基于3D毫米GPS攤鋪技術(shù)的京滬高速擴(kuò)建工程路面結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)提升研究

陳 軍

(江蘇省交通工程建設(shè)局 南京 210004)

0 引言

傳統(tǒng)路面攤鋪采用掛鋼絲、機(jī)械式平衡梁、非接觸式平衡梁、鋼導(dǎo)梁等方式控制攤鋪高程、橫坡、平整度、厚度等指標(biāo)[1-2]，存在控制精度不高，受人為、機(jī)械及環(huán)境因素影響大等缺點(diǎn)，從而影響了施工質(zhì)量，且易造成路面材料的過度浪費(fèi)；傳統(tǒng)路面攤鋪技術(shù)在施工前需劃線放樣，打設(shè)鋼撅懸掛鋼絲繩，或者安排人員逐段移動(dòng)鋼導(dǎo)梁作為基準(zhǔn)面，這些工作均需要耗費(fèi)大量的人力、物力，且會(huì)影響攤鋪施工的連續(xù)性，因此研究采用新的攤鋪技術(shù)改善以上弊端，可進(jìn)一步提升高速公路路面的精細(xì)化施工水平。

3D毫米GPS攤鋪控制系統(tǒng)作為近幾年興起的新型攤鋪技術(shù)，通過結(jié)合衛(wèi)星定位、激光高程測(cè)量、機(jī)械自動(dòng)控制三項(xiàng)技術(shù)，可以準(zhǔn)確控制結(jié)構(gòu)層攤鋪的標(biāo)高，進(jìn)而確保攤鋪橫坡、平整度、厚度，并在攤鋪施工過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化找平和攤鋪，適應(yīng)了當(dāng)前路面攤鋪施工精細(xì)化、智能化需求[3-7]。京滬高速公路沂淮淮江段擴(kuò)建工程是貫穿江蘇省南北的交通大動(dòng)脈，重載車輛多，交通流量大，對(duì)路面質(zhì)量提出了更高要求，因此在本項(xiàng)目的路面施工中引入3D毫米GPS攤鋪控制系統(tǒng)，以期提升路面工程精細(xì)化施工水平，并為后續(xù)3D毫米GPS攤鋪控制系統(tǒng)在高速公路新建、改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

京滬高速公路沂淮淮江段擴(kuò)建工程全長(zhǎng)259.5km，全線采用雙向八車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)建，采用沿既有公路兩側(cè)加寬為主、局部分離為輔的擴(kuò)建方案，設(shè)計(jì)速度120km/h。主線路面結(jié)構(gòu)方案為：主線既有老路第一、第二車道直接加鋪4cm SMA-13；新拼寬建設(shè)的第三、第四車道路面結(jié)構(gòu)為26cm瀝青面層(4cmSMA-13、12cmSUP-20及10cmSUP-25)+38cm抗裂水穩(wěn)基層+20cm水泥廠拌冷再生底基層，路面結(jié)構(gòu)橫截面見圖1。其中本項(xiàng)目引進(jìn)的3D毫米GPS攤鋪控制系統(tǒng)應(yīng)用在JHK-XZ21標(biāo)合同段新拼寬建設(shè)的第三、第四車道的底基層、基層及面層，樁號(hào)為K710+000～K733+379.078；對(duì)比研究標(biāo)段為JHK-SQ22標(biāo)合同段，該標(biāo)段新拼寬建設(shè)的第三、第四車道的底基層、基層及面層現(xiàn)場(chǎng)攤鋪采用掛鋼絲及非接觸式平衡梁進(jìn)行找平，樁號(hào)為K761+650～K789+458.997。

圖1 路面結(jié)構(gòu)橫斷面圖

2 3D毫米GPS攤鋪控制系統(tǒng)概述

本項(xiàng)目采用拓普康(Topcon)3D毫米GPS攤鋪控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱3D攤鋪)，由GNSS基準(zhǔn)站、域激光發(fā)射器、mmGPS流動(dòng)站和P63攤鋪機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)4部分組成(圖2)，該系統(tǒng)工作時(shí)，利用GNSS RTK技術(shù)對(duì)攤鋪機(jī)熨平板平面位置進(jìn)行厘米級(jí)實(shí)時(shí)定位，同時(shí)利用域激光對(duì)熨平板高程進(jìn)行毫米級(jí)定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)攤鋪點(diǎn)的確認(rèn)。P63攤鋪機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)上安裝的MC-R3 接收機(jī)對(duì)上述的GPS 差分信號(hào)和激光高程信息進(jìn)行處理后，將三維數(shù)據(jù)傳輸給 GX-60 控制箱，控制箱將坐標(biāo)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，生成對(duì)應(yīng)的高程修正信息，再將修正信息生成對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送至攤鋪機(jī)控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)液壓閥攤鋪機(jī)牽引臂液壓油缸使熨平板調(diào)整方向，實(shí)現(xiàn)路面攤鋪平整度、厚度等指標(biāo)的精準(zhǔn)控制，進(jìn)一步提升攤鋪施工的精細(xì)化程度[8-9]。

