3D攤鋪控制技術(shù)在瀝青混凝土路面的應(yīng)用研究

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)在瀝青混凝土路面施工時(shí)存在著效率低和質(zhì)量差的問題，文章對(duì)3D攤鋪控制技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了3D攤鋪控制技術(shù)的施工適用性及優(yōu)勢(shì)，根據(jù)施工工藝原理提出了在瀝青混凝土路面施工流程，并將該技術(shù)應(yīng)用于灌陽至平樂高速公路項(xiàng)目中，對(duì)其施工效果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，采用3D攤鋪控制技術(shù)建設(shè)的公路在不同位置的施工誤差分別為1.00%、0.91%和0.85%，說明該技術(shù)在瀝青混凝土路面建設(shè)中具有良好的施工效果。

關(guān)鍵詞：3D攤鋪控制技術(shù)；瀝青混凝土路面；施工工藝；高速公路；數(shù)字化技術(shù)

中圖分類號(hào)：U415.5

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對(duì)交通的要求越來越高，尤其是在公路建設(shè)方面。公路質(zhì)量的好壞直接影響著我國(guó)交通行業(yè)的發(fā)展。瀝青路面具有良好的柔性、耐久性、耐疲勞性能，以及較強(qiáng)的抗水損害能力，這些都是水泥混凝土路面所不具備的。因此瀝青路面成為我國(guó)公路建設(shè)中最常用的一種路面形式。然而，傳統(tǒng)的瀝青路面也存在一些缺點(diǎn)，比如施工效率低和質(zhì)量差，所以如何提高瀝青混凝土路面的施工效率和質(zhì)量是一個(gè)值得探討的問題［1］。3D攤鋪控制技術(shù)的應(yīng)用可以很好地解決上述問題，該技術(shù)采用高精度機(jī)器人和智能全站儀技術(shù)進(jìn)行水泥攤鋪［2］。為了探究3D攤鋪控制技術(shù)在公路瀝青混凝土中的施工效果，本研究采用拓普康3DmmGPS攤鋪控制系統(tǒng)，以灌陽至平樂高速公路路面工程建設(shè)為研究背景，對(duì)3D攤鋪控制技術(shù)在瀝青混凝土路面的應(yīng)用進(jìn)行研究，對(duì)該技術(shù)在公路瀝青混凝土路面的適用性進(jìn)行了探討，針對(duì)該技術(shù)的施工工藝進(jìn)行研究，并提出了安全施工優(yōu)化措施，根據(jù)該技術(shù)在灌陽至平樂高速公路路面工程中的施工效果進(jìn)行分析，以期對(duì)3D攤鋪控制技術(shù)在瀝青混凝土路面的應(yīng)用提供參考。

1 項(xiàng)目工程概況

灌陽至平樂高速公路位于廣西壯族自治區(qū)東北部，屬桂林市境內(nèi)。路線總體呈南北走向，起點(diǎn)與廈蓉高速公路灌陽至全州段相接，向南經(jīng)灌陽縣、恭城瑤族自治縣、平樂縣，終點(diǎn)與包茂高速公路陽朔至平樂段相接。該標(biāo)段線路起點(diǎn)K61+500位于恭城瑤族自治縣境內(nèi)，屬桂林市轄區(qū)，距離桂林市約100 km。灌陽至平樂高速公路路面工程№2標(biāo)段（以下簡(jiǎn)稱“灌平路面二標(biāo)”）起訖樁號(hào)KK61+500～K136+152.364，合同段全長(zhǎng)75.162 km。北向南經(jīng)過西嶺鄉(xiāng)、恭城鎮(zhèn)、平樂縣沙子鎮(zhèn)和平樂鎮(zhèn)。設(shè)恭城互通、沙子互通、平樂樞紐互通3處、設(shè)恭城服務(wù)區(qū)1處；平樂停車區(qū)1；設(shè)恭城、沙子互通匝道收費(fèi)站2處，平樂樞紐收費(fèi)廣場(chǎng)（改造）1處。主線采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度120 km/h，整體式路基寬度26.5 m，分離式路基寬度13.25 m；瀝青路面設(shè)計(jì)使用年限15年。灌平路面二標(biāo)的建設(shè)應(yīng)當(dāng)滿足灌平高速公路指揮部（新平公司）的四新技術(shù)及各結(jié)構(gòu)層平整度的品質(zhì)工程要求，其要求為上面層平整度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)差δ≤0.4 mm以下，中面層標(biāo)準(zhǔn)差δ≤0.5 mm以下，下面層標(biāo)準(zhǔn)差δ≤0.8 mm以下，水穩(wěn)基層三米直尺檢測(cè)高度H≤4.0 mm，底基層H≤8.0 mm，墊層H≤10.0 mm。為了達(dá)到此要求，此次工程的灌平路面二標(biāo)先后試用拓普康3DmmGPS控制系統(tǒng)技術(shù)攤鋪K107+110～K107+650左幅AC-25C瀝青混凝土下面層試驗(yàn)段鋪筑，鋪筑長(zhǎng)度320 m。在K96+860～K97+260右幅鋪筑了下基層，鋪筑500 m。

