基于3D机械控制沥青路面智能摊铺施工技术应用研究

冯太坤，杨光明，徐磊，马涛

（湖北交投建设集团有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

随着交通需求的不断增长，高速公路作为基础设施建设的重要组成部分，受到广泛关注。为了提高道路建设的质量，相关工程行业一直在寻求创新的施工技术和方法。在这一背景下，基于3D 机械控制的沥青路面智能摊铺施工技术应运而生，为公路建设领域带来了革命性的变革。

1 3D 智能摊铺施工技术的应用原理

3D 智能摊铺施工技术的应用涵盖多个方面，实现了摊铺机的高精度自动控制，能够确保道路或场地的平整度和坡度达到设计要求。第一，该技术利用全站仪和光学标靶实现毫米级的定位精度。全站仪是一种精密的测量仪器，安装在摊铺机上，并对光学标靶进行跟踪。通过测量光学标靶的位置，全站仪能够确定摊铺机相对于地面的精确位置和姿态，这一步骤的关键是确保摊铺机位置信息的准确。第二，全站仪采集的定位数据通过电台传送到摊铺机的控制系统，这一过程是实现实时数据传输的关键，确保摊铺机能够及时获得位置信息，电台通信系统通常采用无线技术，使数据传输更加便捷。第三，摊铺机的控制系统将接收到的定位数据与机载3D 设计高程数据进行实时对比，以了解当前的位置相对于设计要求的位置的偏差程度，此对比过程是自动控制的核心，将确定是否需要进行高程修正。如果控制系统确定高程需要修正，就会生成相应的高程修正信息，并将高程修正信息传递到摊铺机的液压控制系统，通过液压控制系统的驱动，油缸牵引剔平板到设计高程和设计坡度的位置，这确保了摊铺机在铺设道路或场地材料时能够保持高度一致和坡度正确，从而实现了自动控制的摊铺施工[1-2]。

2 基于3D 机械控制沥青路面智能摊铺施工技术的应用优势

2.1 提高施工精度和质量

3D 机械控制技术通过实时定位和高程控制，能够实现毫米级的施工精度，这种高精度的控制使沥青路面的铺设更加均匀和平整，减少了坑洼和凸起，提高了路面的质量和平整度。

2.2 提高施工效率和节约成本

智能摊铺技术的自动化控制使施工过程更加高效，无须挂设高程拉线，相比传统人工或半自动施工，3D 机械控制技术可以大幅度减少人工操作的需求，提高了施工速度。此外，该技术能够精确控制坡度和高程，无须频繁停工进行调整，减少了施工中的停工时间，进一步加快工程进度，降低施工周期，减少了人工和机械设备的使用成本[3]。

2.3 提高安全性和减少人员风险

智能摊铺技术的应用减少了施工人员在施工现场的暴露时间。传统的道路施工中，施工人员需要在施工区域内操作机械设备，面临较大的安全风险，而3D 机械控制技术使机械设备的操作自动化程度更高，减少了施工人员与机械设备的直接接触，降低了事故风险，保障施工人员的安全。

3 工程概况

某工程具体情况如下：

工程名称：湖北省某高速公路项目。

工程地点：位于湖北省某市。

工程长度：46km。

工程类型：高速公路。

设计标准：双向四车道，设计车速100km/h。

施工时间：路面施工周期为12 个月。

4 基于3D 机械控制沥青路面智能摊铺施工技术的具体应用

3D 机械控制沥青路面智能摊铺施工技术的应用流程，如图1 所示。

图1 应用流程

4.1 确定工作区间

在道路建设工程中，需要明确施工的工作区间，即确定道路的起点和终点以及边界范围。利用全站仪和光学标靶实时测量摊铺机的位置，并将这些地理数据传输到控制系统，确保工作区间的精确定位。在工作区间内，3D 机械控制技术还可以与数字地形模型（DTM）或3D 设计模型进行集成，施工团队将工作区间的设计要求导入控制系统，包括道路的高程、坡度和曲线等参数，这些参数与实时地理定位数据相结合，为施工团队提供了工作区间的详细信息，使施工与设计具有一致性。此外，3D 机械控制技术可以自动标记工作区间的边界和起点，如果工作区间的边界被定义，系统可以发送信号，将边界点标记在地面上，这对后续施工步骤非常重要[4]。

