3D攤鋪系統(tǒng)在底基層和基層施工中的應(yīng)用研究

徐志勇， 張宗兵， 陳 剛， 鐘 文， 王思堯

(云南建投路面工程有限公司， 昆明 650000)

截止2020年底，我國公路總里程已達到519.81萬km，高等級公路建設(shè)總里程已突破16萬km，未來5～10年仍將迎來大量的國省道建設(shè)，公路總里程數(shù)有望進一步增加，高等級公路有望達到20萬km。高速公路作為連接城市的大動脈得到了快速的發(fā)展，其中瀝青路面由于具有表面平整、行車舒適、耐磨抗滑、低噪聲、施工周期短、維修方便等特點而被廣泛使用。但目前國內(nèi)高速公路，特別是云南省部分高速公路瀝青路面的平整度不甚理想，甚至局部路段出現(xiàn)跳車現(xiàn)象，嚴重影響車輛行駛安全及行車舒適性。

根據(jù)美國SHPR研究計劃的相關(guān)研究成果表明，大約95%的路面服務(wù)性能均與路表平整度有關(guān)[1]。美國著名的國家合作公路研究計劃的研究報告和K. L. SMITH等[2]的論文通過大量的調(diào)查和分析，得出結(jié)論：認為瀝青路面平整度提高25%至少可延長路面使用壽命9%，提高50%則至少可延長使用壽命15%。平整度與瀝青路面使用壽命有很強的正相關(guān)性，良好的平整度是保證瀝青路面使用壽命的重要環(huán)節(jié)之一，提高路面平整度不僅可以改善行車舒適性、節(jié)約油耗，還能大幅提高路面整體的使用壽命，節(jié)約維修養(yǎng)護費用[3]。

若僅通過改善瀝青混凝土質(zhì)量、嚴控攤鋪碾壓過程等來大幅提高瀝青路面平整度會相當(dāng)困難，因此，需采用毫米級GPS-3D激光數(shù)字控制系統(tǒng)施工技術(shù)來提高瀝青路面整體平整度。

周玉[4]提出的路面平整度傳遞規(guī)律表明：在實際施工過程中，下承層的平整度會傳遞到上一層路面，通過逐層傳遞最終直接反映在瀝青混凝土路面平整度上。針對云南省部分高速公路瀝青路面平整度不佳的問題，引入毫米級GPS-3D激光數(shù)字控制系統(tǒng)用于路面底基層、基層的攤鋪過程，這可大幅提升其平整度，并能在很大程度上改善底基層和基層平整度對面層平整度的影響。

本文依托云南省元蔓高速公路級配碎石底基層、水泥穩(wěn)定碎石基層鋪筑實況，結(jié)合現(xiàn)場高程和平整度檢測結(jié)果，研究分析傳統(tǒng)施工工藝與3D智能攤鋪施工工藝對高程精度控制和路面平整度提升的影響，可在后續(xù)高等級公路瀝青路面底基層、基層施工中推廣。

1 試驗段路基路面施工方案

云南元蔓高速公路底基層采用級配碎石鋪筑，厚度擬定為20 cm；基層則采用水泥穩(wěn)定碎石鋪筑，厚度擬定為38 cm，采用分層攤鋪(每層19 cm)、連續(xù)施工、一次養(yǎng)生的工藝，并根據(jù)攤鋪溫度、攤鋪速度確定折返攤鋪長度為200 m。以K88+745～K89+151路段作為試驗路段，路面結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。

在試驗路段中，右幅采用傳統(tǒng)工藝攤鋪，左幅采用3D智能攤鋪工藝攤鋪。在施工準備過程中，傳統(tǒng)施工工藝采用掛線的方式幫助攤鋪機實現(xiàn)高程精度控制，具體放樣方案為：橫向選擇距離道路中線3 m、5 m、8 m、10 m的位置，縱向選取間距每10 m里層樁號的位置，縱橫測線形成空間矩形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將交叉點坐標(biāo)作為打樁位置，測量得出該點路基實際高程，再根據(jù)該點級配碎石底基層、水泥穩(wěn)定碎石基層設(shè)計高程以及相應(yīng)的松鋪系數(shù)算出該點掛線高度，最終實現(xiàn)放樣打樁。

