3D摊铺技术在高速公路工程沥青路面施工中的应用分析

许家瑜

（江西省交通工程集团有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

高速公路是现代化交通的标志，在新时期背景下，我国的高速公路正在朝着城市化与工业化方向发展，同时汽车技术飞跃式的进步，也对高速公路建设提出更高的要求[1]。但是传统高速公路工程沥青路面摊铺技术存在精度较低、受机械工况影响成分大、人工测量易出现误差等问题，对高速公路建设质量产生很大威胁，因此本文加大对先进3D 摊铺技术的研究，以期能解决高速公路施工问题。

1 3D 摊铺技术在高速公路工程沥青路面施工中应用的具体路径

1.1 3D 摊铺系统组成及工作原理

摊铺系统由P62 摊铺自控系统、毫米级GPS 流动站、LZ-T5 基站以及GPS 基站等部分构成。GPS 基站内相关系统应用HIPER V 技术，能够对各类信号进行全面跟踪，可连接移动、联通网络通信，设置可插拔内存卡，并配置2 个大容量锂电池，湿度95%，IPX6 防水性强。触摸屏为LED 显示屏，设置CX-60 控制箱，WINDOWS XP 系统，性能优良，支持夜间运行。系统增设激光发射器，对应测量精度是±5，覆盖半径为300m，拥有自动调平功能，测量宽带为±5m（30～300m）、±100（5～30m），可以支持18h 连续运行，以便加快施工进度。系统内增设MC-R3 接收系统，可以进行无线传输，防震等级达到2 级。毫米级GPS 流动站包括PZS-1 接收系统以及HIPER V 接收系统，对应接收水平如下：±10o反向角度和±10o垂直信号。

系统运行中，GNSS 基站率先向流动站传输差分信号，激光装置朝流动站传输高程数据，经过接收装置顺利接收、计算、处理相关信息以后，实现毫米级高程以及厘米级GNSS 平面实时定位，并确认摊铺区域。自动摊铺系统于控制点设置的LZ-T5 基站和GPS 基站中，经无线电台以及线缆向MC-R3 接收机传输激光高程以及GPS 差分信息，通过系统接收处理，向GX-60 控制箱传输三维数据，控制箱对比分析设计卡以及坐标数据，形成高程修正信息，随后诞生力驱动信号，驱动液压阀摊铺机，对液压油缸进行牵引，调整熨平板方向，调整路面摊铺厚度和平整度。毫米级GPS 流动站实时监控现场摊铺情况，判断是否达到摊铺设计要求[2]。

1.2 基于3D 摊铺技术施工流程

综合相关工程经验，路面摊铺3D 技术系统涵盖五个层面，分别为：三维建模、部件组装、设置全站仪、施工调控以及摊铺控制。

基本工作流程如下：汇集下承层数据，针对目标路面工程创建三维模型，对各种零部件和单独设备进行组装，向系统内导入三维数据，设置测量机器人，对设备参数进行逐一核查，在设备满足要求后便可以启动控制系统，如果设备未达到要求，则需要继续调整参数直至满足要求。

系统启动后全面校验摊铺数据，在达到摊铺作业精度后，系统在摊铺施工中自动监测并控制摊铺高程，对施工过程进行全面校准控制，最后结束摊铺施工，检测施工质量，形成道路质量报告。

1.3 基于3D 摊铺技术的施工准备

应先对设计图纸中的平、竖曲线以及横纵坡所对应的高层、坐标等技术参数进行全面采集，并通过下承层按照10m 为标准采集断面坐标，最少应采集3 个三维坐标点。同时，严格按照工程设计标准以及所采集三维坐标点数据信息，整合各种数据，创建基础三维模型，并对其进行细致检查，确保所构建三维模型不存在任何异常问题，以便确保工程坡度以及厚度等参数满足工程项目施工设计标准，在各项参数达标以及数据完善后自动形成模型文件、线形文件以及坐标模型。结合摊铺机3D 控制相关机械改造研究过程，进一步总结出在系统设备组装中应该重点关注的内容，如下所示：

