公路工程3D技術路面施工應用分析

盧俏宇，周洪劍

(廣西桂通工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530028)

0 引言

在建的柳州至南寧高速公路改擴建工程(簡稱柳南改擴建工程)，全長202 km，是全國一次性開工的路線最長的高速公路改擴建工程，項目以打造“廣西一流、全國領先、東盟知名”的品質工程為總體管理目標。在建過程中，采用了一系列的技術創(chuàng)新成果。其中，柳州至南寧高速公路改擴建工程№8合同段，在路面工程中采用了3D自動化攤鋪技術，取得了較好的效果。本文結合該應用實例和取得的實際效果進行分析，以供同行參考。

1 3D技術攤鋪系統(tǒng)控制基本原理

3D技術攤鋪系統(tǒng)主要由全站儀基準站和攤鋪自動控制系統(tǒng)組成。系統(tǒng)工作時，架設在控制點上的機械控制全站儀將捕獲安裝在攤鋪機桅桿上的360°棱鏡的三維坐標數據，通過攤鋪機系統(tǒng)上的數據傳輸電臺實時將棱鏡坐標數據傳送到攤鋪自動控制系統(tǒng)的控制箱中，控制箱將獲得的當前坐標信息與設計卡中的三維數據進行對比，生成相應的高程修正信息并傳遞攤鋪機左右兩側邊控箱，這時再由邊控箱對應生成相應的比例驅動信號，通過液壓閥驅動攤鋪機牽引臂液壓油缸，使熨平板進行相應方向的調整和修正，從而使攤鋪道面產生坡度和高程變化，彌補路面波動，實現所要求的路面平整度。在具體施工過程中為實現道面攤鋪的精確控制要求，另一臺測量全站儀一直處于監(jiān)測道面攤鋪狀況，真正實現過程監(jiān)控施工，滿足攤鋪設計要求。

2 3D技術攤鋪系統(tǒng)主要設備

設備主要包括1臺主控制器、2臺控制手柄、兩個360°棱鏡、1個橫坡傳感器、2臺車載電臺、2個接線盒以及連接線纜(見圖1)。

圖1 3D攤鋪自動控制系統(tǒng)設備組成圖

3 現場施工準備流程(見圖2)

圖2 3D攤鋪施工準備流程圖

4 攤鋪過程與換站

選擇合適位置架設好左右兩臺全站儀，采取一前一后的布局，這樣可以避免兩臺全站儀同時搬站，并且第三臺全站儀可以交替搬站。由于每臺全站儀在自動跟蹤模式下精度會有所降低，在半徑150 m范圍內精度滿足要求，這樣每臺全站儀控制300 m距離后需要進行搬站動作。如果有備用全站儀，在搬站過程中需要先將備用全站儀自動跟蹤到需要換站一側的棱鏡上，在車載電腦上點擊切換按鈕，系統(tǒng)會自動將新站作為控制站進行不間斷作業(yè)。若沒有備用全站儀，在搬站過程中攤鋪機需要停下等待搬站完成并且在數據傳輸無誤的情況下才能繼續(xù)作業(yè)。

5 3D技術攤鋪效果

通過前期2 km路段的攤鋪，進行了大量的數據檢測采集。根據檢測數據顯示，采用3D攤鋪自動控制系統(tǒng)進行的施工和采用傳統(tǒng)施工方法進行施工的數據精度基本上一致，無論壓實后和松鋪檢測的實際攤鋪標高與設計標高誤差基本都在10 mm以內(設備開始啟動階段，高程誤差較大，之后趨于穩(wěn)定，試驗驗證路段實測極值為23 mm，同時平整度良好，設備穩(wěn)定。

試驗段的攤鋪測試充分證明了利用3D攤鋪自動控制系統(tǒng)進行的施工精度完全符合施工要求。

采用3D技術進行路面攤鋪，按照其原理可知，實測高程可以在工程施工前預先設置，實際攤鋪邊線點的高程控制，克服了人工測量誤差和拉線誤差，結合紅外測量設備的應用，克服了夜間測量的不便。高程測量的誤差取決于事前計算的結果，只有計算結果正確才可以做到零誤差；高程控制的誤差來源，在于攤鋪設備的機械性能，其與系統(tǒng)兼容的敏感性決定了其攤鋪控制的結果。實際施工結果表明，柳南改擴建工程中實際使用的攤鋪設備，只要攤鋪底面無突變，可將高程的誤差控制在5 mm內，加上攤鋪設備由液壓系統(tǒng)控制，平整度控制可達到自然的良好效果。

柳南改擴建K1349+160～K1349+880段4%水穩(wěn)層采用3D技術攤鋪，僅以K1349+160～K1349+220現場實測數據為例。松鋪系數為1.35。設計厚度為20 cm，現場鉆芯取樣6個(19.8 cm、19.3 cm、19.6 cm、19.3 cm、19.4 cm、19.6 cm)，平均厚度19.5 cm，厚度分布均勻，滿足規(guī)范要求。

