3D数字化摊铺技术的应用

叶学龙

（中交二公局东萌工程有限公司，西安 710065）

1 引言

社会经济的快速发展对交通基础设施建设水平提出了更高的要求，在现代公路工程建设领域，沥青路面为主流的路面形式。传统2D摊铺系统在实际应用中的局限性较强，容易受到钢丝绳架设精度、现场作业环境等方面的影响，导致资源投入与产出存在失衡的局面。在发展需求的促进作用下，传统的2D摊铺技术得以升级，3D数字化摊铺逐步成为主流方法，可有效解决以往施工期间的各类弊端[1]。

2 工程概况

深圳外环高速公路深圳段工程路面施工中，第15合同段起于龙岗区龙城，终于大鹏新区葵涌办事处高源村，起讫桩号为 YK52+927.344（ZK52+905.895）～K77+350，总长达24.42km。该标段采取双向六车道建设标准，分阶段制定建设目标：起点至坪地段，路基宽33.5m，设计速度100km/h；坪地至终点段，路基宽32m，设计速度80km/h。

3 3D数字化摊铺技术概述

随着科学技术的不断进步，当前3D数字化摊铺技术得到了极大的发展，其中mmGPS 3D数字化摊铺控制系统的应用范围越大越广。mmGPS 3D数字化摊铺控制系统优势突出，集GNSS卫星定位、自动检测和控制以及数字建模等技术于一体，精度高，平面定位精度可达1～2cm，高程定位精度可达1～2cm，在当前的路面工程施工中发挥着重要作用。在应用mmGPS 3D数字化摊铺控制系统时，液压阀发挥驱动作用，并进一步牵引臂液压油缸发挥作用，保证熨平板处于稳定状态，在摊铺作业的过程进行数据采集和分析，为实际的摊铺作业提供参考，保证路面摊铺作业达到设计要求。

在路面摊铺作业中应用mmGPS 3D数字化摊铺控制系统具有无桩化摊铺和自动化管理等优势，且能够自动调整摊铺姿态，提高路面的平整度，能够很好地满足路面摊铺作业在位置和高程上的要求，保证路面的摊铺质量。

4 徕卡3D控制系统连接及应用

瑞士徕卡公司在传统摊铺技术的基础上创新出了Pavesmart 3D控制系统，这项3D技术解决了传统路面摊铺施工中存在的难题，为路面摊铺施工提出了一套操作性强、施工效率高的摊铺技术和方法。目前在欧美，俫卡3D控制系统已经广泛应用于沥青摊铺机、滑模摊铺机等工程机械中。

以徕卡系统与MOBA-Matic的匹配为例解释徕卡3D控制系统的组成情况和应用。Pavesmart 3D控制系统由上层数据处理系统和底层执行系统2部分构成，其中上层系统主要作用是输入路面摊铺作业的原始设计数据以及数据的处理和发送，是由2～3台徕卡全自动全站仪、无线调制解调器、2个激光接收棱镜和机载电脑组成的。仪器的具体类型和数量要根据摊铺作业的实际需要来确定，而底层系统只需执行上层系统发送的指令，保证熨平板正常工作。

工作原理：根据实际的摊铺需要选择适当的全自动全站仪，全自动全站仪的跟踪频率约为10～12次/s，通过追踪定位和测定安装在摊铺机上的棱镜三维坐标判断熨平板的坐标，定位熨平板的位置和高程，并将追踪定位到的三维坐标输送到机载电脑，进行科学分析和补偿计算，得到在摊铺作业中摊铺机熨平板的真正3D位置数据，并将其与机载电脑中预存的设计数据进行偏差比较，为熨平板的调整提供参考，确保熨平板平面定位和高程符合施工实际需要，保证摊铺作业的平整度和厚度，提升摊铺效果。

该系统具有以下几点优势：

1）使用绝对基准。该系统能够将熨平板的实际3D位置与预先存入的设计数据进行比较，有效控制摊铺机摊铺作业的厚度、路面高程，提升线性控制的精确性，从而实现对材料和摊铺作业时间的控制，提高摊铺作业的经济效益。

