土石混填路基智能壓實(shí)技術(shù)探析

阮慶

（中國土木工程集團(tuán)有限公司，北京 100038）

1 引言

路基施工是公路工程施工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)， 也是影響公路工程質(zhì)量和使用壽命的關(guān)鍵因素之一。 由于受到施工工藝、施工環(huán)境等多種因素的影響，路基壓實(shí)度不足或者不均勻現(xiàn)象十分常見。 在當(dāng)前我國公路建設(shè)工程項(xiàng)目施工過程中，路基土石混填技術(shù)是公路建設(shè)項(xiàng)目施工工程項(xiàng)目質(zhì)量控制的重點(diǎn)內(nèi)容。 在土石混填路基施工過程中，合理選擇并應(yīng)用智能壓實(shí)技術(shù)， 可以有效提升壓實(shí)質(zhì)量控制水平， 降低施工成本投入，保證公路建設(shè)項(xiàng)目施工工程項(xiàng)目質(zhì)量。

2 工程概況

某公路工程項(xiàng)目施工過程中， 針對路基土石混填路基進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，將該路段分為左右兩幅，左幅全長約為12 km，右幅全長約為13 km。該公路工程項(xiàng)目地形平坦，地勢起伏小，以平原地形為主。 工程施工區(qū)域位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，全年氣溫高、雨量充沛、光照充足，并且氣候濕潤多雨。 根據(jù)該路段的地質(zhì)情況和氣候特點(diǎn)， 對公路工程項(xiàng)目施工過程中的土石混填路基施工提出了科學(xué)合理的技術(shù)方案。

3 智能壓實(shí)技術(shù)的施工應(yīng)用

3.1 基本原理

在智能壓路機(jī)的應(yīng)用中， 壓實(shí)效果可以通過智能壓路機(jī)自身的傳感器來進(jìn)行檢測，以確定具體的碾壓厚度，通過控制系統(tǒng)來自動調(diào)整碾壓輪的速度，從而保證最終的碾壓效果。 智能壓路機(jī)通過內(nèi)部傳感器能夠感知路面的平整度， 并且及時(shí)對壓實(shí)度不足的部分進(jìn)行調(diào)整。 與此同時(shí)，智能壓路機(jī)還能夠自動記錄整個(gè)施工過程中每一段的施工速度和碾壓次數(shù)，并將其傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)中， 從而為數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過智能壓路機(jī)能夠?qū)κ┕がF(xiàn)場的實(shí)時(shí)動態(tài)進(jìn)行掌握， 并且在壓實(shí)效果不佳時(shí)及時(shí)調(diào)整壓路機(jī)工作參數(shù)， 從而保證施工質(zhì)量[1]。

3.2 智能壓實(shí)技術(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的組成

智能壓實(shí)技術(shù)監(jiān)控系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)GNSS （Global Navigation Satellite System）定位基準(zhǔn)站、動態(tài)GNSS 定位流動站、溫度傳感器、車載壓實(shí)引導(dǎo)屏、無線傳輸共享網(wǎng)絡(luò)、GSM 網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)組成。

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)GNSS 定位基準(zhǔn)站

在智能壓實(shí)技術(shù)中， 準(zhǔn)確獲取壓實(shí)機(jī)械的行駛軌跡對于瀝青路面的施工至關(guān)重要。 為此，可以通過高精度GNSS 定位設(shè)備， 對壓實(shí)機(jī)械實(shí)際的行駛路徑進(jìn)行獲取。 通過這樣的方式，可以從中收集到更多壓實(shí)遍數(shù)、速度等具體參數(shù)。 想要定位精度更高，則需要讓GNSS 定位保持在動態(tài)平面厘米級。 所以， 在此過程中應(yīng)該建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)定位參考基站。 在此基站中， 可以借助GNSS-RTK 定位技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)定位技術(shù)，并可以為相應(yīng)的檢測站點(diǎn)提供指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果。 通常在RTK 作業(yè)過程中，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈會將所有檢測到的信息同時(shí)傳遞到流動站。 以往所使用的電臺式GNSS定位基準(zhǔn)站， 由于性能問題， 其輻射范圍只能達(dá)到10 km 以內(nèi)。 但現(xiàn)代高速公路瀝青路面工程中，通常施工標(biāo)準(zhǔn)長度都達(dá)到20 km 以上。 經(jīng)過多方考量，可以選擇網(wǎng)絡(luò)型GNSS 定位基準(zhǔn)站來進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測。 其基準(zhǔn)站包含GNSS 定位接收機(jī)、GNSS 定位處理終端、無線傳輸模塊和電源等部分。此外，想要及時(shí)接收到更精準(zhǔn)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)， 一般需要將GNSS 定位接收機(jī)安裝到地勢高、無遮擋物的空地。 如房頂?shù)取?利用所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)型GNSS 定位基準(zhǔn)站， 能夠有效且精準(zhǔn)地獲取壓實(shí)機(jī)械行駛軌跡，同時(shí)還可以快速地獲取壓實(shí)遍數(shù)、速度等參數(shù)，有效提升智能壓實(shí)技術(shù)在瀝青路面施工中實(shí)效性[2]。