5.1 松鋪數據

松鋪數據見表1。

表1 松鋪數據表

5.2 壓實后數據

壓實后數據見表2。

表2 壓實后數據表

5.3 實施效果

攤鋪的實施效果見圖3、圖4。

圖3 3D攤鋪作業(yè)圖

圖4 3D攤鋪現場圖

采用3D技術進行攤鋪作業(yè)，現場技術人員按審核的計算結果輸入數據，不用再進行計算，只需具備測量的基本技能，即儀器設備的架設和照單輸入數據的能力，即可勝任現場工作，有利于人才的培養(yǎng)，人員的勞動強度也會大為降低。

采用3D技術進行攤鋪作業(yè)，無需掛線，減少了大量的輔助人工，節(jié)省了人力，有很好的經濟效益；同時，沒有桿線的影響，運輸車輛的倒運空間更大，現場整潔有序，安全性更好、效率更高。

由于高程控制準確，路面結構層的厚度得到良好的控制，厚度均勻，質量可靠，減少了材料的浪費，提高了經濟效益。

系統(tǒng)施工不受光線影響，可以24 h全天候施工作業(yè)。

5.4 存在問題和思考

采用3D技術進行攤鋪，頂面高程控制的誤差主要來源有：(1)測站儀器安裝的精度；(2)施工攤鋪設備與系統(tǒng)發(fā)出指令反應的靈敏度。以上兩個方面的誤差因素，實施證明，能控制好難度不大。因此，頂面高程達到預設值是可行的。而底層高程控制不理想，要達到理想的平整度和保證壓實后標高完全控制在容許范圍，就需要對鋪筑底面設置足夠多的測點，根據松鋪系數調整頂面攤鋪高程，這樣既增加底面測量工作量，又增加系統(tǒng)數據的輸入。因此我們對實施過程進行了一些思考，如果鋪筑底面，標高控制不理想，我們以路床標高達到50 mm這種情形進行分析。因測點設置少，以下承層誤差為0的極端情況指導上層結構的攤鋪，同時為方便計算，松鋪系數均按1.35計算(實際各結構層松鋪系數是不同的)，以優(yōu)化施工控制。以柳南改擴建項目擴建部分路面結構層為例，其結構層組成如下：

15 cm級配碎石墊層+20 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層+38 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+1 cmSBS改性瀝青同步碎石封層+8 cmAC-25C瀝青混凝土下面層+6 cmAC-20C瀝青混凝土中面層+4 cmSMA-13瀝青混凝土上面層。

從15 cm級配碎石墊層開始使用3D技術進行攤鋪，路床頂面高程出現±50 mm的情況，誤判誤差為0。則最簿處松鋪值為20×1.35-5=22 cm，最厚處松鋪值為20×1.35-5=32 cm。實際壓實厚度最簿處為22÷1.35=16.3 cm，與設計高層差值為16.3+5=21.3 cm，結論為壓實后高出設計值1.3 cm；實際壓實厚度最簿處為32÷1.35=23.7 cm，與設計高層差值為23.7-5=18.7 cm，結論為壓實后低于設計值1.3 cm。可見，在誤判的情況下，差值傳遞到級配碎石墊層時的數值減少量為37 mm，絕對誤差為±13 mm，±13 mm的誤差還會往上傳遞，同理推出±13 mm傳遞到上一層，絕對

誤差量±3.4 mm，在規(guī)范容許范圍。以上各結構層所受的影響在承受范圍內。

由此可知：底層高程的誤差，厚度不經松鋪系數的調整，誤差會向上一層傳遞，誤差的正負值保持原有特征，高者恒高，低者恒低，但振幅會收窄。

誤差振幅收窄量遵守以下規(guī)律：

H=L-L/S

H——上層結構底面接收下層機構傳遞的誤差量；

L——下層誤差量(高為+，低為-)；

S——結構層松鋪系數，S>1。

可見，在底層大面平整，高程誤差在+50 mm的情況下，采用3D攤鋪技術進行路面結構層的施工，攤鋪兩層結構以上，誤差傳遞到第二層頂面時，可以滿足規(guī)范要求?？梢越Y合松鋪系數，采用設計高程計算松鋪高程值進場施工控制，第三層基本沒有影響。

6 結語

采用3D技術進行路面攤鋪，在柳州至南寧高速公路改擴建項目路面工程施工中得到了實際的應用。應用3D技術，減少了人為控制誤差，各項技術指標完全達到驗收標準的要求，節(jié)約了資源投入，提高了工作效率。相信不久的將來，這一技術一定會在公路工程建設中得到廣泛的應用推廣。

[1]JTG/T F20-2015，公路路面基層施工技術細則[S].

[2]JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術規(guī)范[S].