2）该系统具有无桩化摊铺和自动动态管理的优点，简化了施工环节，保证路面摊铺施工效率。

3）自动完成坡度调整。该系统能够灵活自动地调整摊铺机熨平板，达到自动变坡度施工的要求，使得摊铺施工更加快捷高效。

4）满足摊铺作业高精度的要求，当前的路面摊铺施工精度要求越来越高，该系统通过徕卡全站仪能够实现高精度控制，满足摊铺机熨平板的平面定位和高程控制要求，减小环境等因素对检测精度的影响和限制。

5）连续摊铺作业。该系统能够动态、全天候地对摊铺作业进行监测，实时反馈摊铺效果，并且在保证摊铺精度要求的基础上进行连续摊铺作业。

6）兼容性强。该系统应用的是模块化设计，这种设计能够在沥青摊铺机、滑膜摊铺机等类型的摊铺机中应用，操作简单灵活，随插随用，兼容性高。

7）经济性好。全站仪是道路工程建设中的关键仪器，徕卡全自动全站仪不仅在3D系统控制中发挥重要作用，而且在其他的测量任务中也能发挥作用，利用率较高，经济合理，有利于控制施工成本，提升工程的经济效益。

徕卡3D摊铺控制系统改变了高精度的水稳层摊铺控制传统的施工方法，无须人工放样、砸桩和挂线，从而避免了在这一施工流程中产生的人为误差，包括放样误差、砸桩和挂线误差以及挂线触碰带来的精铺坐标和设计值比对，并将差值实时传送给摊铺机液压系统，实现摊铺机摊铺高度的自动实时控制。

施工环境的不确定性甚至会使水稳层摊铺过程中浪费大量的人力、物力和时间成本，这其中包括3～5名施工人员、钢纤的消耗和摊铺前的现场准备时间。而徕卡3D摊铺控制系统仅需要在办公室即可完成现场摊铺数准备，数字化施工使得现场更加安全，减少了施工人员的参与，同时不用挂线，降低了挂线对大型运料车的活动路径影响，让现场更干净整洁。

5 2D与3D摊铺工艺应用效果的对比分析

2D摊铺工艺的细分施工工艺主要有2种：（1）接触式滑靴工艺，其在水稳层、中下面层施工中得到较广泛的应用，可有效控制摊铺厚度。但基准的架设较为烦琐，精度控制的难度较大，摊铺期间难以做到全面监测，导致实测结果缺乏全面性和准确性，不利于摊铺作业的顺利推进。（2）平衡梁施工工艺，常见于中上面层摊铺中，其能够较好地控制面层的平整度。若要有效应用平衡梁施工工艺，则必须确保地面高程、平整度均满足要求，否则易影响上部结构的摊铺质量。可以发现，无论是接触式滑靴工艺还是平衡梁施工工艺均存在较明显的局限性，难以全面兼顾摊铺面层平整度和厚度的多方面要求[2]。

相较之下，3D摊铺控制系统则能够有效解决上述问题。从工程质量控制的角度来看，3D摊铺控制系统可以全面监测平整度和厚度，并及时根据数据采取控制措施，从而满足动态化控制的要求。从施工人员的角度来看，可有效减少工作量，降低施工人员的工作强度，也能够规避人为误差。从经济效益的角度来看，由于摊铺作业的精度较高，可减少因质量问题而出现的返工现象，成本投入较传统2D摊铺技术明显偏低，有助于提高工程项目的经济效益[3，4]。

可见，3D摊铺控制系统的出现具有标志性意义，是路面摊铺技术的全新代表形式，同时也是摊铺领域的重要“生产工具”。而随着传感器检测技术、3D建模技术等相关配套技术的发展，后续3D摊铺控制系统的运行能力将进一步提升，进而取得更显著的应用效果。

6 结语

综上所述，3D数字化摊铺技术集机械控制、测量定位、信息处理等多项先进技术于一体，是现代化道路摊铺工作中的首选方式。在工程实践中，有关人员应按照需求合理应用3D数字化摊铺技术，根据实际情况采取动态化调整措施，充分发挥出该项技术的应用优势。此外，3D数字化摊铺技术在我国的普及率相对较低，后续依然有进步的空间，因此，广大工程人员仍需付诸努力，广泛普及3D数字化摊铺技术，并实现技术创新。