基于3D技術(shù)的路基整平和路面攤鋪協(xié)同控制技術(shù)的研究

曹 妍，孫明祥，王芮文

(1.江蘇省交通技師學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.江蘇省交通工程集團有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3.江蘇森淼工程質(zhì)量檢測有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 前 言

隨著公路基礎(chǔ)設(shè)施投資的加大，公路橋梁的建設(shè)速度也不斷加快，同時，建設(shè)質(zhì)量不斷提高，對建設(shè)管理精細化要求也提到日程，特別是自2016年以來，交通運輸部品質(zhì)工程的推進，對基層的技術(shù)創(chuàng)新、新設(shè)備應(yīng)用的促進作用更加凸顯。2015年年底開始，交通運輸部就提出建設(shè)公路基礎(chǔ)設(shè)施品質(zhì)工程的質(zhì)量提升活動，2017年，江蘇省交通運輸廳根據(jù)交通運輸部的要求，逐步推出建設(shè)品質(zhì)工程的各項舉措，其中一項就是要推進施工智能化和數(shù)字化。近年來，江蘇省高速公路建設(shè)在智能化和數(shù)字化建設(shè)方面做了很多創(chuàng)新與研究，在工程質(zhì)量改善方面起到了良好的推動作用。

3D技術(shù)是本世紀(jì)初由國外引入到國內(nèi)的自動化、智能化的施工技術(shù)之一。自2017年以來，國內(nèi)的研究應(yīng)用逐步展開。溧高高速公路在施工中，采用了3D路基整平和路面攤鋪技術(shù)，其對于路基路面的平整度、橫坡度以及路面的厚度、高程等都有非常大的質(zhì)量提升。特別是由于這些指標(biāo)的提升，給路基路面協(xié)同工作性創(chuàng)造了條件。

溧高高速公路作為重點高速公路項目，在路基施工新機械設(shè)備的應(yīng)用方面都走到了全省的前列。繼3D的使用后，發(fā)現(xiàn)路基頂面高程和路面設(shè)計高程合格率創(chuàng)江蘇新高，路基與水穩(wěn)、水穩(wěn)與路面協(xié)同工作模型模擬后發(fā)現(xiàn)其耐久性指標(biāo)大大提升，證明這一技術(shù)是有效提高質(zhì)量的途徑。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 路基3D整平和路面攤鋪工藝控制系統(tǒng)原理

路基3D整平技術(shù)和3D路面攤鋪技術(shù)是近兩年剛剛開始興起的路基施工和路面攤鋪工藝。在國外，最早的研究見于2008年，國內(nèi)使用最早可以追溯到2018年，主要使用部位為路面結(jié)構(gòu)層。

3D攤鋪自動控制系統(tǒng)主要由測量機器人、攤鋪自動控制系統(tǒng)和攤鋪機車身姿態(tài)控制系統(tǒng)組成。系統(tǒng)工作時，機械控制測量機器人(測量機器人通過后方交會獲得自身位置信息)將捕獲安裝在攤鋪機大臂兩側(cè)桅桿上的360°棱鏡的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過3D攤鋪機系統(tǒng)的數(shù)傳電臺實時將測量的棱鏡三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸給攤鋪自動控制系統(tǒng)的控制箱中，控制箱將獲得的當(dāng)前坐標(biāo)信息與施工的設(shè)計三維數(shù)據(jù)進行計算，生成相應(yīng)的坡度和高程修正信息數(shù)據(jù)并傳輸給攤鋪機左右兩側(cè)邊控箱，這時再由邊控箱對應(yīng)生成相應(yīng)的比例驅(qū)動信號，通過攤鋪機液壓閥驅(qū)動牽引臂液壓油缸使熨平板進行相應(yīng)方向的調(diào)整和修正，從而使攤鋪道面產(chǎn)生坡度和高程變化，彌補路面波動，實現(xiàn)所要求的路面平整度和高程。在具體施工過程中為實現(xiàn)道面攤鋪的精確控制要求，另一臺檢測測量機器人一直處于監(jiān)測道面攤鋪狀況，真正實現(xiàn)過程控制施工，滿足攤鋪設(shè)計要求；同時當(dāng)原始地面出現(xiàn)坑洼導(dǎo)致攤鋪機車身發(fā)生傾斜時，安裝在桅桿上的傾角傳感器實時的對車身的姿態(tài)進行校正，使攤鋪機車身的姿態(tài)始終與設(shè)計面相吻合，進而確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，真正實現(xiàn)精準(zhǔn)攤鋪。

