3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)在高速公路瀝青路面施工中的應(yīng)用研究

尹茂旭

摘 要： 攤鋪?zhàn)鳛闉r青路面的重要施工環(huán)節(jié)，其施工效果對(duì)路面最終的建設(shè)質(zhì)量有著重要影響。依托溧陽至高淳高速公路 LYG-CZ21 標(biāo)項(xiàng)目，對(duì)3D 數(shù)字化攤鋪技術(shù)在高速公路瀝青路面施工中的應(yīng)用展開了深入研究，研究結(jié)果表明：與傳統(tǒng)攤鋪工藝相比，3D攤鋪施工工藝具有更好的施工效果，平整度、厚度等指標(biāo)波動(dòng)很小。且社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 攤鋪 瀝青路面 3D數(shù)字化 現(xiàn)代交通

中圖分類號(hào)： TU753文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 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

高速公路是現(xiàn)代交通系統(tǒng)中重要的組成部分，而瀝青路面在高速公路建設(shè)中起著至關(guān)重要的作用。為了保證道路的平整度和建設(shè)質(zhì)量，以及提高施工效率，傳統(tǒng)的瀝青攤鋪技術(shù)已經(jīng)逐漸向數(shù)字化攤鋪技術(shù)轉(zhuǎn)變。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)在高速公路瀝青路面施工中越來越受到關(guān)注。

本文將依托實(shí)體工程，開展3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)在高速公路瀝青路面施工中的應(yīng)用研究，旨在提升路面施工自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智慧化水平，為同類工程施工提供借鑒與指導(dǎo)。

1 攤鋪對(duì)路面平整度的影響

1.1 攤鋪機(jī)特性對(duì)路面平整度的影響

1.1.1 熨平板中心線與攤鋪機(jī)中心線不重合

受力偏心會(huì)導(dǎo)致瀝青面層橫斷面厚度的不均勻。例如：如果熨平板偏離了路面的中心線，有些區(qū)域的瀝青層可能會(huì)受到更多的擠壓和熨平，而其他區(qū)域則可能會(huì)受到較少的擠壓和熨平，從而導(dǎo)致路面的厚度不均勻，影響路面平整度。

1.1.2 熨平板初始工作角設(shè)置不合理

如果初始工作角度過大或過小，會(huì)使熨平板在攤鋪過程中與瀝青面層的接觸力分布不均勻，進(jìn)而影響路面的平整度。

1.1.3 熨平板前后拱度差選擇不合理

如果熨平板的前后拱度差過大，可能會(huì)導(dǎo)致混合料在攤鋪過程中發(fā)生離析，攤鋪層兩側(cè)出現(xiàn)刮痕，從而直接影響平整度。

1.1.4 螺旋布料器與熨平板前緣間距不合理

如果間距過大或過小，可能會(huì)導(dǎo)致混合料在攤鋪時(shí)的分布不均勻，從而產(chǎn)生波紋狀的攤鋪層，降低了路面的平整度。

1.2 攤鋪工藝對(duì)平整度的影響

當(dāng)前路面攤鋪主要有掛線法和平衡梁法兩種控制方式[1]。掛線法要求在施工現(xiàn)場設(shè)置掛線，需要工人進(jìn)行手動(dòng)操作。這種依賴人工操作的方式可能導(dǎo)致人為誤差，并且在攤鋪過程中需要持續(xù)監(jiān)測掛線的位置和攤鋪機(jī)的對(duì)準(zhǔn)情況。掛線法需要額外的時(shí)間和成本來設(shè)置和維護(hù)掛線。每次施工前都需要進(jìn)行掛線操作，這會(huì)增加施工的時(shí)間和勞動(dòng)成本，并且延長了施工的準(zhǔn)備時(shí)間。而平衡梁法施工中，平整度的控制主要受下承層施工質(zhì)量的影響。由此可見，當(dāng)前的路面攤鋪施工工藝存在依賴人工控制、人為干擾因素多等局限性，導(dǎo)致攤鋪質(zhì)量波動(dòng)較大，平整度不易控制。

