3D数字化摊铺技术在高速公路沥青路面施工中的应用研究

尹茂旭

摘 要： 摊铺作为沥青路面的重要施工环节，其施工效果对路面最终的建设质量有着重要影响。依托溧阳至高淳高速公路 LYG-CZ21 标项目，对3D 数字化摊铺技术在高速公路沥青路面施工中的应用展开了深入研究，研究结果表明：与传统摊铺工艺相比，3D摊铺施工工艺具有更好的施工效果，平整度、厚度等指标波动很小。且社会经济效益显著，具有广阔的应用前景。

关键词： 摊铺 沥青路面 3D数字化 现代交通

中图分类号： TU753文献标识码： A文章编号： 1679-3567（2024）02-0101-04

Research on the Application of 3D Digital Paving Technology in Expressway Asphalt Pavement Construction

YIN Maoxu

（ Nanjing Public Works Construction Center， Nanjing， Jiangsu Province， 210019 China ）

Abstract： Paving is an important part of asphalt pavement construction， and its construction effect has an important impact on the final quality of the pavement. Relies on the Liyang-Gaochun Expressway LYG-CZ21 standard project， the application of 3D digital paving technology in highway asphalt pavement construction has been studied in depth， and the results of the study show that， compared with the traditional paving process， the 3D paving construction process has a better construction effect， and the fluctuation of flatness， thickness and other indicators is very small. Its social and economic benefits are remarkable， and it has a broad application prospect.

Key Words： Paving； Asphalt pavement； 3D digitization； Modern transportation

高速公路是现代交通系统中重要的组成部分，而沥青路面在高速公路建设中起着至关重要的作用。为了保证道路的平整度和建设质量，以及提高施工效率，传统的沥青摊铺技术已经逐渐向数字化摊铺技术转变。随着计算机技术的快速发展，3D数字化摊铺技术在高速公路沥青路面施工中越来越受到关注。

本文将依托实体工程，开展3D数字化摊铺技术在高速公路沥青路面施工中的应用研究，旨在提升路面施工自动化、标准化、智慧化水平，为同类工程施工提供借鉴与指导。

1 摊铺对路面平整度的影响

1.1 摊铺机特性对路面平整度的影响

1.1.1 熨平板中心线与摊铺机中心线不重合

受力偏心会导致沥青面层横断面厚度的不均匀。例如：如果熨平板偏离了路面的中心线，有些区域的沥青层可能会受到更多的挤压和熨平，而其他区域则可能会受到较少的挤压和熨平，从而导致路面的厚度不均匀，影响路面平整度。

1.1.2 熨平板初始工作角设置不合理

如果初始工作角度过大或过小，会使熨平板在摊铺过程中与沥青面层的接触力分布不均匀，进而影响路面的平整度。

1.1.3 熨平板前后拱度差选择不合理

如果熨平板的前后拱度差过大，可能会导致混合料在摊铺过程中发生离析，摊铺层两侧出现刮痕，从而直接影响平整度。

1.1.4 螺旋布料器与熨平板前缘间距不合理

如果间距过大或过小，可能会导致混合料在摊铺时的分布不均匀，从而产生波纹状的摊铺层，降低了路面的平整度。

1.2 摊铺工艺对平整度的影响

当前路面摊铺主要有挂线法和平衡梁法两种控制方式[1]。挂线法要求在施工现场设置挂线，需要工人进行手动操作。这种依赖人工操作的方式可能导致人为误差，并且在摊铺过程中需要持续监测挂线的位置和摊铺机的对准情况。挂线法需要额外的时间和成本来设置和维护挂线。每次施工前都需要进行挂线操作，这会增加施工的时间和劳动成本，并且延长了施工的准备时间。而平衡梁法施工中，平整度的控制主要受下承层施工质量的影响。由此可见，当前的路面摊铺施工工艺存在依赖人工控制、人为干扰因素多等局限性，导致摊铺质量波动较大，平整度不易控制。

2 路面3D数字化摊铺技术

2.1 技术原理

3D数字化摊铺技术基于先进的测量和控制系统，通过实时获取、处理和反馈三维道路表面数据来实现摊铺操作的精确控制。3D摊铺技术使用地面扫描仪等测量设备，对道路表面进行高精度的测量。测量设备可以通过激光或光学传感器，捕捉道路表面的几何形状和高度信息。扫描仪会以一定的频率扫描道路表面，并将测量数据转换为三维点云数据。通过将采集的三维点云数据与已知的设计模型进行匹配，可以建立起道路的三维数字化模型。利用数据处理算法，可以对点云数据进行滤波、配准和拟合等操作，将原始数据转化为准确的道路地形模型。在摊铺机上安装具有高精度控制功能的设备，如液压系统和传感器等，这些设备与摊铺机的操作系统相连，可以实时接收道路地形数据，并根据设计标准进行计算和调整。摊铺控制系统可以根据道路地形数据进行实时反馈和调整。例如：在摊铺的过程中，系统会检测摊铺机的高度和位置，并与数字化地形模型进行比对。通过调整液压系统和机械结构，可以实现摊铺机的高度和位置的自动调整，以确保摊铺的平整度和质量。