圖2 3D攤鋪控制系統(tǒng)組成

3 試驗(yàn)方案及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

選取JHK-XZ21標(biāo)合同段主線左幅K712+540～K713+600和JHK-SQ22標(biāo)合同段主線左幅K766+600～K767+740作為典型試驗(yàn)段，其中左幅K712+540～K713+600新拼寬第三、第四車道的底基層、下基層、上基層、面層均采用3D攤鋪工藝；左幅K766+600～K767+740新拼寬第三、第四車道底基層、下基層、上基層、下面層采用掛鋼絲找平方式，中面層采用非接觸式平衡梁找平方式。為了對(duì)比分析3D攤鋪和傳統(tǒng)路面攤鋪方式對(duì)路面施工質(zhì)量的影響，選取高程、橫坡、厚度、平整度四個(gè)控制指標(biāo)對(duì)拼寬新建的第三、第四車道基層頂、中面層頂進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，鑒于本項(xiàng)目還未大面積進(jìn)行上面層施工，因此暫不對(duì)上面層攤鋪施工質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比。

3.1 水穩(wěn)基層施工質(zhì)量對(duì)比

3.1.1 高程偏差檢測(cè)結(jié)果分析

兩試驗(yàn)段水穩(wěn)上基層施工后的高程偏差數(shù)據(jù)如表1，其中基層高程允許偏差范圍為≥-10mm，≤5mm[10]。

表1 基層高程偏差

續(xù)表

由表1可知兩種攤鋪方式施工的水穩(wěn)基層實(shí)際高程偏差均滿足規(guī)范要求，其中采用3D攤鋪的基層最大絕對(duì)值高程偏差為6mm，絕對(duì)值平均高程偏差2.9mm；掛鋼絲攤鋪的基層最大絕對(duì)值高程偏差為10mm，絕對(duì)值平均高程偏差4.9mm，即采用3D攤鋪方式對(duì)高程控制的精度有所提高，進(jìn)一步縮小了高程偏差，基本控制在-6～4mm范圍內(nèi)，保證了后續(xù)面層高程控制的準(zhǔn)確性。

3.1.2 橫坡檢測(cè)結(jié)果分析

兩試驗(yàn)段水穩(wěn)上基層施工后的橫坡數(shù)據(jù)如圖3，基層橫坡設(shè)計(jì)值為2%，允許偏差為±0.3%。

圖3 基層頂橫坡

由圖3可知：兩種攤鋪方式施工的水穩(wěn)基層頂橫坡度均能滿足規(guī)范要求，根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)連成的折線分布情況，3D攤鋪工藝下，基層橫坡均在2.0%附近波動(dòng)，波動(dòng)范圍在1.98%～2.02%之間，誤差控制在±0.02%范圍內(nèi);掛鋼絲攤鋪工藝下，基層橫坡在1.95%～2.05%之間，誤差控制在±0.05%范圍內(nèi)，表明3D攤鋪工藝在基層橫坡指標(biāo)控制上較掛鋼絲攤鋪更為精準(zhǔn)。3D攤鋪工藝下，基層頂橫坡平均值為2%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.01%;掛鋼絲攤鋪工藝下，基層橫坡度平均值為2%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.034%，兩種攤鋪方式下橫坡均能滿足規(guī)范允許偏差要求，但3D攤鋪對(duì)橫坡控制的精度更高，且整體較穩(wěn)定。

3.1.3 厚度檢測(cè)結(jié)果分析

考慮到攤鋪厚度受下承層平整度的影響較大，因此對(duì)K712+540～K713+600和K766+600～K767+740這兩段底基層頂按每隔100m頻率進(jìn)行平整度檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖4，規(guī)范要求底基層平整度≤12mm。

圖4 底基層平整度

從圖4中可知，這兩段底基層頂?shù)钠秸染軡M足規(guī)范要求，數(shù)據(jù)點(diǎn)形成的折線基本重疊，其中3D攤鋪后底基層頂平整度平均值為7.2mm，掛鋼絲為7.1mm，兩個(gè)段落底基層平整度基本相當(dāng)。在下承層平整度基本相當(dāng)?shù)那闆r下，下面進(jìn)一步對(duì)比分析3D攤鋪與掛鋼絲攤鋪的基層施工厚度變異情況，為此分別對(duì)K712+540～K713+600和K766+600～K767+740這兩段每隔100m進(jìn)行鉆孔取芯量測(cè)芯樣厚度，上下基層總厚度檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖5，其中基層設(shè)計(jì)厚度為380mm，厚度容許負(fù)偏差為-10mm。