4.2 复测高程控制网

复测高程控制网的建立和维护是该技术应用中至关重要的环节，目的是确保高程测量数据的准确性和一致性，从而实现工作区间之间的平稳搭接，这有助于确保整个道路铺设项目的成功。第一，需确保高程数据的准确性。3D 机械控制系统的核心是准确的高程数据，通过复测高程控制网，可以建立高精度的高程基准点，用于校准和校验全站仪的测量数据，这些基准点分布在整个工程区域，涵盖了不同地形和施工区段。通过定期对这些基准点进行复测，可以检查并确保高程数据的准确性，从而避免了高程误差在工程中的累积。第二，平滑工作区间的搭接。在道路铺设工程中，不同的工作区间会存在高程差异，如果没有进行精确的高程控制，导致工作区间之间的搭接不平滑，进而使道路的不均匀和坡度不一致。通过复测高程控制网，可以实现工作区间之间的高程过渡平稳，确保道路表面的平整度和坡度的连续性。

4.3 确定摊铺面的设计要素

在技术应用中，需要按照设计要求计算并明确摊铺区域的纵坡、横坡以及摊铺带起点的设计高程，为摊铺工作的顺利进行做好技术准备。首先，需确定摊铺区域的纵坡。纵坡是指道路沿着纵向的坡度或高程变化。纵坡的准确性对于摊铺工作来说至关重要，因为其影响到车辆行驶的稳定性和道路的排水性能。在设计中，工程师需要明确道路的纵坡，确保道路在不同地形和地势条件下的坡度适宜，以满足交通安全和排水要求，如通过设计图纸和数字地形模型来计算和确定纵坡。其次，需确定摊铺区域的横坡。横坡是指道路在横向方向上的坡度或高程变化。在道路设计中，横坡的确定涉及路面的横向倾斜度，合理的横坡设计可以确保水平排水和车辆行驶的舒适性。设计中需要考虑横坡的数值和方向，以指导摊铺机的液压控制系统调整路面板的位置，以实现正确合理的横坡施工，科学合理的横坡设计可确保路面不会出现积水，有助于提高行车安全性。最后，确定摊铺带起点的设计高程。摊铺带起点的设计高程是摊铺工作的起点，通常指道路的一侧。在设计中，需要明确摊铺带起点的高程，以确保摊铺机在施工过程中能够准确地铺设沥青或其他路面材料。这一高程通常与整个摊铺区域的设计要求一致，能够保障道路的平整度和连续性。

4.4 安装3D 摊铺系统

安装3D 摊铺系统对于确保施工的高精度和顺利进行而言至关重要，这一过程涉及将各种传感器和控制设备按照设计要求安装在摊铺机上，并进行通电测试和精度校准。首先，坡度传感器和角度传感器的准确安装是3D 摊铺系统安装的关键，坡度传感器用于测量道路的纵向和横向坡度，角度传感器用于确定摊铺机的姿态，这些传感器必须精确安装在摊铺机上，使其能够准确地捕捉地面的高程和坡度数据。其次，根据3D 摊铺系统的要求，需要布置和连接2D 控制箱、靶标、3D 控制箱以及数字电台等控制设备，这些设备之间的协作是实现自动化控制的关键。2D 控制箱用于数据处理和控制命令的发送；3D 控制箱用于实时的坡度和高程校准；数字电台用于实现设备之间的数据通信，确保控制指令的及时传递。最后，进行通电测试和精度校准以确保系统可以正常运行和高精度工作。在通电测试中，所有设备会被启动和连接，以确保其能够正常运行并与主控制系统通信。随后，精度校准会对传感器进行调整，使测量数据与实际地面高程和坡度相匹配。

