3D攤鋪技術在高速公路工程瀝青路面施工中的應用分析

許家瑜

（江西省交通工程集團有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

高速公路是現代化交通的標志，在新時期背景下，我國的高速公路正在朝著城市化與工業化方向發展，同時汽車技術飛躍式的進步，也對高速公路建設提出更高的要求[1]。但是傳統高速公路工程瀝青路面攤鋪技術存在精度較低、受機械工況影響成分大、人工測量易出現誤差等問題，對高速公路建設質量產生很大威脅，因此本文加大對先進3D 攤鋪技術的研究，以期能解決高速公路施工問題。

1 3D 攤鋪技術在高速公路工程瀝青路面施工中應用的具體路徑

1.1 3D 攤鋪系統組成及工作原理

攤鋪系統由P62 攤鋪自控系統、毫米級GPS 流動站、LZ-T5 基站以及GPS 基站等部分構成。GPS 基站內相關系統應用HIPER V 技術，能夠對各類信號進行全面跟蹤，可連接移動、聯通網絡通信，設置可插拔內存卡，并配置2 個大容量鋰電池，濕度95%，IPX6 防水性強。觸摸屏為LED 顯示屏，設置CX-60 控制箱，WINDOWS XP 系統，性能優良，支持夜間運行。系統增設激光發射器，對應測量精度是±5，覆蓋半徑為300m，擁有自動調平功能，測量寬帶為±5m（30～300m）、±100（5～30m），可以支持18h 連續運行，以便加快施工進度。系統內增設MC-R3 接收系統，可以進行無線傳輸，防震等級達到2 級。毫米級GPS 流動站包括PZS-1 接收系統以及HIPER V 接收系統，對應接收水平如下：±10o反向角度和±10o垂直信號。

系統運行中，GNSS 基站率先向流動站傳輸差分信號，激光裝置朝流動站傳輸高程數據，經過接收裝置順利接收、計算、處理相關信息以后，實現毫米級高程以及厘米級GNSS 平面實時定位，并確認攤鋪區域。自動攤鋪系統于控制點設置的LZ-T5 基站和GPS 基站中，經無線電臺以及線纜向MC-R3 接收機傳輸激光高程以及GPS 差分信息，通過系統接收處理，向GX-60 控制箱傳輸三維數據，控制箱對比分析設計卡以及坐標數據，形成高程修正信息，隨后誕生力驅動信號，驅動液壓閥攤鋪機，對液壓油缸進行牽引，調整熨平板方向，調整路面攤鋪厚度和平整度。毫米級GPS 流動站實時監控現場攤鋪情況，判斷是否達到攤鋪設計要求[2]。

1.2 基于3D 攤鋪技術施工流程

綜合相關工程經驗，路面攤鋪3D 技術系統涵蓋五個層面，分別為：三維建模、部件組裝、設置全站儀、施工調控以及攤鋪控制。

基本工作流程如下：匯集下承層數據，針對目標路面工程創建三維模型，對各種零部件和單獨設備進行組裝，向系統內導入三維數據，設置測量機器人，對設備參數進行逐一核查，在設備滿足要求后便可以啟動控制系統，如果設備未達到要求，則需要繼續調整參數直至滿足要求。

系統啟動后全面校驗攤鋪數據，在達到攤鋪作業精度后，系統在攤鋪施工中自動監測并控制攤鋪高程，對施工過程進行全面校準控制，最后結束攤鋪施工，檢測施工質量，形成道路質量報告。

1.3 基于3D 攤鋪技術的施工準備

應先對設計圖紙中的平、豎曲線以及橫縱坡所對應的高層、坐標等技術參數進行全面采集，并通過下承層按照10m 為標準采集斷面坐標，最少應采集3 個三維坐標點。同時，嚴格按照工程設計標準以及所采集三維坐標點數據信息，整合各種數據，創建基礎三維模型，并對其進行細致檢查，確保所構建三維模型不存在任何異常問題，以便確保工程坡度以及厚度等參數滿足工程項目施工設計標準，在各項參數達標以及數據完善后自動形成模型文件、線形文件以及坐標模型。結合攤鋪機3D 控制相關機械改造研究過程，進一步總結出在系統設備組裝中應該重點關注的內容，如下所示：