3.2.2 動態(tài)GNSS 定位流動站

流動站裝置需牢固安裝在壓路機(jī)頂部， 以接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)動態(tài)GNSS 定位。 通過數(shù)據(jù)鏈路，流動站接收網(wǎng)絡(luò)GNSS 基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)組合差分觀測值，并在不到1 s 的時(shí)間內(nèi)處理得到高精度壓路機(jī)定位。 流動站支持GPS、GLONASS、北斗3 種衛(wèi)星軌道信號，確保定位更加精確。 考慮到瀝青路面壓實(shí)環(huán)境的惡劣性，流動站具備快速初始化、防水、防塵、抗干擾和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

3.2.3 紅外溫度傳感器

在瀝青路面壓實(shí)作業(yè)時(shí)， 可以利用紅外溫度傳感器測量碾壓溫度。 值得一提的是，由于壓實(shí)機(jī)械在作業(yè)過程處于高速行駛狀態(tài)，所以必須要采用靈敏度較高的紅外溫度傳感器。 在借助紅外溫度傳感器測量過程中， 主要是檢測目標(biāo)體的紅外輻射強(qiáng)度來計(jì)算其溫度， 同時(shí)還可以通過光發(fā)射率修正來確保整個(gè)測量工作的精準(zhǔn)度。 紅外溫度傳感器通常會安裝在離路面10~15 cm 的位置（見圖1），同時(shí)不會對壓實(shí)機(jī)械的正常作業(yè)造成任何干擾。 通過實(shí)時(shí)監(jiān)測施工過程中的壓實(shí)溫度，紅外溫度傳感器能夠輔助壓路機(jī)操作員在合理的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行碾壓，從而提升施工效果。

圖1 雙鋼輪壓路機(jī)紅外溫度傳感器安裝示意圖

3.2.4 車載壓實(shí)引導(dǎo)屏

智能壓實(shí)技術(shù)的應(yīng)用旨在直觀地向壓路機(jī)操作人員展示測量的各項(xiàng)參數(shù)， 以輔助其在不同碾壓環(huán)境下選擇合適的碾壓方案。 動態(tài)GNSS 定位流動站可以實(shí)時(shí)獲取壓路機(jī)的碾壓軌跡、碾壓遍數(shù)和工作面積信息，而紅外溫度傳感器則能夠準(zhǔn)確測量壓路機(jī)的表面溫度。 通過數(shù)字信號傳輸，不同傳感器的數(shù)據(jù)可以匯集到車載平板顯示器上， 并以彩圖形式呈現(xiàn)給壓路機(jī)操作手。 這樣的反饋機(jī)制為操作手提供了直觀且全面的信息，以助其做出優(yōu)化的碾壓決策。

3.2.5 無線傳輸共享網(wǎng)絡(luò)

在瀝青路面的施工過程中， 需要采用5~8 臺壓路機(jī)組成壓路機(jī)群對整個(gè)路面開展施工。 若要讓整個(gè)機(jī)群能夠協(xié)同作業(yè)，并通過信息交換共享的方式來提高作業(yè)效率，則應(yīng)該在施工任務(wù)現(xiàn)場配備高功率的WiFi 路由器。 通過組建無線傳輸共享網(wǎng)絡(luò)的方式， 讓整個(gè)壓路機(jī)群可以實(shí)時(shí)開展信息交流和數(shù)據(jù)共享。 參與壓實(shí)作業(yè)的工作人員，能夠在壓路機(jī)操作臺上直觀地觀察自身的行駛軌跡， 并通過信息共享來獲取其他機(jī)械的壓實(shí)數(shù)據(jù)。 通過共享網(wǎng)絡(luò)，讓每一臺壓路機(jī)可以及時(shí)了解作業(yè)過程中的漏壓和超壓情況，并進(jìn)行相應(yīng)的工藝調(diào)整。 這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，能夠更好地協(xié)調(diào)機(jī)群操作，提高施工效率。

3.2.6 GSM 網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

傳統(tǒng)壓實(shí)技術(shù)在開展壓實(shí)檢測過程中， 很難對整個(gè)過程以及數(shù)據(jù)進(jìn)行追溯。 智能壓實(shí)技術(shù)， 則可以利用網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，讓施工管理人員能夠以遠(yuǎn)程查看的方式，對整個(gè)機(jī)群作業(yè)的壓實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看， 還可以及時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至后臺服務(wù)器。 通過與規(guī)劃中路線以及GIS 技術(shù)的結(jié)合，快速生成作業(yè)操作的各類圖表、地形圖等，直觀地反映出壓實(shí)作業(yè)的實(shí)施情況。 通過GSM 網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，讓所有施工數(shù)據(jù)可以得到實(shí)時(shí)分析和評估，并能夠?yàn)楣芾砣藛T提供全面而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，以助力決策者做出更有針對性的措施[3]。

