3D數(shù)字化攤鋪機(jī)控制系統(tǒng)在高速公路建設(shè)中的應(yīng)用

楊劉虎

（中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 715600）

1 工程概況

京秦高速公路遵秦段B4標(biāo)段路基工程，起訖里程為K72+890—K79+362，全長(zhǎng)6.472km；B4、B5標(biāo)段路面工程，起訖樁號(hào)為K72+890—K101+950，全長(zhǎng)29.06km。攤鋪工作是公路路面施工中的重要環(huán)節(jié)，切實(shí)提高攤鋪控制水平是保證路面工程施工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2 系統(tǒng)原理分析

以測(cè)量系統(tǒng)原理和機(jī)械控制原理為核心，建立3D智能攤鋪系統(tǒng)，相比于平衡梁、滑雪掛線等傳統(tǒng)攤鋪方式，其在提高施工精度、保證控制水平、減少操作人員工作量等方面均有突出的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)推動(dòng)傳統(tǒng)攤鋪方式的改革具有重要意義，是數(shù)字化施工的主流發(fā)展方向[1]。

2.1 測(cè)量系統(tǒng)工作原理

以GNSS基準(zhǔn)站、激光發(fā)射器和mmGPS流動(dòng)站為核心，共同構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)，彼此協(xié)同運(yùn)行，提高測(cè)量精度。其中，GNSS基準(zhǔn)站向流動(dòng)站接收機(jī)發(fā)送差分信號(hào)，流動(dòng)站也將接收到激光發(fā)射器的高程信息，在獲得一系列信息后，對(duì)其進(jìn)行整合、解算操作，以實(shí)現(xiàn)高程毫米級(jí)定位、GNSS平面厘米級(jí)定位的效果，為攤鋪施工的精細(xì)化控制提供保障。

2.2 智能攤鋪控制系統(tǒng)工作原理

3D智能攤鋪系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，GPS差分信號(hào)和激光高程信息被傳輸至MC-R3接收機(jī)，進(jìn)而對(duì)該部分?jǐn)?shù)據(jù)做針對(duì)性的處理，同時(shí)向GX-60控制箱傳輸三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，待控制箱獲得該部分?jǐn)?shù)據(jù)后，將其與設(shè)計(jì)卡數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，識(shí)別兩者的差別，生成高程修正信息。在此基礎(chǔ)上，控制箱生成比例驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其具有調(diào)控作用，在液壓閥的驅(qū)動(dòng)下促進(jìn)攤鋪機(jī)的合理化運(yùn)行，使熨平板沿著特定的方向做適當(dāng)幅度的調(diào)整，經(jīng)過(guò)前述操作后，使攤鋪面形成坡度和高程變化，以相對(duì)精細(xì)的方式有效彌補(bǔ)路面波動(dòng)，從而保證攤鋪部位在厚度和平整度兩方面均滿足要求。攤鋪期間，mmGPS流動(dòng)站可高效監(jiān)測(cè)路面攤鋪情況，以便相關(guān)操作人員根據(jù)最新的信息判斷施工狀況，及時(shí)采取控制措施，保證攤鋪的高效性。

3 3D數(shù)字化攤鋪控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)施工工藝的對(duì)比分析

3.1 傳統(tǒng)攤鋪工藝

傳統(tǒng)的公路工程攤鋪控制工作主要采用聲吶追蹤器或滑雪傳感器，通過(guò)應(yīng)用此類(lèi)裝置，達(dá)到引導(dǎo)攤鋪施工的效果。其中，基準(zhǔn)導(dǎo)線的架設(shè)屬于重點(diǎn)內(nèi)容，可能會(huì)由于某處工作不到位而影響攤鋪效果。并且，施工期間難以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，存在的問(wèn)題往往在施工后才被發(fā)現(xiàn)，事后彌補(bǔ)將耗費(fèi)較多的時(shí)間和資源，不利于公路工程的高質(zhì)量發(fā)展?？傮w來(lái)看，在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化逐步提高的公路行業(yè)發(fā)展中，傳統(tǒng)攤鋪施工方法在質(zhì)量、效率、效益等方面均存在弊端。

3.2 傳統(tǒng)攤鋪方法的主要問(wèn)題

（1）人為干擾因素較強(qiáng)。以水準(zhǔn)儀為主要的工具，由操作人員借助該工具讀取高程數(shù)據(jù)，為攤鋪施工提供引導(dǎo)。在傳統(tǒng)方式下，基準(zhǔn)導(dǎo)線的架設(shè)精度受人員作業(yè)水平的限制，若施工人員在工作中存在不足，將影響基準(zhǔn)導(dǎo)線的架設(shè)精度，為攤鋪帶來(lái)錯(cuò)誤的操作，此條件下攤鋪成型的結(jié)構(gòu)自然無(wú)法滿足既定要求。

