3D摊铺系统在底基层和基层施工中的应用

摘 要：某公路试验段为实例，在阐述3D摊铺系统工作原理的基础上，对该智能摊铺系统在试验段底基层和基层铺筑施工中的应用进行了分析，并从高程分析和平整度分析两个角度对应用效果进行了探讨和评价。结果表明，3D智能摊铺系统能有效克服常规摊铺施工工艺所存在的施工过程控制难度大、准备工序多、控制精度不高等问题；但该技术也存在信号接收、使用前初始校准耗时、GPS精度受周围环境影响大等方面的弊端，必须结合使用3D摊铺工艺和常规的施工工艺，充分发挥3D智能摊铺系统的技术优势。

关键词：底基层;基层施工;3D智能摊铺系统;平整度;

作者简介：费洋（1990—），男，河北唐山人，工程师，从事公路工程管理工作。;

沥青路面摊铺施工技术是公路施工的常用技术之一，目前普遍采用的摊铺机施工方式主要借助钢丝线、非接触式平衡梁及机械式平衡梁实现基准找平。这种常规的摊铺施工工艺存在较大的局限性，如施工准备工序多，必须由人工进行道路中线、边线、基准线等的测放和复测；施工精度受施工机械振动、人工测量误差、技术水平、钢丝挠度等的影响大，既不利于施工质量控制，还可能造成材料浪费，增大施工成本。3D摊铺系统的引入完全改变了常规的摊铺施工方式，可大幅提高精度控制和效率效益，实现常规施工方式向数字智能化方式的转变。

某高速公路底基层为20cm厚级配碎石层，基层为38cm厚水稳碎石层，基层采用分层连续摊铺施工、一次养生的工艺，每层摊铺厚度为19cm，结合摊铺施工速度及摊铺温度控制要求，将折返摊铺施工段长度确定为200m，以起讫桩号K68 411—K68 817段为试验段。为进行施工效果对比，试验路段右幅采用传统摊铺工艺，左幅则采用3D摊铺工艺。施工准备阶段，右幅路段通过挂线方式协助摊铺机控制高程精度，具体而言，横向选择与道路中线相距3m、5m、8m、10m的位置，纵向则以10m为间距，由纵横测线构成矩形网络，并在交叉点处打桩，进行交叉点处路基高程实测；再结合水稳碎石基层和级配碎石底基层高程设计结果和松铺系数进行交叉点挂线高度计算，根据测算结果放样打桩。

毫米级GPS-3D智能摊铺系统主要包括P63摊铺机控制系统、GPS流动站、域激光发射器及GNSS基准站等部分。系统运行后，GNSS基准站便开始借助无线通信卫星向GPS流动站发送实时差分信号，域激光发射器也同时向GPS流动站发射实时高程信号；GPS流动站对所接收到的信号实时处理，以达到对GNSS平面定位精度的厘米级控制及对高程精度的毫米级控制[1]。毫米级GPS-3D智能摊铺系统数据传导具体见图1。

图1 毫米级GPS-3D智能摊铺系统数据传导 下载原图

P63摊铺机控制系统主要借助激光接收器和GNSS接收机实现毫米级高程定位控制和厘米级RTK平面定位控制，同时将所收集到的三维坐标数据实时传输至控制箱。控制箱通过比较测试开始前所导入的设计数据和所接收到的三维坐标数据，自动生成高程修正模型，并进一步通过拟定算法，将所生成的高程修正信息转换为相应比例的驱动信号，使摊铺机牵引臂液压油缸在电磁阀的驱动下进一步驱动熨平板，调整并控制路面波动，达到设计平整度控制要求。在以上过程中，主要通过GPS流动站进行试验路段摊铺施工质量的实时监测，并根据设计进行路面摊铺平整度施工参数的及时调整，通过全流程监控，保证摊铺施工质量。

