3D數字化攤鋪技術在高速公路瀝青路面施工中的應用研究

尹茂旭

摘 要： 攤鋪作為瀝青路面的重要施工環節，其施工效果對路面最終的建設質量有著重要影響。依托溧陽至高淳高速公路 LYG-CZ21 標項目，對3D 數字化攤鋪技術在高速公路瀝青路面施工中的應用展開了深入研究，研究結果表明：與傳統攤鋪工藝相比，3D攤鋪施工工藝具有更好的施工效果，平整度、厚度等指標波動很小。且社會經濟效益顯著，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞： 攤鋪 瀝青路面 3D數字化 現代交通

中圖分類號： TU753文獻標識碼： A文章編號： 1679-3567（2024）02-0101-04

Research on the Application of 3D Digital Paving Technology in Expressway Asphalt Pavement Construction

YIN Maoxu

（ Nanjing Public Works Construction Center， Nanjing， Jiangsu Province， 210019 China ）

Abstract： Paving is an important part of asphalt pavement construction， and its construction effect has an important impact on the final quality of the pavement. Relies on the Liyang-Gaochun Expressway LYG-CZ21 standard project， the application of 3D digital paving technology in highway asphalt pavement construction has been studied in depth， and the results of the study show that， compared with the traditional paving process， the 3D paving construction process has a better construction effect， and the fluctuation of flatness， thickness and other indicators is very small. Its social and economic benefits are remarkable， and it has a broad application prospect.

Key Words： Paving； Asphalt pavement； 3D digitization； Modern transportation

高速公路是現代交通系統中重要的組成部分，而瀝青路面在高速公路建設中起著至關重要的作用。為了保證道路的平整度和建設質量，以及提高施工效率，傳統的瀝青攤鋪技術已經逐漸向數字化攤鋪技術轉變。隨著計算機技術的快速發展，3D數字化攤鋪技術在高速公路瀝青路面施工中越來越受到關注。

本文將依托實體工程，開展3D數字化攤鋪技術在高速公路瀝青路面施工中的應用研究，旨在提升路面施工自動化、標準化、智慧化水平，為同類工程施工提供借鑒與指導。

1 攤鋪對路面平整度的影響

1.1 攤鋪機特性對路面平整度的影響

1.1.1 熨平板中心線與攤鋪機中心線不重合

受力偏心會導致瀝青面層橫斷面厚度的不均勻。例如：如果熨平板偏離了路面的中心線，有些區域的瀝青層可能會受到更多的擠壓和熨平，而其他區域則可能會受到較少的擠壓和熨平，從而導致路面的厚度不均勻，影響路面平整度。

1.1.2 熨平板初始工作角設置不合理

如果初始工作角度過大或過小，會使熨平板在攤鋪過程中與瀝青面層的接觸力分布不均勻，進而影響路面的平整度。

1.1.3 熨平板前后拱度差選擇不合理

如果熨平板的前后拱度差過大，可能會導致混合料在攤鋪過程中發生離析，攤鋪層兩側出現刮痕，從而直接影響平整度。

1.1.4 螺旋布料器與熨平板前緣間距不合理

如果間距過大或過小，可能會導致混合料在攤鋪時的分布不均勻，從而產生波紋狀的攤鋪層，降低了路面的平整度。

1.2 攤鋪工藝對平整度的影響

當前路面攤鋪主要有掛線法和平衡梁法兩種控制方式[1]。掛線法要求在施工現場設置掛線，需要工人進行手動操作。這種依賴人工操作的方式可能導致人為誤差，并且在攤鋪過程中需要持續監測掛線的位置和攤鋪機的對準情況。掛線法需要額外的時間和成本來設置和維護掛線。每次施工前都需要進行掛線操作，這會增加施工的時間和勞動成本，并且延長了施工的準備時間。而平衡梁法施工中，平整度的控制主要受下承層施工質量的影響。由此可見，當前的路面攤鋪施工工藝存在依賴人工控制、人為干擾因素多等局限性，導致攤鋪質量波動較大，平整度不易控制。