1.2 技術(shù)指標(biāo)和精度研究

以徠卡iCON iCR80為例，它是徠卡測量全新一代面向機械控制的自動全站儀，可以幫助靈活、簡單、精確的完成工程施工。無論是其獨特的智能設(shè)站流程，還是行業(yè)領(lǐng)先的棱鏡鎖定技術(shù)，以及施工現(xiàn)場3D設(shè)計模型的靈活應(yīng)用，徠卡iCON iCR80都能呈現(xiàn)“一機在手，應(yīng)用無憂”的全新機械控制應(yīng)用體驗，高精度、高效率的提供貼合機械控制施工的測量方案。遠程連接徠卡ConX智能施工管理平臺，更能滿足全新的智能化、數(shù)字化全流程施工需求。

1.3 路基路面3D系統(tǒng)優(yōu)勢和精度指標(biāo)

測量機器人的測角精度有1″和2″兩種，高精度測量，保證施工質(zhì)量，避免返工；控制面板采用圖標(biāo)式、向?qū)降姆蠙C械控制習(xí)慣的機械控制測量軟件，降低對操作人員的專業(yè)性要求，提高操作人員的工作效率；簡單易用、功能強大的機械控制測量可用于iCR80 mC版、也可以用于GPS70和CC66/80手簿，統(tǒng)一的用戶界面，節(jié)省培訓(xùn)時間，簡單學(xué)習(xí)，高效使用；3D超級搜索、智能設(shè)站、框體搜索、棱鏡捕捉等功能提供了優(yōu)秀的機械控制應(yīng)用體驗，解放勞動力；支持接入3D系統(tǒng)遠程智能施工管理平臺Leica ConX，實現(xiàn)遠程軟件升級、文件實時共享和遠程技術(shù)支持，帶來全新的數(shù)字化施工管理體驗；3D優(yōu)秀品質(zhì)，堅固耐用，滿足野外復(fù)雜施工環(huán)境要求，使設(shè)備利用率最大化，一次投入，長期受益。

2 路基路面3D攤鋪控制系統(tǒng)方案組成

2.1 單機攤鋪控制系統(tǒng)配置說明

徠卡3D攤鋪控制系統(tǒng)方案是由車載控制系統(tǒng)+車身姿態(tài)控制系統(tǒng)、ICR80測量機器人和數(shù)據(jù)處理軟件+加密盤組成。

2.2 架設(shè)與基站

路基路面3D施工系統(tǒng)還可以通過基站與全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)建立連接，以精確進行定位。

3 路基路面施工需要3D解決的技術(shù)問題

3.1 路基路面協(xié)同工作出現(xiàn)的問題

目前路基路面施工過程中，一些涉及到強度、穩(wěn)定性的質(zhì)量指標(biāo)已經(jīng)初步得到解決，比如，路基、路面壓實度合格率偏低的問題、水泥穩(wěn)定碎石強度問題等，通過管理和技術(shù)手段得到一定解決。但是，在高速公路施工中仍然有一些質(zhì)量參數(shù)難以滿足技術(shù)要求，因而產(chǎn)生一些質(zhì)量隱患。

(1)路基路面的平整度影響。首先，平整度好的路面行車更加安全舒適。其次，無論是上層還是下層路基路面，表面平整度對于路基路面排水也是有利條件之一。下層平整度不好，會使層間水滯留，上層平整度不好，會使路面局部積水，影響行車安全。另外，下層的路基路面的平整會利于上層厚度控制。

(2)路基路面縱橫坡度影響。路面縱橫坡度越符合設(shè)計圖紙，縱斷線形越美觀并利于路基和路面的排水。

(3)縱斷高程的影響。在公路建設(shè)中，由于施工機械的精準(zhǔn)度不高，路基路面高程合格率不高，這樣會導(dǎo)致路橋銜接過程中高程和厚度控制的矛盾以及路基路面整體縱斷線形與設(shè)計不符。

(4)填筑層厚度控制的影響。填筑層厚度直接影響路基路面質(zhì)量，路基路面分層厚度控制不均勻，會導(dǎo)致路面的早期破壞。

為了解決路面層次以上問題，3D攤鋪技術(shù)在我國得到嘗試應(yīng)用。我省高速公路首次3D應(yīng)用在溧高高速公路和常宜高速公路，通過省內(nèi)外多條高速公路應(yīng)用數(shù)據(jù)進行分析認為，3D攤鋪是解決以上現(xiàn)實質(zhì)量問題的有效途徑。但是在底基層施工中，存在仍然存厚度控制不均勻、高程和厚度控制之間的矛盾等問題。為了徹底解決這些問題，本研究嘗試采用3D整平技術(shù)控制路基頂面質(zhì)量參數(shù)而采用3D攤鋪技術(shù)控制路面底基層、基層和面層質(zhì)量參數(shù)，并且研究采用3D工藝和不采用3D工藝，對于路基路面層次間協(xié)同工作機理和整體質(zhì)量以及耐久性綜合影響區(qū)別。

