基于GM-BP组合监测的市政道路工程水稳层施工质量控制研究

摘要：为提高水稳层施工质量并延长市政道路工程的使用寿命，以某市政道路工程项目为例，提出基于GM-BP组合监测的水稳层施工质量智能控制方法。根据工程需求，选择等级在32.5以上的普通硅酸盐水泥作为主要原材料；将混合料摊铺在作业面上，进行混合料摊铺厚度调整与摊铺速度控制；碾压施工按初、复、终三个阶段进行，根据工程需求设计市政道路工程水稳层碾压施工；在此基础上，采用灰色神经网络（Grey Model with Back Propagation，GM-BP）监测施工关键参数，实时进行施工调整，对道路工程进行接缝处理，之后对其进行养护，由此完成施工质量智能控制。分析结果表明：设计的施工质量智能控制方法应用效果良好，可以确保道路工程压实度、平整度、纵段高程、横坡等指标通过质量验收，使施工后的道路实际强度满足施工强度代表值要求。

关键词：市政道路工程；摊铺；碾压；控制方法；施工质量；水稳层

中图分类号：U416.2" "文献标识码：A" "文章编号：２０９６-2118（2024）04-0020-06

Research on Quality Control of Water Stable Layer Construction in Municipal Road Engineering Based on GM-BP Combined Monitoring

HOU Bing，ZHANG Hui，WANG Shengyan，XU Zhenzhen，JIANG Jian，YANG Huixia

（China Construction Seventh Bureau Installation Engineering Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan〓450000，China）

Abstract：In order to improve the quality of water stable layer construction，and prolong the service life of municipal road engineering，an intelligent control method for water stable layer construction quality based on GM-BP combined monitoring is proposed，taking a certain municipal road engineering project as an example.According to the needs of the project，ordinary Portland cement with a grade above 32.5 is selected as the main raw material；spread the mixture on the working surface，adjust the thickness of the mixture paving and control the paving speed；rolling construction is carried out in three stages：initial，secondary，and final stages，and the rolling construction of the water stable layer of municipal road engineering is designed according to the engineering requirements；on this basis，Grey Model with Back Propagation（GM-BP） is used to monitor key construction parameters，make real-time construction adjustments，treat road engineering joints，and then maintain them，thus completing intelligent control of construction quality.The analysis results indicate that the designed intelligent control method for construction quality has a good application effect，which can ensure that the compaction，flatness，vertical section elevation，cross slope and other indicators of road engineering pass quality acceptance，so that the actual strength of the road after construction meets the requirements of the representative value of construction strength.

Keywords：municipal road engineering；paving；rolling；control method；construction quality；water stability layer

0 引言

水泥稳定层是指在道路建设中起到加固和稳定路基的一种构造层[1]，是由一定比例的水泥、石子、砂等材料混合而成，经过合理的施工方法进行浇筑、压实和养护，形成坚固的层状结构。其主要应用于需要提高道路承载力和稳定性的地方，如高速公路、市政道路、机场跑道等[2]。其作用是增强土壤的抗剪强度，强化路基结构，防止路面塌陷、松动、变形等问题。因其耐久性好、抗水浸泡性能好、抗车辆荷载能力强等优点，且其施工相对简单，可适应各种环境条件，因此在道路工程中得到广泛应用。在水稳层施工过程中，水泥与水发生水化反应，产生硬化产物。水泥水化反应是一个放热反应，通过这个反应，水泥与水结合形成碳酸钙结晶体，并释放出水化热[3-4]，这些结晶体填充了骨料间的空隙，使水稳层强度和稳定性增加。相比其他基层结构，水稳层具有抗渗和抗冻性好、强度高等显著优势，可作为高等级道路较理想的基层。

然而，水稳层由水泥、骨料等混合物料组成，其中水泥和骨料具有不同的线膨胀系数。当水稳层中的水泥发生水化反应，并且产生水泥矩阵体积收缩时，由于骨料的膨胀系数较低，骨料处于被约束的状态，无法随着水泥的收缩而自由伸展，从而使整体基层发生干缩，造成水稳层出现裂纹。因此，在施工过程中，应根据工程的实际情况，对每个步骤、每个具体环节的施工质量进行严格控制，以提高市政道路工程的使用年限。