检查摊铺机型号、找平接口芯数及具体安装位置；在RTK中录入施工坐标系，从而将GPS坐标转换为地方工程坐标。在3D摊铺系统经过长时间搁置、运输或首次使用时必须进行域激光精度校验，并将发射器四个面对准流动站接收机进行测量，将两次互差控制在5′′内，如遇互差过大的情况，必须进行参数调整，直至两次互差满足精度要求。将该公路CAD设计图纸输入3D-office软件，得到3D设计结果。按要求将毫米级GPS机载设备安装至摊铺机，安装前必须检查摊铺机制造厂商、型号、熨平板工作长度、摊铺系统，特别注意激光接收器安装高度控制，以防发生摊铺施工期间信号接收器被遮挡等问题。为有效避开遮挡，应在毫米级GPS-3D操作系统安装时充分考虑域激光扩展角，同时控制机载激光接收器安装范围。安装好3D摊铺系统后，还应通过U盘将GPS接收机手簿内的坐标转换信息、域激光信息等导入控制箱，设置好摊铺机、熨平板施工参数，通过GPS测量地面高程并进行摊铺高度标记，将熨平板调至合适高度。摊铺施工期间，系统默认以域激光信号强度为通道自动切换的控制性参数，考虑到域激光发射器中发射偏角的存在，无法在30m范围内准确控制摊铺施工参数[2]，故该公路底基层和基础摊铺施工过程中不使用自动切换通道，仅使用单一激光和手动切换方式。一般情况下，在摊铺机起步后的2.0m范围内熨平板运行并不稳定，此时无需进行调整，待超出这一范围摊铺机运行稳定后，再调整高程偏差。

通过控制网点模拟摊铺区域周边环境，将控制点位设置在与线路边缘相距30m的两侧位置，同时将点位之间的距离控制在200m左右，以保证控制网点的通视程度，此外，在控制网点中部设置水准基点，用于后期的系统复测及维护。在构建水准基点时，必须设置观测墩，并将观测墩埋入地下0.5m的深度，观测墩下方增设圆柱，并根据工程实际加强打桩深度控制。为缩减控制网点建设费用，本公路工程在保证精度控制的基础上，同步设置平面控制点和高程控制点，并参考测量规范确定水准基点、控制点规格与尺寸。

通过平面控制网进行测量及数据信息的采集、处理。具体而言，在控制点位选好后借助GPS技术的静态观测功能设置点位间距，并通过全站仪对剩余点位进行加密测量。该公路工程同时应用6台双频GPS接收机实施测量，以便在保证数据处理结果精确性的基础上得到更加完善的信息数据。GPS静态观测仪器在使用时还应借助系统软件，对定位模式展开静态的基线结算。

在施工前，充分利用施工现场地表数据信息及设计图纸，建设三维模型数据，并将数据导入3D摊铺技术控制箱，进行施工模型构建，再根据层厚和摊铺系数在控制箱内建设设计面，从而准确获取每层摊铺施工作业数据。作业过程中，直接移动设计面，以获取每层摊铺施工设计数据，为施工提供科学指导。摊铺施工设备启动后应校核控制网点内的四个点位坐标，并对摊铺作业面进行精度校核和评估，待摊铺施工长度达到10m后，如果系统程序运行平稳，则可将其设置为自动作业模式，后续的施工流程与常规的摊铺施工大体一致，只是在全过程中加入了3D智能摊铺系统控制环节。

该公路试验路段底基层及基层高程检测点设置在与道路中线横向距离为3m、5m、9m、11m，纵向间距10m的交叉点处，并计算检测点高程实测值和设计值之差，将高程偏差实测结果用X表示，所统计出的不同偏差范围内各检测点的占比情况具体见图2。从图2(a）可知，该试验路段左幅路基测点的高程实测值普遍高于设计值，高程偏差在±0.02m的情况占比16.8%；右幅路基测点高程实测值与设计值偏差在±0.02m的情况占比37.9%。右幅路基高程偏差占比更大，必然会增大级配碎石底基层施工难度。从图2(b）可知，完成左幅路级配碎石底基层铺筑后，高程实测值和设计值偏差明显减小，偏差在0.00～0.02m以内的情况占比63.8%，且不超出0.04m。完成右幅路级配碎石底基层铺筑后，高程实测值和设计值偏差同样减小，偏差在-0.02～0.00m以内的情况占比49.9%。应用3D智能摊铺系统后试验路段级配碎石底基层高程控制精度提升，高程实测值和设计值偏差减小。