圖5 基層厚度

由圖5可知：兩種攤鋪方式施工的水穩(wěn)基層厚度均能滿足規(guī)范要求，根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布情況，3D攤鋪工藝下，基層厚度數(shù)據(jù)點(diǎn)基本集中在設(shè)計(jì)厚度380mm水平線附近，離散性相對(duì)較小，表明在施工過程中厚度控制較為穩(wěn)定；3D攤鋪工藝下，基層厚度平均值為379mm,與設(shè)計(jì)厚度偏差為-0.26%，標(biāo)準(zhǔn)差為2.52mm ;掛鋼絲攤鋪工藝下，基層厚度平均值為391mm,與設(shè)計(jì)厚度偏差為2.9%，標(biāo)準(zhǔn)差為5.43mm，即采用 3D攤鋪工藝后基層實(shí)際厚度與設(shè)計(jì)厚度較為接近，且厚度均勻性較好，因此3D攤鋪可有效控制基層攤鋪厚度，減少基層超厚情況發(fā)生，保證后續(xù)瀝青面層的厚度和標(biāo)高的準(zhǔn)確性。

3.1.4 平整度檢測(cè)結(jié)果分析

采用3m直尺分別對(duì)K712+540～K713+600和K766+600～K767+740這兩段基層每隔100m進(jìn)行平整度檢測(cè)，基層平整度檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖6，規(guī)范規(guī)定基層平整度≤8mm。

由圖6可知：兩種攤鋪方式施工的水穩(wěn)基層平整度均能滿足規(guī)范要求，根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布情況，3D攤鋪工藝下，基層平整度數(shù)據(jù)點(diǎn)均在4.5mm以內(nèi)；掛鋼絲攤鋪工藝下，基層平整度數(shù)據(jù)點(diǎn)在5～6mm之間，這表明3D攤鋪工藝的基層平整度指標(biāo)較掛鋼絲攤鋪工藝有一定程度的提升。3D攤鋪工藝下，基層平整度平均值為4mm,標(biāo)準(zhǔn)差為0.33mm;掛鋼絲攤鋪工藝下，基層平整度平均值為5.6mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.35mm，即采用3D攤鋪工藝后，得益于激光控制絕對(duì)高程的精準(zhǔn)性，水穩(wěn)基層的平整度較好，基層頂更加平整，有利于后續(xù)在面層進(jìn)一步調(diào)整平整度，保證路面通車后的舒適性。

3.2 瀝青面層施工質(zhì)量對(duì)比

3.2.1 高程檢測(cè)結(jié)果分析

兩試驗(yàn)段瀝青中面層施工完成后的高程偏差數(shù)據(jù)如表2，高程允許偏差范圍為±15mm。由表2可知：兩種攤鋪方式施工的中面層實(shí)際高程偏差均滿足規(guī)范要求，其中采用3D攤鋪的中面層最大絕對(duì)值高程偏差為4mm，絕對(duì)值平均高程偏差2.3mm；非接觸式平衡梁攤鋪完成的中面層最大絕對(duì)值高程偏差為10mm，絕對(duì)值平均偏差4.3mm，即采用3D攤鋪方式對(duì)高程控制的精度有所提高，進(jìn)一步縮小高程偏差，基本控制在±4mm范圍內(nèi)，能夠有效保證老路第一、第二車道與新拼寬的第三、第四車道中面層的順接，減少拼接處“錯(cuò)臺(tái)”的情況，提升路面面層拼接質(zhì)量。

表2 瀝青中面層高程偏差

3.2.2 橫坡檢測(cè)結(jié)果分析

兩試驗(yàn)段瀝青中面層頂施工后的橫坡檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖7，中面層頂橫坡設(shè)計(jì)值為2%，允許偏差為±0.3%。

由圖7可知：兩種攤鋪方式施工的中面層頂橫坡度均能滿足規(guī)范要求。根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)連成的折線分布情況，3D攤鋪工藝下，中面層頂橫坡均在2.0%附近波動(dòng)，波動(dòng)范圍在1.99%～2.01%之間，誤差控制在±0.01%范圍內(nèi)，非接觸式平衡梁攤鋪工藝下，中面層頂橫坡數(shù)據(jù)點(diǎn)在1.95%～2.05%之間，誤差控制在±0.05%范圍內(nèi)，這表明3D攤鋪工藝在中面層頂橫坡指標(biāo)控制上較非接觸式平衡梁攤鋪更加精準(zhǔn)；3D攤鋪工藝下，中面層頂橫坡平均值為2%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.01%;非接觸式平衡梁攤鋪工藝下，中面層頂橫坡度平均值為2%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.033%，兩種攤鋪方式下橫坡度均能滿足規(guī)范允許偏差要求，但3D攤鋪對(duì)橫坡控制的精度顯著提高，且整體較穩(wěn)定。