該工程建設(shè)所采用的拓普康3DmmGPS控制系統(tǒng)是一種應(yīng)用于智能施工、測(cè)量定位和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的智能機(jī)械施工體系。拓普康實(shí)現(xiàn)3D數(shù)字化施工的技術(shù)核心是通過GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、激光、IMU、傾斜傳感器、旋轉(zhuǎn)傳感器或全站儀等多種定位以及傳感器組合技術(shù)，輔以3D數(shù)字化建模及機(jī)械自動(dòng)化控制技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工機(jī)械的定位引導(dǎo)或控制。

2 3D攤鋪控制技術(shù)在瀝青混凝土路面的施工適用性

在機(jī)械工程建設(shè)領(lǐng)域，3D攤鋪控制技術(shù)是一項(xiàng)重要的應(yīng)用技術(shù)，尤其在公路建設(shè)工程中。3D攤鋪控制技術(shù)是以信息工程技術(shù)為基礎(chǔ)，通過全站儀設(shè)備獲取施工信息，并對(duì)施工的不同環(huán)節(jié)進(jìn)行把控的技術(shù)。由于公路的主要建設(shè)類型是瀝青混凝土路面，所以為了提高3D攤鋪控制技術(shù)的應(yīng)用效果，需要對(duì)該技術(shù)在瀝青混凝土路面中的施工適用性及優(yōu)勢(shì)進(jìn)行研究。

由于3D攤鋪控制技術(shù)采用智能化控制系統(tǒng)的車載裝備，所以在瀝青混凝土路面的攤鋪施工過程中，可以對(duì)路面整體的彎曲度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，為施工人員提供數(shù)據(jù)支持，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏差并采取調(diào)整措施。而3D攤鋪控制技術(shù)由于采用了先進(jìn)的智能化技術(shù)，可以通過對(duì)路面的工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，并在施工的過程中進(jìn)行智能控制，提高了施工的質(zhì)量［3］。除此之外，相較于傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)存在著人力浪費(fèi)和成本高昂的問題，3D攤鋪控制技術(shù)可以通過應(yīng)用數(shù)字化設(shè)備對(duì)施工進(jìn)程和質(zhì)量進(jìn)行全程監(jiān)控，減少施工人員的工作量，降低人力投入成本。傳統(tǒng)的攤鋪技術(shù)是一種2D攤鋪技術(shù)，一般會(huì)通過控制平衡梁工藝和接觸滑靴工藝的施工質(zhì)量來保證路面的平整度符合建設(shè)要求，但是以上兩種工藝的實(shí)施過程較為復(fù)雜，受施工人員和施工環(huán)境等外界因素影響較大，在實(shí)際路面施工過程中，對(duì)工藝的施工質(zhì)量把控難度較高。尤其是需要對(duì)路面建設(shè)進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)時(shí)，如果僅僅采用控制以上兩種工藝效果來保證路面的施工質(zhì)量，會(huì)導(dǎo)致整體路面的施工誤差較高，難以滿足公路工程的要求，而3D攤鋪控制技術(shù)可以解決以上問題。

3D攤鋪控制技術(shù)可以提高對(duì)路面施工質(zhì)量的控制能力，其通過智能化設(shè)備獲取路面建設(shè)數(shù)據(jù)，為技術(shù)人員把控路面的施工質(zhì)量提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持，實(shí)行動(dòng)態(tài)化管理；3D攤鋪控制技術(shù)還可以通過智能化設(shè)備的應(yīng)用降低施工人員的工作量，以及降低人工測(cè)量的誤差；由于施工的過程可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因而可有效避免因誤差導(dǎo)致的大規(guī)模返工，降低不必要的成本支出，節(jié)約施工成本。綜上所述，3D攤鋪控制技術(shù)在瀝青混凝土路面的高速公路工程中具有較高的適用性。

3 3D攤鋪控制技術(shù)在瀝青混凝土高速公路中的施工工藝

3D攤鋪控制技術(shù)的施工原理為：（1）輸入?yún)?shù)，參數(shù)為公路建設(shè)的設(shè)計(jì)參數(shù)，在正式開始攤鋪工作前需要向系統(tǒng)中輸入正確的設(shè)計(jì)參數(shù)；（2）信息處理，需要對(duì)輸入的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行正確的處理，以調(diào)整系統(tǒng)的操作設(shè)備高度和方向；（3）實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)攤鋪系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)化測(cè)量，在已知方位的情況下，安裝全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）基準(zhǔn)站，通過無線電的形式將監(jiān)測(cè)信息傳輸?shù)紾NSS基準(zhǔn)站中，以獲取監(jiān)測(cè)路面的3D方位。按照上述施工原理，可以設(shè)置其在瀝青混凝土高速公路中的施工流程［4］。