2 路面3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)基于先進(jìn)的測量和控制系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)獲取、處理和反饋三維道路表面數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)攤鋪操作的精確控制。3D攤鋪技術(shù)使用地面掃描儀等測量設(shè)備，對(duì)道路表面進(jìn)行高精度的測量。測量設(shè)備可以通過激光或光學(xué)傳感器，捕捉道路表面的幾何形狀和高度信息。掃描儀會(huì)以一定的頻率掃描道路表面，并將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過將采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與已知的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行匹配，可以建立起道路的三維數(shù)字化模型。利用數(shù)據(jù)處理算法，可以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、配準(zhǔn)和擬合等操作，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)確的道路地形模型。在攤鋪機(jī)上安裝具有高精度控制功能的設(shè)備，如液壓系統(tǒng)和傳感器等，這些設(shè)備與攤鋪機(jī)的操作系統(tǒng)相連，可以實(shí)時(shí)接收道路地形數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算和調(diào)整。攤鋪控制系統(tǒng)可以根據(jù)道路地形數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和調(diào)整。例如：在攤鋪的過程中，系統(tǒng)會(huì)檢測攤鋪機(jī)的高度和位置，并與數(shù)字化地形模型進(jìn)行比對(duì)。通過調(diào)整液壓系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)攤鋪機(jī)的高度和位置的自動(dòng)調(diào)整，以確保攤鋪的平整度和質(zhì)量。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢

通過利用3D攤鋪技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)瀝青路面的智能化、自動(dòng)化攤鋪，有效解決傳統(tǒng)瀝青路面攤鋪中存在的諸多問題。其主要技術(shù)優(yōu)勢如下。（1）提高施工精度和質(zhì)量：3D攤鋪技術(shù)通過使用先進(jìn)的激光或GPS測控技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高度精準(zhǔn)的水平和縱向坡度控制，在道路施工過程中減少誤差，提高攤鋪質(zhì)量和道路平整度。（2）節(jié)約材料和成本：3D攤鋪技術(shù)可以更準(zhǔn)確地計(jì)算瀝青材料的用量，避免浪費(fèi)和過量的施工。通過精確的坡度控制，減少了剪切損失和材料的不均勻分布，降低了路面施工的成本。（3）提高施工效率：3D攤鋪技術(shù)利用實(shí)時(shí)的測控系統(tǒng)和自動(dòng)化設(shè)備，能夠快速高效地完成路面施工。與傳統(tǒng)的手工調(diào)整和定位相比，3D攤鋪技術(shù)大大縮短了施工時(shí)間，提高了施工效率。（4）減少人力工作和勞動(dòng)強(qiáng)度：3D攤鋪技術(shù)的自動(dòng)化和精確性使人員的參與程度減少，降低了人力工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了人力資源成本和人為誤差帶來的不良影響。

3 實(shí)體工程應(yīng)用

本文依托溧陽至高淳高速公路 LYG-CZ21 標(biāo)項(xiàng)目進(jìn)行瀝青路面3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)的應(yīng)用，并選擇合適試驗(yàn)段按照傳統(tǒng)攤鋪和3D攤鋪兩種方法進(jìn)行平行施工，對(duì)其施工效果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 3D攤鋪施工工藝研究

3.1.1 施工前準(zhǔn)備

（1）高精度控制系統(tǒng)建立。為保證攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的高精度控制，應(yīng)在正式施工前建立一個(gè)高精度的施工控制網(wǎng)，結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，攤鋪精度應(yīng)控制在±2 mm[2]。宜采用二等水準(zhǔn)高程控制網(wǎng)和三等GPS平面控制網(wǎng)與一等導(dǎo)線組合的布網(wǎng)格局，該組合方式可以提供對(duì)高程和平面坐標(biāo)的高精度測量。采用工程獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)作為亞面坐標(biāo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的中央子午線和投影高程可以分別以測區(qū)平均精度和平均高程為基準(zhǔn)，以確保高精度的控制。在建立獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行已有高等級(jí)控制點(diǎn)的聯(lián)測。通過與已有高等級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行測量和比對(duì)，可以確保新建的高精度施工控制網(wǎng)與現(xiàn)有控制網(wǎng)之間的一致性和準(zhǔn)確性。

（2）點(diǎn)位選取。應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)與施工現(xiàn)場實(shí)際情況，合理選取控制點(diǎn)位。控制點(diǎn)應(yīng)布置在距離路邊緣左右兩側(cè)的10 m左右位置，各控制點(diǎn)之間的間距宜設(shè)置在150～210 m之間。此外，在控制網(wǎng)中，需要統(tǒng)一布置3個(gè)不同的深埋點(diǎn)，并形成相應(yīng)的水準(zhǔn)基點(diǎn)。深埋點(diǎn)的布置旨在提供穩(wěn)定的參考基準(zhǔn)，使高程系統(tǒng)的維護(hù)和運(yùn)營更加便捷和準(zhǔn)確，同時(shí)確保高程測量的一致性和可靠性。應(yīng)選取觀測墩作為水準(zhǔn)基點(diǎn)，并嚴(yán)格控制觀測墩深度、打樁深度，觀測墩的埋入深度應(yīng)控制在0.5 m以內(nèi)，將打樁深度控制在9～14 m。最后，采用打鋼釘?shù)姆绞焦潭ㄅR時(shí)點(diǎn)，然后對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面化采集。

