重慶山區橋梁面層應用3D攤鋪技術的適用性研究

摘 要：當前3D攤鋪技術由于其高精度、無人化和高效率等優勢，在道路鋪裝得到廣泛應用。然而，目前3D攤鋪技術在橋面鋪裝的案例較少，在重慶這多山區地區的應用更少，限制3D攤鋪技術在橋面瀝青路面的發展。該文首先介紹3D攤鋪技術的原理及核心技術，其次通過3D攤鋪技術與傳統攤鋪在重慶在建五布河特大橋的應用對比，對2種攤鋪方式的攤鋪質量進行多尺度分析。結果表明，應用3D攤鋪技術的路面均符合規范要求，其平整度、縱斷高程差、橫坡度和攤鋪厚度又均優于傳統攤鋪路面，3D攤鋪技術在重慶地區橋面瀝青面層鋪裝具有良好的適用性。

關鍵詞：3D攤鋪；瀝青路面；自動行走；山區；路面質量

中圖分類號：U416.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0107-05

Abstract： At present， 3D paving technology has been widely used in road paving because of its advantages such as high precision， unmanned and high efficiency. At present， however， there are few cases of 3D paving technology in bridge pavement， and even less application in the mountainous area of Chongqing， thus limiting the development of 3D paving technology in bridge asphalt pavement. This paper first introduces the principle and core technologies of 3D paving technology， and then makes a multi-scale analysis of the paving quality of the two paving methods by comparing the application of 3D paving technology and traditional paving in the Wubu River Bridge under construction in Chongqing. The results show that the pavement with 3D paving technology meets the requirements of the specification， and its smoothness， vertical elevation difference， transverse slope and paving thickness are better than those of traditional paving pavement. 3D paving technology has satisfying applicability in bridge deck asphalt pavement in Chongqing.

Keywords： 3D paving; asphalt pavement; automatic walking; mountainous area; pavement quality

重慶地處中國西南部山區，88.6%的土地被山地和丘陵所占據，形成了特殊的“三山夾兩江”地形[1]。因此，為了滿足經濟發展和城市拓展的雙重需求，重慶市積極發展城市交通項目，加快建設城市橋梁和隧道，以解決交通問題。

截至2022年，重慶地區道路橋梁共有36座，僅在2022年一年，建成道路橋梁2座，在建道路橋梁6座；穿兩山道路隧道22座，在建穿兩山道路隧道7座。未來，重慶地區的橋隧高速公路將繼續大范圍修筑。然而，重慶地區瀝青路面容易出現早期病害，投入使用后的1～2年內即出現一定的病害問題，服役壽命短，對高速公路的通行質量和經濟性帶來嚴峻挑戰[2]。近些年，三維數字模型逐步與施工技術相結合，3D數字化施工技術由此誕生，其中包括3D攤鋪技術，實現熨平板的高精度自動調節[3-4]。Peyret等[5]基于在線動態差分技術與GPS技術對攤鋪機工作裝置進行實時定位，實現了道路攤鋪平整度的實時監控。Liang等[6]設計了一種基于超聲波測距技術的瀝青攤鋪機智能自動找平控制系統，通過實時超聲波速度補償獲得較高的路面平整度測量精度；王超等[7]在研究后得出3D數字化自動攤鋪控制系統可以提高瀝青攤鋪的精確度，保證瀝青面層的平整度、厚度和均勻性。可見，3D攤鋪技術應用于路面施工具有眾多優勢。

近些年，3D攤鋪技術在常規路面施工上得到了認可，并被廣泛應用。然而，對于3D攤鋪技術在橋面瀝青面層的案例較少，在類似重慶地區這種多山區地區橋面的應用更少。因此，本文從3D攤鋪技術施工工藝和施工效果2個角度對使用3D攤鋪技術的重慶五布河大橋（在建）部分施工段進行研究，以期后續為3D攤鋪技術在橋面瀝青施工的應用奠定部分基礎。

1 山區公路3D攤鋪核心技術

傳統的攤鋪機通過人工操縱，行車軌跡由駕駛員根據現場情況操作，但駕駛員很難實時監測攤鋪軌跡、攤鋪速度、攤鋪高程和混合料溫度等參數[8]。尤其在山區公路的施工中，由于其復雜的環境和工程特點，山區公路的攤鋪難度更大，兼具由于人工在復雜環境的易疲勞性，施工誤差加劇。近些年，在攤鋪機上引入3D控制技術和施工管控技術，在結合GNSS-RTK技術和LaserZone技術的基礎上，3D攤鋪技術利用RTK水平精度和高程精度控制優勢，實現了瀝青混凝土路面高精度攤鋪施工。