3.2 協(xié)同工作中3D應(yīng)用意義

通過路基頂面3D平地與路面3D攤鋪協(xié)同控制技術(shù)應(yīng)用，可以達到以下效果。

(1)從根本上解決路基質(zhì)量參數(shù)對路面質(zhì)量的絕對影響。對以往的3D攤鋪工藝研究，初步得到以下結(jié)論：平整度合格率提高30%；橫坡度合格率提高30%；高程合格率提高15%；厚度合格率提高15%。采用過程能力指數(shù)分析分層檢測數(shù)據(jù)表現(xiàn)，已經(jīng)基本肯定了上述數(shù)據(jù)參數(shù)合格率和過程指標(biāo)的主要影響因素來自下一層的數(shù)據(jù)參數(shù)。因此可以推斷，如果路基頂面采用3D整平技術(shù)，可以從根本上解決路面各層次的高程不符合設(shè)計要求、厚度不均勻、縱坡不順適等問題，實現(xiàn)路基路面各層施工的協(xié)同控制。

(2)精益和精準(zhǔn)施工的需要。常規(guī)的施工工藝控制的是常規(guī)技術(shù)下質(zhì)量盡量滿足標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，常規(guī)技術(shù)下，合格率低甚至不合格現(xiàn)象屢屢發(fā)生，因此，工作的重點是消除不合格且使合格率提高。在采用3D平地和攤鋪技術(shù)后，合格率的大幅度提升，在這種合格率下，3D應(yīng)用解決的已經(jīng)不是合格率問題，而把質(zhì)量控制引入到精益生產(chǎn)領(lǐng)域，讓質(zhì)量參數(shù)與設(shè)計完全契合，實現(xiàn)工程質(zhì)量控制手段的革命性改變。

(3)路基路面結(jié)構(gòu)層耐久性需要。路基路面各結(jié)構(gòu)層是協(xié)同工作的，其強度和穩(wěn)定性直接影響到公路使用性能和使用壽命。層間結(jié)合面平整和層厚控制均勻是耐久性的基本保障。路基路面分層施工后不平整的層間結(jié)合面會使水氣分布更為不均勻，且難以消散。試驗證明，在土路基間的結(jié)合面，其含水量高于層內(nèi)含水量的30%。在瀝青路面水損壞研究中，由于層間水引起的病害高達85%以上，路基路面分層厚度均勻性直接影響路基路面的應(yīng)力應(yīng)變狀況。路基、路面的各層間是協(xié)同工作的，在厚度均勻一致的各結(jié)構(gòu)層，其協(xié)同受力達到最佳組合，厚度不均勻的結(jié)構(gòu)層，相鄰層次的變形會有差距，造成路基路面的疲勞破壞。

綜上，基于3D技術(shù)進行路基路面施工協(xié)同控制對保證工程質(zhì)量、延長使用壽命、提升公路服務(wù)水平具有重要意義。

4 溧高高速公路路基路面協(xié)同工作后的質(zhì)量參數(shù)提升情況

4.1 各項指標(biāo)的合格率提升

對溧高高速公路基合格率情況進行分析，并將與江蘇省平均水平比較。路基高程合格率提升79%、路基頂面平整度提升81%，路基橫坡度提升66%。

對溧高高速公路路面基層合格率情況進行分析，與江蘇省平均水平比較,基層高程合格率提升62%、基層頂面平整度提升65%，路基橫坡度提升33%，厚度合格率提升90%。

對溧高高速公路路面面層合格率情況進行分析，并將與江蘇省平均水平比較。面層高程合格率提升52%、路面頂面平整度提升35%，路面橫坡度提升19%，厚度合格率提升17%。

4.2 協(xié)同工作性能的研究

由于橫坡度、平整度提升，增加了層間的致密性，經(jīng)模擬試驗，層間積水率降低78%。

5 結(jié)論及后續(xù)展望

3D路基路面施工技術(shù)是一次革命性的施工技術(shù)和工藝變革，通過路基路面的協(xié)同應(yīng)用，提高了檢測指標(biāo)的合格率，公路工程施工質(zhì)量得以進一步提升。