基于3D技术的路基整平和路面摊铺协同控制技术的研究

曹 妍，孙明祥，王芮文

(1.江苏省交通技师学院，江苏 镇江 212000；2.江苏省交通工程集团有限公司，江苏 镇江 212000；3.江苏森淼工程质量检测有限公司，江苏 镇江 212000)

0 前 言

随着公路基础设施投资的加大，公路桥梁的建设速度也不断加快，同时，建设质量不断提高，对建设管理精细化要求也提到日程，特别是自2016年以来，交通运输部品质工程的推进，对基层的技术创新、新设备应用的促进作用更加凸显。2015年年底开始，交通运输部就提出建设公路基础设施品质工程的质量提升活动，2017年，江苏省交通运输厅根据交通运输部的要求，逐步推出建设品质工程的各项举措，其中一项就是要推进施工智能化和数字化。近年来，江苏省高速公路建设在智能化和数字化建设方面做了很多创新与研究，在工程质量改善方面起到了良好的推动作用。

3D技术是本世纪初由国外引入到国内的自动化、智能化的施工技术之一。自2017年以来，国内的研究应用逐步展开。溧高高速公路在施工中，采用了3D路基整平和路面摊铺技术，其对于路基路面的平整度、横坡度以及路面的厚度、高程等都有非常大的质量提升。特别是由于这些指标的提升，给路基路面协同工作性创造了条件。

溧高高速公路作为重点高速公路项目，在路基施工新机械设备的应用方面都走到了全省的前列。继3D的使用后，发现路基顶面高程和路面设计高程合格率创江苏新高，路基与水稳、水稳与路面协同工作模型模拟后发现其耐久性指标大大提升，证明这一技术是有效提高质量的途径。

1 国内外研究现状

1.1 路基3D整平和路面摊铺工艺控制系统原理

路基3D整平技术和3D路面摊铺技术是近两年刚刚开始兴起的路基施工和路面摊铺工艺。在国外，最早的研究见于2008年，国内使用最早可以追溯到2018年，主要使用部位为路面结构层。

3D摊铺自动控制系统主要由测量机器人、摊铺自动控制系统和摊铺机车身姿态控制系统组成。系统工作时，机械控制测量机器人(测量机器人通过后方交会获得自身位置信息)将捕获安装在摊铺机大臂两侧桅杆上的360°棱镜的三维坐标数据，通过3D摊铺机系统的数传电台实时将测量的棱镜三维坐标数据传输给摊铺自动控制系统的控制箱中，控制箱将获得的当前坐标信息与施工的设计三维数据进行计算，生成相应的坡度和高程修正信息数据并传输给摊铺机左右两侧边控箱，这时再由边控箱对应生成相应的比例驱动信号，通过摊铺机液压阀驱动牵引臂液压油缸使熨平板进行相应方向的调整和修正，从而使摊铺道面产生坡度和高程变化，弥补路面波动，实现所要求的路面平整度和高程。在具体施工过程中为实现道面摊铺的精确控制要求，另一台检测测量机器人一直处于监测道面摊铺状况，真正实现过程控制施工，满足摊铺设计要求；同时当原始地面出现坑洼导致摊铺机车身发生倾斜时，安装在桅杆上的倾角传感器实时的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。

1.2 技术指标和精度研究

以徕卡iCON iCR80为例，它是徕卡测量全新一代面向机械控制的自动全站仪，可以帮助灵活、简单、精确的完成工程施工。无论是其独特的智能设站流程，还是行业领先的棱镜锁定技术，以及施工现场3D设计模型的灵活应用，徕卡iCON iCR80都能呈现“一机在手，应用无忧”的全新机械控制应用体验，高精度、高效率的提供贴合机械控制施工的测量方案。远程连接徕卡ConX智能施工管理平台，更能满足全新的智能化、数字化全流程施工需求。

1.3 路基路面3D系统优势和精度指标

测量机器人的测角精度有1″和2″两种，高精度测量，保证施工质量，避免返工；控制面板采用图标式、向导式的符合机械控制习惯的机械控制测量软件，降低对操作人员的专业性要求，提高操作人员的工作效率；简单易用、功能强大的机械控制测量可用于iCR80 mC版、也可以用于GPS70和CC66/80手簿，统一的用户界面，节省培训时间，简单学习，高效使用；3D超级搜索、智能设站、框体搜索、棱镜捕捉等功能提供了优秀的机械控制应用体验，解放劳动力；支持接入3D系统远程智能施工管理平台Leica ConX，实现远程软件升级、文件实时共享和远程技术支持，带来全新的数字化施工管理体验；3D优秀品质，坚固耐用，满足野外复杂施工环境要求，使设备利用率最大化，一次投入，长期受益。

