3D攤鋪技術(shù)在路面養(yǎng)護(hù)工程中的應(yīng)用探討

李飛林

(廣西壯族自治區(qū)高速公路發(fā)展中心，廣西 南寧 530021)

0 引言

隨著我國(guó)公路建設(shè)的發(fā)展，提升路面施工效率和施工精度，減少施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員已經(jīng)成為路面施工技術(shù)的主要發(fā)展方向，3D攤鋪技術(shù)正是在這一背景下產(chǎn)生[1]?，F(xiàn)有的3D攤鋪技術(shù)是在原有的2D攤鋪技術(shù)的基礎(chǔ)上引入BIM技術(shù)、測(cè)量定位技術(shù)，以提高路面材料攤鋪的自動(dòng)化程度，減少攤鋪過程的人為干預(yù)[2-3]。BIM模型是3D攤鋪的信息基礎(chǔ)，對(duì)于新建高速一般采用設(shè)計(jì)提供的控制點(diǎn)位進(jìn)行BIM建模。對(duì)養(yǎng)護(hù)工程而言，由于在新建過程中大多未采用3D攤鋪以及施工過程中與設(shè)計(jì)存在的誤差導(dǎo)致無法按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行建模，對(duì)舊路面三維數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量后擬合是養(yǎng)護(hù)工程BIM模型的主要數(shù)據(jù)來源[4]。目前已經(jīng)有了專用于路面3D攤鋪建模的軟件，如Icon Site Software,Lecia Icon-office Software,Topcon 3D-Office[5]。目前3D攤鋪所采用的測(cè)量定位技術(shù)可分為兩種：一種是基于全站儀與棱鏡，另一種是激光和GPS定位，不同的測(cè)量定位技術(shù)對(duì)控制精度有顯著影響，一般認(rèn)為全站儀的測(cè)量精度可達(dá)到毫米級(jí)，而激光和GPS的平面測(cè)量精度為厘米級(jí)，厚度和高程測(cè)量精度為毫米級(jí)[6]。

3D攤鋪技術(shù)在新建公路、機(jī)場(chǎng)、廣場(chǎng)道面工程中已經(jīng)得到較多的應(yīng)用，在路面養(yǎng)護(hù)工程的應(yīng)用較少[7-8]。本研究基于廣西某高速公路養(yǎng)護(hù)工程，對(duì)維特很-徠卡3D攤鋪控制技術(shù)在路面養(yǎng)護(hù)中應(yīng)用存在的問題和實(shí)施效果進(jìn)行記錄和分析，探究3D攤鋪技術(shù)在養(yǎng)護(hù)工程中應(yīng)用的可行性。

1 3D攤鋪技術(shù)原理和工作流程

1.1 技術(shù)原理

3D攤鋪是采用現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鋼線的數(shù)字化，同時(shí)采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸和自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)攤鋪過程對(duì)攤鋪面長(zhǎng)、寬、高3個(gè)維度的自動(dòng)控制，并在施工過程中利用現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)跟蹤攤鋪誤差，并及時(shí)進(jìn)行糾偏的新型攤鋪技術(shù)。具體而言，構(gòu)成3D攤鋪的關(guān)鍵技術(shù)包括：

1)高精度快速測(cè)量技術(shù)：測(cè)量技術(shù)在構(gòu)建3D攤鋪BIM模型和施工過程中均有應(yīng)用。對(duì)于新建高速，擬合數(shù)據(jù)主要來源于設(shè)計(jì)文件中的控制點(diǎn)坐標(biāo)和高程信息。在路面養(yǎng)護(hù)工程中，由于舊路面的歷史信息不完善或在建設(shè)時(shí)與設(shè)計(jì)存在相對(duì)誤差，導(dǎo)致無法使用原設(shè)計(jì)提供的坐標(biāo)和高程。鑒于以上因素，在養(yǎng)護(hù)工程中通常需要現(xiàn)場(chǎng)采集路面的坐標(biāo)和高程信息。

目前用于3D攤鋪的測(cè)量技術(shù)主要有GPS、自動(dòng)跟蹤全站儀、全自動(dòng)水準(zhǔn)儀等先進(jìn)測(cè)量裝備，這些裝備的精準(zhǔn)度直接關(guān)系到3D攤鋪的精度，特別是對(duì)于厚度相對(duì)薄的瀝青路面攤鋪，測(cè)量技術(shù)的先進(jìn)性更為重要。

