基于3D機(jī)械控制瀝青路面智能攤鋪施工技術(shù)應(yīng)用研究

馮太坤，楊光明，徐磊，馬濤

（湖北交投建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

隨著交通需求的不斷增長，高速公路作為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，受到廣泛關(guān)注。為了提高道路建設(shè)的質(zhì)量，相關(guān)工程行業(yè)一直在尋求創(chuàng)新的施工技術(shù)和方法。在這一背景下，基于3D 機(jī)械控制的瀝青路面智能攤鋪施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為公路建設(shè)領(lǐng)域帶來了革命性的變革。

1 3D 智能攤鋪施工技術(shù)的應(yīng)用原理

3D 智能攤鋪施工技術(shù)的應(yīng)用涵蓋多個方面，實(shí)現(xiàn)了攤鋪機(jī)的高精度自動控制，能夠確保道路或場地的平整度和坡度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。第一，該技術(shù)利用全站儀和光學(xué)標(biāo)靶實(shí)現(xiàn)毫米級的定位精度。全站儀是一種精密的測量儀器，安裝在攤鋪機(jī)上，并對光學(xué)標(biāo)靶進(jìn)行跟蹤。通過測量光學(xué)標(biāo)靶的位置，全站儀能夠確定攤鋪機(jī)相對于地面的精確位置和姿態(tài)，這一步驟的關(guān)鍵是確保攤鋪機(jī)位置信息的準(zhǔn)確。第二，全站儀采集的定位數(shù)據(jù)通過電臺傳送到攤鋪機(jī)的控制系統(tǒng)，這一過程是實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵，確保攤鋪機(jī)能夠及時獲得位置信息，電臺通信系統(tǒng)通常采用無線技術(shù)，使數(shù)據(jù)傳輸更加便捷。第三，攤鋪機(jī)的控制系統(tǒng)將接收到的定位數(shù)據(jù)與機(jī)載3D 設(shè)計(jì)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時對比，以了解當(dāng)前的位置相對于設(shè)計(jì)要求的位置的偏差程度，此對比過程是自動控制的核心，將確定是否需要進(jìn)行高程修正。如果控制系統(tǒng)確定高程需要修正，就會生成相應(yīng)的高程修正信息，并將高程修正信息傳遞到攤鋪機(jī)的液壓控制系統(tǒng)，通過液壓控制系統(tǒng)的驅(qū)動，油缸牽引剔平板到設(shè)計(jì)高程和設(shè)計(jì)坡度的位置，這確保了攤鋪機(jī)在鋪設(shè)道路或場地材料時能夠保持高度一致和坡度正確，從而實(shí)現(xiàn)了自動控制的攤鋪施工[1-2]。

2 基于3D 機(jī)械控制瀝青路面智能攤鋪施工技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 提高施工精度和質(zhì)量

3D 機(jī)械控制技術(shù)通過實(shí)時定位和高程控制，能夠?qū)崿F(xiàn)毫米級的施工精度，這種高精度的控制使瀝青路面的鋪設(shè)更加均勻和平整，減少了坑洼和凸起，提高了路面的質(zhì)量和平整度。

2.2 提高施工效率和節(jié)約成本

智能攤鋪技術(shù)的自動化控制使施工過程更加高效，無須掛設(shè)高程拉線，相比傳統(tǒng)人工或半自動施工，3D 機(jī)械控制技術(shù)可以大幅度減少人工操作的需求，提高了施工速度。此外，該技術(shù)能夠精確控制坡度和高程，無須頻繁停工進(jìn)行調(diào)整，減少了施工中的停工時間，進(jìn)一步加快工程進(jìn)度，降低施工周期，減少了人工和機(jī)械設(shè)備的使用成本[3]。

2.3 提高安全性和減少人員風(fēng)險

智能攤鋪技術(shù)的應(yīng)用減少了施工人員在施工現(xiàn)場的暴露時間。傳統(tǒng)的道路施工中，施工人員需要在施工區(qū)域內(nèi)操作機(jī)械設(shè)備，面臨較大的安全風(fēng)險，而3D 機(jī)械控制技術(shù)使機(jī)械設(shè)備的操作自動化程度更高，減少了施工人員與機(jī)械設(shè)備的直接接觸，降低了事故風(fēng)險，保障施工人員的安全。