2 路基路面3D摊铺控制系统方案组成

2.1 单机摊铺控制系统配置说明

徕卡3D摊铺控制系统方案是由车载控制系统+车身姿态控制系统、ICR80测量机器人和数据处理软件+加密盘组成。

2.2 架设与基站

路基路面3D施工系统还可以通过基站与全球卫星定位系统建立连接，以精确进行定位。

3 路基路面施工需要3D解决的技术问题

3.1 路基路面协同工作出现的问题

目前路基路面施工过程中，一些涉及到强度、稳定性的质量指标已经初步得到解决，比如，路基、路面压实度合格率偏低的问题、水泥稳定碎石强度问题等，通过管理和技术手段得到一定解决。但是，在高速公路施工中仍然有一些质量参数难以满足技术要求，因而产生一些质量隐患。

(1)路基路面的平整度影响。首先，平整度好的路面行车更加安全舒适。其次，无论是上层还是下层路基路面，表面平整度对于路基路面排水也是有利条件之一。下层平整度不好，会使层间水滞留，上层平整度不好，会使路面局部积水，影响行车安全。另外，下层的路基路面的平整会利于上层厚度控制。

(2)路基路面纵横坡度影响。路面纵横坡度越符合设计图纸，纵断线形越美观并利于路基和路面的排水。

(3)纵断高程的影响。在公路建设中，由于施工机械的精准度不高，路基路面高程合格率不高，这样会导致路桥衔接过程中高程和厚度控制的矛盾以及路基路面整体纵断线形与设计不符。

(4)填筑层厚度控制的影响。填筑层厚度直接影响路基路面质量，路基路面分层厚度控制不均匀，会导致路面的早期破坏。

为了解决路面层次以上问题，3D摊铺技术在我国得到尝试应用。我省高速公路首次3D应用在溧高高速公路和常宜高速公路，通过省内外多条高速公路应用数据进行分析认为，3D摊铺是解决以上现实质量问题的有效途径。但是在底基层施工中，存在仍然存厚度控制不均匀、高程和厚度控制之间的矛盾等问题。为了彻底解决这些问题，本研究尝试采用3D整平技术控制路基顶面质量参数而采用3D摊铺技术控制路面底基层、基层和面层质量参数，并且研究采用3D工艺和不采用3D工艺，对于路基路面层次间协同工作机理和整体质量以及耐久性综合影响区别。

3.2 协同工作中3D应用意义

通过路基顶面3D平地与路面3D摊铺协同控制技术应用，可以达到以下效果。

(1)从根本上解决路基质量参数对路面质量的绝对影响。对以往的3D摊铺工艺研究，初步得到以下结论：平整度合格率提高30%；横坡度合格率提高30%；高程合格率提高15%；厚度合格率提高15%。采用过程能力指数分析分层检测数据表现，已经基本肯定了上述数据参数合格率和过程指标的主要影响因素来自下一层的数据参数。因此可以推断，如果路基顶面采用3D整平技术，可以从根本上解决路面各层次的高程不符合设计要求、厚度不均匀、纵坡不顺适等问题，实现路基路面各层施工的协同控制。

(2)精益和精准施工的需要。常规的施工工艺控制的是常规技术下质量尽量满足标准和规范的要求，常规技术下，合格率低甚至不合格现象屡屡发生，因此，工作的重点是消除不合格且使合格率提高。在采用3D平地和摊铺技术后，合格率的大幅度提升，在这种合格率下，3D应用解决的已经不是合格率问题，而把质量控制引入到精益生产领域，让质量参数与设计完全契合，实现工程质量控制手段的革命性改变。

(3)路基路面结构层耐久性需要。路基路面各结构层是协同工作的，其强度和稳定性直接影响到公路使用性能和使用寿命。层间结合面平整和层厚控制均匀是耐久性的基本保障。路基路面分层施工后不平整的层间结合面会使水气分布更为不均匀，且难以消散。试验证明，在土路基间的结合面，其含水量高于层内含水量的30%。在沥青路面水损坏研究中，由于层间水引起的病害高达85%以上，路基路面分层厚度均匀性直接影响路基路面的应力应变状况。路基、路面的各层间是协同工作的，在厚度均匀一致的各结构层，其协同受力达到最佳组合，厚度不均匀的结构层，相邻层次的变形会有差距，造成路基路面的疲劳破坏。

综上，基于3D技术进行路基路面施工协同控制对保证工程质量、延长使用寿命、提升公路服务水平具有重要意义。

4 溧高高速公路路基路面协同工作后的质量参数提升情况

4.1 各项指标的合格率提升

对溧高高速公路基合格率情况进行分析，并将与江苏省平均水平比较。路基高程合格率提升79%、路基顶面平整度提升81%，路基横坡度提升66%。

对溧高高速公路路面基层合格率情况进行分析，与江苏省平均水平比较,基层高程合格率提升62%、基层顶面平整度提升65%，路基横坡度提升33%，厚度合格率提升90%。

对溧高高速公路路面面层合格率情况进行分析，并将与江苏省平均水平比较。面层高程合格率提升52%、路面顶面平整度提升35%，路面横坡度提升19%，厚度合格率提升17%。

4.2 协同工作性能的研究

由于横坡度、平整度提升，增加了层间的致密性，经模拟试验，层间积水率降低78%。

5 结论及后续展望

3D路基路面施工技术是一次革命性的施工技术和工艺变革，通过路基路面的协同应用，提高了检测指标的合格率，公路工程施工质量得以进一步提升。