2)高性能的攤鋪設(shè)備：3D攤鋪時(shí)，攤鋪機(jī)根據(jù)控制面板中預(yù)先設(shè)置的攤鋪控制點(diǎn)坐標(biāo)和高程自動(dòng)調(diào)整熨平板高度進(jìn)行攤鋪。同時(shí)，根據(jù)攤鋪過程中全站儀跟蹤監(jiān)控的攤鋪誤差，攤鋪機(jī)需要能夠快速反應(yīng)，及時(shí)調(diào)整熨平板以便能夠保證實(shí)際攤鋪面滿足設(shè)計(jì)攤鋪面的要求。攤鋪機(jī)的這一系列動(dòng)作需要攤鋪機(jī)本身具有先進(jìn)的控制系統(tǒng)。

3)攤鋪面自動(dòng)化擬合技術(shù)：3D攤鋪的攤鋪面是以設(shè)計(jì)厚度、路面各點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)和高程等要素為限制條件，在原地面各高程點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行平曲線、縱曲線擬合而得到的一條分段光滑的曲面。由于原路面在縱向和橫向兩個(gè)維度的不平整以及設(shè)計(jì)厚度等限制，擬合方程的選擇對(duì)擬合結(jié)果有直接影響，現(xiàn)階段對(duì)曲線的擬合一般可采取多次拋物線的形式。然而無論采取何種擬合方式，與實(shí)際情況均會(huì)有誤差，合理設(shè)置控制點(diǎn)是解決這一誤差的有效方法。

1.2 試驗(yàn)段概況

本次3D攤鋪試驗(yàn)段原路面為水泥路面，對(duì)水泥路面進(jìn)行拋丸處理后攤鋪厚度為2.5 cm的AC-10調(diào)平層，然后加鋪4 cm SMA-13。AC-10調(diào)平層3D攤鋪路段為下行K378+670～K376+970，SMA-13上面層3D攤鋪路段為下行K378+800～K377+800。下行K378+670～K377+760段AC-10與SMA-13均采用3D攤鋪，下行K377+760～K376+970段AC-10采用3D攤鋪，上面層SMA-13為平衡梁攤鋪。

1.3 3D攤鋪工作流程

本試驗(yàn)段包括AC-10和SMA-13兩層路面結(jié)構(gòu)，以AC-10采用3D攤鋪為例，其攤鋪工作流程如圖1所示。在攤鋪上面層SMA-13時(shí)再次進(jìn)行BIM建模，一般采取在基面BIM模型基礎(chǔ)上疊加AC-10的攤鋪厚度和重新測(cè)量建模兩種方法，本試驗(yàn)段選擇前者建立SMA-13的3D攤鋪BIM模型。

1)控制點(diǎn)測(cè)設(shè)與高程測(cè)量。本次3D攤鋪試驗(yàn)段共測(cè)設(shè)控制點(diǎn)26個(gè)，分別設(shè)置在中分帶路緣石、水溝，以及邊護(hù)欄外側(cè)(見圖2)，主要用于構(gòu)建施工現(xiàn)場(chǎng)的局部坐標(biāo)系。本次3D攤鋪試驗(yàn)段原路面高程測(cè)量采用徠卡全自動(dòng)水準(zhǔn)儀，沿路線方向每10 m一個(gè)斷面(局部路段5 m一個(gè)斷面)，每個(gè)斷面測(cè)量4個(gè)點(diǎn)(見圖3)，試驗(yàn)段共測(cè)量原地面水準(zhǔn)點(diǎn)1 569個(gè)，作為3D攤鋪前構(gòu)建攤鋪面模型的基礎(chǔ)。