针对工程中是否存在“温缩开裂”情况，需要进行进一步的分析。一般来说，温缩开裂主要有以下4种原因：①温度变化：温缩开裂现象是由于道路表面材料受到温度变化的影响而发生的。在高温季节或夜间温度较低时，道路表面会经历温度的快速变化，由于不同材料的热胀冷缩系数不同，导致道路表面产生应力变化，从而引起开裂。②材料特性：道路水稳层所使用的材料会对温缩开裂产生影响。例如，某些黏土含水量高的材料会在高温季节由于水分蒸发而收缩，从而引起开裂。此外，道路材料的胶结和黏结能力，以及其容纳变形的能力也会对温缩开裂产生一定的影响。③构造设计：道路水稳层的构造设计也是影响温缩开裂的一个重要因素。合理的构造设计能够减少或分散温度变化对道路表面的影响，从而降低开裂的风险。例如，通过增加水稳层的厚度、采用防水层等方式来减缓温度变化对道路表面的传导。④施工工艺：道路水稳层的施工工艺也会对温缩开裂产生影响。不当的施工工艺，如不合理的压实、不良的材料配合比例及不适当的施工时间等，都可能导致道路材料内部应力不均匀，从而导致温缩开裂的发生。因此，在施工过程中，需要采取相应的措施，如优化混凝土配合比的设计、控制混凝土的水化热释放和温度变化等，以减少温缩开裂的风险。针对上述问题，提出基于GM-BP组合监测的市政道路工程水稳层施工质量智能控制方法研究。

1 市政道路工程水稳层施工质量的智能控制

1.1 施工中原材料质量控制

在水稳层的施工阶段，基层砂石构造紧密性将会极大地影响到整个结构稳定性[5]。为确保水稳层砂石构造符合标准，在开展研究前，进行水稳层施工原材料质量控制，在此过程中，应严格控制施工中的级配碎石、水泥等原材料质量，根据工程需求，选择等级在32.5以上的普通硅酸盐水泥作为主要原材料，确保原材料各项参数指标在符合工艺与施工标准的基础上，控制水泥的初凝时长＞180 min，终凝时长＞360 min。同时，根据工程施工要求[6]，进行原材料制备中胶砂安全性、试验强度的检测。在此基础上，考虑到水泥掺量过高会影响道路施工效果，因此，需准确控制制备过程中水泥的掺入量。

选择级配碎石时，按照《城镇道路工程施工与质量验收规范》（CJJ 1—2008）规定，选取沥青混凝土基础或底层碎石级配范围为5 mm～31.5 mm。水泥稳定砂石层碎石级配范围为5 mm～25mm。翼缘沥青混凝土碎石级配范围为9.5 mm～19 mm。路基层：碎石级配范围为20 mm～60 mm。结合原材料制备需求，优先选择5 mm～7.76 mm，7.86 mm～9.55 mm，8.25 mm～10.58 mm，10.75 mm～21.77 mm四种不同粒径等级的碎石进行配合比设计。在此基础上，进行碎石微粒含量的检验，确保原材料质量通过验收。在此过程中应注意，完成多次试验确定配合比后，应按照设计的比值进行温缩、干缩试验，确保配合比设计可以达到预期效果后，完成水稳层施工中原材料质量的控制。

1.2 摊铺厚度与速度的调整控制

水稳层摊铺厚度的确定需要考虑设计要求及材料特性：①设计要求：根据道路设计要求和规范，确定所需的水稳层总厚度。包括基层的承载能力、交通荷载情况、水稳层的抗裂性能等。②材料特性：水稳层材料的物理特性会影响摊铺厚度的选择。一般来说，材料越稳定、密实，摊铺厚度可以适当减小；材料稀薄或黏粒含量较高时，摊铺厚度应适当增加。施工条件对摊铺厚度也有一定影响。例如，施工温度、湿度、施工工艺、设备技术等都会影响材料的压实效果和稳定性。在较为恶劣的施工条件下，可能需要增加摊铺厚度以保证道路质量。