3 工程概況

某工程具體情況如下：

工程名稱：湖北省某高速公路項(xiàng)目。

工程地點(diǎn)：位于湖北省某市。

工程長度：46km。

工程類型：高速公路。

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：雙向四車道，設(shè)計(jì)車速100km/h。

施工時間：路面施工周期為12 個月。

4 基于3D 機(jī)械控制瀝青路面智能攤鋪施工技術(shù)的具體應(yīng)用

3D 機(jī)械控制瀝青路面智能攤鋪施工技術(shù)的應(yīng)用流程，如圖1 所示。

圖1 應(yīng)用流程

4.1 確定工作區(qū)間

在道路建設(shè)工程中，需要明確施工的工作區(qū)間，即確定道路的起點(diǎn)和終點(diǎn)以及邊界范圍。利用全站儀和光學(xué)標(biāo)靶實(shí)時測量攤鋪機(jī)的位置，并將這些地理數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，確保工作區(qū)間的精確定位。在工作區(qū)間內(nèi)，3D 機(jī)械控制技術(shù)還可以與數(shù)字地形模型（DTM）或3D 設(shè)計(jì)模型進(jìn)行集成，施工團(tuán)隊(duì)將工作區(qū)間的設(shè)計(jì)要求導(dǎo)入控制系統(tǒng)，包括道路的高程、坡度和曲線等參數(shù)，這些參數(shù)與實(shí)時地理定位數(shù)據(jù)相結(jié)合，為施工團(tuán)隊(duì)提供了工作區(qū)間的詳細(xì)信息，使施工與設(shè)計(jì)具有一致性。此外，3D 機(jī)械控制技術(shù)可以自動標(biāo)記工作區(qū)間的邊界和起點(diǎn)，如果工作區(qū)間的邊界被定義，系統(tǒng)可以發(fā)送信號，將邊界點(diǎn)標(biāo)記在地面上，這對后續(xù)施工步驟非常重要[4]。

4.2 復(fù)測高程控制網(wǎng)

復(fù)測高程控制網(wǎng)的建立和維護(hù)是該技術(shù)應(yīng)用中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，目的是確保高程測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性，從而實(shí)現(xiàn)工作區(qū)間之間的平穩(wěn)搭接，這有助于確保整個道路鋪設(shè)項(xiàng)目的成功。第一，需確保高程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。3D 機(jī)械控制系統(tǒng)的核心是準(zhǔn)確的高程數(shù)據(jù)，通過復(fù)測高程控制網(wǎng)，可以建立高精度的高程基準(zhǔn)點(diǎn)，用于校準(zhǔn)和校驗(yàn)全站儀的測量數(shù)據(jù)，這些基準(zhǔn)點(diǎn)分布在整個工程區(qū)域，涵蓋了不同地形和施工區(qū)段。通過定期對這些基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測，可以檢查并確保高程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而避免了高程誤差在工程中的累積。第二，平滑工作區(qū)間的搭接。在道路鋪設(shè)工程中，不同的工作區(qū)間會存在高程差異，如果沒有進(jìn)行精確的高程控制，導(dǎo)致工作區(qū)間之間的搭接不平滑，進(jìn)而使道路的不均勻和坡度不一致。通過復(fù)測高程控制網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)工作區(qū)間之間的高程過渡平穩(wěn)，確保道路表面的平整度和坡度的連續(xù)性。

4.3 確定攤鋪面的設(shè)計(jì)要素

在技術(shù)應(yīng)用中，需要按照設(shè)計(jì)要求計(jì)算并明確攤鋪區(qū)域的縱坡、橫坡以及攤鋪帶起點(diǎn)的設(shè)計(jì)高程，為攤鋪工作的順利進(jìn)行做好技術(shù)準(zhǔn)備。首先，需確定攤鋪區(qū)域的縱坡。縱坡是指道路沿著縱向的坡度或高程變化。縱坡的準(zhǔn)確性對于攤鋪工作來說至關(guān)重要，因?yàn)槠溆绊懙杰囕v行駛的穩(wěn)定性和道路的排水性能。在設(shè)計(jì)中，工程師需要明確道路的縱坡，確保道路在不同地形和地勢條件下的坡度適宜，以滿足交通安全和排水要求，如通過設(shè)計(jì)圖紙和數(shù)字地形模型來計(jì)算和確定縱坡。其次，需確定攤鋪區(qū)域的橫坡。橫坡是指道路在橫向方向上的坡度或高程變化。在道路設(shè)計(jì)中，橫坡的確定涉及路面的橫向傾斜度，合理的橫坡設(shè)計(jì)可以確保水平排水和車輛行駛的舒適性。設(shè)計(jì)中需要考慮橫坡的數(shù)值和方向，以指導(dǎo)攤鋪機(jī)的液壓控制系統(tǒng)調(diào)整路面板的位置，以實(shí)現(xiàn)正確合理的橫坡施工，科學(xué)合理的橫坡設(shè)計(jì)可確保路面不會出現(xiàn)積水，有助于提高行車安全性。最后，確定攤鋪帶起點(diǎn)的設(shè)計(jì)高程。攤鋪帶起點(diǎn)的設(shè)計(jì)高程是攤鋪工作的起點(diǎn)，通常指道路的一側(cè)。在設(shè)計(jì)中，需要明確攤鋪帶起點(diǎn)的高程，以確保攤鋪機(jī)在施工過程中能夠準(zhǔn)確地鋪設(shè)瀝青或其他路面材料。這一高程通常與整個攤鋪區(qū)域的設(shè)計(jì)要求一致，能夠保障道路的平整度和連續(xù)性。

