哈大鐵路客運(yùn)專線路基數(shù)字化施工工藝

趙敏聰，白鵬程

(1.中鐵一局哈大鐵路客運(yùn)專線項(xiàng)目經(jīng)理部，遼寧大連 116103;2.中鐵一局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西咸陽 712000)

1 工程概況

哈大鐵路客運(yùn)專線DK109+800～DK110+150段線路以填方通過低緩丘包及其洼地，地形稍有起伏，路堤中心最高填高8.71 m，邊坡最大高度8.35 m。線路位于直線上，路基頂寬13.6 m，線路縱坡為15.5‰，基床表層填0.55 m厚的級配碎石，以下依次為0.05 m厚的中粗砂、0.4 m厚的非凍脹土和1.7 m厚的A、B組填料，基床以下填合格填料，路堤邊坡坡度為1∶1.5。該段路基在施工過程采用了RTK測量技術(shù)、通過3DGPS系統(tǒng)對路基施工的攤鋪厚度、平整度、邊坡坡度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制并采用CCS900壓實(shí)系統(tǒng)對路基施工壓實(shí)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2 施工原理

2.1 概念

數(shù)字化施工，是指依托建立數(shù)字化的數(shù)據(jù)中心、地理信息系統(tǒng)(工地定位系統(tǒng))、工地現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(工地管理系統(tǒng))及現(xiàn)場機(jī)械控制系統(tǒng)(挖掘機(jī)、壓路機(jī)、推土機(jī)等機(jī)載 GPS定位系統(tǒng)，如圖1所示的GCS600、CCS900、GCS900系統(tǒng))等基礎(chǔ)平臺，整合工地信息資源，突破時(shí)間、空間的局限，建立一個(gè)在現(xiàn)實(shí)中不可能建立的開放信息環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)高效施工，優(yōu)化施工方案，提升工地管理水平的一種施工方式。

圖1 數(shù)字化施工工地示意

2.2 系統(tǒng)組成

數(shù)字化施工不僅局限于網(wǎng)絡(luò)上的信息交換，其最終目的是利用現(xiàn)有技術(shù)手段對工地資源、自然資源等信息進(jìn)行有效收集、管理與共享，提高工地施工效率。數(shù)字化施工系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)方面。

(1)數(shù)字化施工基礎(chǔ)設(shè)施:作為數(shù)字化施工的基礎(chǔ)，利用長期運(yùn)行的GNSS基準(zhǔn)站為數(shù)字化施工的所有現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集提供基準(zhǔn)，為決策者提供現(xiàn)場信息支持，同時(shí)為大型項(xiàng)目完工后的系統(tǒng)提供基礎(chǔ)平臺。

(2)數(shù)字化施工控制系統(tǒng):這是數(shù)字化施工系統(tǒng)的核心，利用機(jī)械控制系統(tǒng)對施工質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)修正可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，始終保持設(shè)計(jì)精度要求，最大程度避免了返工。

(3)數(shù)據(jù)支持服務(wù)中心:數(shù)據(jù)是數(shù)字化施工的血液，它貫穿于整個(gè)施工過程，從最初的施工設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的三維轉(zhuǎn)化，到施工現(xiàn)場的技術(shù)支持，再到施工結(jié)果數(shù)據(jù)的處理都離不開數(shù)據(jù)服務(wù)中心的支持。該服務(wù)中心的主要職能是處理、收集、整理施工數(shù)據(jù)，建立動(dòng)態(tài)信息管理系統(tǒng)，為工地管理者提供決策支持功能。

2.3 施工數(shù)據(jù)流程

數(shù)字一體化施工是一套完整的施工解決方案，主要集施工設(shè)計(jì)、施工測量和數(shù)字化施工方法于一體，它不僅依賴數(shù)字化手段整體性地解決工程施工問題。數(shù)字化施工流程如圖2所示。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)

(1)聲納技術(shù):通過聲納傳感器對設(shè)置基準(zhǔn)線發(fā)出與接收聲波信號的時(shí)間差值來確定帶狀道路的表面的平整度，如圖3所示。