1.1 攤鋪機運動規劃技術

攤鋪機運動規劃技術是指通過合理的路徑規劃和運動控制策略，實現攤鋪機在工程現場按照特定要求進行自主運動和施工操作。重慶山區里信號較差，導致常用導航較難應用，因而在攤鋪機-壓路機機群的運動規劃中，采用了領航-跟隨法。就是將一臺攤鋪機指定為領航者，第一臺無人駕駛雙鋼輪振動壓路機作為第二領航者，其余的壓路機作為跟隨者。領航攤鋪機作為引導，通過機群編隊設計和領航者的運動規劃，引導機群實現整體運動規劃。山區橋梁道路施工前，根據路徑規劃和施工要求，制定運動控制策略，包括速度控制、轉向控制、加減速控制等，以確保攤鋪機的穩定運動和精確施工。同時，攤鋪機和壓路機之間需要進行無線通信，共享運動規劃和施工指令，實現機群的協同作業。第二領航者的無人駕駛雙鋼輪振動壓路機，可在攤鋪機后方鞏固路面，與領航攤鋪機保持適當距離，確保路面的平整度和質量，實現整個攤鋪機-壓路機機群的運動規劃。圖1為攤鋪機-壓路機機群運動規劃示意圖。

1.2 攤鋪機引導技術

由于山區的橋梁路面施工線路較為復雜，加之人工誤差和攤鋪機械誤差，導致山區路面較難實現精準攤鋪。項目中，使用視覺算法和引導線來控制攤鋪機路徑可以幫助實現更精確地施工。將視覺攝像頭安裝在攤鋪機上，并在未攤鋪的路基一側布置引導線。通過實時采集攤鋪機與引導線之間的偏差，可以對攤鋪機進行自主行駛控制，使其沿著指定路徑行進。在直線工況下，行走軌跡誤差應保持在4 mm以內。這意味著攤鋪機在直線行駛時，距離引導線的偏差應控制在4 mm以內。在轉彎工況下，行走軌跡誤差應保持在12 mm以內。這意味著攤鋪機在轉彎時，距離引導線的偏差應控制在12 mm以內。相關的視覺算法和控制系統需要被精心設計和開發，同時需要注意系統設計、準確布置引導線和嚴格的誤差限制，以確保施工的精度和質量達到要求。

1.3 雷達測厚技術

山區橋梁項目中，瀝青混凝土鋪裝層平整度通常較差，所以攤鋪過程中需要進行連續測厚。項目中，采用了地下雷達（Ground Penetrating Radar， GPR）技術。通過向下發射的電磁波在地表和地下介質的相互作用下發生反射，形成反射回波信號。高靈敏度設備可以接收和記錄這些回波信號，并通過分析頻譜、時延和波形等信號特征，來獲得對新建路面深度、介質結構和性質等關鍵信息的判斷。在山區橋梁瀝青攤鋪階段，雷達測厚技術幫助監測山區橋梁路面的厚度和質量，確保道路建設符合設計標準。通過自動引導系統，可以實現更高效、準確地施工，以確保新建路面的質量和平整度。圖2為攤鋪機的自動引導示意圖及其雷達測厚技術在攤鋪階段的應用。

2 工程實踐

2.1 工程概況

以重慶市在建五布河特大橋工程為例，五布河特大橋位于重慶市巴南區東泉鎮梨樹村平灘橋碼頭附近，特大橋橫跨五布河。五步河大橋左線起訖里程樁號為ZK23+961.664～ZK26+071.774，設計全長2 110.08 m，橋面設計標高383.043～424.073 m。右線起訖里程樁號為K23+961.664～K26+029.664，設計全長2 068 m，橋面設計標高383.043～423.224 m。兩線縱坡1.95%，單幅凈寬15.25 m。五步河大橋設計車道為雙向六車道，瀝青面層分為上下面層，瀝青鋪裝厚度10 cm。以五布河特大橋K25+200～K25+600路段下面層瀝青路面攤鋪為研究對象。右幅路面采用傳統攤鋪施工方法，左幅采用3D攤鋪施工。

2.2 3D攤鋪及壓實工藝

五布河特大橋K25+200～K25+600路段下面層瀝青路面3D攤鋪項目采用1臺RP2205HD攤鋪機一次性攤鋪，路面寬度15.25 m，按照預估的拌合站生產能力，攤鋪速度定為2.5 m/min，夯錘等級為450 r/min。在3D攤鋪施工前，首先安裝和校準車載設備，并利用水準儀和全站儀獲取橋面的三維坐標數據。借助于3D數字化自動攤鋪控制系統的各個組件，確保施工現場的設備正常且穩定地運行。通過已知點建立基站或進行后方交會建站時，需要注意棱鏡與儀器之間的視線通暢以及施工設備對其的干擾。控制模式開啟后，系統通過棱鏡得到三維坐標數據，并輸入至攤鋪系統的控制箱中，繼而生成高程修正信息。邊控箱通過信號對熨平板進行修正。攤鋪施工開始時，實時檢測并調整橋面攤鋪面的標高，穩定后，3D控制自動控制系統啟動，每20 m進行一次檢測和調整，360°棱鏡不要被運輸車輛和障礙物遮擋。