4.4 安裝3D 攤鋪系統(tǒng)

安裝3D 攤鋪系統(tǒng)對于確保施工的高精度和順利進(jìn)行而言至關(guān)重要，這一過程涉及將各種傳感器和控制設(shè)備按照設(shè)計(jì)要求安裝在攤鋪機(jī)上，并進(jìn)行通電測試和精度校準(zhǔn)。首先，坡度傳感器和角度傳感器的準(zhǔn)確安裝是3D 攤鋪系統(tǒng)安裝的關(guān)鍵，坡度傳感器用于測量道路的縱向和橫向坡度，角度傳感器用于確定攤鋪機(jī)的姿態(tài)，這些傳感器必須精確安裝在攤鋪機(jī)上，使其能夠準(zhǔn)確地捕捉地面的高程和坡度數(shù)據(jù)。其次，根據(jù)3D 攤鋪系統(tǒng)的要求，需要布置和連接2D 控制箱、靶標(biāo)、3D 控制箱以及數(shù)字電臺等控制設(shè)備，這些設(shè)備之間的協(xié)作是實(shí)現(xiàn)自動化控制的關(guān)鍵。2D 控制箱用于數(shù)據(jù)處理和控制命令的發(fā)送；3D 控制箱用于實(shí)時的坡度和高程校準(zhǔn)；數(shù)字電臺用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，確保控制指令的及時傳遞。最后，進(jìn)行通電測試和精度校準(zhǔn)以確保系統(tǒng)可以正常運(yùn)行和高精度工作。在通電測試中，所有設(shè)備會被啟動和連接，以確保其能夠正常運(yùn)行并與主控制系統(tǒng)通信。隨后，精度校準(zhǔn)會對傳感器進(jìn)行調(diào)整，使測量數(shù)據(jù)與實(shí)際地面高程和坡度相匹配。

4.5 組織攤鋪實(shí)施

組織攤鋪實(shí)施涉及多個關(guān)鍵操作，合理組織攤鋪能夠保證攤鋪工作按照設(shè)計(jì)要求落實(shí)。首先，在待施工區(qū)域架設(shè)智能全站儀是攤鋪實(shí)施的重要前提。智能全站儀是用于測量和定位的關(guān)鍵設(shè)備，能夠提供毫米級的位置精度。在施工現(xiàn)場，工程團(tuán)隊(duì)需要將智能全站儀架設(shè)在合適的位置，以覆蓋整個待攤鋪區(qū)域，保證施工過程中地理定位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。其次，將待攤鋪區(qū)域的設(shè)計(jì)面輸入機(jī)載電腦，這是攤鋪實(shí)施的關(guān)鍵步驟之一。設(shè)計(jì)面通常是根據(jù)工程要求和道路設(shè)計(jì)制作的數(shù)字模型，這一模型包括道路的縱坡、橫坡、坡度和曲線等設(shè)計(jì)參數(shù)，將設(shè)計(jì)面輸入機(jī)載電腦中，能夠使機(jī)載控制系統(tǒng)了解攤鋪的目標(biāo)高程和坡度。再次，建立全站儀與數(shù)據(jù)電臺的連接，確保數(shù)據(jù)傳輸效果。數(shù)據(jù)電臺用于將智能全站儀采集的地理定位數(shù)據(jù)傳輸給機(jī)載電腦以進(jìn)行實(shí)時控制，連接的建立確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r和可靠，使控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r了解攤鋪機(jī)的位置和姿態(tài)。最后，將智能全站儀瞄準(zhǔn)攤鋪機(jī)上的靶標(biāo)并啟動跟蹤模式，這是攤鋪實(shí)施的關(guān)鍵操作之一。靶標(biāo)通常固定在攤鋪機(jī)上，并用于全站儀的定位。啟動跟蹤模式后，全站儀將鎖定靶標(biāo)，確保其精確定位，這一步驟使控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r追蹤攤鋪機(jī)的位置和姿態(tài)，從而調(diào)整液壓控制系統(tǒng)，確保道路的高程和坡度與設(shè)計(jì)要求一致。