(2)激光技術(shù):通過激光發(fā)射器在一恒定高程上發(fā)射生成一激光平面，施工機(jī)械通過控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的液壓油缸使安裝在機(jī)械上的接收器時(shí)刻捕捉激光平面信號，從而滿足工作場地對設(shè)計(jì)高程和整形的要求，如圖4所示。

圖3 聲納系統(tǒng)示意

圖4 激光系統(tǒng)工作原理示意

(3)全站儀技術(shù):是目前精度較高的一種控制技術(shù)，其精度能達(dá)到1 cm以下。機(jī)械行進(jìn)過程中，全站儀采集棱鏡的高程數(shù)據(jù)，然后將高程數(shù)據(jù)通過電臺傳送給平地機(jī)械安裝的系統(tǒng)中，系統(tǒng)得到信號后，與施工前輸入的工程要求對比，系統(tǒng)發(fā)出修正信號給閥模塊，控制機(jī)械的油缸對鏟刀進(jìn)行上升或下降的調(diào)整，從而使鏟刀保持工程要求的高程位置，如圖5所示。

(4)GPS技術(shù):GPS技術(shù)是以衛(wèi)星信號作為工作基準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候施工。在工程機(jī)械的工作過程中，通過RTK技術(shù)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)的采集鏟刀的三維坐標(biāo)，并與工作前存儲的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而精確達(dá)到工地設(shè)計(jì)要求，如圖6所示。

圖5 全站儀系統(tǒng)

圖6 GPS系統(tǒng)工作示意

3 施工準(zhǔn)備

該段路基施工數(shù)字化系統(tǒng)主要采用美國天寶公司的研發(fā)的Trimble系列控制系統(tǒng)，并采用卡特彼勒推土機(jī)、寶馬壓路機(jī)等設(shè)備進(jìn)行配套施工。

3.1 機(jī)型配置

(1)TrimbleCCS900智能壓實(shí)系統(tǒng)設(shè)備(表1)

(2)TrimbleGCS900推土機(jī)自動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備(表2)

表1 TrimbleCCS900智能壓實(shí)系統(tǒng)設(shè)備 臺

表2 TrimbleGCS900推土機(jī)自動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備 臺

(3)TrimbleGCS600挖掘機(jī)自動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備(表3)

表3 TrimbleGCS600挖掘機(jī)自動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備 臺

3.2 設(shè)備安裝

CCS900壓路機(jī)、GCS900推土機(jī)、GCS600挖掘機(jī)的安裝示意如圖7～圖9所示。

圖7 CCS900壓路機(jī)安裝圖示

圖8 GCS900推土機(jī)安裝圖示

3.3 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

(1)基站系統(tǒng):在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，同時(shí)采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出厘米級定位結(jié)果，歷時(shí)幾秒鐘，其工作原理見圖10。

圖9 GCS600HEX挖掘機(jī)安裝圖示

圖10 流動(dòng)站工作原理示意

(2)機(jī)械控制系統(tǒng):機(jī)械控制系統(tǒng)需要數(shù)據(jù)的支持，這里的數(shù)據(jù)是指機(jī)械控制系統(tǒng)所識別的設(shè)計(jì)單位的三維道路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。利用天寶的設(shè)計(jì)軟件SVO(Site Vision Office)將設(shè)計(jì)單位給出的二維設(shè)計(jì)圖紙數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的3維數(shù)據(jù)保存在機(jī)械控制箱的存儲卡中，如圖11所示，主要包括起始樁號，垂直定向、道路橫坡及偏移量。

圖11 機(jī)械控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程

4 施工工藝

4.1 工藝流程(圖12)

圖12 數(shù)字化施工流程示意

4.2 基站準(zhǔn)備

在工地固定位置架設(shè)1套SPS881 GPS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，為流動(dòng)站和3D機(jī)械控制系統(tǒng)提供差分信號?，F(xiàn)場校正 CPII083、CPII081、HD18三個(gè)控制點(diǎn)，CPII082－1作為校正后檢查點(diǎn)，校正完成后生成校正文件。流動(dòng)站和安裝在機(jī)械上的GPS接收機(jī)通過校正文件就可以將GPS系統(tǒng)的WGS84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成施工現(xiàn)場坐標(biāo)，從而控制鏟刀達(dá)到厘米級精度。