2)攤鋪面建模與調(diào)整。根據(jù)原地面高程測(cè)量，以及每一層瀝青路面設(shè)計(jì)厚度、松鋪系數(shù)等參數(shù)，通過計(jì)算機(jī)擬合(見圖4)，得到需要的攤鋪面是3D攤鋪精準(zhǔn)控制的關(guān)鍵。本次攤鋪面擬合建模時(shí)，以每個(gè)斷面的左右兩個(gè)端點(diǎn)作為控制點(diǎn)(每個(gè)斷面中間2個(gè)點(diǎn)只在厚度檢查時(shí)使用)，將試驗(yàn)段高程測(cè)量數(shù)據(jù)沿路線走向共分為了42段，分段采用多次拋物線進(jìn)行擬合(見圖5)。在擬合得到的圓滑地面線基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)層厚度和松鋪系數(shù)整體上抬擬合的圓滑地面線，得到攤鋪線(每個(gè)斷面兩側(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)和高程)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)施工中的鋼線數(shù)字化。

3)攤鋪機(jī)系統(tǒng)準(zhǔn)備。正式施工前，需要在攤鋪機(jī)上安裝棱鏡(含桅桿)，3D攤鋪專用的控制面板、控制手柄、橫坡傳感器、車載電臺(tái)等硬件設(shè)備，拆除平衡梁，并將擬合得到的坐標(biāo)、高程等數(shù)據(jù)輸入控制面板，控制面板與攤鋪機(jī)的控制系統(tǒng)相連接，從而實(shí)現(xiàn)攤鋪過程中攤鋪機(jī)按預(yù)設(shè)的坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)，以及橫坡數(shù)據(jù)進(jìn)行攤鋪(見圖6)。

4)3D攤鋪。試驗(yàn)段3D攤鋪采用雙擊聯(lián)鋪，攤鋪機(jī)為2臺(tái)福格勒1880-3L型攤鋪機(jī)。由于3D攤鋪的本質(zhì)是將傳統(tǒng)鋼線數(shù)字化，通過數(shù)字化的鋼線進(jìn)行自動(dòng)找平。因而在進(jìn)行3D攤鋪時(shí)找平路面既不依賴實(shí)體鋼線，也無需平衡梁。同時(shí)，3D攤鋪相對(duì)于傳統(tǒng)攤鋪增加了攤鋪誤差糾偏，因而在施工過程中采用了4臺(tái)自動(dòng)跟蹤全站儀對(duì)攤鋪過程進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。如圖7所示，3D攤鋪時(shí)，采用2臺(tái)自動(dòng)追蹤全站儀分別追蹤1臺(tái)攤鋪機(jī)外側(cè)的棱鏡信號(hào)。由于棱鏡的高度、平面位置，以及攤鋪的橫坡坡度已經(jīng)提前在控制系統(tǒng)中進(jìn)行了校準(zhǔn)，全站儀跟蹤棱鏡信號(hào)可以監(jiān)控?cái)備仚C(jī)是否按照預(yù)先設(shè)定的路線和高程進(jìn)行攤鋪行走。同時(shí)，技術(shù)人員手持棱鏡隨時(shí)立于攤鋪的路面上，由第3臺(tái)全站儀跟蹤該棱鏡的坐標(biāo)和高程信號(hào)，并與該坐標(biāo)設(shè)計(jì)攤鋪面的高程進(jìn)行比對(duì)，校核實(shí)際攤鋪面是否滿足設(shè)計(jì)攤鋪面的要求，如果該高程校核結(jié)果超過誤差要求，則可通過控制面板對(duì)熨平板高度、角度進(jìn)行調(diào)整，以滿足設(shè)計(jì)攤鋪面的要求。

由于現(xiàn)場(chǎng)綠化、料車、壓路機(jī)等設(shè)備可能對(duì)全站儀的信號(hào)跟蹤形成遮擋，現(xiàn)場(chǎng)在合適位置配備了第4臺(tái)全站儀，當(dāng)1臺(tái)全站儀信號(hào)被遮擋時(shí)，可以切換到該全站儀進(jìn)行信號(hào)追蹤，同時(shí)被遮擋的全站儀利用切換后的時(shí)間對(duì)機(jī)位進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整完成后將跟蹤信號(hào)由第4臺(tái)全站儀切換回該全站儀(見圖8)。

2 實(shí)施效果與討論

本研究對(duì)試驗(yàn)段的實(shí)施過程進(jìn)行記錄，從項(xiàng)目測(cè)量準(zhǔn)備階段來看，主要依靠GPS、全站儀和水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量，速度較慢。試驗(yàn)段的測(cè)量斷面間距為10 m，每個(gè)斷面4個(gè)高程點(diǎn)，而速度僅為3 km/2 d～4 km/2 d。如果將測(cè)量的高程點(diǎn)進(jìn)一步加密，提高基面擬合的精度，測(cè)量工作量更大。為滿足養(yǎng)護(hù)工程快速開放交通的目的，未來可以采用高精度的車載設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。