針對五布河特大橋橋面瀝青下面層的壓實工作，按照緊跟、慢壓的原則，方案中使用了4臺壓路機，前3后3采用同進同退策略進行碾壓。每臺膠輪壓路機都在前一臺之后同步進行前進和后退，壓路機之間存在重疊區域，以確保前后2個隊伍能夠及時消除彼此的停車輪跡，從而極大地提升施工的平整度。最后的壓實工作由人工駕駛完成收面工作。根據中下面層的厚度和材料的不同，會相應調整車道重疊率和振動設置。五布河特大橋橋面下面層現場3D攤鋪情況如圖3所示。

2.3 3D攤鋪施工質量分析

左右幅研究段的瀝青橋面攤鋪完成后，對2個研究段路面進行平整度、縱斷高程差、橫坡度和攤鋪厚度實體質量檢測。首先在攤鋪厚度上，分別在2幅對應位置上共取18個芯樣。規范要求路面設計厚度為60 mm的路面，實際攤鋪厚度要大于等于56 mm，如圖4所示，2種攤鋪方式的攤鋪厚度均符合要求，傳統攤鋪的芯樣厚度標準差為2.36 mm，而3D攤鋪的芯樣厚度標準差僅為傳統攤鋪88.6%，由此可知，3D攤鋪的攤鋪厚度較傳統攤鋪穩定。在橫坡度上，如圖5所示，傳統攤鋪的橫坡度曲線較3D攤鋪變化大，3D攤鋪的芯樣厚度標準差為0.03 mm，而傳統攤鋪的芯樣厚度標準差為0.05 mm，證實了3D攤鋪的橫坡度曲線較為穩定。在平整度上，規范要求中面層路面平整度要小于等于1.0 M/km，如圖6所示，2種攤鋪方式的平整度均符合要求，同時，3D攤鋪的3個車道平整度值均低于傳統攤鋪，得益于3D攤鋪系統對熨平板的高精度控制。

圖7為中樁縱斷高程差值曲線圖，傳統攤鋪的中樁縱斷高程差值曲線較3D攤鋪波動大，3D攤鋪的中樁縱斷高程差值標準差為1.12 mm，而傳統攤鋪的中樁縱斷高程差值標準差為1.27 mm。圖8為邊樁縱斷高程差值曲線圖，傳統攤鋪技術攤鋪的邊樁縱斷高程差值曲線依舊較3D攤鋪技術攤鋪的波動大，3D攤鋪的邊樁縱斷高程差值標準差為2.05 mm，而傳統攤鋪的邊樁縱斷高程差值標準差為2.65 mm。綜合中樁和邊樁縱斷高程差值來看，邊樁的縱斷高程差值曲線均較中樁波動大。

3 結論

本文依托重慶市五布河特大橋工程，將3D攤鋪技術應用在布河特大橋的下面層施工上，闡述了3D攤鋪技術原理及核心技術，明確了3D攤鋪技術在橋面鋪裝的施工工藝。選取了對應大橋鋪裝研究段，對3D攤鋪技術與傳統攤鋪技術攤鋪質量進行了對比分析。主要結論如下。

1）3D攤鋪技術與傳統攤鋪技術均能保證路面厚度及平整度符合規范要求。

2）在3D攤鋪高精度控制系統控制下，3D攤鋪的路面的縱斷高程差、橫坡度和攤鋪厚度的曲線波動幅度和數據標準差均小于傳統攤鋪。

3）3D攤鋪的路面的平整度優于傳統攤鋪，3D攤鋪技術的準確性和精密性均優于傳統攤鋪。

綜上，3D攤鋪在重慶地區橋面鋪裝具有良好的適用性。

參考文獻：

[1] 鐘韻，師敏.重慶市橋隧項目發展歷程研究[J].項目管理技術，2020，18（1）：58-62.

[2] 劉文.重慶高速公路瀝青路面典型病害研究[D].重慶：重慶交通大學，2021.

[3] ABRAHAM B， JUYONG J， BYUNGYCK P. 3D-engineered technique methodology development for thickness quality control of bridge overlay paving [J]. International Journal of Highway Engineering， 2018，20（5）.

[4] DONG Y， WANG J， MAO Y， et al. Application of millimeter 3D automatic paving system in highway engineering construction [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C Journal of Mechanical Engineering Science， 2020，1（2）.

[5] PEYRET F， BETAILLE D， HINTZY G. High-precision application of GPS in the field of real-time equipment positioning [J]. Automation in Construction，2000，9（3）：299-314.

[6] LIANG J， GUAN Z. Design of intelligent automatic leveling control system based on ultrasonic distance measuring technology[C]//proceedings of the IEEE International Conference on Automation & Logistics，F，2007.

[7] 王超，趙帥，趙琦.基于3D數字化自動攤鋪控制系統的瀝青混凝土路面應用[J].電子技術與軟件工程，2022（16）：136-9.

[8] 劉廷杰，張韜，徐衛峰.橋面瀝青混合料高質量智能鋪裝施工技術應用[J].運輸經理世界，2022（23）：78-80.