第一，桅桿安裝應該面向攤鋪機大臂中進行垂直組裝，此外，桅桿和油缸間隔距離最少控制在30cm，在桅桿頂部固定組裝360o的反射棱鏡。第二，在熨平板內固定組裝傾角傳感器，使設備安裝方向和攤鋪機作業方向保持一致。第三，在攤鋪機上層頂棚固定安裝數據電臺，確保數據電臺和測量機器人之間形成全面暢通的交流視野[3]。第四，在攤鋪機易操作部位增加設置主控制器。第五，剩余傳感器以及相關控制設備連接線需要選擇攤鋪機中的恰當位置進行安裝，避免影響整個攤鋪機的正常作業。第六，結束設備安裝后實施全面校準調試，促進各部分維持穩定運轉。按照現有水準點與后方進行交會建站，設置全站儀，使全站儀和棱鏡間維持開闊視野，避免周圍存在電子設備干擾。第七，應該在遠離施工現場、行車路段以及高邊坡部位設置全站儀，保障測試精度。組織專門管理人員，將導線點和全站儀夾角控制在15o～165o之間。結束測量后，針對全站儀設置專門防護箱，防止設備受到磕碰，并做好設備定期核查檢驗。

1.4 基于3D 攤鋪技術施工工藝

先向智能監控全站儀以及智能跟蹤全站儀內導入各類模型、數據文件，并對棱鏡和全站儀兩者空間視野進行檢查，保障棱鏡清晰度，通常棱鏡、全站儀兩者間距在300～400m。開啟智能控制系統以及攤鋪裝置，檢測操作性能。在開始路面攤鋪作業前，率先選定一段路進行試鋪，做好過程監測，結合監測結果調整攤鋪精度，滿足工程設計要求以后，啟動機械自動控制模式。在攤鋪作業中，率先將模型文件導入其中，把攤鋪機對應控制系統轉化成機械控制形式，使機器人對360o棱鏡實施自動跟蹤。在攤鋪機兩端安裝跟蹤機器人，負責采集360o棱鏡觀察的三維坐標信息，并于后方增設檢測設備，對攤鋪作業高程以及路面橫坡實施全面觀測。如果未達到標準要求，應繼續對控制器、跟蹤裝置進行調節，跟蹤設備覆蓋范圍是150m 半徑，能夠支持智能檢測裝置交替轉站，促進路面連續攤鋪。

1.5 基于3D 攤鋪技術的質量控制

結束現場攤鋪作業后，應重新采集路面數據，認真核查、檢測路面攤鋪質量，使路面攤鋪質量達到公路工程質量標準規定要求。如果道路攤鋪以分段攤鋪為主，需要逐段檢測路面攤鋪質量，最終匯集相關數據，經過整理分析后形成質量檢測報告，并自動生成整個攤鋪路段的質量數據。在道路攤鋪檢測中，需要對所采集的信息進行實時校驗核對，一旦發現誤差，需要及時提升檢測精度，擴大檢測頻率，在需要的情況下實施人工補救。

2 3D 攤鋪技術在高速公路工程瀝青路面施工中應用案例分析

2.1 案例工程背景

依照上述施工思路，為探索3D 攤鋪技術在實際工程中的應用優勢，本文以江西省高速公路某施工項目為例。項目背景如下：該工程位于連接江西省重要發展區域部位，是“一帶一路”建設的核心要道，支撐著區域的規劃建設與經濟發展。該路段全長70km，主線采用標準的雙向八車道建設，且所設計的速度為120km/h。為了保證該施工項目的順利開展，在沿線設置了監控通信分中心1 處，同時還有相應的服務區、養護工區以及主線收費站、閘道收費站等，橋梁設計荷載等級水平為I 級。

2.2 施工方案介紹

針對所選取的高速公路路段建設要求較為嚴格的情況，在路面攤鋪時選擇了智能化、數字化、自動化水平較高的3D 攤鋪技術，依照指導性組織方案以及實施性組織施工計劃有序推進施工作業。在施工完畢后，為能夠全面化地評測項目質量，分別從人員、效率、質量三個方面進行嚴格控制，同時為能夠評估3D攤鋪技術的應用優勢，還采用了傳統攤鋪方法與3D攤鋪方法平行施工的方式開展，以便形成良好的對比，為在類似工程中使用3D 攤鋪技術的相關施工組織機構，提供一個理論實踐參考。具體方案設置為：高速公路項目的1 號攤鋪機使用3D 路面攤鋪控制系統；2 號攤鋪機選擇傳統的2D 控制方式；3 號攤鋪機采用傳統的2D 控制方式。

