3D摊铺系统在底基层和基层施工中的应用研究

徐志勇， 张宗兵， 陈 刚， 钟 文， 王思尧

(云南建投路面工程有限公司， 昆明 650000)

截止2020年底，我国公路总里程已达到519.81万km，高等级公路建设总里程已突破16万km，未来5～10年仍将迎来大量的国省道建设，公路总里程数有望进一步增加，高等级公路有望达到20万km。高速公路作为连接城市的大动脉得到了快速的发展，其中沥青路面由于具有表面平整、行车舒适、耐磨抗滑、低噪声、施工周期短、维修方便等特点而被广泛使用。但目前国内高速公路，特别是云南省部分高速公路沥青路面的平整度不甚理想，甚至局部路段出现跳车现象，严重影响车辆行驶安全及行车舒适性。

根据美国SHPR研究计划的相关研究成果表明，大约95%的路面服务性能均与路表平整度有关[1]。美国著名的国家合作公路研究计划的研究报告和K. L. SMITH等[2]的论文通过大量的调查和分析，得出结论：认为沥青路面平整度提高25%至少可延长路面使用寿命9%，提高50%则至少可延长使用寿命15%。平整度与沥青路面使用寿命有很强的正相关性，良好的平整度是保证沥青路面使用寿命的重要环节之一，提高路面平整度不仅可以改善行车舒适性、节约油耗，还能大幅提高路面整体的使用寿命，节约维修养护费用[3]。

若仅通过改善沥青混凝土质量、严控摊铺碾压过程等来大幅提高沥青路面平整度会相当困难，因此，需采用毫米级GPS-3D激光数字控制系统施工技术来提高沥青路面整体平整度。

周玉[4]提出的路面平整度传递规律表明：在实际施工过程中，下承层的平整度会传递到上一层路面，通过逐层传递最终直接反映在沥青混凝土路面平整度上。针对云南省部分高速公路沥青路面平整度不佳的问题，引入毫米级GPS-3D激光数字控制系统用于路面底基层、基层的摊铺过程，这可大幅提升其平整度，并能在很大程度上改善底基层和基层平整度对面层平整度的影响。

本文依托云南省元蔓高速公路级配碎石底基层、水泥稳定碎石基层铺筑实况，结合现场高程和平整度检测结果，研究分析传统施工工艺与3D智能摊铺施工工艺对高程精度控制和路面平整度提升的影响，可在后续高等级公路沥青路面底基层、基层施工中推广。

1 试验段路基路面施工方案

云南元蔓高速公路底基层采用级配碎石铺筑，厚度拟定为20 cm；基层则采用水泥稳定碎石铺筑，厚度拟定为38 cm，采用分层摊铺(每层19 cm)、连续施工、一次养生的工艺，并根据摊铺温度、摊铺速度确定折返摊铺长度为200 m。以K88+745～K89+151路段作为试验路段，路面结构型式如图1所示。

在试验路段中，右幅采用传统工艺摊铺，左幅采用3D智能摊铺工艺摊铺。在施工准备过程中，传统施工工艺采用挂线的方式帮助摊铺机实现高程精度控制，具体放样方案为：横向选择距离道路中线3 m、5 m、8 m、10 m的位置，纵向选取间距每10 m里层桩号的位置，纵横测线形成空间矩形网状结构，将交叉点坐标作为打桩位置，测量得出该点路基实际高程，再根据该点级配碎石底基层、水泥稳定碎石基层设计高程以及相应的松铺系数算出该点挂线高度，最终实现放样打桩。

单位：cm

2 3D智能摊铺系统测试原理

毫米级GPS-3D摊铺控制系统由GNSS基准站、域激光发射器、GPS流动站和P63摊铺机自动控制系统4部分组成。系统工作时，GNSS基准站通过无线通讯卫星实时向流动站接收机发送差分信号，同时域激光发射器实时向流动站发射高程信息；GPS流动站接收机系统分别将接收到的GNSS卫星信号、GNSS基站发送的差分信号和域激光发射器发射的高程信息，进行实时处理解算，实现了实时的厘米级GNSS平面定位精度和毫米级高程控制精度。其数据具体传导方向如图2所示。

P63摊铺机自动控制系统利用配套的PZS-MC域激光接收器和MC-R3 GNSS接收机同时进行厘米级的RTK平面定位和毫米级的高程定位，并实时将三维坐标数据传输到GX-60控制箱。控制箱将当前获得的3D坐标信息与测试前导入的面层设计数据对比，实时生成对应点位的高程修正信息模型，这些高程修正信息通过拟定算法，再由控制箱生成对应比例的驱动信号，使得电磁阀驱动摊铺机牵引臂的液压油缸，进而驱使熨平板在相应方向上进行调整，弥补路面波动，实现设计要求的路面平整度和厚度。在整个摊铺过程中，使用GPS流动站实时检测路面的摊铺质量状况，按照设计需求，及时动态调整，真正实现施工过程的全流程监控，以充分满足高质量的摊铺设计要求[5]。