圖1為3D攤鋪控制技術(shù)在瀝青混凝土高速公路中的施工流程。需提前配置好主控制器、手柄、360°棱鏡、車載電臺(tái)、傳感器和接線盒等必要設(shè)備。根據(jù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)道路情況設(shè)置導(dǎo)線和水準(zhǔn)控制點(diǎn)。為了提高導(dǎo)線控制點(diǎn)的控制力度，控制點(diǎn)的布設(shè)需要保持一定的密度，一般間隔600～800 m安裝一個(gè)導(dǎo)線控制點(diǎn)。水準(zhǔn)控制點(diǎn)的設(shè)置需要滿足路段的全段使用，一般間隔80～100 m設(shè)置一個(gè)水準(zhǔn)控制點(diǎn)。之后固定天線和激光接收器，天線和激光接收器的安裝位置在道路建設(shè)時(shí)設(shè)置的鋼管上，安裝高度控制在攤鋪機(jī)上端0.8 m處，同時(shí)將天線連接在攤鋪系統(tǒng)的控制器上，以便于后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。安裝完成后，便可以向攤鋪系統(tǒng)導(dǎo)入道路的設(shè)計(jì)參數(shù)，導(dǎo)入結(jié)果經(jīng)雙人復(fù)核后進(jìn)行激光發(fā)射器的狀態(tài)確認(rèn)與校正。激光發(fā)射器在開啟后需要滿足其校正精準(zhǔn)度在不同的兩個(gè)軸方向上的結(jié)果均＜10″，該結(jié)果也需要經(jīng)過專人簽字復(fù)核。激光發(fā)射器的校正需要在360°測(cè)量后根據(jù)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行校正。根據(jù)道路設(shè)計(jì)的參數(shù)信息和攤鋪機(jī)的設(shè)備信息確定攤鋪系統(tǒng)的參數(shù)。在確定參數(shù)后，將攤鋪機(jī)設(shè)置為啟動(dòng)狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)中的電磁閥進(jìn)行調(diào)控，根據(jù)系統(tǒng)的液壓值確定電磁閥的最優(yōu)參數(shù)。在已經(jīng)安裝好的導(dǎo)線控制點(diǎn)上布設(shè)一個(gè)GNSS基準(zhǔn)站，為了加強(qiáng)基準(zhǔn)站和控制點(diǎn)之間的聯(lián)系，需要在攤鋪系統(tǒng)中同時(shí)設(shè)置控制點(diǎn)參數(shù)和基準(zhǔn)站參數(shù)，設(shè)置完成后便可以啟動(dòng)基準(zhǔn)站。在上述參數(shù)及設(shè)備都設(shè)置且校正完成后，攤鋪機(jī)便可以啟動(dòng)，開展路面攤鋪工藝。攤鋪機(jī)起步時(shí)先放置一個(gè)熨平板控制路面的攤鋪厚度，在調(diào)整好角度后，撤出熨平板。然后打開操作面板，攤鋪機(jī)按照調(diào)整好的角度和參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)攤鋪?zhàn)鳂I(yè)。隨著攤鋪距離的推進(jìn)，當(dāng)攤鋪機(jī)開始感應(yīng)到下一個(gè)激光發(fā)射器時(shí)，便自動(dòng)連接并關(guān)閉上一個(gè)激光發(fā)射器，以此類推，直至攤鋪機(jī)無法感知到下一個(gè)激光發(fā)射器，說明該路段的攤鋪?zhàn)鳂I(yè)完成。

4 3D攤鋪控制技術(shù)在瀝青混凝土高速公路中的施工效果分析

為了對(duì)3D攤鋪控制技術(shù)在瀝青混凝土高速公路上的施工效果進(jìn)行分析，此次研究以灌平路面二標(biāo)工程為研究對(duì)象，采用3DmmGPS控制系統(tǒng)開展攤鋪?zhàn)鳂I(yè)，攤鋪系數(shù)按1.25計(jì)算。為保證數(shù)據(jù)可靠，在正式攤鋪位置起步走穩(wěn)后進(jìn)行點(diǎn)位數(shù)據(jù)的采集對(duì)比。同時(shí)，為方便數(shù)據(jù)對(duì)比，采樣點(diǎn)位以整十樁號(hào)為斷面進(jìn)行采集，每個(gè)斷面采集三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，分別位于距離中線3 m、6 m、9 m位置，瀝青攤鋪采樣長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為500 m，共51組斷面、153個(gè)采樣點(diǎn)。除此之外，為了與傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)的施工效果進(jìn)行對(duì)比，還將在公路建設(shè)的K107+460～K107+650段進(jìn)行2D攤鋪，將采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)兩種數(shù)據(jù)間的誤差進(jìn)行3D攤鋪控制技術(shù)的施工效果分析。

