3D 智能数字化摊铺技术在溧高高速公路路面施工中的应用

顾江鸣，邹文军，白伟华，王芮文

（1.常州交通建设管理有限公司，江苏 常州 213000；2.中交二公局第三工程有限公司，陕西 西安 710016；3.江苏森淼工程质量检测有限公司，江苏 镇江 212000）

0 引言

溧高高速公路是连接常州的溧阳市和南京的高淳区，是江苏省南部地区的一条东西运输通道，属于江苏省重点工程项目。溧高常州段路面标全标段跨越南渡和上兴两镇，起点桩号为 K0+730.414，终点桩号为K17+389.172，道路全长 16.7 km，溧高常州段有汤桥互通一座，丁村服务区一处。路面基层为水泥稳定碎石，厚度 38 cm。面层共分 3 个层次，溧高高速公路南京段除路面上面层外，其他各层次均采用 3D 智能摊铺技术，而常州溧阳段，则采用传统的基准线法施工方式。

1 3D 智能摊铺技术应用概况

3D 即“Three Dimensions”，泛指空间的三个维度，在 3D 摊铺中，主要是指高程、厚度和宽度等 3 个方向。3D 数字化智能控制技术（以下简称“3D 技术”）就是经过数据采录拟合建模、现场三维空间定位、自动施工控制 3 个步骤来实现施工自动化、智能化、精准化。

3D 数字化智能控制施工技术主要由测量机器人（ICR 80 智能型高精度 1″全站仪）基准站和路面摊铺全自动监控部件和程序体系组成。在采用 3D 摊铺施工时，自动监控的部件以及程序系统会对智能高精度机器人发出指令，机器人通过后方交会法确定摊铺机的精确位置，通过摊铺机踏板上固定的 360°棱镜获得坐标；接着再利用系列程序系统的数据传输功能将电台实时获取的三维坐标数据以电信号的方式传输给摊铺控制器中的控制计算机的接收系统中；随后控制计算机的接收系统再经复杂的计算，建立模型，再把即刻坐标与建立好的模型中的数据比对、分析及反馈，给出与模型中相契合的高程信息，同时对给出的数据进行修偏和订正，接着对此信息数据通过计算机系统程序的模拟，再将其反馈给摊铺机的找平控制器［1］。当施工正在进行的时候，为了能够使输出的数据精确、摊铺的路面数据精准，其中的一台测量机器人必须始终对摊铺的具体情况进行监测，在过程中进行质量控制，使各项控制参数全部满足设计要求。同时当原始地面出现坑洼导致摊铺机车身发生倾斜时，系统安装在桅杆上的倾角传感器实时地对车身的姿态进行校正，使摊铺机车身的姿态始终与设计面相吻合，进而确保系统稳定性，真正实现精准摊铺。

3D 摊铺监控和调整体系通常是由空间三维位置确定体系、安装在摊铺机上的电脑控制体系以及软件、程序等 3 部分组成。

2 3D 数字化智能摊铺系统的应用

3D 数字化智能摊铺系统在应用时，应根据工程的实际情况，按以下步骤进行。

2.1 数字建模

3D 技术目前在国外处于推广应用阶段，主要在铁路、道路、机场、大坝、河道、矿山、垃圾填埋、港口、城市建设等领域得到了应用，为施工单位提供完整的联合施工解决方案。在江苏高速公路施工中，溧高高速常州段路面标率先在水稳底基层、基层和路面下中面层使用该 3D 摊铺技术。

较传统施工技术相比而言，实现了真正的数字化施工，不需要现场放桩、测量钢钎标高等，3D 技术是通过三维建模将道路设计线导入 3D 控制系统来实现精准化施工。

数字建模是指将测量好的实测高程数据、设计路面厚度、设计高程以及桩号等参数输入到 3D 摊铺软件，3D 摊铺软件会根据设计数据对拟摊铺的路段高程进行拟合建模。

道路设计数据生成后，施工前可以对施工模型进行检查，查看施工模型是否有异常凸起和下凹现象，同时也可以检查结构层厚度，在平整度、横坡度不受影响的前提下进行调整，保证结构层厚度，避免因设计数据异常导致的道路摊铺问题。

数据建模完成后，系统会对单点数据从“点”“线”面”进行整合，形成一个平滑的施工面，使 3D 数字化智能控制施工技术在施工过程中改变了传统工艺对“点”的控制从而实现了对“面”的控制，使其控制精度、广度有了很大的提升。

2.2 智能摊铺作业

把三维模型导入到 3D 数字化智能控制体系中，在施工时，该体系通过自动修偏和控制，实现对高程的精准控制，与传统施工不同，不需要采用基准线法找平，这样，就避免了人员和设备对工程质量带来的影响，特别是能够完整地反应传统施工不能够解决的曲线的弯曲度，且正确地反应横坡度，对摊铺线性控制更平顺。

2.3 施工过程控制

1）质量控制。过程控制是质量控制的重要环节，在路面施工中，3D 技术可以实时采集、传输、反馈和控制三维坐标信息，做到了过程控制理念［2］，相对于传统的基准线法在质量控制方面更加有效。

2）人员减少。使用 3D 数字化智能控制体系，能够相对减少施工操作工和辅助工，减少了人员以及劳动强度；在安全管理方面，真正做到现场整齐美观，保证了操作工人和设备的安全高效。

