基于3D 攤鋪技術的路面基層施工精度研究

張揚

（黑龍江省交投公路建設投資有限公司，黑龍江哈爾濱 150023）

0 引言

公路工程中，路面水穩(wěn)基層的攤鋪質量對道路整體的服役狀態(tài)有很大影響，尤其體現(xiàn)在攤鋪厚度、縱斷面高程、橫坡度及平整度等攤鋪指標方面[1-2]，這對路面的攤鋪技術及其工藝精度提出了較高要求?，F(xiàn)有路面攤鋪質量主要以傳統(tǒng)攤鋪機平衡梁以及人工檢查的方式控制，不僅在宏觀攤鋪厚度和平整度方面的局限性較大，而且對施工過程的攤鋪尺寸不能做到精準把控，造成攤鋪質量的穩(wěn)定性不足，同時現(xiàn)有的檢測手段均屬于事后檢測與點檢測，無法實現(xiàn)攤鋪過程控制。

隨著科技的不斷發(fā)展和各領域研究成果的交叉應用，路面施工技術也不斷推陳出新。數(shù)字化施工可提高道路工程施工質量水平和施工效率，可較好滿足當今道路工程建設迫切追求的質量和效益目標要求。3D 攤鋪技術通過運用精準定位、自動控制及可視化等技術，將路面攤鋪施工全過程進行數(shù)字化與智能化改進，成為路面數(shù)字化施工技術中的重要組成內容，在實體工程中的成功應用案例逐年增多[3-6]。然而，我國對3D 攤鋪技術的應用仍處于初級探索階段，盡管在江蘇寧宣高速、廣西樂百高速、深圳外環(huán)高速等工程中進行了規(guī)模化應用，但研究重點依然停留在操作流程、適用條件及施工工藝等基礎層面，對過程數(shù)據(jù)及檢測結果的分析未展開深入研究[7-10]，因此對3D 攤鋪技術的工藝優(yōu)化及其過程監(jiān)控數(shù)據(jù)的研究具有一定現(xiàn)實意義。

1 3D 攤鋪智能控制技術

1.1 3D 攤鋪技術簡介

路面3D 攤鋪施工技術的應用主要包括兩類，一是以全站儀測量技術為基礎，二是以GPS 測量技術為基礎。主流的技術品牌均來自國外，其中最具有代表性的技術品牌分別為德國品牌徠卡（Leica）以及日本品牌拓普康（Topcon）。綜合考量經濟因素及工程條件，本文依托工程采用徠卡（Leica）3D 攤鋪技術。

徠卡（Leica）3D 攤鋪控制系統(tǒng)主要由自動全站儀、機載控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理軟件組成。其核心思路在于通過對原地面高程數(shù)據(jù)的大范圍測量，運用數(shù)據(jù)處理軟件獲得施工三維模型，將設計模型數(shù)據(jù)導入到機載控制系統(tǒng)，然后根據(jù)三維模型，攤鋪機在規(guī)定的區(qū)域進行攤鋪作業(yè)。施工期間，自動全站儀實時監(jiān)控攤鋪精度是否與模型數(shù)據(jù)吻合，進而動態(tài)調整攤鋪機姿態(tài)，保證施工順利進行。

自動全站儀既可以作為跟蹤測量儀器，對攤鋪機作業(yè)時的姿態(tài)進行實時動態(tài)跟蹤，又可以作為檢測測量儀器，根據(jù)模型數(shù)據(jù)隨時對攤鋪機的姿態(tài)監(jiān)控進行動態(tài)修正。根據(jù)攤鋪機數(shù)量的不同，匹配的自動全站儀數(shù)量有所區(qū)別。采用單機攤鋪時，用于跟蹤測量的全站儀不應少于2 臺，用于檢測測量的全站儀不應少于1 臺；采用雙機聯(lián)鋪時，用于跟蹤測量的全站儀不應少于3 臺，用于檢測測量的全站儀不應少于1 臺?？梢哉f，自動全站儀是保證攤鋪層位平整度與攤鋪厚度的重要核心設備。

機載控制系統(tǒng)主要包括360°棱鏡、主控制器、桅桿、衛(wèi)星定位接收機、傾角傳感器、數(shù)傳電臺、橫坡傳感器等，機載控制系統(tǒng)組成及安裝位置見圖1[6]。數(shù)據(jù)處理軟件具有錄入道路設計數(shù)據(jù)、里程樁坐標的功能，可進行3D 建模，并輸出里程樁坐標文件、施工線形文件、施工模型文件及檢測模型文件。

