機械控制的瀝青路面攤鋪施工技術展開研究，主要包含三維建模、設備安裝、全站儀布設、施工過程控制和攤鋪質量控制五方面，具體流程如圖2所示。

2.1三維建模

首先找到圖紙中設計橫縱坡、平曲線、豎曲線坐標、高程等參數，并對下承層中每個10?m的斷面上采集不少于三個點的三維坐標。根據設計要求及三維坐標點建立三維模型，通過檢查確保建立的模型無異常點，且厚度和坡度等符合設計要求，最后生成坐標文件、線形文件和模型文件。

2.2設備安裝

在對攤鋪機3D機械控制改造研究過程中，發現設備安裝需要注意以下幾點要求。

（1）桅桿應垂直安裝在攤鋪機大臂上，同時距離油缸距離不能小于30?cm，360°反射棱鏡應固定安裝在桅桿頂端。

（2）傾角傳感器應固定安裝在熨平板上，且方向應與攤鋪機前進方向一致。

（3）數據電臺應固定安裝在攤鋪機頂棚上方，保證其與測量機器人之間視野暢通。

（4）主控制器應安裝于攤鋪機的易操作位置。

（5）其余控制部件和傳感器的連接線應固定安裝在攤鋪機合適位置，確保不會影響攤鋪機的正常工作。

（6）設備安裝完成后需立即進行調試校準，確保各部分都運轉正常。

2.3全站儀布設

全站儀根據已知水準點和后方交會建站，建站需確保棱鏡與全站儀之間視野開闊，且周圍無電子設備干擾。全站儀布設時需注意以下幾點：

（1）遠離高邊坡、行車段和施工場地，避免影響測試精度；

（2）配備專門技術人員進行看管；

（3）保證全站儀與導線點之間的夾角在15°～165°之間；

（4）測量結束后全站儀應放入專用防護箱內，避免磕碰；

（5）安排專業技術人員定期對全站儀進行檢驗校核。

2.4施工過程控制

施工前，將各文件和模型導入智能跟蹤全站儀和智能監測全站儀中，同時檢查全站儀與棱鏡之間的視野，確保可以清晰觀察到棱鏡，一般全站儀與棱鏡之間的距離控制在300～400?m之間。將攤鋪機和智能控制系統全部打開，測試其是否都可以正常運轉。在進行攤鋪施工時，打開預先導入的模型文件，將攤鋪機的控制系統調節為機械控制模式，使機器人可以自動跟蹤360°棱鏡。正式攤鋪施工前，試鋪一段路，并及時監測，確保攤鋪精度達到設計要求，方可將機械控制模式轉換為自動控制模式。如圖3所示，用于捕獲360°棱鏡三維坐標的跟蹤機器人架設于攤鋪機兩側，同時在后方還需要架設一臺檢測機器人，對攤鋪高程和橫坡進行實時監測，若不滿足要求，則需及時調整跟蹤機器人和控制器。在智能跟蹤機器人半徑150?m范圍內，都可利用智能檢測機器人進行交替轉站，以保證攤鋪作業的連續性。

2.5攤鋪施工質量控制

現場攤鋪結束后應立即采集路面數據，并進行攤鋪質量檢測，確保施工質量符合《公路工程質量檢驗評定標準》（JTG?F80/1）中的相關規定。若采用分段攤鋪方式，則每段攤鋪路面都需要進行質量檢測，而最終整理成報告的數據應為整個攤鋪路段的檢測數據。檢測過程中應隨時校核數據，發現問題時應加大檢測頻率和檢測精度，必要時可以采用人工補救。

3實施效果分析

3.1工程概況

北京至雄安新區高速公路河北段（以下簡稱為“京雄高速”）是北京中心城區連接雄安新區核心區的最便捷高速通道，是支撐新區規劃建設，促進京津冀區域協調協同發展的重要經濟干線。京雄高速河北段全長約70?km，主線均采用雙向八車道高速公路標準建設，設計速度為120?km/h，沿線設置監控通信分中心1處、服務區3處、養護工區2處、主線收費站2處、匝道收費站5處，特大橋8座，橋梁設計荷載等級為公路-I級。京雄高速作為北京中心城區連接雄安新區核心區的最便捷高速通道，具有支撐新區規劃建設、促進京津冀區域協調協同發展等重要作用。