2.3 施工質量評測

2.3.1 攤鋪厚度評測

該工程攤鋪厚度的標準值，通過公式（1），進行了合理計算。

式（1）中：M 表示攤鋪厚度；A 表示上面層厚度；B 表示中面層厚度；C 表示下面層厚度。在檢測時使用了兩種方法：全站儀測量法和鉆芯取樣法。

在利用全站儀進行檢測時，先在施工路段選取10m 左右的斷面作為樣本，然后再利用全站儀設備，對每個斷面左右幅的3 點進行施工前后高程差的對比，生成一個便于直觀化比較評測傳統攤鋪與3D 攤鋪的厚度云圖。通過云圖對比分析，可以得出如下結論：第一，利用傳統攤鋪技術的區域，在局部路段出現攤鋪過薄或者過厚的情況，且經測量判定誤差值均在1cm 以上。第二，利用3D 攤鋪技術的區域，攤鋪厚度均勻，且誤差能夠控制在1cm 范圍之內。因此，可以判定3D 攤鋪技術在攤鋪厚度方面具有攤鋪均勻、誤差性較小的優勢。

在進行鉆芯取樣檢測時，利用鉆芯儀器對選定路段范圍進行采樣，采樣的標準為每200m 一個斷面，每個斷面中選取3 個采集點位，最后如實記錄了傳統攤鋪技術與3D 攤鋪技術的測點位置、樁號、橫距、厚度等數據。所得到的評測結果如下：第一，利用傳統攤鋪技術攤鋪厚度較高，對建設材料造成了嚴重浪費，同時也增加了建設成本。從厚度標準差的角度來講，傳統攤鋪技術的差值為6.539。第二，利用3D 攤鋪技術的測量區域厚度平均值為59.3m 與63.3m，其符合設計要求及相關規范標準，且技術厚度標準差值為1.011。由此可以判定3D 攤鋪技術應用于高速公路瀝青路面的施工中，在控制厚度方面有著絕對的優勢，具體參數對比見表1。

表1 基于鉆芯取樣法的傳統攤鋪技術與3D 攤鋪技術評測參數對比

2.3.2 平整度的檢測

在檢測路面平整度時，參考的測量依據為標準差S，其是我國較為常見的路面平整度評價指標，能夠根據所測得的一系列高程值，通過統計學原理，計算出標準差S，以此作為路面平整度的表征，具體可以參考公式（2）。

式（2）中：S表示測量路面的不平整度，單位為mm；Ya表示每一步長內所包含的高程值計算平均數，單位為mm；Yi表示每一步長內第i個高程值，單位為mm。

在檢測過程中，使用了連續式平整儀，對兩項技術的施工結果進行全面對比，最終得出以下幾點結論：第一，使用傳統攤鋪技術與3D 攤鋪技術，其平整度均未超過允許范圍，因此合格率為100%。第二，在實際施工過程中，應用傳統攤鋪技術的平整度波動性較強，最大值能夠達到1.79mm，而應用3D 攤鋪技術的最大波動值僅為0.71。由此可以斷定，3D 攤鋪技術的平整度更高一些，且波動性較小，具體可以參考表2 內容。

表2 傳統攤鋪技術與3D 攤鋪技術平整度檢測參數對比單位：mm

2.3.3 應用3D 攤鋪技術的要點總結

雖然利用3D 攤鋪技術進行高速公路路面的施工存在著諸多優勢，但在應用過程中，也存在著諸多影響施工質量的因素。本文依照工程的實際情況，總結了如下控制方法，以便提高技術應用質量[4]。

第一，在施工過程中，利用高精度的現代化儀器代替傳統的手工操作，雖然減少了人為因素的干擾，但是攤鋪機本身的性能也會影響技術質量，在使用與工程標準相符的攤鋪機的同時，更應重視對相關施工設備的安裝與校驗，以避免自動化控制系統出現錯誤執行指令的情況，同時也可以提高系統的精度。

第二，如果地基的壓實水平不滿足實際工程要求，那么在攤鋪碾壓的過程中，也會出現較為嚴重的沉降現象，從而影響整體攤鋪工程質量，因此要控制好前一環的施工作業，以便為后一環的施工打下堅實的基礎。

3 結語

綜上所述，此次研究以江西省高速公路某施工項目為例介紹3D 攤鋪技術的具體應用，通過施工質量測評發現路面各項參數指標較好，控制質量優良，由此看出3D 攤鋪技術這種精細化施工技術對于高品質工程創建具有重要作用，針對發現的問題，需要加強施工過程控制，通過加強機械設備檢驗、管理和有效施工控制，進一步提升施工質量。