2 路面3D數字化攤鋪技術

2.1 技術原理

3D數字化攤鋪技術基于先進的測量和控制系統，通過實時獲取、處理和反饋三維道路表面數據來實現攤鋪操作的精確控制。3D攤鋪技術使用地面掃描儀等測量設備，對道路表面進行高精度的測量。測量設備可以通過激光或光學傳感器，捕捉道路表面的幾何形狀和高度信息。掃描儀會以一定的頻率掃描道路表面，并將測量數據轉換為三維點云數據。通過將采集的三維點云數據與已知的設計模型進行匹配，可以建立起道路的三維數字化模型。利用數據處理算法，可以對點云數據進行濾波、配準和擬合等操作，將原始數據轉化為準確的道路地形模型。在攤鋪機上安裝具有高精度控制功能的設備，如液壓系統和傳感器等，這些設備與攤鋪機的操作系統相連，可以實時接收道路地形數據，并根據設計標準進行計算和調整。攤鋪控制系統可以根據道路地形數據進行實時反饋和調整。例如：在攤鋪的過程中，系統會檢測攤鋪機的高度和位置，并與數字化地形模型進行比對。通過調整液壓系統和機械結構，可以實現攤鋪機的高度和位置的自動調整，以確保攤鋪的平整度和質量。

2.2 技術優勢

通過利用3D攤鋪技術，可以實現瀝青路面的智能化、自動化攤鋪，有效解決傳統瀝青路面攤鋪中存在的諸多問題。其主要技術優勢如下。（1）提高施工精度和質量：3D攤鋪技術通過使用先進的激光或GPS測控技術，能夠實現高度精準的水平和縱向坡度控制，在道路施工過程中減少誤差，提高攤鋪質量和道路平整度。（2）節約材料和成本：3D攤鋪技術可以更準確地計算瀝青材料的用量，避免浪費和過量的施工。通過精確的坡度控制，減少了剪切損失和材料的不均勻分布，降低了路面施工的成本。（3）提高施工效率：3D攤鋪技術利用實時的測控系統和自動化設備，能夠快速高效地完成路面施工。與傳統的手工調整和定位相比，3D攤鋪技術大大縮短了施工時間，提高了施工效率。（4）減少人力工作和勞動強度：3D攤鋪技術的自動化和精確性使人員的參與程度減少，降低了人力工作量和勞動強度，減少了人力資源成本和人為誤差帶來的不良影響。

3 實體工程應用

本文依托溧陽至高淳高速公路 LYG-CZ21 標項目進行瀝青路面3D數字化攤鋪技術的應用，并選擇合適試驗段按照傳統攤鋪和3D攤鋪兩種方法進行平行施工，對其施工效果進行對比分析。

3.1 3D攤鋪施工工藝研究

3.1.1 施工前準備

（1）高精度控制系統建立。為保證攤鋪作業的高精度控制，應在正式施工前建立一個高精度的施工控制網，結合相關規范要求，攤鋪精度應控制在±2 mm[2]。宜采用二等水準高程控制網和三等GPS平面控制網與一等導線組合的布網格局，該組合方式可以提供對高程和平面坐標的高精度測量。采用工程獨立坐標系統作為亞面坐標系統，該系統的中央子午線和投影高程可以分別以測區平均精度和平均高程為基準，以確保高精度的控制。在建立獨立坐標系統時，應進行已有高等級控制點的聯測。通過與已有高等級控制點進行測量和比對，可以確保新建的高精度施工控制網與現有控制網之間的一致性和準確性。