为预防和处理混合料离析问题，在材料选用时，尽量采用质量稳定、颗粒级配良好的材料，并严格按照设计要求进行材料配合。同时混合料应具有均匀性，且在拌合过程中，应确保混合料的充分拌合，尽量减少混合料中颗粒间的空隙。可以采用机械拌合设备，控制拌合时间、速度以及拌合工艺参数。在施工过程中，要注意均匀铺摊，并使用合适的施工工艺，如夯实、碾压等，以提高混合料的密实性和稳定性。应通过合理控制施工进度以确保施工按时进行，减少不必要的延迟；严格进行材料管理，及时安排材料送达施工现场，以减少因材料延迟引起的施工延期；合理评估施工环境条件，针对性调整施工时间和方式，以减少因环境因素导致的延迟；加强施工团队内部协调，及时与相关单位进行沟通，以解决施工过程中可能遇到的问题，从而避免延迟。

在摊铺设备开始作业前，需要先准备2块方形垫木，将其作为参照，进行混合料摊铺厚度调整的设计。根据调整需求，控制方形垫木的长度在10 cm～20 cm，宽度在5 cm～10 cm，厚度为n。在此基础上，将摊铺设备停在起点位置，抬起熨平板，将方形垫木放置在熨平板的两端位置，如果熨平板的宽度较大，则需要将方形垫木放置在熨平板的加宽位置内侧，放置方式如图1所示。

根据图1可知，方形垫木安放完成后，将熨平板放回原位，使起重气缸保持漂浮状态。旋转左、右两个调厚机的把手，直至纵向坡度感应器上的黄光亮起。此时，调整装置处于中间状态，熨平板仅靠自身重力落在方形垫木上，不会受到任何垂直力的影响。调整方形垫木的初始工作仰角，若摊铺厚度较大，初始仰角应稍大一些。根据上述方式，初步测定摊铺层厚度，在开铺后，若有需要，可通过传感器进行监测，并重新旋转厚度调节器进行调节。每次调节时，应在5 m范围内进行多点厚度的实时检测，并将检测结果与设计值进行对比。一次校正之后，在测定均值前，不可进行摊铺厚度的其他调整。

完成混合料摊铺厚度的调整后，设计摊铺速度。在此过程中应明确，摊铺设备应在作业面上保持匀速、连续作业，不可出现时快、时慢的作业方式。一旦摊铺设备作业速度发生变化，便会出现预压后作业面平整度的变化，如图2所示。

根据图2可知，在正常速度摊铺时，作业面平整；若摊铺速度过快，则作业面不平整。因此在摊铺时，应尽可能避免停车，并且应将每日停车的时间安排在作业面预设收缩缝处。如果在施工过程中必须停止作业，则应把摊铺机的平板锁住，防止其沉降，以确保工程质量符合规范要求。

1.3 市政道路工程水稳层碾压施工控制

完成混合料摊铺后，进行市政道路工程水稳层碾压施工。为了保证水稳层的密实度和平整度，并确保道路具有良好的承载能力和行车舒适度，碾压施工按初、复、终三个阶段进行。初期碾压时，采用重量25 t以上的重胶轮压路机稳压1～2遍，错轮不超过1/3的轮迹带宽度，且速度需相对较慢，可控制在3 km/h～5 km/h，以确保良好的填充效果和足够的压实力度。按规范要求检查初压是否达标，如达标，继续执行下一步骤，否则需要重新压实。在复压的过程中，首先进行一次作业面轻微的振荡，再经过三次强烈的振荡，并使用重量约为9 t的橡胶轮式压路机进行碾压，此过程中速度需适中，可根据道路表面的情况，调整碾压机的行进速度，将其控制在5 km/h～8 km/h。复压后要注意道路的压实效果。终压以收光和消除痕迹为主，采用重量约为16 t的重型振动压路机碾压密实，再采用重量约为12 t的双钢轮压路机碾压，为消除轮迹用橡胶轮式压路机对路面进行碾压。其碾压速度相对较高，但仍需遵循设计要求和施工规范。一般而言，终期碾压速度可在3 km/h～8 km/h。

1.4 水稳层施工智能化监测控制

在上述施工控制操作的基础上，通过埋设传感器来实时收集摊铺层厚度及密实度、平整度等关键参数。然后通过无线通信技术将传感器收集到的数据传输到物联网平台，结合监测数据分析方法，将分析结果与设计要求对比，及时发现施工质量问题，提供更精准的施工调整建议，并进行施工调整，以实现有效的市政道路工程水稳层施工质量智能控制，达到提高施工质量的目的。