2.2 技术优势

通过利用3D摊铺技术，可以实现沥青路面的智能化、自动化摊铺，有效解决传统沥青路面摊铺中存在的诸多问题。其主要技术优势如下。（1）提高施工精度和质量：3D摊铺技术通过使用先进的激光或GPS测控技术，能够实现高度精准的水平和纵向坡度控制，在道路施工过程中减少误差，提高摊铺质量和道路平整度。（2）节约材料和成本：3D摊铺技术可以更准确地计算沥青材料的用量，避免浪费和过量的施工。通过精确的坡度控制，减少了剪切损失和材料的不均匀分布，降低了路面施工的成本。（3）提高施工效率：3D摊铺技术利用实时的测控系统和自动化设备，能够快速高效地完成路面施工。与传统的手工调整和定位相比，3D摊铺技术大大缩短了施工时间，提高了施工效率。（4）减少人力工作和劳动强度：3D摊铺技术的自动化和精确性使人员的参与程度减少，降低了人力工作量和劳动强度，减少了人力资源成本和人为误差带来的不良影响。

3 实体工程应用

本文依托溧阳至高淳高速公路 LYG-CZ21 标项目进行沥青路面3D数字化摊铺技术的应用，并选择合适试验段按照传统摊铺和3D摊铺两种方法进行平行施工，对其施工效果进行对比分析。

3.1 3D摊铺施工工艺研究

3.1.1 施工前准备

（1）高精度控制系统建立。为保证摊铺作业的高精度控制，应在正式施工前建立一个高精度的施工控制网，结合相关规范要求，摊铺精度应控制在±2 mm[2]。宜采用二等水准高程控制网和三等GPS平面控制网与一等导线组合的布网格局，该组合方式可以提供对高程和平面坐标的高精度测量。采用工程独立坐标系统作为亚面坐标系统，该系统的中央子午线和投影高程可以分别以测区平均精度和平均高程为基准，以确保高精度的控制。在建立独立坐标系统时，应进行已有高等级控制点的联测。通过与已有高等级控制点进行测量和比对，可以确保新建的高精度施工控制网与现有控制网之间的一致性和准确性。

（2）点位选取。应根据项目特点与施工现场实际情况，合理选取控制点位。控制点应布置在距离路边缘左右两侧的10 m左右位置，各控制点之间的间距宜设置在150～210 m之间。此外，在控制网中，需要统一布置3个不同的深埋点，并形成相应的水准基点。深埋点的布置旨在提供稳定的参考基准，使高程系统的维护和运营更加便捷和准确，同时确保高程测量的一致性和可靠性。应选取观测墩作为水准基点，并严格控制观测墩深度、打桩深度，观测墩的埋入深度应控制在0.5 m以内，将打桩深度控制在9～14 m。最后，采用打钢钉的方式固定临时点，然后对相关数据进行全面化采集。

（3）信息采集与处理。计算机技术、3D技术作为路面3D数字化摊铺技术的重要技术基础，在数据采集、分析、处理等方面发挥巨大作用。在进行数据采集与处理的过程中，应重点注意以下方面。①合理选用控制点位并使用GPS技术进行静态观测： 在进行控制点选用时，应根据施工要求和工程特点选择适当的位置。使用GPS技术进行静态观测可以提供较高的测量精度和准确性。GPS技术可以实时记录控制点的坐标，摄取相关数据，确保各个控制点之间的距离满足施工要求。②选用双频GPS技术进行测量：双频GPS接收器相对于单频GPS提供更高的测量精度。它们能够同时接收L1频段和L2频段的GPS信号，消除了由于大气层折射引起的误差。因此，使用双频GPS进行测量可以获得更准确、可靠的测量结果，提高数据的精度和可信度[3-4]。

3.1.2 设备安装与校准

施工人员应仔细对照设计图纸，对桅杆、360度棱镜、主控制器、控制手柄（Moba）、横坡传感器、桅杆传感器、车载电台等设备进行科学化安装，确保牢固稳定。各个设备安装结束后需要对如图1所示的8个数据进行精确化校准。

3.1.3 3D摊铺施工

在施工范围内选择通视良好的位置架设全站仪，每站控制范围400～600 m。将里程桩坐标文件、三维线形文件、三维模拟文件、检测模型文件导入自动全站仪和主控制器。应配备3台以上自动全站仪，2台用于捕获360°反射棱镜三维坐标和检测高程，1台用于检测摊铺高程及转站。摊铺机前方路侧的自动全站仪用于捕获摊铺机上棱镜三维坐标，摊铺机后方路侧的自动全站仪用于检测摊铺高程，交替进行。前视与后视的夹角宜控制在15°～165°之间。