第一，桅杆安装应该面向摊铺机大臂中进行垂直组装，此外，桅杆和油缸间隔距离最少控制在30cm，在桅杆顶部固定组装360o的反射棱镜。第二，在熨平板内固定组装倾角传感器，使设备安装方向和摊铺机作业方向保持一致。第三，在摊铺机上层顶棚固定安装数据电台，确保数据电台和测量机器人之间形成全面畅通的交流视野[3]。第四，在摊铺机易操作部位增加设置主控制器。第五，剩余传感器以及相关控制设备连接线需要选择摊铺机中的恰当位置进行安装，避免影响整个摊铺机的正常作业。第六，结束设备安装后实施全面校准调试，促进各部分维持稳定运转。按照现有水准点与后方进行交会建站，设置全站仪，使全站仪和棱镜间维持开阔视野，避免周围存在电子设备干扰。第七，应该在远离施工现场、行车路段以及高边坡部位设置全站仪，保障测试精度。组织专门管理人员，将导线点和全站仪夹角控制在15o～165o之间。结束测量后，针对全站仪设置专门防护箱，防止设备受到磕碰，并做好设备定期核查检验。

1.4 基于3D 摊铺技术施工工艺

先向智能监控全站仪以及智能跟踪全站仪内导入各类模型、数据文件，并对棱镜和全站仪两者空间视野进行检查，保障棱镜清晰度，通常棱镜、全站仪两者间距在300～400m。开启智能控制系统以及摊铺装置，检测操作性能。在开始路面摊铺作业前，率先选定一段路进行试铺，做好过程监测，结合监测结果调整摊铺精度，满足工程设计要求以后，启动机械自动控制模式。在摊铺作业中，率先将模型文件导入其中，把摊铺机对应控制系统转化成机械控制形式，使机器人对360o棱镜实施自动跟踪。在摊铺机两端安装跟踪机器人，负责采集360o棱镜观察的三维坐标信息，并于后方增设检测设备，对摊铺作业高程以及路面横坡实施全面观测。如果未达到标准要求，应继续对控制器、跟踪装置进行调节，跟踪设备覆盖范围是150m 半径，能够支持智能检测装置交替转站，促进路面连续摊铺。

1.5 基于3D 摊铺技术的质量控制

结束现场摊铺作业后，应重新采集路面数据，认真核查、检测路面摊铺质量，使路面摊铺质量达到公路工程质量标准规定要求。如果道路摊铺以分段摊铺为主，需要逐段检测路面摊铺质量，最终汇集相关数据，经过整理分析后形成质量检测报告，并自动生成整个摊铺路段的质量数据。在道路摊铺检测中，需要对所采集的信息进行实时校验核对，一旦发现误差，需要及时提升检测精度，扩大检测频率，在需要的情况下实施人工补救。

2 3D 摊铺技术在高速公路工程沥青路面施工中应用案例分析

2.1 案例工程背景

依照上述施工思路，为探索3D 摊铺技术在实际工程中的应用优势，本文以江西省高速公路某施工项目为例。项目背景如下：该工程位于连接江西省重要发展区域部位，是“一带一路”建设的核心要道，支撑着区域的规划建设与经济发展。该路段全长70km，主线采用标准的双向八车道建设，且所设计的速度为120km/h。为了保证该施工项目的顺利开展，在沿线设置了监控通信分中心1 处，同时还有相应的服务区、养护工区以及主线收费站、闸道收费站等，桥梁设计荷载等级水平为I 级。

2.2 施工方案介绍

针对所选取的高速公路路段建设要求较为严格的情况，在路面摊铺时选择了智能化、数字化、自动化水平较高的3D 摊铺技术，依照指导性组织方案以及实施性组织施工计划有序推进施工作业。在施工完毕后，为能够全面化地评测项目质量，分别从人员、效率、质量三个方面进行严格控制，同时为能够评估3D摊铺技术的应用优势，还采用了传统摊铺方法与3D摊铺方法平行施工的方式开展，以便形成良好的对比，为在类似工程中使用3D 摊铺技术的相关施工组织机构，提供一个理论实践参考。具体方案设置为：高速公路项目的1 号摊铺机使用3D 路面摊铺控制系统；2 号摊铺机选择传统的2D 控制方式；3 号摊铺机采用传统的2D 控制方式。