圖1 3D攤鋪控制系統(tǒng)組成與安裝位置圖

1.2 3D 攤鋪技術施工流程

3D 攤鋪技術施工流程主要包括施工前準備操作、施工過程質量控制及施工結束控制，本文以徠卡（Leica）3D 攤鋪技術為應用技術，流程操作見圖2。

圖2 3D攤鋪施工工藝流程圖

1.2.1 施工前準備操作

（1）3D 攤鋪施工前，按每10m 劃分一個斷面，每個斷面取3個點測量下層的標高數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)下層的測量數(shù)據(jù)及設計數(shù)據(jù)，利用3D 攤鋪輔助軟件進行三維建模，生成里程樁坐標文件、施工線形文件、施工模型文件和檢測模型文件。

（3）將里程樁坐標文件、施工線形文件、施工模型文件導入機載控制系統(tǒng)。

（4）布置自動全站儀位置，根據(jù)單機攤鋪或雙機聯(lián)鋪的全站儀數(shù)量，將全站儀置于攤鋪道兩側，保證自動全站儀與360°棱鏡間的通視性要求。

1.2.2 施工過程質量控制

（1）根據(jù)跟蹤全站儀與360°棱鏡間的通視性要求，提前設置跟蹤全站儀的轉站點，保證跟蹤與接收設備距離控制在300m 以內。

（2）攤鋪機校準前水平放置，在熨平板下墊20cm 方木以調整進料仰角，待攤鋪機處于攤鋪工作狀態(tài)后，將左右桅桿調節(jié)至豎直狀態(tài)；攤鋪機行進的前3～5m 進行攤鋪數(shù)據(jù)校驗，當攤鋪精度達到規(guī)定要求后進入自動控制攤鋪。

（3）自動控制攤鋪階段，跟蹤全站儀自動跟蹤攤鋪機，管理好現(xiàn)場的車輛、人員，保證發(fā)射與接收器的通視。

（4）檢測全站儀對路面鋪面高程數(shù)據(jù)實時檢測。檢測數(shù)據(jù)正常時，跟蹤全站儀通過數(shù)傳電臺與機載控制設備保持通信，自動調節(jié)攤鋪機姿態(tài)；檢測數(shù)據(jù)異常時，技術人員應主動通過機載控制系統(tǒng)調整，消除誤差要求后方可繼續(xù)攤鋪。

（5）隨著攤鋪機的作業(yè)前進，開展轉站工作。檢測全站儀可代替跟蹤設備進行交替轉站，使攤鋪不間斷作業(yè)，保證攤鋪的連續(xù)性。

1.2.3 施工結束控制

攤鋪作業(yè)完成后應及時采集已鋪路段數(shù)據(jù)，并進行攤鋪質量檢測，確?；臼┕べ|量。

2 3D 攤鋪基層施工試驗設計

2.1 工程概況

哈肇高速是黑龍江省高速公路網(wǎng)中的“射8 線”，同時也是西向出省的主要干線公路。哈肇高速主線全長119.779km，建設里程116.904km。工程地處我國東北部，具有氣候寒冷、施工工期短、建設任務重等特點，為優(yōu)質高效完成項目建設，通過數(shù)據(jù)對比分析研究，采用3D 攤鋪智能控制技術施工，并在路面基層開展試點應用研究?，F(xiàn)場施工如圖3 所示。

圖3 3D攤鋪現(xiàn)場施工圖

2.2 試驗方案

2.2.1 方案設計

試驗地點選擇哈肇高速工程A5 標，試驗段位于K42+500～K42+700 段，全長200m。左幅采用3D 攤鋪技術，右幅采用傳統(tǒng)攤鋪方法，攤鋪方式均采用雙機連鋪方式。攤鋪順序為先進行3D 攤鋪施工，后進行傳統(tǒng)攤鋪施工。

根據(jù)設計要求，攤鋪厚度設計值為25cm，路面設計寬度為整體式17m。按照《公路工程質量檢驗評定標準》（JTGF 80/1—2017）的要求，對試驗段攤鋪層進行現(xiàn)場檢測，實測項目為攤鋪厚度、縱斷高程、橫坡度以及平整度，檢測頻率及位置要求見表1。

表1 3D攤鋪試驗方案實測項目表

2.2.2 機械設備配置

3D 攤鋪試驗段現(xiàn)場配置一套3D 攤鋪測量控制設備，包括MPC1310 主控制器、MOBA-Matic 控制手柄、360°棱鏡及桅桿角度傳感器、車載電臺、接線盒以及線纜。鋪面高程檢測采用人工手持360°棱鏡，布設兩臺跟蹤全站儀與一臺檢測全站儀，具體內容及功能見表2。