3）成本控制。使用 3D 数字化智能控制体系，施工中，只需对原始下承层的固定高程点进行测量，不需要打测桩，在施工过程中，也不需要人为控制高程。在工期紧张的情况下，还可以全天候地施工，减少人员、连续不间断施工，设备的使用效率得以提高，降低油耗、缩短工期、节约物料等。

3 3D 数字化智能摊铺技术应用效果

3.1 成本降低

3D 智能摊铺技术应用在成本控制方面远比传统的基准线法要节省。与基准线法相比，可以少投入 9～10 人，按人工工资每月 6 000 元计算，总共节省 6 万元以上。其中用 3 万元支付设备租赁费，还剩余 3 万元，每年可以节省成本 36 万元。

3.2 安全得到保障

3D 摊铺施工相对于传统摊铺来说需要辅助人员较少，尤其是测量放线、架设钢丝导向线及钢梁的人员可以省去，而且这些工序中存在着很大的安全隐患。

传统摊铺施工需要大量辅助人员，与施工机械存在不可避免的交叉作业，埋下很大的安全隐患。

3.3 路面基层检测数据情况

在 3D 智能摊铺路段和普通基准线法施工的路段分别测量高程、横坡度、平整度和厚度，得到图 1～7。

图1 3D 摊铺高差情况（单位：mm）

图2 基准线法摊铺高差情况（单位：mm）

图3 3D 摊铺横坡度检测情况

图4 传统基准线法摊铺横坡度检测情况

图5 基准线法摊铺和 3D 摊铺的平整度检测情况（单位：mm）

图6 3D 摊铺的厚度检测情况（单位：mm）

图7 基准线法摊铺的厚度检测情况（单位：mm）

比较图 1 和图 2 可以看出，在高差的控制方面，传统的基准线法高差控制波动［3］较大，这主要是由于在施工过程中，基准线扰动较大，而 3D 摊铺则避免了这种情况。

对比图 3 和图 4，传统的基准线法施工的横坡度检测数据波动大，说明整个路段横坡度控制不好，而 3D 摊铺横坡度有序波动，标准差小［4］。

在图 5 中，3D 施工的平整度远远优于传统基准线法施工，这也可以从高差和横坡度控制方面看出这个结论。

对比图 6 和图 7，在厚度控制方面，3D 摊铺厚度控制明显优于传统基准线法。

综上比较发现，无论从高差、横坡度、平整度和厚度方面比较，3D 摊铺较传统的基准线法具有明显优势，再次证明 3D 技术是革命性的施工技术变革。

从上述图形对比中，发现较传统的施工方法，高程的合格率提升了 79 %，横坡度的合格率提升了 21 %，平整度的合格率提升了 57 %，厚度的合格率提升了 33 %，达到了品质工程的要求。

4 结语

为了解决路面施工中高程控制、平整度控制、横坡度控制和厚度控制中的质量通病，溧高高速公路采用了3D 数字化智能摊铺解决方案，通过建模、控制和检测程序实现对路面摊铺参数的精准控制，并通过与传统的基准线法对比，发现路面参数的合格率指标明显提升，质量控制优良。

3D 智能摊铺工艺属于精细化、精准化施工工艺，对品质工程的创建有非常大的促进作用，特别是在实现智能化施工方面，3D 技术是一项非常值得推广的应用技术，它可以对工程质量的提升起到明显的推动作用。

3D 智能系统属于数字化施工范畴，它必将成为公路工程建设中的提升质量的利器，为施工的精准、精确控制提供了一套优良的工程解决方案。通过这一技术的应用，可以将施工过程中各个质量参数通过平台有机地联系起来，并通过云存储，随时调阅有关数据，实现工作中相关各方的协同管理控制，工作的方便性效率性显著提高。3D 智能摊铺系统由于取代了传统工艺中人为操作中的各种可能产生质量问题的各个环节，从而减小操作中的偏差。3D 数字化智能控制施工技术未来在中国一定会得到广泛的应用推广，并且在功能方面会延伸到整个项目的技术、质量、成本、进度、安全等综合管控中去，实现施工全部智能化。在管理范围方面，尽可能地利用存储的信息情况，随时随地、精准无误、急速处理等优势，解决施工中存在的各类问题。尽可能地消除传统施工工艺中存在的工、料、机等劣质质量成本，节约建设资金，增大经济和社会效益，实现全智能和数字施工。

因试验条件和时间限制，本研究中还存在诸多不足，需要在以下方面对路面 3D 技术应用予以更加广泛地研究。

1）3D 技术可以进一步加强对摊铺机的控制，如：摊铺速度、进料速度、夯锤振捣频率、补料螺旋转速、混合料用量等，可以实现真正的无人驾驶摊铺。

2）3D 技术可以应用到碾压上，可根据摊铺的厚度、速度，智能化调节碾压参数，可以把摊铺机与压路机联系起来，实现摊铺、碾压一体化控制。

3）3D 技术可以应用到拌合场，通过无线通信技术与前场联系起来，前后场可以实现无障碍沟通，前后场可以根据实际情况进行调整，以达到最佳施工效果。

4）随着 5G 技术的发展应用，3D 技术也可以与无线通信技术、大数据平台对接，实现整个项目的智能化控制。Q