图2 3D智能系统组成及工作原理

3 3D智能摊铺系统安装工艺及工作流程

1) 设备检查及准备。设备安装前需对摊铺机型号、安装位置、找平接口的芯数进行检查确认。

2) 地方坐标转换和域激光校检。利用已有的地方坐标现场测量，将施工坐标系录入到RTK中，实现GPS坐标到地方工程坐标转换，以便使用已有设计；在首次使用或者长途运输、长时间搁置或者使用过程中遇到精度不准确时，需要检校域激光精度，分别用发射器的4个面对准流动站接收机PZS-1进行测量，确保2次互差在5″内，若互差偏大，则需调整参数直至2次互差达到要求精度。

3) 设计制作。通常采用道路原设计CAD图纸输入配套的3D-office软件，制作成3D设计。

4) 系统安装。毫米级GPS摊铺机系统的机载设备按要求安装到摊铺机上，须注意摊铺机因制造厂商和设计不同，安装前需确认摊铺机厂商和型号以及熨平板的工作长度，同时需确认摊铺机找平系统自身有无问题，尤其须注意激光接收器的安装高度，以避免摊铺过程中出现接收器信号被遮挡的问题。

5) 架设域激光发射器。为避开震动和遮挡，架设该设备需考虑域激光的扩展角，即毫米级GPS-3D操作系统垂直作业窗口上下5 m距离，并且保证机载激光接收器在此范围内，测量域激光架设点的坐标，通过前后高程控制点对激光发射器进行校核，合格后方可使用，且至少保证用2个及以上控制点检测。

6) 机载设备准备和调试。先将GPS接收机手簿里的坐标转换信息、设计、域激光信息通过U盘导入MC控制箱，后设置摊铺机参数和熨平板参数并进行摊铺工作。

7) 摊铺作业[7]。(1) 用GPS 测量地面高程，计算并标记摊铺高度，将熨平板调整到合适高度，点击匹配使高程调整值归零，消除之前由于测量不准确存在的误差；(2) 在长距离摊铺过程中，系统默认根据域激光信号强度自动切换通道，由于域激光发射器存在发射偏角，在30 m距离内不能使垂直作业窗口上下高度达到10 m，实际中不推荐使用自动切换通道，一般设置使用单一激光，而用手动切换，若切换后高度差超过5 mm，需再次匹配，使高程偏差值归零；(3) 当摊铺机摊铺距离超过当前使用激光发射器精度范围时，需手动切换到另一个通道。3D智能摊铺系统可实时控制高程偏差，通常在摊铺机起步2 m范围内熨平板工作尚不稳定，此时无需调整，在摊铺机平稳运行后，再对高程偏差进行调整，其调整要求如表1所示。

表1 差值调整要求

4 3D智能系统摊铺应用

4.1 高程分析

以横向距离道路中线3 m、5 m、9 m、11 m以及纵向间距为10 m的交叉点作为高程检测点对试验路段路基、底基层和基层进行高程检测，计算检测点的实测高程和设计高程[8]的差值，并定义为实测高程差X，统计各偏差值范围内的检测点所占比例，如图3所示。

(a) 路基实测高程差

(b) 底基层实测高程差

(c) 基层实测高程差

1) 底基层高程分析

根据图3(a)可得，左幅路基所测点实测高程普遍比设计高程偏大，偏差-0.02 m～0.02 m的数据占比为17%；右幅路基的高程偏差-0.02 m～0.02 m的数据占比为38%，因此左幅路基高程偏差更大，更不利于级配碎石底基层的施工。根据图3(b)可得，左幅级配碎石底基层铺筑完成后，设计高程与施工高程的偏差显著减小，偏差>0.04 m的数据占比接近为0，偏差数据主要集中在-0.02 m～0.02 m之间，占比高达64%；右幅级配碎石底基层进行摊铺后，高程偏差值有所减小，高程偏差在-0.02 m～0.02 m之间的数据占比为51%。

本文为了更好地对比2种施工工艺在底基层精度控制方面的效果，采用-0.02 m～0.02 m为高程精度控制的对照区间，根据高程数据，采用3D智能摊铺工艺后底基层在-0.02 m～0.02 m高程偏差的修正比例可达到47%，而采用传统工艺在相同范围的修正比例为13%。

在传统工艺和3D智能摊铺工艺下，级配碎石底基层铺筑后都对高程控制精度有了一定的提升，高程偏差绝对值有所减小；但与采用3D智能摊铺工艺的左幅比较，传统工艺对右幅高程控制精度相对较差，其高程精度修正比例较左幅低34%。在底基层高程控制精度方面，左幅所采用的3D智能摊铺工艺会比右幅传统工艺更有优势。