4.5 组织摊铺实施

组织摊铺实施涉及多个关键操作，合理组织摊铺能够保证摊铺工作按照设计要求落实。首先，在待施工区域架设智能全站仪是摊铺实施的重要前提。智能全站仪是用于测量和定位的关键设备，能够提供毫米级的位置精度。在施工现场，工程团队需要将智能全站仪架设在合适的位置，以覆盖整个待摊铺区域，保证施工过程中地理定位数据的准确性。其次，将待摊铺区域的设计面输入机载电脑，这是摊铺实施的关键步骤之一。设计面通常是根据工程要求和道路设计制作的数字模型，这一模型包括道路的纵坡、横坡、坡度和曲线等设计参数，将设计面输入机载电脑中，能够使机载控制系统了解摊铺的目标高程和坡度。再次，建立全站仪与数据电台的连接，确保数据传输效果。数据电台用于将智能全站仪采集的地理定位数据传输给机载电脑以进行实时控制，连接的建立确保了数据传输的及时和可靠，使控制系统能够实时了解摊铺机的位置和姿态。最后，将智能全站仪瞄准摊铺机上的靶标并启动跟踪模式，这是摊铺实施的关键操作之一。靶标通常固定在摊铺机上，并用于全站仪的定位。启动跟踪模式后，全站仪将锁定靶标，确保其精确定位，这一步骤使控制系统能够实时追踪摊铺机的位置和姿态，从而调整液压控制系统，确保道路的高程和坡度与设计要求一致。

4.6 数据采集

为了更好地比较传统摊铺与3D 机械控制摊铺施工技术在人员投入、工程效率等方面的区别，数据采集是必不可少的步骤。在比较研究中，将每公里的道路作为一个单元，分别对1km 长度的3D 机械控制摊铺施工和传统施工进行了数据采集，这些数据包括人员投入的相关信息以及质量检测数据（包括厚度、压实度和平整度）。具体的研究结果，如表1 所示。

表1 试验数据对比

根据表1 数据显示，第一，3D 机械控制摊铺施工中，人员投入明显减少，劳动成本降低。第二，3D 机械控制摊铺施工技术在线形控制方面表现更佳，能够更好地维持道路的平整度和舒适性，降低了道路维护成本和车辆磨损。第三，对于厚度控制，传统施工方法下，道路路面厚度不均匀，容易导致资源浪费和建设成本的增加。第四，在压实度控制方面，3D 机械控制摊铺施工区域的压实度平均标准差远小于传统摊铺施工区域的平均标准差，说明3D 机械控制摊铺技术能够更均匀地控制厚度，确保道路的稳定性和质量。第五，在平整度控制方面，3D 摊铺工艺可以更好地提升路面平整度，提高了行车舒适性和车辆的燃油效率。

5 3D 机械控制沥青路面智能摊铺施工技术的发展趋势

该技术在道路建设领域已经取得了显著的成就，然而，其未来发展趋势仍然充满了潜力和挑战。首先，数字化和自动化技术将进一步普及。未来，随着传感器技术、数据处理技术和人工智能技术的不断进步，该技术将更加成熟，得到更广泛的应用，数字化施工现场将成为常态，全站仪、传感器和自动化系统将更加精细化和智能化，从而提高施工质量和效率。其次，可持续性和环保意识将成为关键驱动力。未来的3D 机械控制沥青路面智能摊铺施工技术将更注重可持续性和环保效能，包括使用可再生材料、减少废弃物和能源消耗、降低碳足迹等方面的创新，这一技术将更好地监测和管理资源的使用，以满足环保标准和可持续发展目标。最后，随着快速测量技术、快速检测技术和人工智能技术的成熟，智能摊铺技术将有更大的应用空间，发挥更大作用。3D 机械控制沥青路面智能摊铺施工技术将进一步整合成熟的施工工艺，以实现更精确的质量控制。

6 结语

综上所述，此次研究深入分析了基于3D 机械控制的沥青路面智能摊铺施工技术的应用，明确了这一技术在人员投入、线形控制、厚度控制、压实度控制和平整度控制等多个方面的显著优势。此次研究为相关工程领域的决策者和从业者提供了重要的参考，使其能够更合理地选择施工方法，以满足项目目标和质量标准。该技术的应用有望推动道路建设行业的技术创新，促进交通基础设施建设的不断提升。