（2）工程機(jī)械對(duì)攤鋪質(zhì)量的影響。攤鋪機(jī)運(yùn)行期間，可能由于控制不當(dāng)或其他原因撞擊基準(zhǔn)樁，或是現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸?shù)牧宪?chē)在行駛過(guò)程中碾壓基準(zhǔn)線，此時(shí)均會(huì)產(chǎn)生不同程度的架設(shè)基準(zhǔn)偏差，最終影響攤鋪效果。

（3）標(biāo)高控制問(wèn)題。在傳統(tǒng)的攤鋪控制工作中廣泛使用平衡梁，其在控制攤鋪平整度方面有突出的優(yōu)勢(shì)，但難以有效保證攤鋪標(biāo)高，即實(shí)際攤鋪成型后的結(jié)構(gòu)在標(biāo)高方面可能存在偏差。

（4）測(cè)量任務(wù)繁重。攤鋪施工采用平衡梁時(shí)，需安排足夠的人員開(kāi)展測(cè)量工作，以便獲得攤鋪前和攤鋪期間的相關(guān)數(shù)據(jù)，此方式一方面增加人力資源投入，不利于工程經(jīng)濟(jì)效益的提升，另一方面則容易由于人為因素而導(dǎo)致結(jié)果缺乏準(zhǔn)確性。

（5）操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大。傳統(tǒng)攤鋪方法對(duì)外界環(huán)境較為敏感，容易由于外部因素的作用而出現(xiàn)工期延后、質(zhì)量較差等問(wèn)題。同時(shí)，傳統(tǒng)攤鋪方法對(duì)操作人員有較強(qiáng)的依賴性，相關(guān)工作需由專(zhuān)人完成，而公路攤鋪的施工面較大，操作人員的工作負(fù)荷較重，可能由于員工工作不到位而出現(xiàn)質(zhì)量或安全問(wèn)題。

3.3 3D數(shù)字化攤鋪控制系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（1）提高數(shù)字化施工水平。在傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中，常采用Moss、CAD等相關(guān)軟件，需肯定的是此類(lèi)軟件在工程設(shè)計(jì)中具有舉足輕重的地位，但也應(yīng)認(rèn)識(shí)到其在實(shí)際應(yīng)用中的不足之處，即設(shè)計(jì)僅停留在電腦或圖紙層面，與施工的聯(lián)系性不強(qiáng)，存在設(shè)計(jì)與施工脫節(jié)的情況。相比之下，3D自動(dòng)化攤鋪系統(tǒng)有效解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中存在的問(wèn)題，其高度融合設(shè)計(jì)與施工能夠積極推動(dòng)公路攤鋪的數(shù)字化施工進(jìn)程。

（2）工作流程精簡(jiǎn)。相比于傳統(tǒng)攤鋪方法，在數(shù)字化攤鋪的模式中，其流程更為簡(jiǎn)單，無(wú)需人工架設(shè)引導(dǎo)基準(zhǔn)，配套的全站儀具有運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等多重特點(diǎn)，可有效保證攤鋪面的平順性和平整度、攤鋪標(biāo)高。攤鋪期間產(chǎn)生的信息可統(tǒng)一匯聚至施工方，據(jù)此對(duì)攤鋪情況進(jìn)行判斷，合理采取優(yōu)化措施，施工全程具有數(shù)字化、自動(dòng)化的特征。

（3）全過(guò)程控制。攤鋪過(guò)程中產(chǎn)生的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)具有重要的參考價(jià)值，其能夠被及時(shí)反饋，以便采取精準(zhǔn)的控制措施。通過(guò)信息的高效采集和共享，工程技術(shù)人員可掌握路面結(jié)構(gòu)的具體情況，進(jìn)而加以控制，確保攤鋪施工質(zhì)量達(dá)到工程要求。

4 3D數(shù)字化攤鋪施工流程

前期準(zhǔn)備、現(xiàn)場(chǎng)攤鋪是3D智能攤鋪施工的關(guān)鍵流程。首先全面落實(shí)準(zhǔn)備工作，為正式施工創(chuàng)造良好條件；然后依據(jù)規(guī)范組織攤鋪?zhàn)鳂I(yè)，保證攤鋪效果。

4.1 準(zhǔn)備工作

前期準(zhǔn)備的主要內(nèi)容包含：設(shè)備及材料的配套、施工隊(duì)伍的建設(shè)、水電等基礎(chǔ)資源的供應(yīng)等。

4.2 人員配置

3D數(shù)字化攤鋪系統(tǒng)的自動(dòng)化水平較高，對(duì)人員的需求量較少，主要包含2名操作人員，各自分別負(fù)責(zé)激光發(fā)射器轉(zhuǎn)站、現(xiàn)場(chǎng)校核。為充分發(fā)揮3D數(shù)字化攤鋪系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，需要加強(qiáng)崗前培訓(xùn)、安全培訓(xùn)和規(guī)范作業(yè)。