（3）信息采集與處理。計(jì)算機(jī)技術(shù)、3D技術(shù)作為路面3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)采集、分析、處理等方面發(fā)揮巨大作用。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理的過程中，應(yīng)重點(diǎn)注意以下方面。①合理選用控制點(diǎn)位并使用GPS技術(shù)進(jìn)行靜態(tài)觀測： 在進(jìn)行控制點(diǎn)選用時(shí)，應(yīng)根據(jù)施工要求和工程特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｊ褂肎PS技術(shù)進(jìn)行靜態(tài)觀測可以提供較高的測量精度和準(zhǔn)確性。GPS技術(shù)可以實(shí)時(shí)記錄控制點(diǎn)的坐標(biāo)，攝取相關(guān)數(shù)據(jù)，確保各個(gè)控制點(diǎn)之間的距離滿足施工要求。②選用雙頻GPS技術(shù)進(jìn)行測量：雙頻GPS接收器相對(duì)于單頻GPS提供更高的測量精度。它們能夠同時(shí)接收L1頻段和L2頻段的GPS信號(hào)，消除了由于大氣層折射引起的誤差。因此，使用雙頻GPS進(jìn)行測量可以獲得更準(zhǔn)確、可靠的測量結(jié)果，提高數(shù)據(jù)的精度和可信度[3-4]。

3.1.2 設(shè)備安裝與校準(zhǔn)

施工人員應(yīng)仔細(xì)對(duì)照設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)桅桿、360度棱鏡、主控制器、控制手柄（Moba）、橫坡傳感器、桅桿傳感器、車載電臺(tái)等設(shè)備進(jìn)行科學(xué)化安裝，確保牢固穩(wěn)定。各個(gè)設(shè)備安裝結(jié)束后需要對(duì)如圖1所示的8個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確化校準(zhǔn)。

3.1.3 3D攤鋪施工

在施工范圍內(nèi)選擇通視良好的位置架設(shè)全站儀，每站控制范圍400～600 m。將里程樁坐標(biāo)文件、三維線形文件、三維模擬文件、檢測模型文件導(dǎo)入自動(dòng)全站儀和主控制器。應(yīng)配備3臺(tái)以上自動(dòng)全站儀，2臺(tái)用于捕獲360°反射棱鏡三維坐標(biāo)和檢測高程，1臺(tái)用于檢測攤鋪高程及轉(zhuǎn)站。攤鋪機(jī)前方路側(cè)的自動(dòng)全站儀用于捕獲攤鋪機(jī)上棱鏡三維坐標(biāo)，攤鋪機(jī)后方路側(cè)的自動(dòng)全站儀用于檢測攤鋪高程，交替進(jìn)行。前視與后視的夾角宜控制在15°～165°之間。

開始攤鋪前將攤鋪機(jī)標(biāo)尺放置在預(yù)定的位置上，啟動(dòng)攤鋪機(jī)開始熨平板預(yù)熱。預(yù)熱時(shí)間為30～60 min，以使熨平板溫度升高至100 ℃以上。調(diào)整攤鋪機(jī)下方墊塊，以使其與松鋪厚度相匹配。設(shè)定攤鋪速度、振搗頻率、松鋪系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行混合料施工。

3.2 3D攤鋪施工安全措施

所有相關(guān)的作業(yè)人員應(yīng)接受相應(yīng)的培訓(xùn)和教育，了解3D攤鋪施工的操作流程、安全規(guī)范和應(yīng)急措施等。施工人員應(yīng)熟悉設(shè)備的使用方法、安全注意事項(xiàng)以及相關(guān)的緊急停機(jī)和故障排除程序。在施工區(qū)域內(nèi)，應(yīng)設(shè)置合理的交通管理措施，包括交通標(biāo)志、警示燈、隔離欄或圍擋等，以確保行人和車輛的安全。特別是在攤鋪機(jī)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)明確劃定作業(yè)區(qū)域，并禁止無關(guān)人員和車輛進(jìn)入。在攤鋪機(jī)操作之前，要進(jìn)行設(shè)備檢查，確保設(shè)備的正常運(yùn)行和安全性能。機(jī)械部件、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等都應(yīng)定期檢查和保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)修復(fù)或更換。在攤鋪施工現(xiàn)場設(shè)置應(yīng)急設(shè)備和設(shè)施，包括滅火器、急救箱、事故報(bào)警器等。培訓(xùn)作業(yè)人員如何應(yīng)對(duì)緊急情況，如火災(zāi)、機(jī)械故障、意外傷害等，以保證他們可以及時(shí)做出反應(yīng)并采取適當(dāng)?shù)拇胧?。施工完畢后，需要及時(shí)清理工作區(qū)域，移除雜物和障礙物，確保施工現(xiàn)場的整潔和安全，以減少跌倒等事故的發(fā)生[5]。