（2）點位選取。應根據項目特點與施工現場實際情況，合理選取控制點位。控制點應布置在距離路邊緣左右兩側的10 m左右位置，各控制點之間的間距宜設置在150～210 m之間。此外，在控制網中，需要統一布置3個不同的深埋點，并形成相應的水準基點。深埋點的布置旨在提供穩定的參考基準，使高程系統的維護和運營更加便捷和準確，同時確保高程測量的一致性和可靠性。應選取觀測墩作為水準基點，并嚴格控制觀測墩深度、打樁深度，觀測墩的埋入深度應控制在0.5 m以內，將打樁深度控制在9～14 m。最后，采用打鋼釘的方式固定臨時點，然后對相關數據進行全面化采集。

（3）信息采集與處理。計算機技術、3D技術作為路面3D數字化攤鋪技術的重要技術基礎，在數據采集、分析、處理等方面發揮巨大作用。在進行數據采集與處理的過程中，應重點注意以下方面。①合理選用控制點位并使用GPS技術進行靜態觀測： 在進行控制點選用時，應根據施工要求和工程特點選擇適當的位置。使用GPS技術進行靜態觀測可以提供較高的測量精度和準確性。GPS技術可以實時記錄控制點的坐標，攝取相關數據，確保各個控制點之間的距離滿足施工要求。②選用雙頻GPS技術進行測量：雙頻GPS接收器相對于單頻GPS提供更高的測量精度。它們能夠同時接收L1頻段和L2頻段的GPS信號，消除了由于大氣層折射引起的誤差。因此，使用雙頻GPS進行測量可以獲得更準確、可靠的測量結果，提高數據的精度和可信度[3-4]。

3.1.2 設備安裝與校準

施工人員應仔細對照設計圖紙，對桅桿、360度棱鏡、主控制器、控制手柄（Moba）、橫坡傳感器、桅桿傳感器、車載電臺等設備進行科學化安裝，確保牢固穩定。各個設備安裝結束后需要對如圖1所示的8個數據進行精確化校準。

3.1.3 3D攤鋪施工

在施工范圍內選擇通視良好的位置架設全站儀，每站控制范圍400～600 m。將里程樁坐標文件、三維線形文件、三維模擬文件、檢測模型文件導入自動全站儀和主控制器。應配備3臺以上自動全站儀，2臺用于捕獲360°反射棱鏡三維坐標和檢測高程，1臺用于檢測攤鋪高程及轉站。攤鋪機前方路側的自動全站儀用于捕獲攤鋪機上棱鏡三維坐標，攤鋪機后方路側的自動全站儀用于檢測攤鋪高程，交替進行。前視與后視的夾角宜控制在15°～165°之間。

開始攤鋪前將攤鋪機標尺放置在預定的位置上，啟動攤鋪機開始熨平板預熱。預熱時間為30～60 min，以使熨平板溫度升高至100 ℃以上。調整攤鋪機下方墊塊，以使其與松鋪厚度相匹配。設定攤鋪速度、振搗頻率、松鋪系數等參數進行混合料施工。

3.2 3D攤鋪施工安全措施

所有相關的作業人員應接受相應的培訓和教育，了解3D攤鋪施工的操作流程、安全規范和應急措施等。施工人員應熟悉設備的使用方法、安全注意事項以及相關的緊急停機和故障排除程序。在施工區域內，應設置合理的交通管理措施，包括交通標志、警示燈、隔離欄或圍擋等，以確保行人和車輛的安全。特別是在攤鋪機運行時，應明確劃定作業區域，并禁止無關人員和車輛進入。在攤鋪機操作之前，要進行設備檢查，確保設備的正常運行和安全性能。機械部件、液壓系統、電氣系統等都應定期檢查和保養，發現問題及時修復或更換。在攤鋪施工現場設置應急設備和設施，包括滅火器、急救箱、事故報警器等。培訓作業人員如何應對緊急情況，如火災、機械故障、意外傷害等，以保證他們可以及時做出反應并采取適當的措施。施工完畢后，需要及時清理工作區域，移除雜物和障礙物，確保施工現場的整潔和安全，以減少跌倒等事故的發生[5]。

