3D摊铺技术在高速公路养护工程中的应用

陈广辉，张苏龙

（江苏东交智控科技集团股份有限公司，江苏 南京 210049）

3D摊铺技术是近年来国内打造高速公路智能化应用较多的技术之一。目前，该技术在高速公路面层、基层和底基层中均有应用，且朝着标准化、数字化和智能化方向发展。在进行高速公路线形恢复的养护工程中，通常采用拉钢丝绳或平衡梁的方式进行路面摊铺施工，但这两种方法存在各自的不足：第一种方法受人为误差影响大，平顺性控制较差；第二种方式不能够控制标高。因此，在高速公路进行不均匀沉降路面摊铺时，采用最新的3D摊铺技术进行线形恢复。

3D摊铺技术通过结合GNSS-RTK和激光定位两种技术的特点，配合专业化软件和控制系统，实现对摊铺过程面层厚度的准确控制、摊铺路段实时定位，实现施工过程的智能化。文章以ABG摊铺机型为例，分析了3D摊铺技术在高速公路养护工程不均匀沉降处治中的应用效果，为其他类似工程的实施提供参考。

1 传统沥青路面摊铺分析

传统的摊铺基准通常采用架设钢准绳的方式进行。在架设刚准绳过程中，采用的是国家高程标准，具有较高的准确性，但实际布设时受施工人员、自身重量和测量过程等多因素影响，不可避免地降低了面层摊铺的平整度。进一步，传统的人工操作摊铺施工还存在问题如下：

①采用钢准绳进行厚度控制施工时，花费时间和人力较多，施工过程中容易受外部环境影响。准绳的架设需要专门的测量人员去放样、水准测量，并需要辅助人员去架设。摊铺施工时，有大量的辅助人员以及车辆在工地附近活动，使得准绳被破坏的可能性大大增加，从而导致摊铺出现错误。同时，由于准绳本身的弹性问题，使标高只有在桩的位置处是准确的，但是两个桩之间误差较大。②平顺性的控制通过平衡梁：通常来说沥青面层摊铺采用平衡梁对控制摊铺的平顺性作用较大，但不能兼顾对标高的控制。③施工过程中需要较多的测量人员进行测量准备，同时连续施工人员的疲劳和大量的工人，不可避免地会增加施工出现错误和事故的几率，存在安全隐患。④采用传统摊铺增加了面层材料的浪费。相比3D摊铺及时，人工施工的精度和效率与设计存在一定偏差，这也导致了面层材料使用量。

2 3D摊铺技术施工方案

2.1 3D摊铺系统工作原理

为解决传统摊铺的不足，3D摊铺系统利用卫星定位，激光控制等先进技术手段，结合优化的数据设计、摊铺机的找平原理，通过对摊铺机工作过程中的精确控制，达到实际摊铺面符合设计面的最终目标，从而在平整度、平顺性、厚度控制等方面远远超出传统施工方式。3D摊铺系统工作包括测量和高程控制两个方面，具体情况见表1。

表1 3D摊铺系统原理分析

2.2 3D摊铺施工工艺

（1）高速公路路面3D模型建立。根据构建的数字化路面模型，结合已有的路线数据，获取高速公路线形不良段落的分布情况，精确地绘制相应段落的平面图和纵断面、横断面图。然后使用CAD进行养护方案的设计，具体内容包括纵横坡的调整、路面的加铺方案等。在完成不同养护方案的设计后，将调整后的路线数据导入数字化路面模型中。将数字地面模型提供的相关数据输入计算机，计算不同养护设计方案的工程量，对每个方案的各种指标进行分析和比较，最后使用计算机进行详细的设计文件或图纸输出工作。

在施工前对高速公路处治段落采用RTK确定平面坐标，并结合设计高程生成施工段落的三维数字模型，作为3D摊铺施工的依据。详细的测量工作对提高路面施工精度有重大的意义，建立3D模型所用数据如下表2。

表2 K164+475～ K164+790三维坐标（硬路肩）

（2）3D摊铺系统设备准备。本次施工所采用的3D摊铺系统的主要设备组成如下表3。

表3 3D摊铺设备组成清单

（3）3D摊铺施工工艺。①布设激光发射器控制点。本次试验段所使用的激光发射器有效控制距离约为80 m，为了使摊铺过程中的沥青铺面具有高度的平顺性，在段落内共布设了5个激光发射器控制点。采用封闭行车道及硬路肩施工、超车道通车的交通组织方案，受到场地限制，控制点仅能布设于行车道外侧。由于控制点距离超车道较近，为了保证行车安全及激光发射器不受干扰，三脚架一侧需架设在摊铺作业面内。②路面铣刨。在进行路面铣刨前，需对原路面高程进行复测，并与设计高程进行对比，确定段落内各点的铣刨厚度；铣刨后对铣刨面再次进行高程测量，与设计高程进行对比，如表4所示。确定中面层SUP-20摊铺厚度基本控制在6 cm左右，松铺系数为1.2。

表4 铣刨后高程数据对比（硬路肩）

③路面摊铺。待上述准备工作准备就绪后即可开始进行3D摊铺作业，在摊铺过程中，技术人员通过流动站实时监测摊铺后的路面高程，保证摊铺高程的精度。

3 3D摊铺实施效果分析

（1）纵断面线型测量。3D摊铺施工完成后对中面层SUP-20表面进行高程测量，并对测量数据进行对比分析，分析结果如图1。

图1 纵断面线型对比

从纵断面线型分析可知：中面层SUP-20摊铺后纵断面线型平顺，与设计高程基本一致，纵断面线型恢复较好。

（2）横坡数据分析项目组在对原路面进行前期高程测量时发现，由于路面不均。匀沉降导致试验段路面横坡存在一定的波动性，且大部分横坡已不满足设计要求，在进行3D摊铺时，对路面纵断面线型进行恢复的同时，对横坡一同进行恢复，横坡数据分析如图2所示。

通过摊铺前后横坡数据对比可知：原路面横坡波动性较大，对路面行车舒适性及行车安全产生一定影响；通过3D摊铺后，路面横坡被调整至2.0%，能够较好的保证路面平顺性。

图2 横坡数据对比分析图

4 结论

（1）在进行3D摊铺前，首先要掌握路面的平面坐标及设计高程数据，根据三维数据对摊铺的路面进行三维建模，为3D摊铺提供依据。

（2）结合养护工程现场施工场地的特点，场地较小、行车车辆的干扰，应尽量将激光发射器架设于空旷地带，并尽可能抬高架设高度，减少车辆及施工设备对发射器的影响。

（3）采用3D摊铺技术的路面纵断面线型平顺，与设计高程基本一致，纵断面线型恢复较好，路面横坡被调整至2.0%，能够较好地保证路面平顺性。