單位：cm

2 3D智能攤鋪系統(tǒng)測試原理

毫米級GPS-3D攤鋪控制系統(tǒng)由GNSS基準站、域激光發(fā)射器、GPS流動站和P63攤鋪機自動控制系統(tǒng)4部分組成。系統(tǒng)工作時，GNSS基準站通過無線通訊衛(wèi)星實時向流動站接收機發(fā)送差分信號，同時域激光發(fā)射器實時向流動站發(fā)射高程信息；GPS流動站接收機系統(tǒng)分別將接收到的GNSS衛(wèi)星信號、GNSS基站發(fā)送的差分信號和域激光發(fā)射器發(fā)射的高程信息，進行實時處理解算，實現(xiàn)了實時的厘米級GNSS平面定位精度和毫米級高程控制精度。其數(shù)據(jù)具體傳導(dǎo)方向如圖2所示。

P63攤鋪機自動控制系統(tǒng)利用配套的PZS-MC域激光接收器和MC-R3 GNSS接收機同時進行厘米級的RTK平面定位和毫米級的高程定位，并實時將三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾X-60控制箱?？刂葡鋵?dāng)前獲得的3D坐標(biāo)信息與測試前導(dǎo)入的面層設(shè)計數(shù)據(jù)對比，實時生成對應(yīng)點位的高程修正信息模型，這些高程修正信息通過擬定算法，再由控制箱生成對應(yīng)比例的驅(qū)動信號，使得電磁閥驅(qū)動攤鋪機牽引臂的液壓油缸，進而驅(qū)使熨平板在相應(yīng)方向上進行調(diào)整，彌補路面波動，實現(xiàn)設(shè)計要求的路面平整度和厚度。在整個攤鋪過程中，使用GPS流動站實時檢測路面的攤鋪質(zhì)量狀況，按照設(shè)計需求，及時動態(tài)調(diào)整，真正實現(xiàn)施工過程的全流程監(jiān)控，以充分滿足高質(zhì)量的攤鋪設(shè)計要求[5]。

圖2 3D智能系統(tǒng)組成及工作原理

3 3D智能攤鋪系統(tǒng)安裝工藝及工作流程

1) 設(shè)備檢查及準備。設(shè)備安裝前需對攤鋪機型號、安裝位置、找平接口的芯數(shù)進行檢查確認。

2) 地方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和域激光校檢。利用已有的地方坐標(biāo)現(xiàn)場測量，將施工坐標(biāo)系錄入到RTK中，實現(xiàn)GPS坐標(biāo)到地方工程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以便使用已有設(shè)計；在首次使用或者長途運輸、長時間擱置或者使用過程中遇到精度不準確時，需要檢校域激光精度，分別用發(fā)射器的4個面對準流動站接收機PZS-1進行測量，確保2次互差在5″內(nèi)，若互差偏大，則需調(diào)整參數(shù)直至2次互差達到要求精度。

3) 設(shè)計制作。通常采用道路原設(shè)計CAD圖紙輸入配套的3D-office軟件，制作成3D設(shè)計。

4) 系統(tǒng)安裝。毫米級GPS攤鋪機系統(tǒng)的機載設(shè)備按要求安裝到攤鋪機上，須注意攤鋪機因制造廠商和設(shè)計不同，安裝前需確認攤鋪機廠商和型號以及熨平板的工作長度，同時需確認攤鋪機找平系統(tǒng)自身有無問題，尤其須注意激光接收器的安裝高度，以避免攤鋪過程中出現(xiàn)接收器信號被遮擋的問題。

5) 架設(shè)域激光發(fā)射器。為避開震動和遮擋，架設(shè)該設(shè)備需考慮域激光的擴展角，即毫米級GPS-3D操作系統(tǒng)垂直作業(yè)窗口上下5 m距離，并且保證機載激光接收器在此范圍內(nèi)，測量域激光架設(shè)點的坐標(biāo)，通過前后高程控制點對激光發(fā)射器進行校核，合格后方可使用，且至少保證用2個及以上控制點檢測。

6) 機載設(shè)備準備和調(diào)試。先將GPS接收機手簿里的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換信息、設(shè)計、域激光信息通過U盤導(dǎo)入MC控制箱，后設(shè)置攤鋪機參數(shù)和熨平板參數(shù)并進行攤鋪工作。