4.6 數(shù)據(jù)采集

為了更好地比較傳統(tǒng)攤鋪與3D 機(jī)械控制攤鋪施工技術(shù)在人員投入、工程效率等方面的區(qū)別，數(shù)據(jù)采集是必不可少的步驟。在比較研究中，將每公里的道路作為一個單元，分別對1km 長度的3D 機(jī)械控制攤鋪施工和傳統(tǒng)施工進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，這些數(shù)據(jù)包括人員投入的相關(guān)信息以及質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)（包括厚度、壓實(shí)度和平整度）。具體的研究結(jié)果，如表1 所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)顯示，第一，3D 機(jī)械控制攤鋪施工中，人員投入明顯減少，勞動成本降低。第二，3D 機(jī)械控制攤鋪施工技術(shù)在線形控制方面表現(xiàn)更佳，能夠更好地維持道路的平整度和舒適性，降低了道路維護(hù)成本和車輛磨損。第三，對于厚度控制，傳統(tǒng)施工方法下，道路路面厚度不均勻，容易導(dǎo)致資源浪費(fèi)和建設(shè)成本的增加。第四，在壓實(shí)度控制方面，3D 機(jī)械控制攤鋪施工區(qū)域的壓實(shí)度平均標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)攤鋪施工區(qū)域的平均標(biāo)準(zhǔn)差，說明3D 機(jī)械控制攤鋪技術(shù)能夠更均勻地控制厚度，確保道路的穩(wěn)定性和質(zhì)量。第五，在平整度控制方面，3D 攤鋪工藝可以更好地提升路面平整度，提高了行車舒適性和車輛的燃油效率。

5 3D 機(jī)械控制瀝青路面智能攤鋪施工技術(shù)的發(fā)展趨勢

該技術(shù)在道路建設(shè)領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著的成就，然而，其未來發(fā)展趨勢仍然充滿了潛力和挑戰(zhàn)。首先，數(shù)字化和自動化技術(shù)將進(jìn)一步普及。未來，隨著傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，該技術(shù)將更加成熟，得到更廣泛的應(yīng)用，數(shù)字化施工現(xiàn)場將成為常態(tài)，全站儀、傳感器和自動化系統(tǒng)將更加精細(xì)化和智能化，從而提高施工質(zhì)量和效率。其次，可持續(xù)性和環(huán)保意識將成為關(guān)鍵驅(qū)動力。未來的3D 機(jī)械控制瀝青路面智能攤鋪施工技術(shù)將更注重可持續(xù)性和環(huán)保效能，包括使用可再生材料、減少廢棄物和能源消耗、降低碳足跡等方面的創(chuàng)新，這一技術(shù)將更好地監(jiān)測和管理資源的使用，以滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。最后，隨著快速測量技術(shù)、快速檢測技術(shù)和人工智能技術(shù)的成熟，智能攤鋪技術(shù)將有更大的應(yīng)用空間，發(fā)揮更大作用。3D 機(jī)械控制瀝青路面智能攤鋪施工技術(shù)將進(jìn)一步整合成熟的施工工藝，以實(shí)現(xiàn)更精確的質(zhì)量控制。

6 結(jié)語

綜上所述，此次研究深入分析了基于3D 機(jī)械控制的瀝青路面智能攤鋪施工技術(shù)的應(yīng)用，明確了這一技術(shù)在人員投入、線形控制、厚度控制、壓實(shí)度控制和平整度控制等多個方面的顯著優(yōu)勢。此次研究為相關(guān)工程領(lǐng)域的決策者和從業(yè)者提供了重要的參考，使其能夠更合理地選擇施工方法，以滿足項(xiàng)目目標(biāo)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)的應(yīng)用有望推動道路建設(shè)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷提升。