表2 3D攤鋪試驗段現(xiàn)場設備配置表

2.2.3 注意事項

（1）3D 攤鋪技術在攤鋪起步階段與傳統(tǒng)攤鋪方式相同。以攤鋪設計高度為準，基于攤鋪機的經驗值將標尺調整到合適位置，待攤鋪機運行狀態(tài)穩(wěn)定且確認攤鋪面與設計面相符后開啟系統(tǒng)自動控制，開始進行攤鋪機的自動化作業(yè)。同時注意到，3D 攤鋪施工起步約5m 內，仍然需要人工撒料補厚，因此起步階段有必要人工進行攤鋪機姿態(tài)的校準、調整工作。

（2）攤鋪穩(wěn)定后，可實時檢測攤鋪面的標高并進行調整，結合拌和、運輸能力合理確定攤鋪機攤鋪速度，確定適宜的夯錘振搗等級和熨平板振動頻率，在此基礎上確定具體的松鋪系數(shù)。各項攤鋪參數(shù)一經固定，均不得隨意調整、改變。

（3）試驗段所采用的攤鋪機型號、性能、攤鋪系數(shù)均應保持一致。攤鋪機的攤鋪速度、松鋪系數(shù)、攤鋪厚度等參數(shù)輸入3D 攤鋪控制系統(tǒng)，由3D 攤鋪控制系統(tǒng)確定布料器的具體高度。

3 3D 攤鋪施工精度分析

3.1 施工精度分析

精度是用以表征測量誤差范圍和測量可信度的一個量，通常情況下可解釋為被測量的測得值與其真值間的最大差異。為提高測量結果的精度，測量設備或儀器的精度與測量精度是重點把控的對象，其中，測量設備的精度對測量結果具有決定作用，測量精度同樣受到設備、儀器的影響。對此，本文對攤鋪設備及相關試驗的測量設備在作業(yè)、檢測前進行了精準調試，以確保試驗設備對試驗結果的影響達到最小。

測量精度主要包括兩方面內容。一方面是測量的準確度，指無窮多次重復測量所得量值的平均值與一個參考量值間的一致程度[11]，具體來說即由測量結果與該量值的公認值之差衡量,差值小測量結果準確度高，差值大測量結果準確度低。測量的準確度反映的是測量值的相對誤差，值得注意的是，測量準確度不是一個量，不能用一個數(shù)值來表示。另一方面是測量的精密度，測量精密度是指在規(guī)定條件下，對同一或類似被測對象重復測量所得示值或測得值間的一致程度[11]。具體來說即測量數(shù)據(jù)的集散情況，主要體現(xiàn)為測量隨機誤差的分布問題，通常以數(shù)字形式表示，如在規(guī)定測量條件下的標準偏差、方差或變差系數(shù)。測量的精密度高，則測量數(shù)據(jù)就比較集中，但測量的精密度高并不意味著測量數(shù)據(jù)理想，比如會出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)精度良好但集中在離真值較遠的區(qū)域[12]。

因此，應當從提升測量準確度以及測量精密度兩方面共同提高測量精度，具體到對3D 攤鋪施工精度的研究中，則是對常規(guī)攤鋪控制指標的測量精度提升，即對縱斷高程、攤鋪厚度、橫坡度以及平整度，分別開展3D 攤鋪和傳統(tǒng)攤鋪的現(xiàn)場試驗檢測，對檢測結果數(shù)據(jù)進行準確度和精密度分析，其中精密度以檢測數(shù)據(jù)的標準差為判斷標準。

3.2 試驗結果對比

3.2.1 縱斷高程

通過對縱斷高程實測數(shù)據(jù)和設計數(shù)據(jù)的對比，檢測3D 攤鋪施工對攤鋪厚度的控制效果。水穩(wěn)基層縱斷面高程允許偏差范圍為-10～5mm?？v斷高程控制結果見表3，3D 攤鋪與傳統(tǒng)攤鋪縱斷高程差值對比見圖4。

表3 試驗段縱斷高程差值數(shù)據(jù)分布表

圖4 縱斷高程差值對比圖

通過對縱斷高程數(shù)據(jù)的分析可以看出，兩種攤鋪方式的合格率均為100%，采用3D 智能攤鋪技術的高差控制在±3mm，傳統(tǒng)攤鋪技術的高差控制在±4mm。同時，3D 攤鋪縱斷高程差值數(shù)據(jù)與設計高程完全一致占比達到25%，在-1～2mm 的區(qū)間占比達到75.0%；傳統(tǒng)攤鋪方式在-1～2mm 區(qū)間的集中度相對較低，分布率為60%。