2) 基层高程分析

根据图3(c)可得，左幅级配碎石底基层和水泥稳定碎石基层铺筑完成后，设计高程与施工高程的偏差大部分集中在-0.02 m～0.02 m之间，在此区间的数据占比81%，而偏差在-0.04 m～0.02 m的数据占比高达99%；右幅级配碎石底基层和水泥稳定碎石基层铺筑完成后，设计高程与施工高程的偏差在-0.02 m～0.02 m区间范围的数据占比为78%，高程偏差在-0.02 m～0.02 m区间范围的数据占比达到91%。

同样采取-0.02 m～0.02 m为高程修复对照区间，在该区间3D智能摊铺工艺在基层的修复比例达到64%，而传统工艺在基层的修复比例为41%，说明2种摊铺工艺都对高程控制精度有了一定的提升作用，但左幅对高程精度控制的提升作用更加明显，修复比例较右幅高23%，即采用3D智能摊铺工艺更容易实现对高程精度的精准控制，使施工后的实际高程更加接近于设计高程。

4.2 平整度分析

对云南元蔓高速公路K88+800～K89+100路段的路基、级配碎石底基层、水泥稳定碎石基层平整度采用连续式平整度仪按照T 0932的要求进行检测。以K88+800为起点将检测路段每100 m划分为一个段落，超车道对应的段落编号为1、2、3，行车道对应的段落编号为4、5、6。

1) 底基层平整度分析

整理试验段路基与底基层平整度检测数据，结果如图4、图5所示。由图4可知，在摊铺级配碎石底基层之前，两幅路基的平整度相近，但左幅平整度数值的变异性较大，初始路况相对较差。通过统计数据可得，采用连续式平整度仪测得右幅路基平整度的平均值为4.656 mm，标准差为0.313；左幅路基平整度的平均值为4.440 mm，标准差为0.611。

图4 路基平整度

图5 底基层平整度

由图5可得，采用连续式平整度仪测得右幅级配碎石层的平整度平均值为2.858 mm，样本标准差为0.398；左幅平整度平均值为2.751 mm，样本标准差为0.210。相较路基平整度，采用传统工艺时，级配碎石底基层平整度提高了1.798 mm，标准差由0.313增加到0.398，厚度均匀性变差；采用3D智能摊铺工艺时平整度提升了1.808 mm，标准差由0.611减小到0.210，明显减小，表明采用3D智能摊铺工艺对平整度方面的提升不够显著，但厚度的均匀性方面显著变好。

2) 基层平整度分析

整理试验段基层平整度检测数据，结果如图6所示。由图6可知，右幅水泥稳定碎石基层采用连续式平整度仪测得的平整度平均值为3.071 mm，样本标准差为0.289；左幅平整度的平均值为2.356 mm，样本标准差为0.329。相较级配碎石层平整度，采用传统工艺摊铺时，水稳基层平整度由底基层2.858 mm增加到了3.071 mm，标准差由0.398减小到0.289，平整度反而变差；而采用3D智能摊铺工艺时，水稳基层平整度由底基层2.632 mm变为2.356 mm，平整度变好，标准差由0.210变为0.329，在水泥稳定碎石基层施工完成后，左幅平整度由4.440 mm提高到2.356 mm，提升值达到2.084 mm；右幅平整度由4.656 mm提高到3.071 mm，提高值达到1.585 mm，相较左幅低了0.499 mm。本路段检测数据表明，相比传统工艺，采用3D智能摊铺工艺施工能提高水稳基层平整度。

图6 基层平整度

4.3 传统工艺与3D智能摊铺工艺的对比

根据以上试验段底基层与基层高程与平整度试验检测数据，综合对比分析传统工艺与3D智能摊铺工艺，并结合目前的研究现状分析[9-15]，主要存在以下不同，如表2所示。

表2 3D智能摊铺工艺与传统工艺对比

5 结论

1) 试验段实践证明，使用毫米级GPS-3D激光数字控制系统在摊铺环节可实现无桩化施工，使得摊铺作业更加智能化。

2) 在高程精度控制方面，3D智能摊铺工艺在底基层对于路基高程偏差-0.02 m～0.02 m区间内修复比例提高51%，在相同区间内在基层对路基修复比例提高64%；而使用传统工艺相应提高了13%和41%，因此，采用3D智能摊铺工艺较传统工艺而言，高程精度控制更佳。

3) 在平整度提升方面，左幅采用3D智能摊铺工艺，测得路基、底基层和基层平整度分别为4.440 mm、2.751 mm和2.356 mm，底基层和基层分别提高了1.689 mm和0.395 mm；右幅采用传统工艺，测得路基、底基层和基层平整度分别为4.656 mm、2.858 mm和3.071 mm，底基层提高1.798 mm。在基层施工结束后，基层的平整度出现了反增，增加了0.213 mm。因此，采用3D智能摊铺工艺较传统工艺，平整度提升更加明显且稳定。