2.3 施工质量评测

2.3.1 摊铺厚度评测

该工程摊铺厚度的标准值，通过公式（1），进行了合理计算。

式（1）中：M 表示摊铺厚度；A 表示上面层厚度；B 表示中面层厚度；C 表示下面层厚度。在检测时使用了两种方法：全站仪测量法和钻芯取样法。

在利用全站仪进行检测时，先在施工路段选取10m 左右的断面作为样本，然后再利用全站仪设备，对每个断面左右幅的3 点进行施工前后高程差的对比，生成一个便于直观化比较评测传统摊铺与3D 摊铺的厚度云图。通过云图对比分析，可以得出如下结论：第一，利用传统摊铺技术的区域，在局部路段出现摊铺过薄或者过厚的情况，且经测量判定误差值均在1cm 以上。第二，利用3D 摊铺技术的区域，摊铺厚度均匀，且误差能够控制在1cm 范围之内。因此，可以判定3D 摊铺技术在摊铺厚度方面具有摊铺均匀、误差性较小的优势。

在进行钻芯取样检测时，利用钻芯仪器对选定路段范围进行采样，采样的标准为每200m 一个断面，每个断面中选取3 个采集点位，最后如实记录了传统摊铺技术与3D 摊铺技术的测点位置、桩号、横距、厚度等数据。所得到的评测结果如下：第一，利用传统摊铺技术摊铺厚度较高，对建设材料造成了严重浪费，同时也增加了建设成本。从厚度标准差的角度来讲，传统摊铺技术的差值为6.539。第二，利用3D 摊铺技术的测量区域厚度平均值为59.3m 与63.3m，其符合设计要求及相关规范标准，且技术厚度标准差值为1.011。由此可以判定3D 摊铺技术应用于高速公路沥青路面的施工中，在控制厚度方面有着绝对的优势，具体参数对比见表1。

表1 基于钻芯取样法的传统摊铺技术与3D 摊铺技术评测参数对比

2.3.2 平整度的检测

在检测路面平整度时，参考的测量依据为标准差S，其是我国较为常见的路面平整度评价指标，能够根据所测得的一系列高程值，通过统计学原理，计算出标准差S，以此作为路面平整度的表征，具体可以参考公式（2）。

式（2）中：S表示测量路面的不平整度，单位为mm；Ya表示每一步长内所包含的高程值计算平均数，单位为mm；Yi表示每一步长内第i个高程值，单位为mm。

在检测过程中，使用了连续式平整仪，对两项技术的施工结果进行全面对比，最终得出以下几点结论：第一，使用传统摊铺技术与3D 摊铺技术，其平整度均未超过允许范围，因此合格率为100%。第二，在实际施工过程中，应用传统摊铺技术的平整度波动性较强，最大值能够达到1.79mm，而应用3D 摊铺技术的最大波动值仅为0.71。由此可以断定，3D 摊铺技术的平整度更高一些，且波动性较小，具体可以参考表2 内容。

表2 传统摊铺技术与3D 摊铺技术平整度检测参数对比单位：mm

2.3.3 应用3D 摊铺技术的要点总结

虽然利用3D 摊铺技术进行高速公路路面的施工存在着诸多优势，但在应用过程中，也存在着诸多影响施工质量的因素。本文依照工程的实际情况，总结了如下控制方法，以便提高技术应用质量[4]。

第一，在施工过程中，利用高精度的现代化仪器代替传统的手工操作，虽然减少了人为因素的干扰，但是摊铺机本身的性能也会影响技术质量，在使用与工程标准相符的摊铺机的同时，更应重视对相关施工设备的安装与校验，以避免自动化控制系统出现错误执行指令的情况，同时也可以提高系统的精度。

第二，如果地基的压实水平不满足实际工程要求，那么在摊铺碾压的过程中，也会出现较为严重的沉降现象，从而影响整体摊铺工程质量，因此要控制好前一环的施工作业，以便为后一环的施工打下坚实的基础。

3 结语

综上所述，此次研究以江西省高速公路某施工项目为例介绍3D 摊铺技术的具体应用，通过施工质量测评发现路面各项参数指标较好，控制质量优良，由此看出3D 摊铺技术这种精细化施工技术对于高品质工程创建具有重要作用，针对发现的问题，需要加强施工过程控制，通过加强机械设备检验、管理和有效施工控制，进一步提升施工质量。