圖2為不同采集位置下的瀝青混凝土路面施工誤差對(duì)比曲線。由圖2可知，在距離路面中線的3 m、6 m和9 m位置處采集到的不同數(shù)據(jù)間的施工誤差相差幅度較小，說明采用3D攤鋪控制技術(shù)建設(shè)的瀝青混凝土路面整體質(zhì)量符合初始設(shè)計(jì)，并且不同采集位置下的整段公路施工誤差變化幅度較小，說明該段公路的平整度較高。其中，在距離中線3 m處的公路施工誤差相較于6 m和9 m處整體偏高一些，路面距離為150 m處達(dá)到了最高，為1.00%的施工誤差。在距離中線6 m處公路的最高施工誤差在路面距離417 m處，達(dá)到了0.91%；在距離中線9 m處的最高施工誤差在路面距離為441 m處，達(dá)到了0.85%。故3D攤鋪控制系統(tǒng)在瀝青混凝土路面的施工效果良好，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

圖3為不同攤鋪技術(shù)下的公路施工誤差對(duì)比。該誤差值的取值為不同技術(shù)施工路段下的采樣點(diǎn)平均值?？梢钥吹?，采用傳統(tǒng)2D攤鋪技術(shù)建設(shè)的公路施工誤差值不僅明顯高于采用3D攤鋪控制技術(shù)建設(shè)的公路施工誤差值，而且誤差變化波動(dòng)也更大，說明采用傳統(tǒng)2D攤鋪技術(shù)建設(shè)的公路平穩(wěn)性較差。其中，傳統(tǒng)2D攤鋪技術(shù)建設(shè)的公路最高的施工誤差達(dá)1.35%，而3D攤鋪控制技術(shù)建設(shè)的公路施工誤差值最高為0.87%，兩者相差0.48%。由此可得，相較于傳統(tǒng)的2D攤鋪技術(shù)，采用3D攤鋪控制技術(shù)建設(shè)的瀝青混凝土路面具有更穩(wěn)定的性能，質(zhì)量更加優(yōu)異。

5 結(jié)語

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來越迅猛，公路建設(shè)的質(zhì)量要求也正在逐漸提高。由于傳統(tǒng)的2D攤鋪技術(shù)已經(jīng)難以滿足高質(zhì)量公路的建設(shè)要求，故3D攤鋪控制技術(shù)被人們廣泛關(guān)注。為了探究3D攤鋪控制技術(shù)在高速公路瀝青混凝土路面中的應(yīng)用效果，本文對(duì)3D攤鋪控制技術(shù)的施工適用性和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析，結(jié)合該技術(shù)的施工工藝原理提出了一種適用于瀝青混凝土路面的施工工藝流程，并結(jié)合灌陽至平樂高速公路路面工程建設(shè)對(duì)該技術(shù)的施工效果進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）采用3D攤鋪控制技術(shù)建設(shè)的公路在距離中線3 m、6 m和9 m處的施工誤差分別為1.00%、0.91%和0.85%。在整段路面建設(shè)中，傳統(tǒng)2D攤鋪技術(shù)的施工誤差為1.35%，3D攤鋪控制技術(shù)的誤差為0.87%，兩者相差0.48%。

（2）3D攤鋪控制技術(shù)在高速公路瀝青混凝土路面的施工中具有更好的應(yīng)用效果。后續(xù)還可對(duì)3D攤鋪控制技術(shù)在不同路面的施工效果進(jìn)行分析。

參考文獻(xiàn)

［1］張艷云，孫 洋，李 鑫.瀝青混凝土材料在市政道路施工中的應(yīng)用［J］.材料保護(hù)，2021（1）：19-22.

［2］劉天云.大型填筑工程3D打印技術(shù)與應(yīng)用［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，62（8）：1 281-1 291.

［3］劉東海，張翼飛，劉 強(qiáng).瀝青混凝土心墻攤鋪厚度及平整性實(shí)時(shí)控制研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2021，40（2）：195-203.

［4］周建昆，曹源文，溫永杰，等.不同高度下攤鋪路面的數(shù)字圖像差異性研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，40（2）：89-94.

收稿日期：2024-03-21

作者簡(jiǎn)介：謝福文（1982—），工程師，主要從事公路工程建設(shè)管理工作。