将灰色理论和BP神经网络进行结合，即灰色神经网络，以此来实现水稳层施工关键参数监测。灰色理论是一种适用于小样本、缺乏历史数据的方法，容错性大，但其非线性拟合能力差，在进行长期监测时，误差较大。BP神经网络是一种具有强大的模式识别和学习能力的人工神经网络，非线性能力强，但在数据量较小的情况下容易过度拟合。因此，将两者进行结合，可以充分利用两者的优势，弥补各自的不足，提高水稳层的摊铺和碾压施工关键参数监测的准确性和可靠性，以实现有效的市政道路工程水稳层施工质量智能控制。

首先将传感器收集到的数据传输到物联网平台，通过灰色理论对其数据进行预处理，分别得到水稳层施工关键参数的监测分析结果。对传感器收集的原始数据X做一次累加，生成新数据序列，再对其进行微分处理，公式如下：

■+aX0（1）=b（1）

式（1）中：a为发展系数，b为灰作用量，X0（1）为原始数据的子序列。

接着采用最小二乘法对公式（1）进行求解，则微分方程的解为：

■■（k+1）=X■（1）-■e■+■（2）

式（2）中：k为累加次数。

最后，再运用累减的方法进行逆向计算，还原原始数据序列，进而得到监测分析结果，公式如下：

■■（k+1）=■■（k+1）-■■（k）（3）

为提高分析结果的精度，利用BP神经网络对监测结果进行拟合，最终再与设计要求对比，以提供更精准的施工调整建议，其GM-BP组合具体实现施工数据监测的流程如下。

步骤1：利用下述公式（4）对所得监测分析结果进行归一化处理：

x■=■（4）

式（4）中：■■，■■分别为分析结果最大值和最小值。

步骤2：建立BP神经网络，设置最大训练次数、训练要求精度、学习率等参数。

步骤3：收集历史水稳层施工相关的数据，如摊铺厚度、密实度、平整度等参数数据，并进行归一化处理。将带有合格与不合格标签的历史参数数据作为网络训练依据，帮助网络学习判断施工质量。并在训练的过程中对网络参数进行调整和优化，提高网络性能。

步骤4：将步骤1处理后的监测分析结果作为输入项，输入到训练好的BP神经网络中，进行进一步的监测分析，将其与设计要求对比，获得最终的监测分析结果，以判断当前施工是否符合要求，并提供更精准的施工调整建议，对施工操作进行调整。

综上，完成对水稳层施工的实时监测和分析，以对市政道路工程水稳层施工质量进行有效智能控制，从而提高施工质量。

1.5 施工中的接缝处理与养生

对水稳层施工质量的控制，除了上述内容，施工中的接缝处理与养生也起着重要的作用。在道路施工过程中，接缝处理是重要的环节。如果接缝不按规定垂直相接，会形成一条薄弱带，该薄弱带上的沥青面层容易出现龟裂和破坏，影响道路的使用寿命和稳定性。因此在上述内容的基础上，进行道路的接缝处理时，平接缝和斜接缝是最常用的两种接缝处理方法。平接缝是指道路层与相邻部分垂直相连的接缝处理方式，在各种道路工程中都得到广泛应用。而斜接法是一种应用较多的接头形式，但其并不适用于一次摊铺大厚度水稳路面的施工。此次接缝处理的目标有两个，即质量和美观。因此，在进行接缝处理时，仍需要采用上述GM-BP组合监测方法对接缝的平整度和压实度进行监测，以对其进行严格的控制，保证接缝处理后的缝隙搭接紧密光滑。

在此基础上，应进行道路的养生，选用适合的养生方式可以有效地提高道路的使用寿命。养生时间根据使用的道路表面材料、气候条件、环境湿度等因素，设置为7 d～14 d。在这段时间内，施工单位应依据相关规范和技术要求，实施恰当的养护措施。针对水稳层采用养生布保湿的方式，在摊铺后立刻对成型的水稳层进行覆盖，并洒水降温，保持一定的水分和温度。持续的养护可以使水泥砂浆充分水化，从而形成更加坚韧耐用的结构层。