4.3 攤鋪

攤鋪前，通過辦公軟件(SVO)對施工場地表面進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定場地內(nèi)各點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，這些信息將通過閃存卡下載到機(jī)載系統(tǒng)中，系統(tǒng)會將這些信息作為工作過程中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行存儲。通過RTK技術(shù)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集鏟刀三維坐標(biāo)，并與工作前存儲的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷自己所處的點(diǎn)高程是否符合工程設(shè)計(jì)要求，并且清楚地知道怎樣工作來達(dá)到這個(gè)要求，從而確保了整個(gè)場地的地形能夠按照設(shè)計(jì)者的要求進(jìn)行精確的修整。

4.4 碾壓

為了和傳統(tǒng)施工方法檢驗(yàn)的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)相匹配，首先需建立CCS 900系統(tǒng)的CMV參數(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果的關(guān)系，步驟如下:(1)檢測傳統(tǒng)施工方法試驗(yàn)段的道路碾壓是否達(dá)到符合設(shè)計(jì);(2)將裝有天寶CCS 900系統(tǒng)的壓路機(jī)開到該路面上行進(jìn)，以獲取相應(yīng)的CMV范圍，將該范圍作為CCS 900系統(tǒng)在數(shù)字化施工工段進(jìn)行碾壓的參考值。

天寶CCS 900系統(tǒng)將碾壓標(biāo)準(zhǔn)存入內(nèi)存，碾壓過程中實(shí)時(shí)顯示碾壓次數(shù)、密實(shí)度信息;輸出數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)要求實(shí)時(shí)對比，生成圖形，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不符合要求的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充碾壓，從而實(shí)現(xiàn)圖形化操作，確保精確壓實(shí)且不漏壓。

4.5 邊坡修整

施工中主要采用配備了天寶激光和傳感器顯示控制系統(tǒng)(GCS600 HEX)的挖掘機(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)路基坡度顯示控制操作。GCS600HEX系統(tǒng)著眼于過程控制，即實(shí)現(xiàn)顯示作業(yè)控制情況，擺脫了對機(jī)手經(jīng)驗(yàn)的束縛。施工前，將施工要求的深度和坡度輸入控制箱，機(jī)手便可根據(jù)可視化的參考線進(jìn)行施工，這樣隨著作業(yè)的完畢，工程質(zhì)量就達(dá)到了要求。

5 數(shù)據(jù)采集處理

數(shù)字化施工中推土機(jī)的GCS900系統(tǒng)和壓路機(jī)CCS900系統(tǒng)中，都配備有CB430控制箱，可以實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)和圖形。每完成一道工序后，利用 TrimbleSCS900系統(tǒng)采集地表數(shù)據(jù)，用于核算工程量、檢查表面坡度、平整度和厚度。GCS900中的CB430可以顯示挖填量、高程、偏移量等，CCS900中的CB430可以顯示碾壓次數(shù)、CMV及超壓欠壓區(qū)域。

6 結(jié)語

(1)采用RTK測量技術(shù)、通過3DGPS系統(tǒng)對路基施工的攤鋪厚度、平整度、邊坡坡度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，確保了路基施工過程中幾何尺寸的控制精度。

(2)采用CCS900壓實(shí)系統(tǒng)對路基施工壓實(shí)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，為路基碾壓過程壓實(shí)度控制提供了參考。

(3)減少傳統(tǒng)施工中平地機(jī)整平施工環(huán)節(jié)，一定程度上提高了作業(yè)效率并降低了施工成本。

［1］鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院.客運(yùn)專線鐵路路基工程施工技術(shù)指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］中華人民共和國鐵道部.客運(yùn)專線鐵路路基工程質(zhì)量驗(yàn)收暫行標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［3］劉基余，李征航.全球定位系統(tǒng)原理及其應(yīng)用［M］.北京:測繪出版社，2004.

［4］胡伍生，高成發(fā).GPS測量原理及其應(yīng)用［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［5］國家測繪局.全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)測量技術(shù)規(guī)范［S］.北京:測繪出版社，2010.