由图2(c）可知，在完成试验路段左幅级配碎石底基层和碎石基层铺筑后，高程实测值和设计值偏差位于-0.02～0.00m的情况占比高达99%；完成右幅级配碎石底基层及水稳碎石基层铺筑后，高程实测值和设计值偏差在-0.02～0.00m的占比为90.7%。应用3D摊铺系统后对基层修复效果较为明显，且高程控制精度有较大幅度提升，且试验路段左幅高程控制精度提升效果更为显著，施工后的高程实测值与设计值也更为接近。

图2 各检测点高程偏差占比 下载原图

通过连续式平整度仪检测该公路试验段路基、水稳碎石基层及级配碎石底基层平整度。根据所得到的试验路段路基、底基层平整度检测结果，在级配碎石底基层铺筑前行车道和超车道左右幅路基平整度接近，且左幅平整度值存在较大的变异性特征，表明其初始路况较差[3]。所测得的左右幅路基平整度均值分别为4.385mm和4.667mm，标准差分别为0.609和0.314。通过连续式平整度检测仪所测得的左右幅级配碎石底基层平整度均值分别为2.748mm和2.861mm，标准差为0.208和0.389，与路基平整度检测结果相比，应用传统工艺时底基层平整度和标准差分别提高了1.789mm和0.085，而采用3D摊铺工艺时平整度提高了1.812mm，但标准差下降为0.211，说明3D摊铺工艺在提升级配碎石底基层厚度均匀性方面作用显著，但在提升底基层平整度方面效果一般。

根据连续式平整度检测仪对公路试验路段基层平整度的检测结果，左右幅水稳碎石基层平整度均值分别为2.410mm和3.069mm，标准差分别为0.338和0.279。若采用传统摊铺工艺，基层平整度将增大0.213mm，标准差则从0.398降至0.287，平整度降低。而采用3D摊铺工艺，则左右幅水稳基层平整度分别从4.623mm和4.655mm提升为2.410mm和3.064mm，平整度提升效果比传统施工工艺明显。

综上所述，3D智能摊铺控制系统在高速公路底基层及基层施工中应用时，必须根据预先设定的参数进行摊铺机熨平板高程及方向的调整和控制，实现公路沥青摊铺施工全过程的智能化和无桩化。现场摊铺施工试验检测结果显示，3D智能摊铺控制系统的摊铺质量完全满足规范，合格率可达到95%及以上，施工精度控制水平高，高程偏差不超出3mm。值得注意的是，虽然3D智能摊铺技术能够根据设计及精度要求控制路面顶面标高，但上部沥青摊铺施工质量主要受到路基压实质量和平整度的直接影响，为提升3D智能摊铺施工质量，除应消除系统安装误差外，还应加强路基填筑碾压施工质量的控制。3D智能摊铺系统的应用必将增大系统设备购置费及后期维护费用，但是能节省摊铺施工过程中材料成本，提升控制精度。为此，必须在权衡成本收益的基础上对传统摊铺施工工艺和3D智能摊铺系统进行综合比选。

[1] 徐志勇，张宗兵，陈刚，等. 3D摊铺系统在底基层和基层施工中的应用研究[J].公路交通技术，2022,38(1):37-42.

[2] 杨亚雄. 3D自动化摊铺系统在路面工程施工中的应用[J].工程技术研究，2021,6(5):23-24.

[3] 周志伟. 3D技术在沥青摊铺施工中的应用[J].工程建设与设计，2020(22):127-128.

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