3.3 應用效果分析

本次數據分析共采集6 km下面層數據進行分析比較，分為兩種：第一種是采集3D攤鋪段落3 km數據，第二種是采集傳統攤鋪段落3 km數據，兩種段落檢測內容為高程、橫坡、平整度、厚度四項。

（1）高程：采用傳統施工工藝攤鋪瀝青下面層，高程差值較大，偏差在+24～-20 mm之間；采用3D施工工藝攤鋪瀝青下面層，高程差值較小，偏差在+18～-19 mm之間，標高差值的波動性整體降低約6 mm。

（2）橫坡：采用傳統施工工藝攤鋪下面層，橫坡偏差大，數據分布跨度大，在1.80%～2.23%之間；采用3D施工工藝攤鋪下面層，橫坡偏差小，在1.92%～2.08%之間，橫坡整體波動性降低了約0.15%。

（3）平整度：傳統施工工藝攤鋪的下面層，平整度值普遍較大，且分布零散，分布在0.98～1.98 mm 之間；采用3D施工工藝攤鋪的下面層，平整度值均較小，且分布均勻，基本在0.6～1.1 mm之間，平整度控制很好。

（4）厚度：傳統施工工藝攤鋪的下面層厚度偏差較大，數據分布零散，在70～90 mm之間；采用3D施工工藝攤鋪的下面層，厚度控制較好，偏差小，數據分布均勻，基本在77～84 mm之間，厚度控制很好。

3.4 經濟社會效益分析

3.4.1 經濟效益

（1）人工成本。人工成本測算結果如表1、表2所示。

根據表1、表2結果可知：相較于傳統攤鋪施工，采用3D攤鋪施工工藝可以節省人工成本約6.3萬元/月。

（2）材料成本。傳統工藝需掛鋼絲，施工質量易受外界干擾，平整度、厚度等重要指標的控制受影響較大。為了保證攤鋪厚度，以水穩基層為例，施工單位通常以上限控制，平均浪費水穩材料0.3 cm，按15 km高速公路計：0.003 m×25 m×20 000 m=1 125 m3；每m3水穩成本300元，共計337 500元；3D攤鋪技術的應用，無需掛鋼絲，因此，此項費用可以節省。

3.4.2 社會效益

3D數字化攤鋪機技術的應用，可實現24 h不間斷的施工，提高了工作效率，工期縮短約15%。3D攤鋪施工相對于傳統攤鋪可以省去測量放線、架設鋼絲導向線及鋼梁的人員，從而減少了人機交叉作業的現象，施工現場的安全風險也大大降低。

4 結語

本文依托溧陽至高淳高速公路LYG-CZ21標項目，展開了3D數字化攤鋪技術在高速公路瀝青路面施工中的應用研究，深入分析了攤鋪機特性與攤鋪工藝對路面平整度的影響，介紹了路面3D數字化攤鋪技術的技術原理與優勢。最后通過現場應用，形成了3D攤鋪施工標準化施工方案。與傳統攤鋪工藝對比，3D攤鋪技術具有顯著的社會經濟效益。

參考文獻

[1]高海波，劉欣超，王彤.基于3D機械控制瀝青路面智能攤鋪施工技術應用研究[J].江蘇建筑，2022（S1）： 52-55.

[2]王文學，李昌華，張文聞，等.基于3D機械控制的瀝青路面施工攤鋪技術研究[J].科技資訊，2023，21（7）： 106-109.

[3]楊劉虎.3D數字化攤鋪機控制系統在高速公路建設中的應用[J].交通世界，2022（22）：105-107.

[4]顧江鳴，鄒文軍，白偉華，等.3D智能數字化攤鋪技術在溧高高速公路路面施工中的應用[J].工程質量， 2021，39（2）：65-68.

[5]陳廣輝，張蘇龍.3D攤鋪技術在高速公路養護工程中的應用[J].大眾標準化，2023（4）：54-55，58.