3.2現場實施方案

該項目選取京雄高速K46+000到K48+000路段進行路面智能施工技術的應用，從人員、效率、質量等方面評價項目的實用性和穩定性，最終形成瀝青路面智能施工工藝。按照傳統攤鋪和3D攤鋪兩種方法平行施工，攤鋪機1安裝3D控制系統，攤鋪機2與攤鋪機3采用傳統2D攤鋪控制方式，如圖4所示。

3.3?施工質量檢測

3.3.1?厚度檢測

（1）全站儀測量法。

選取10?m一個斷面，使用全站儀測量每個斷面左右幅3點施工前后的高程差，最后生成3D攤鋪區域和傳統攤鋪區域的厚度云圖，如圖5、圖6所示。從圖中可以看出，3D攤鋪施工區域厚度均勻，誤差控制在1?cm以內，傳統施工區域，局部區域出現攤鋪過厚或偏薄的現象，圖中藍色區域為攤鋪過厚超過1?cm以上的區域，紅色部分為攤鋪偏薄超過1?cm以上的區域。

（2）鉆芯取樣法。

采用鉆芯機，在K46+000-K48+00范圍內，每200?m一個斷面，每個斷面采集3點，如圖7所示，采樣檢測數據見表1所示。

由表1和表2分析可知，采用3D攤鋪施工技術和傳統攤鋪施工技術厚度的平均值分別為59.3?mm和63.3?mm，均滿足規范要求，但是傳統攤鋪厚度偏大，造成瀝青混合料的浪費，增加了建設成本。從厚度均勻性方面分析可知，3D攤鋪施工技術和傳統攤鋪施工技術厚度的標準差分別為1.011和6.539，表明3D攤鋪施工技術控制厚度的性能遠高于傳統攤鋪技術。

3.2.2平整度檢測

瀝青路面施工完成后通過連續式平整度儀對3D攤鋪和傳統攤鋪施工效果進行檢測，結果見表3。

由表3可知，3D攤鋪施工和傳統攤鋪施工，平整度均小于允許值（1.2?mm），合格率為100%；采用傳統攤鋪工藝進行瀝青路面施工，平整度波動較大，最大值為1.79?mm，表明3D攤鋪工藝可以較好的提升路面平度[5-7]。

4結語

該文通過對3D機械控制原理進行分析，闡述了基于3D機械控制的瀝青路面施工攤鋪技術，并依托工程進行實際應用，得出以下幾點結論：（1）完成了攤鋪機3D機械控制模型和改造方案設計，形成了標準的3D機械控制施工攤鋪技術和施工質量控制方法；（2）基于3D機械控制的路面智能施工技術改變了傳統攤鋪施工方式，可以精準控制路面高程、平整度、壓實均勻性，實現精準化、智能化、自動化施工目的。

參考文獻

[1] 張媛芳，張媛.?3D攤鋪技術在瀝青混凝土路面施工中的應用[J].交通世界，2021（9）：88-89.

[2] 祖民星.瀝青混凝土路面3D智能攤鋪應用研究[J].西部交通科技，2018（11）：9-12.

[3] 雷小磊，李剛.3D攤鋪控制技術在瀝青混凝土路面工程中的應用研究[J].市政技術，2018，36（5）：20-24.

[4] 盧俏宇，周洪劍.公路工程3D技術路面施工應用分析[J].西部交通科技，2018（3）：18-21，140.

[5] 丁凱.高地隙噴霧機側傾穩定性建模及控制方法研究[D].石河子：石河子大學，2019.

[6] 張軍，盧海峨.3DmmGPS攤鋪控制系統在經烏高速公路水穩層施工中的試點應用[J].交通建設與管理，2021（2）：89-91.

[7] 張帆，肖述文，涂一文，等.多軸機械臂3D打印的運動-擠料協同控制方法[J].機械設計與研究，2021，37（6）：141-147，154.