7) 攤鋪作業(yè)[7]。(1) 用GPS 測量地面高程，計算并標(biāo)記攤鋪高度，將熨平板調(diào)整到合適高度，點擊匹配使高程調(diào)整值歸零，消除之前由于測量不準確存在的誤差；(2) 在長距離攤鋪過程中，系統(tǒng)默認根據(jù)域激光信號強度自動切換通道，由于域激光發(fā)射器存在發(fā)射偏角，在30 m距離內(nèi)不能使垂直作業(yè)窗口上下高度達到10 m，實際中不推薦使用自動切換通道，一般設(shè)置使用單一激光，而用手動切換，若切換后高度差超過5 mm，需再次匹配，使高程偏差值歸零；(3) 當(dāng)攤鋪機攤鋪距離超過當(dāng)前使用激光發(fā)射器精度范圍時，需手動切換到另一個通道。3D智能攤鋪系統(tǒng)可實時控制高程偏差，通常在攤鋪機起步2 m范圍內(nèi)熨平板工作尚不穩(wěn)定，此時無需調(diào)整，在攤鋪機平穩(wěn)運行后，再對高程偏差進行調(diào)整，其調(diào)整要求如表1所示。

表1 差值調(diào)整要求

4 3D智能系統(tǒng)攤鋪應(yīng)用

4.1 高程分析

以橫向距離道路中線3 m、5 m、9 m、11 m以及縱向間距為10 m的交叉點作為高程檢測點對試驗路段路基、底基層和基層進行高程檢測，計算檢測點的實測高程和設(shè)計高程[8]的差值，并定義為實測高程差X，統(tǒng)計各偏差值范圍內(nèi)的檢測點所占比例，如圖3所示。

(a) 路基實測高程差

(b) 底基層實測高程差

(c) 基層實測高程差

1) 底基層高程分析

根據(jù)圖3(a)可得，左幅路基所測點實測高程普遍比設(shè)計高程偏大，偏差-0.02 m～0.02 m的數(shù)據(jù)占比為17%；右幅路基的高程偏差-0.02 m～0.02 m的數(shù)據(jù)占比為38%，因此左幅路基高程偏差更大，更不利于級配碎石底基層的施工。根據(jù)圖3(b)可得，左幅級配碎石底基層鋪筑完成后，設(shè)計高程與施工高程的偏差顯著減小，偏差>0.04 m的數(shù)據(jù)占比接近為0，偏差數(shù)據(jù)主要集中在-0.02 m～0.02 m之間，占比高達64%；右幅級配碎石底基層進行攤鋪后，高程偏差值有所減小，高程偏差在-0.02 m～0.02 m之間的數(shù)據(jù)占比為51%。

本文為了更好地對比2種施工工藝在底基層精度控制方面的效果，采用-0.02 m～0.02 m為高程精度控制的對照區(qū)間，根據(jù)高程數(shù)據(jù)，采用3D智能攤鋪工藝后底基層在-0.02 m～0.02 m高程偏差的修正比例可達到47%，而采用傳統(tǒng)工藝在相同范圍的修正比例為13%。

在傳統(tǒng)工藝和3D智能攤鋪工藝下，級配碎石底基層鋪筑后都對高程控制精度有了一定的提升，高程偏差絕對值有所減?。坏c采用3D智能攤鋪工藝的左幅比較，傳統(tǒng)工藝對右幅高程控制精度相對較差，其高程精度修正比例較左幅低34%。在底基層高程控制精度方面，左幅所采用的3D智能攤鋪工藝會比右幅傳統(tǒng)工藝更有優(yōu)勢。

2) 基層高程分析

根據(jù)圖3(c)可得，左幅級配碎石底基層和水泥穩(wěn)定碎石基層鋪筑完成后，設(shè)計高程與施工高程的偏差大部分集中在-0.02 m～0.02 m之間，在此區(qū)間的數(shù)據(jù)占比81%，而偏差在-0.04 m～0.02 m的數(shù)據(jù)占比高達99%；右幅級配碎石底基層和水泥穩(wěn)定碎石基層鋪筑完成后，設(shè)計高程與施工高程的偏差在-0.02 m～0.02 m區(qū)間范圍的數(shù)據(jù)占比為78%，高程偏差在-0.02 m～0.02 m區(qū)間范圍的數(shù)據(jù)占比達到91%。

同樣采取-0.02 m～0.02 m為高程修復(fù)對照區(qū)間，在該區(qū)間3D智能攤鋪工藝在基層的修復(fù)比例達到64%，而傳統(tǒng)工藝在基層的修復(fù)比例為41%，說明2種攤鋪工藝都對高程控制精度有了一定的提升作用，但左幅對高程精度控制的提升作用更加明顯，修復(fù)比例較右幅高23%，即采用3D智能攤鋪工藝更容易實現(xiàn)對高程精度的精準控制，使施工后的實際高程更加接近于設(shè)計高程。