3.3 應(yīng)用效果分析

本次數(shù)據(jù)分析共采集6 km下面層數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，分為兩種：第一種是采集3D攤鋪段落3 km數(shù)據(jù)，第二種是采集傳統(tǒng)攤鋪段落3 km數(shù)據(jù)，兩種段落檢測內(nèi)容為高程、橫坡、平整度、厚度四項(xiàng)。

（1）高程：采用傳統(tǒng)施工工藝攤鋪瀝青下面層，高程差值較大，偏差在+24～-20 mm之間；采用3D施工工藝攤鋪瀝青下面層，高程差值較小，偏差在+18～-19 mm之間，標(biāo)高差值的波動(dòng)性整體降低約6 mm。

（2）橫坡：采用傳統(tǒng)施工工藝攤鋪下面層，橫坡偏差大，數(shù)據(jù)分布跨度大，在1.80%～2.23%之間；采用3D施工工藝攤鋪下面層，橫坡偏差小，在1.92%～2.08%之間，橫坡整體波動(dòng)性降低了約0.15%。

（3）平整度：傳統(tǒng)施工工藝攤鋪的下面層，平整度值普遍較大，且分布零散，分布在0.98～1.98 mm 之間；采用3D施工工藝攤鋪的下面層，平整度值均較小，且分布均勻，基本在0.6～1.1 mm之間，平整度控制很好。

（4）厚度：傳統(tǒng)施工工藝攤鋪的下面層厚度偏差較大，數(shù)據(jù)分布零散，在70～90 mm之間；采用3D施工工藝攤鋪的下面層，厚度控制較好，偏差小，數(shù)據(jù)分布均勻，基本在77～84 mm之間，厚度控制很好。

3.4 經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益分析

3.4.1 經(jīng)濟(jì)效益

（1）人工成本。人工成本測算結(jié)果如表1、表2所示。

根據(jù)表1、表2結(jié)果可知：相較于傳統(tǒng)攤鋪施工，采用3D攤鋪施工工藝可以節(jié)省人工成本約6.3萬元/月。

（2）材料成本。傳統(tǒng)工藝需掛鋼絲，施工質(zhì)量易受外界干擾，平整度、厚度等重要指標(biāo)的控制受影響較大。為了保證攤鋪厚度，以水穩(wěn)基層為例，施工單位通常以上限控制，平均浪費(fèi)水穩(wěn)材料0.3 cm，按15 km高速公路計(jì)：0.003 m×25 m×20 000 m=1 125 m3；每m3水穩(wěn)成本300元，共計(jì)337 500元；3D攤鋪技術(shù)的應(yīng)用，無需掛鋼絲，因此，此項(xiàng)費(fèi)用可以節(jié)省。

3.4.2 社會(huì)效益

3D數(shù)字化攤鋪機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)24 h不間斷的施工，提高了工作效率，工期縮短約15%。3D攤鋪施工相對(duì)于傳統(tǒng)攤鋪可以省去測量放線、架設(shè)鋼絲導(dǎo)向線及鋼梁的人員，從而減少了人機(jī)交叉作業(yè)的現(xiàn)象，施工現(xiàn)場的安全風(fēng)險(xiǎn)也大大降低。

4 結(jié)語

本文依托溧陽至高淳高速公路LYG-CZ21標(biāo)項(xiàng)目，展開了3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)在高速公路瀝青路面施工中的應(yīng)用研究，深入分析了攤鋪機(jī)特性與攤鋪工藝對(duì)路面平整度的影響，介紹了路面3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)的技術(shù)原理與優(yōu)勢。最后通過現(xiàn)場應(yīng)用，形成了3D攤鋪施工標(biāo)準(zhǔn)化施工方案。與傳統(tǒng)攤鋪工藝對(duì)比，3D攤鋪技術(shù)具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

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