3.3 施工方法

1）準(zhǔn)備工作：在正式施工前，要先進(jìn)行道路和管線的調(diào)查工作，了解并收集現(xiàn)場情況，明確施工的目標(biāo)與要求。 根據(jù)不同的施工路段和施工方法， 選擇合適的智能壓實(shí)設(shè)備和相關(guān)設(shè)備。

2）檢測壓路機(jī)及輔助設(shè)備：在智能壓實(shí)技術(shù)應(yīng)用之前，需要對其進(jìn)行檢測，確保其各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 通常情況下，檢測可以分為兩種：一種是檢測機(jī)械本身是否滿足設(shè)計(jì)要求；另一種是通過智能壓路機(jī)壓實(shí)后的質(zhì)量來確定。

3）填方碾壓：首先，需要先將路基基底清理干凈，然后再用壓路機(jī)對其進(jìn)行碾壓處理。 通常情況下，填方路基的壓實(shí)度為95%左右， 而對于石質(zhì)路基來說， 其壓實(shí)度往往需要達(dá)到98%以上。

4）智能壓實(shí)：智能壓路機(jī)在使用過程中要進(jìn)行全路段的碾壓作業(yè)。 智能壓路機(jī)有兩個(gè)工作模式：第一個(gè)是自動模式；第二個(gè)是人工控制模式。 其中自動模式是最重要的一個(gè)工作模式，即當(dāng)壓實(shí)過程中出現(xiàn)異常情況時(shí)，自動控制系統(tǒng)會發(fā)出警報(bào)信號。 人工控制模式主要是針對一些特殊路段和特殊時(shí)期而設(shè)定的工作模式，比如在雨季施工時(shí)要進(jìn)行人工控制，而在冬季施工時(shí)則需要由智能控制系統(tǒng)來進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

3.4 壓實(shí)效果分析

為了驗(yàn)證智能壓實(shí)技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用效果， 本工程中選擇了一個(gè)試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場施工應(yīng)用。 在該試驗(yàn)段中，先將試驗(yàn)路段上的部分區(qū)域進(jìn)行了開挖， 然后使用智能壓路機(jī)對其進(jìn)行碾壓。 根據(jù)施工單位提供的數(shù)據(jù)，使用智能壓路機(jī)對碾壓后的路基進(jìn)行檢測。 在整個(gè)試驗(yàn)段中，智能壓實(shí)技術(shù)的平均壓實(shí)度和壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)差都能達(dá)到規(guī)范要求。 說明智能壓實(shí)技術(shù)在土石混填路基中能夠發(fā)揮出良好的作用。 在整個(gè)試驗(yàn)段中，智能壓路機(jī)的平均速度能達(dá)到60 km/h 以上，這說明智能壓路機(jī)在整個(gè)試驗(yàn)段中能夠穩(wěn)定地行駛。 通過對試驗(yàn)段智能壓實(shí)技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行分析可以看出， 使用智能壓實(shí)技術(shù)后，試驗(yàn)段的各項(xiàng)指標(biāo)都能夠達(dá)到規(guī)范要求。 在試驗(yàn)段中，施工單位選擇使用了普通振動壓路機(jī)和智能壓實(shí)技術(shù)對其進(jìn)行了碾壓。 通過對比分析發(fā)現(xiàn)使用智能壓實(shí)技術(shù)后的施工質(zhì)量明顯要優(yōu)于普通振動壓實(shí)技術(shù)。 采用智能壓實(shí)技術(shù)后，施工單位能夠節(jié)省10%以上的壓實(shí)度檢測費(fèi)用[4]。

4 結(jié)語

綜上所述， 智能壓實(shí)技術(shù)是針對傳統(tǒng)壓實(shí)機(jī)械性能和施工工藝不足而開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)。 它以高精度振動壓路機(jī)為核心，集成了路基檢測、振動壓實(shí)、材料檢測等功能，形成了一種集壓實(shí)和質(zhì)量檢測于一體的智能壓實(shí)作業(yè)系統(tǒng)， 具有高精度、高效率、低成本的特點(diǎn)。 在施工過程中，通過智能壓實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對施工參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和質(zhì)量控制。 本文通過智能壓實(shí)技術(shù)在公路施工過程中的應(yīng)用， 分析了其應(yīng)用過程中存在的問題，并提出了相應(yīng)改進(jìn)建議，從而能夠?yàn)閷?shí)際的施工過程提供一定的參考， 提升智能壓實(shí)技術(shù)在道路施工過程中的應(yīng)用水平。