开始摊铺前将摊铺机标尺放置在预定的位置上，启动摊铺机开始熨平板预热。预热时间为30～60 min，以使熨平板温度升高至100 ℃以上。调整摊铺机下方垫块，以使其与松铺厚度相匹配。设定摊铺速度、振捣频率、松铺系数等参数进行混合料施工。

3.2 3D摊铺施工安全措施

所有相关的作业人员应接受相应的培训和教育，了解3D摊铺施工的操作流程、安全规范和应急措施等。施工人员应熟悉设备的使用方法、安全注意事项以及相关的紧急停机和故障排除程序。在施工区域内，应设置合理的交通管理措施，包括交通标志、警示灯、隔离栏或围挡等，以确保行人和车辆的安全。特别是在摊铺机运行时，应明确划定作业区域，并禁止无关人员和车辆进入。在摊铺机操作之前，要进行设备检查，确保设备的正常运行和安全性能。机械部件、液压系统、电气系统等都应定期检查和保养，发现问题及时修复或更换。在摊铺施工现场设置应急设备和设施，包括灭火器、急救箱、事故报警器等。培训作业人员如何应对紧急情况，如火灾、机械故障、意外伤害等，以保证他们可以及时做出反应并采取适当的措施。施工完毕后，需要及时清理工作区域，移除杂物和障碍物，确保施工现场的整洁和安全，以减少跌倒等事故的发生[5]。

3.3 应用效果分析

本次数据分析共采集6 km下面层数据进行分析比较，分为两种：第一种是采集3D摊铺段落3 km数据，第二种是采集传统摊铺段落3 km数据，两种段落检测内容为高程、横坡、平整度、厚度四项。

（1）高程：采用传统施工工艺摊铺沥青下面层，高程差值较大，偏差在+24～-20 mm之间；采用3D施工工艺摊铺沥青下面层，高程差值较小，偏差在+18～-19 mm之间，标高差值的波动性整体降低约6 mm。

（2）横坡：采用传统施工工艺摊铺下面层，横坡偏差大，数据分布跨度大，在1.80%～2.23%之间；采用3D施工工艺摊铺下面层，横坡偏差小，在1.92%～2.08%之间，横坡整体波动性降低了约0.15%。

（3）平整度：传统施工工艺摊铺的下面层，平整度值普遍较大，且分布零散，分布在0.98～1.98 mm 之间；采用3D施工工艺摊铺的下面层，平整度值均较小，且分布均匀，基本在0.6～1.1 mm之间，平整度控制很好。

（4）厚度：传统施工工艺摊铺的下面层厚度偏差较大，数据分布零散，在70～90 mm之间；采用3D施工工艺摊铺的下面层，厚度控制较好，偏差小，数据分布均匀，基本在77～84 mm之间，厚度控制很好。

3.4 经济社会效益分析

3.4.1 经济效益

（1）人工成本。人工成本测算结果如表1、表2所示。

根据表1、表2结果可知：相较于传统摊铺施工，采用3D摊铺施工工艺可以节省人工成本约6.3万元/月。

（2）材料成本。传统工艺需挂钢丝，施工质量易受外界干扰，平整度、厚度等重要指标的控制受影响较大。为了保证摊铺厚度，以水稳基层为例，施工单位通常以上限控制，平均浪费水稳材料0.3 cm，按15 km高速公路计：0.003 m×25 m×20 000 m=1 125 m3；每m3水稳成本300元，共计337 500元；3D摊铺技术的应用，无需挂钢丝，因此，此项费用可以节省。

3.4.2 社会效益

3D数字化摊铺机技术的应用，可实现24 h不间断的施工，提高了工作效率，工期缩短约15%。3D摊铺施工相对于传统摊铺可以省去测量放线、架设钢丝导向线及钢梁的人员，从而减少了人机交叉作业的现象，施工现场的安全风险也大大降低。

4 结语

本文依托溧阳至高淳高速公路LYG-CZ21标项目，展开了3D数字化摊铺技术在高速公路沥青路面施工中的应用研究，深入分析了摊铺机特性与摊铺工艺对路面平整度的影响，介绍了路面3D数字化摊铺技术的技术原理与优势。最后通过现场应用，形成了3D摊铺施工标准化施工方案。与传统摊铺工艺对比，3D摊铺技术具有显著的社会经济效益。

参考文献

[1]高海波，刘欣超，王彤.基于3D机械控制沥青路面智能摊铺施工技术应用研究[J].江苏建筑，2022（S1）： 52-55.

[2]王文学，李昌华，张文闻，等.基于3D机械控制的沥青路面施工摊铺技术研究[J].科技资讯，2023，21（7）： 106-109.

[3]杨刘虎.3D数字化摊铺机控制系统在高速公路建设中的应用[J].交通世界，2022（22）：105-107.

[4]顾江鸣，邹文军，白伟华，等.3D智能数字化摊铺技术在溧高高速公路路面施工中的应用[J].工程质量， 2021，39（2）：65-68.

[5]陈广辉，张苏龙.3D摊铺技术在高速公路养护工程中的应用[J].大众标准化，2023（4）：54-55，58.