在現(xiàn)場(chǎng)施工控制方面，養(yǎng)護(hù)工程受到沿線綠化和通車的影響，用于監(jiān)控施工過程的全站儀布設(shè)位置受到很大限制。在本次3D攤鋪試驗(yàn)段施工時(shí)，全站儀僅能布設(shè)在攤鋪機(jī)前后的，容易受到路側(cè)綠化、料車、壓路機(jī)等的阻礙，造成通視距離短，需要頻繁轉(zhuǎn)站。轉(zhuǎn)站采用人工進(jìn)行，速度慢，導(dǎo)致攤鋪機(jī)需要降速等待。因而，在養(yǎng)護(hù)工程中需針對(duì)養(yǎng)護(hù)工程的施工條件，優(yōu)化全站儀布設(shè)方式以及轉(zhuǎn)站方式，從而提高轉(zhuǎn)站效率。此外，試驗(yàn)段中每個(gè)斷面采集了4個(gè)高程點(diǎn)，但施工中實(shí)際只用到了左右2個(gè)端點(diǎn)，中間2個(gè)點(diǎn)只作為校核局部攤鋪厚度之用，路面橫向以左右2個(gè)端點(diǎn)為基準(zhǔn)，通過一個(gè)橫坡進(jìn)行控制，在養(yǎng)護(hù)工程中很難兼顧線形和攤鋪厚度?？梢愿鶕?jù)舊路面狀況，采用2個(gè)橫坡進(jìn)行橫向攤鋪控制。

在實(shí)施效果方面，采用八輪平整度儀對(duì)路面平整度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。從表1可知，3D攤鋪的瀝青路面平整度滿足不大于1.2 mm的要求，相較于原路面均有較大幅度的提升。但是，采用3D攤鋪路段的平整度總體低于常規(guī)平衡梁攤鋪的平整度。AC-10和SMA-13均采用3D攤鋪時(shí)，SMA-13攤鋪后對(duì)平整度改善小，反而AC-10采用3D攤鋪，SMA-13采用平衡梁攤鋪的平整度改善更大。采用3D攤鋪AC-10后，相對(duì)于舊水泥路面平整度有明顯提升，但再次采用3D攤鋪SMA-13后，平整度提升不明顯。分析原因，可能是在3D攤鋪SMA-13前，沒有測(cè)量已攤鋪的AC-10的高程數(shù)據(jù)，而直接采用了舊水泥路面的高程數(shù)據(jù)擬合建立SMA-13的攤鋪面。因而，建議采用3D攤鋪時(shí)應(yīng)逐層測(cè)量底層的高程數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)建模。

表1 平整度檢測(cè)結(jié)果 mm

3 結(jié)論

1)在本研究的試驗(yàn)段施工過程中實(shí)現(xiàn)了全程無平衡梁、無實(shí)體鋼線的條件下進(jìn)行調(diào)平層和瀝青面層攤鋪，表明在養(yǎng)護(hù)工程中采用3D攤鋪技術(shù)實(shí)現(xiàn)平衡梁和鋼線數(shù)字化，并指導(dǎo)攤鋪機(jī)攤鋪的技術(shù)方向具有可行性。

2)3D攤鋪前期測(cè)量準(zhǔn)備工作主要依靠人工進(jìn)行，從養(yǎng)護(hù)工程全過程施工效率來看，采用3D攤鋪相較于普通攤鋪技術(shù)并無明顯優(yōu)勢(shì)，采用車載式測(cè)量設(shè)備取代人工是未來的研究方向。

3)3D攤鋪技術(shù)與普通攤鋪技術(shù)的瀝青路面平整度均達(dá)到小于1.2 mm的標(biāo)準(zhǔn)，但3D攤鋪技術(shù)對(duì)舊路面平整度修正效果低于普通攤鋪技術(shù)。提高建模測(cè)量精度、優(yōu)化施工控制點(diǎn)位布置和提高施工過程測(cè)量精度是提高養(yǎng)護(hù)工程3D攤鋪施工效果的主要途徑。