在养生保湿环节，至少应配备1辆专门的洒水车，在水稳层初步形成且平整度、压实度等达到标准之后，才能展开洒水养生。如果使用喷雾的方法浇水，要避免直接将水冲刷到表面。养生布的排列不能任意遮挡，两个部分的养生布重叠长度≥0.3 m，要手动拉动养生布滚压，使其均匀铺开。为保护新铺设的道路表面材料免受损害，通常需要实施一定的交通管制措施，以限制车辆和行人对养生中道路的使用。具体的交通管制要求将根据道路类型、交通流量、施工区域等因素而异。一般情况下，可以采取道路封闭、交通分流等措施进行交通管制。按照上述方式，完成道路接缝处理与养生，实现对水稳层施工质量的全面提升。

2 实例分析

2.1 工程概况

完成对水稳层施工方案的设计后，为实现对该方法在实际应用中质量控制效果的检验，选择河南地区大型市政道路工程项目作为试点，该市政道路工程为一条主干道，等级为一级公路。将水泥稳定碎石混合料作为主干路的基层结构，位于路面下方，厚度为15 cm。在施工过程中，选用了42.5号普通硅酸盐水泥，初凝时间≤45 min，终凝时间为6 h。级配碎石符合规范的设计要求，粒径范围为5 mm～10 mm。水泥∶碎石∶水的重量比例为1∶2∶0.4，在施工过程中需要严格控制水分含量，最佳含水量为8%。原材料试验检测结果符合规范要求，水泥稳定碎石混合料的设计强度为C30。

施工前，与项目的承包方进行交涉，掌握与此项目相关的概况信息，具体内容见表1。

在深入该项目所在地的现场勘察中发现，道路所在地属于湿润-半湿润的季风气候，水资源条件相对较差。该工程早期施工的水稳层厚度为34 cm，但由于整体压实度施工技术不符合规范，导致工程质量一直无法达到预期。为实现对工程项目质量的全面提升，在施工前需要对项目所在地的水文地质条件展开分析，具体内容见表2。掌握工程项目的基本情况后，使用本文设计的方法，进行水稳层施工质量控制。市政道路工程水泥稳定碎石结构层的施工质量控制需要在原材料选择、配合比设计、混合料拌合、运输、摊铺、碾压、接缝处理和养生等环节上严格把控，从而完成本文方法在市政道路工程施工中的应用。具体的施工现场如图3所示。

2.2 试验结果与讨论

完成施工后，设置压实度、平整度等若干个指标，结合《城镇道路工程施工与质量验收规范》（CJJ 1—2019），设计工程质量检查方法与频率，进行工程施工质量的检验。试验结果见表3。

从表3中可以看出，市政道路工程质1量验收指标中的压实度、平整度、强度、中线偏位、纵断高程、宽度、厚度、横坡等检查结果偏差均在规定值范围内，说明本文设计的方法可以起到提升道路工程质量的作用。

完成上述测定后，在道路工程的左幅与右幅选择测点，设计施工强度代表值，采用钻芯取样法进行施工后道路实际强度的测定，测定结果见表4。从表4中可以看出，道路左幅与右幅选择的测点实测强度均大于施工强度代表值，说明施工后道路强度通过质量验收。综合上述试验结果，得到如下结论：此次研究设计的市政道路工程水稳层施工质量智能控制方法应用效果良好，应用该方法进行道路工程施工，可以在确保道路工程压实度、平整度、纵断高程、横坡等指标通过质量验收的基础上，使施工后道路实际强度满足施工强度代表值，即确保工程施工强度达到规范。

3 结语

市政道路工程建设是城市发展的关键环节之一，水稳层质量在道路稳定性和安全性方面起着重要作用。本文以某市政道路工程项目为例，通过规范化的水稳层施工方案和智能控制方法，提高了道路工程的施工质量。市政道路的水稳层具有较高的强度，随着时间的推移，会形成更为牢固的结构，增强抗渗透性和抗冻性。为了确保水稳层质量，本文针对原材料质量、混合料摊铺厚度与速度、碾压施工和道路接缝处理等方面进行了合理控制与调整。采用GM-BP组合监测方法，实时监测施工关键参数，并根据监测结果调整施工工序，实现对工程施工全过程质量的智能控制。该方法经过实例验证，能够提高道路工程的施工质量，有助于保障市政道路的整体发展，提升道路的稳定性和安全性。

参 考 文 献

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编辑：杨 洋