圖7 中面層頂橫坡

3.2.3 厚度檢測(cè)結(jié)果分析

分別對(duì)這兩段每隔100m進(jìn)行鉆孔取芯量測(cè)芯樣厚度，下面層及中面層總厚度檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖8，下面層及中面層設(shè)計(jì)總厚度為22cm。

由圖8可知：3D攤鋪工藝下，面層厚度平均值為219mm,與設(shè)計(jì)厚度偏差為-0.54%，標(biāo)準(zhǔn)差為3.76mm ;掛鋼絲攤鋪工藝下，面層厚度平均值為225mm,與設(shè)計(jì)厚度偏差為2.27%，標(biāo)準(zhǔn)差為7.24mm，即采用 3D攤鋪工藝后面層實(shí)際厚度與設(shè)計(jì)厚度較為接近，且厚度均勻性要優(yōu)于非接觸式平衡梁攤鋪工藝，因此3D攤鋪可有效控制面層總厚度，進(jìn)一步縮小與設(shè)計(jì)厚度的偏差，減少路面材料的用量，節(jié)約工程造價(jià)。

圖8 面層厚度

3.2.4 平整度檢測(cè)結(jié)果分析

采用連續(xù)式平整度儀分別對(duì)這兩段瀝青中面層每隔100m進(jìn)行平整度檢測(cè)，中面層平整度檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖9規(guī)范規(guī)定中面層平整度≤1mm。

由圖9可知：兩種攤鋪方式施工的中面層平整度均能滿足規(guī)范要求，3D攤鋪工藝下，中面層厚度平均值為0.700mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.055mm；非接觸式平衡梁攤鋪工藝下，中面層平整度平均值為0.805mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.079mm。對(duì)比平整度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差可以得出，采用3D攤鋪工藝后中面層的平整度及離散性均變小，中面層頂更加平整，而且本項(xiàng)目施工過程中涉及到半幅封閉施工，半幅完成至中面層頂后臨時(shí)雙向通車的情況，平整度更好的中面層無疑會(huì)給司乘人員帶來更好的行車體驗(yàn)，同時(shí)也有利于對(duì)后續(xù)整體加鋪4cm厚上面層的平整度進(jìn)行控制。

圖9 中面層平整度

4 結(jié)論

(1)3D攤鋪工藝采用定位系統(tǒng)及激光測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)高的精準(zhǔn)控制,相對(duì)傳統(tǒng)的掛鋼絲、非接觸式平衡梁攤鋪方式，可以縮小基層頂及中面層頂平均2mm的高程偏差；在控制標(biāo)高的基礎(chǔ)上，基層頂和中面層頂?shù)臋M坡控制誤差范圍進(jìn)一步縮小，橫坡控制精度更高，基層頂及中面層頂?shù)暮穸扰c設(shè)計(jì)厚度較為接近，且厚度均勻性和平整度更好，基層頂及中面層頂更加平整，行車舒適性得到提高。

(2)針對(duì)兩側(cè)拓寬的高速公路改擴(kuò)建方式，減少新老路面拼接處的高差，實(shí)現(xiàn)面層順接，對(duì)提升拼接質(zhì)量至關(guān)重要，因此建議從基層到面層全部使用3D攤鋪工藝，實(shí)現(xiàn)高程的精準(zhǔn)控制，減少新老面層“錯(cuò)臺(tái)”現(xiàn)象的發(fā)生，提升路面拼接質(zhì)量。

(3)通過使用3D攤鋪工藝可以減小各層實(shí)際厚度與設(shè)計(jì)厚度的偏差，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，并控制各層超厚情況的發(fā)生，減少路面材料用量，節(jié)約工程造價(jià)。

(4)路面施工正逐步從人工加機(jī)械的半自動(dòng)化向高度自動(dòng)化發(fā)展，未來將對(duì)3D毫米GPS攤鋪控制系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G技術(shù)結(jié)合的可能性進(jìn)行探討，以期實(shí)現(xiàn)攤鋪設(shè)備與碾壓設(shè)備的高度聯(lián)動(dòng)，進(jìn)一步提升路面施工智能化管控水平。