4.3 系統(tǒng)安裝及資料準(zhǔn)備

（1）安裝與調(diào)試。3D數(shù)字化攤鋪機(jī)控制系統(tǒng)包含機(jī)械、電器、液壓系統(tǒng)等，需準(zhǔn)確安裝到位，并安排試運(yùn)行，判斷實(shí)際狀況，確保投入至攤鋪施工的各裝置均正確無(wú)誤[2]。

（2）控制點(diǎn)的布置。以相關(guān)規(guī)范為引導(dǎo)，加強(qiáng)對(duì)控制點(diǎn)實(shí)際位置的控制，要求其有足夠的精度；此外，根據(jù)要求對(duì)控制點(diǎn)做加密處理。

（3）其他方面。為給施工提供引導(dǎo)，提供包含曲線要素、交點(diǎn)坐標(biāo)在內(nèi)的各類(lèi)線路設(shè)計(jì)水平定線參數(shù)以及包含變坡點(diǎn)里程、高程在內(nèi)的各類(lèi)關(guān)鍵的垂直定線參數(shù)；提供本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖等；并提供線路設(shè)計(jì)逐樁坐標(biāo)。

4.4 道路數(shù)據(jù)編輯

3D智能攤鋪系統(tǒng)以各項(xiàng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為運(yùn)行基礎(chǔ)，因此在攤鋪前需匯總各項(xiàng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為“TN3文件”，以便有效使用數(shù)據(jù)。

（1）應(yīng)用3D-office軟件，確定橫斷面、豎曲線、水平曲線的各項(xiàng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，經(jīng)編輯處理后制得成果圖，具體如圖1所示。

圖1 3D-office編輯成果圖

4.5 工地校正

為保證攤鋪監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，在現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站，布置4個(gè)控制點(diǎn)，規(guī)范測(cè)量各點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。要求控制點(diǎn)的布置必須全方位覆蓋作業(yè)區(qū)域。

4.6 現(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)布設(shè)

具體要點(diǎn)包括：對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行夯實(shí)處理，保證攤鋪機(jī)的通視能力；按100m的間隔依次布置控制點(diǎn)，同時(shí)嚴(yán)格控制其與攤鋪面的高差，以不大于5m為宜；控制點(diǎn)應(yīng)有穩(wěn)定性，不可由于壓路機(jī)振動(dòng)作用而發(fā)生異常；必須有足夠的精度，其中水平精度保證在厘米級(jí)、高程精度保證在毫米級(jí)。

5 現(xiàn)場(chǎng)攤鋪流程

5.1 架設(shè)激光發(fā)射器

布設(shè)于已知點(diǎn)處，不受壓路機(jī)振動(dòng)作用的影響，同時(shí)必須保證控制點(diǎn)與攤鋪機(jī)通視。

5.2 攤鋪起步準(zhǔn)備

在熨平板下方墊支撐物，材料可選擇鐵板或木塊，此裝置的厚度與攤鋪厚度保持一致，并用MMGNSS流動(dòng)站標(biāo)定其高度。對(duì)熨平板進(jìn)行調(diào)整，使其起始仰角達(dá)到要求。攤鋪機(jī)起步遵循緩慢的原則，以1m/min為宜，后續(xù)以實(shí)際情況為準(zhǔn)，若無(wú)異常則恢復(fù)正常行駛速度，有序推進(jìn)攤鋪進(jìn)程。

5.3 攤鋪過(guò)程控制

攤鋪期間，MMGNSS流動(dòng)站根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析實(shí)測(cè)面與設(shè)計(jì)面，判斷是否存在偏差。如有偏差則借助控制箱做精細(xì)化調(diào)整，直至實(shí)測(cè)結(jié)果滿足要求為止。

5.4 激光發(fā)射器轉(zhuǎn)站

根據(jù)激光發(fā)射器的運(yùn)行性能可知，其有效發(fā)射距離為150m，若此裝置與攤鋪機(jī)的距離低于該值，需轉(zhuǎn)站，以便正常運(yùn)行。在現(xiàn)場(chǎng)布置兩臺(tái)激光發(fā)射器，其中一臺(tái)用于日常攤鋪施工，另一臺(tái)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)站。攤鋪施工中，能夠便捷地借助手持放檢系統(tǒng)完成校核作業(yè)，及時(shí)掌握施工數(shù)據(jù)并判斷其是否存在誤差，如有誤差則加以控制，切實(shí)提高路面的攤鋪精度。