另一方面，3D 攤鋪在中樁和邊樁高程差值的標準差分別為1.12mm 與1.37mm，而傳統(tǒng)攤鋪方式則分別為1.57mm 和2.26mm。表明在縱斷高程方面，無論在準確度還是精密度上，3D攤鋪技術均優(yōu)于傳統(tǒng)攤鋪。

3.2.2 攤鋪厚度

為研究3D 攤鋪技術的實際攤鋪效果，對隨機樣本點的芯樣厚度與攤鋪層設計厚度進行統(tǒng)計分析，3D 攤鋪與傳統(tǒng)攤鋪厚度對比見圖5。

從圖5 可以看出，圖中各點位的實測厚度值與設計厚度值略有偏差，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果，3D 攤鋪實測厚度與設計厚度最小絕對偏差為0mm，最大絕對偏差為4mm，傳統(tǒng)攤鋪實測厚度與設計厚度最小絕對偏差為0mm，最大絕對偏差為7mm。根據(jù)規(guī)范要求，高速公路水穩(wěn)基層厚度偏差應小于8mm，兩種攤鋪方式均滿足規(guī)范要求，但3D 攤鋪技術在攤鋪厚度上控制更好。另一方面，3D 攤鋪段落芯樣厚度的標準差為2.22mm，而傳統(tǒng)攤鋪段落芯樣厚度的標準差為4.00mm，表明在攤鋪厚度方面，3D 攤鋪技術在精密度和準確度方面均優(yōu)于傳統(tǒng)攤鋪。

圖5 攤鋪厚度對比圖

3.2.3 橫坡度

依據(jù)《公路工程質量檢驗評定標準》（JTGF 80/1—2017），橫坡允許偏差范圍為±0.3%。在試驗段每隔10m 使用水準儀測量一個橫斷面，水穩(wěn)基層橫坡度試驗結果見圖6。

圖6 橫坡度對比圖

由圖6 可以看出，使用3D 智能攤鋪技術攤鋪，壓實面橫坡波動較常規(guī)攤鋪壓實面橫坡波動小，3D 攤鋪橫坡度最大值1.533%與最小值1.451%之間偏差0.082%，在允許偏差范圍之內，傳統(tǒng)攤鋪橫坡度最大值1.575%與最小值1.437%之間偏差0.138%。同時，3D 攤鋪施工的橫坡度標準差（0.021%）小于傳統(tǒng)攤鋪施工橫坡度標準差（0.036%），表明在橫坡度方面，3D 攤鋪技術在精密度和準確度方面均優(yōu)于傳統(tǒng)攤鋪。

3.2.4 平整度

對3D 智能攤鋪技術施工段落和傳統(tǒng)攤鋪施工段落進行平整度試驗，不同攤鋪方式下不同車道位置平整度對比見圖7。

從平整度檢測結果來看，3D 攤鋪施工段落整體平整度平均值低于傳統(tǒng)攤鋪施工段落，平整度標準差較傳統(tǒng)攤鋪較小。由此可見，采用3D 智能攤鋪施工技術，能夠有效地提高水穩(wěn)基層攤鋪平整度。

4 結論

本文依托黑龍江省哈肇高速公路水穩(wěn)基層建設工程，結合施工現(xiàn)場試驗，確立了3D 攤鋪技術在基層施工中的施工流程以及重點注意事項，對比分析了3D 攤鋪智能控制技術與傳統(tǒng)攤鋪技術在施工精度上的不同，主要結論如下：

（1）3D 攤鋪技術在攤鋪施工起步階段與傳統(tǒng)攤鋪基本相同，但在起步約5m 內仍應人工進行撒料補厚以及對攤鋪機的姿態(tài)校準；

（2）3D 攤鋪技術在施工過程中應當重點關注攤鋪機的姿態(tài)矯正問題，保證實際攤鋪尺寸與設計尺寸的差值保持在規(guī)范允許范圍的誤差內；

（3）3D 攤鋪技術在縱斷高程、攤鋪厚度、橫坡度以及平整度方面，測量準確度和精密度均優(yōu)于傳統(tǒng)攤鋪，整體施工精度顯著提高。各車道之間整體平整度變化較小，攤鋪性能較傳統(tǒng)攤鋪穩(wěn)定性好，可提高路面行駛的舒適度。