4.2 平整度分析

對云南元蔓高速公路K88+800～K89+100路段的路基、級配碎石底基層、水泥穩(wěn)定碎石基層平整度采用連續(xù)式平整度儀按照T 0932的要求進行檢測。以K88+800為起點將檢測路段每100 m劃分為一個段落，超車道對應(yīng)的段落編號為1、2、3，行車道對應(yīng)的段落編號為4、5、6。

1) 底基層平整度分析

整理試驗段路基與底基層平整度檢測數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖4可知，在攤鋪級配碎石底基層之前，兩幅路基的平整度相近，但左幅平整度數(shù)值的變異性較大，初始路況相對較差。通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)可得，采用連續(xù)式平整度儀測得右幅路基平整度的平均值為4.656 mm，標(biāo)準差為0.313；左幅路基平整度的平均值為4.440 mm，標(biāo)準差為0.611。

圖4 路基平整度

圖5 底基層平整度

由圖5可得，采用連續(xù)式平整度儀測得右幅級配碎石層的平整度平均值為2.858 mm，樣本標(biāo)準差為0.398；左幅平整度平均值為2.751 mm，樣本標(biāo)準差為0.210。相較路基平整度，采用傳統(tǒng)工藝時，級配碎石底基層平整度提高了1.798 mm，標(biāo)準差由0.313增加到0.398，厚度均勻性變差；采用3D智能攤鋪工藝時平整度提升了1.808 mm，標(biāo)準差由0.611減小到0.210，明顯減小，表明采用3D智能攤鋪工藝對平整度方面的提升不夠顯著，但厚度的均勻性方面顯著變好。

2) 基層平整度分析

整理試驗段基層平整度檢測數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，右幅水泥穩(wěn)定碎石基層采用連續(xù)式平整度儀測得的平整度平均值為3.071 mm，樣本標(biāo)準差為0.289；左幅平整度的平均值為2.356 mm，樣本標(biāo)準差為0.329。相較級配碎石層平整度，采用傳統(tǒng)工藝攤鋪時，水穩(wěn)基層平整度由底基層2.858 mm增加到了3.071 mm，標(biāo)準差由0.398減小到0.289，平整度反而變差；而采用3D智能攤鋪工藝時，水穩(wěn)基層平整度由底基層2.632 mm變?yōu)?.356 mm，平整度變好，標(biāo)準差由0.210變?yōu)?.329，在水泥穩(wěn)定碎石基層施工完成后，左幅平整度由4.440 mm提高到2.356 mm，提升值達到2.084 mm；右幅平整度由4.656 mm提高到3.071 mm，提高值達到1.585 mm，相較左幅低了0.499 mm。本路段檢測數(shù)據(jù)表明，相比傳統(tǒng)工藝，采用3D智能攤鋪工藝施工能提高水穩(wěn)基層平整度。

圖6 基層平整度

4.3 傳統(tǒng)工藝與3D智能攤鋪工藝的對比

根據(jù)以上試驗段底基層與基層高程與平整度試驗檢測數(shù)據(jù)，綜合對比分析傳統(tǒng)工藝與3D智能攤鋪工藝，并結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀分析[9-15]，主要存在以下不同，如表2所示。

表2 3D智能攤鋪工藝與傳統(tǒng)工藝對比

5 結(jié)論

1) 試驗段實踐證明，使用毫米級GPS-3D激光數(shù)字控制系統(tǒng)在攤鋪環(huán)節(jié)可實現(xiàn)無樁化施工，使得攤鋪作業(yè)更加智能化。

2) 在高程精度控制方面，3D智能攤鋪工藝在底基層對于路基高程偏差-0.02 m～0.02 m區(qū)間內(nèi)修復(fù)比例提高51%，在相同區(qū)間內(nèi)在基層對路基修復(fù)比例提高64%；而使用傳統(tǒng)工藝相應(yīng)提高了13%和41%，因此，采用3D智能攤鋪工藝較傳統(tǒng)工藝而言，高程精度控制更佳。

3) 在平整度提升方面，左幅采用3D智能攤鋪工藝，測得路基、底基層和基層平整度分別為4.440 mm、2.751 mm和2.356 mm，底基層和基層分別提高了1.689 mm和0.395 mm；右幅采用傳統(tǒng)工藝，測得路基、底基層和基層平整度分別為4.656 mm、2.858 mm和3.071 mm，底基層提高1.798 mm。在基層施工結(jié)束后，基層的平整度出現(xiàn)了反增，增加了0.213 mm。因此，采用3D智能攤鋪工藝較傳統(tǒng)工藝，平整度提升更加明顯且穩(wěn)定。