5.5 攤鋪數(shù)據(jù)采集分析存檔

（1）數(shù)據(jù)分析。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析可以得知，3D數(shù)字化攤鋪控制系統(tǒng)的運(yùn)行精度較高。例如，實(shí)際攤鋪標(biāo)高得到有效控制，其與設(shè)計(jì)標(biāo)高的誤差可在10mm以內(nèi)，并且攤鋪全過(guò)程中設(shè)備可維持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

（2）數(shù)據(jù)存檔。在及時(shí)采集數(shù)據(jù)后，將其全面匯總，構(gòu)成完善的數(shù)據(jù)庫(kù)，妥善儲(chǔ)存各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)，以便后續(xù)可根據(jù)需求及時(shí)查閱。

5.6 智能化施工

向3D數(shù)字化攤鋪控制系統(tǒng)中融入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)結(jié)合設(shè)定要求自動(dòng)控制，既提高作業(yè)精度，又省去測(cè)量放樣和找基準(zhǔn)線的環(huán)節(jié)，減少工作量，人為因素對(duì)施工的干擾較小，整個(gè)攤鋪施工突出智能化特征。

5.7 標(biāo)準(zhǔn)化施工作業(yè)

以施工規(guī)范為引導(dǎo)，系統(tǒng)自動(dòng)匹配施工作業(yè)進(jìn)度，保證各項(xiàng)攤鋪?zhàn)鳂I(yè)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。有效減少施工成本，無(wú)需組織打樁放樣，可縮短工程施工時(shí)間，提高工作效率，并且在降低油耗、節(jié)省材料等方面均有突出的優(yōu)勢(shì)。

6 3D數(shù)字化攤鋪機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析

6.1 質(zhì)量層面

3D數(shù)字化攤鋪系統(tǒng)日常運(yùn)行具有高精度、高穩(wěn)定性的突出特征。項(xiàng)目測(cè)試初期，根據(jù)水準(zhǔn)儀的檢測(cè)結(jié)果可知，攤鋪表面實(shí)測(cè)結(jié)果滿足要求，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)良好。3D數(shù)字化攤鋪系統(tǒng)是公路工程建設(shè)領(lǐng)域的主流形式，其依托設(shè)計(jì)三維模型進(jìn)行施工，可自動(dòng)引導(dǎo)控制，以便有效適應(yīng)橫坡、縱坡的變化，也能夠順暢地完成超高段等特殊區(qū)段的施工作業(yè)，確保道路施工質(zhì)量達(dá)到要求。數(shù)字化攤鋪系統(tǒng)的施工流程更為精簡(jiǎn)，作業(yè)內(nèi)容減少，無(wú)需打樁掛線、架鋁梁，僅在合理使用全站儀后即可高效引導(dǎo)攤鋪機(jī)的運(yùn)行，也能夠根據(jù)三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)合理開(kāi)展攤鋪?zhàn)鳂I(yè)。攤鋪后，為全面保證施工質(zhì)量，用另一臺(tái)自動(dòng)跟蹤機(jī)器人檢測(cè)，判斷攤鋪表面的實(shí)際情況，有效提高攤鋪精度。

6.2 安全層面

在傳統(tǒng)的公路攤鋪施工方法中，常用到鋼釬、鋼絲，而此類(lèi)材料在實(shí)際應(yīng)用中容易絆倒施工人員，存在安全隱患。而3D數(shù)字化攤鋪機(jī)控制系統(tǒng)可有效規(guī)避該類(lèi)問(wèn)題，以免誘發(fā)安全事故。夜間施工的光照條件不足，若采取傳統(tǒng)施工方法，需針對(duì)某特定的區(qū)域多次來(lái)回測(cè)量，可能由于操作不當(dāng)而發(fā)生車(chē)輛傷害事故，而在合理應(yīng)用3D數(shù)字化攤鋪機(jī)控制系統(tǒng)后，可有效規(guī)避該問(wèn)題，安全性得到有效保障，施工成本也隨之下降[3]。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在高速公路施工中，攤鋪屬于重點(diǎn)施工環(huán)節(jié)，針對(duì)傳統(tǒng)施工方案存在的效率低、質(zhì)量差、安全隱患多等問(wèn)題，可應(yīng)用3D數(shù)字化攤鋪機(jī)控制系統(tǒng)，顯示其在保證質(zhì)量、提高效率、增加效益等方面的優(yōu)勢(shì)。從工程實(shí)踐情況來(lái)看，該3D數(shù)字化攤鋪機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定可靠，施工效果可以滿足要求，在保證施工安全和質(zhì)量的前提下，有效減少成本投入，提高經(jīng)濟(jì)效益。