3D攤鋪技術(shù)在路面養(yǎng)護工程中的應(yīng)用探索

唐建亞

(江蘇中路信息科技有限公司，南京 211899)

3D攤鋪技術(shù)能夠基于機械實時三維定位信息與數(shù)字化設(shè)計模型對比生成基于位置的高程修正信息，并在路面攤鋪施工作業(yè)中基于對應(yīng)比例的驅(qū)動信號，通過液壓閥驅(qū)動攤鋪機牽引臂液壓油缸，使熨平板進行相應(yīng)方向和數(shù)值上的實時調(diào)整，從而使攤鋪道面根據(jù)對應(yīng)位置設(shè)計坡度和高程實時精準變化，同時彌補路面波動變化，實現(xiàn)設(shè)計要求的路面平整度和厚度[1]。

雖有上述優(yōu)點，但3D攤鋪的作業(yè)條件也有諸多限制，如需要在施工路面兩側(cè)布設(shè)一定間距的高等級水準點及三維坐標的控制點，保證相鄰水準點間的通視[2]，而路面養(yǎng)護施工中央分隔帶往往導(dǎo)致控制點難以實現(xiàn)通視?；诖?，本文通過對路面養(yǎng)護工程攤鋪作業(yè)的控制需求分析以及對3D攤鋪現(xiàn)場控制條件的分析，探索將3D攤鋪技術(shù)應(yīng)用在路面養(yǎng)護工程中的可行性。

1 路面養(yǎng)護工程對路面3D攤鋪技術(shù)的需求

高速公路的沉降問題通常持續(xù)發(fā)生在從建設(shè)到營運的相當(dāng)長時間內(nèi)，其縱坡的變化也是動態(tài)、不連續(xù)的。因此，通過養(yǎng)護工程改善縱斷面線形以提升高速公路的服務(wù)水平，是公路養(yǎng)管部門的重點關(guān)注內(nèi)容。為恢復(fù)道路的縱面線形，使其滿足原工程設(shè)計標準要求，在路面養(yǎng)護工程中一般采用銑刨加鋪的技術(shù)方案。設(shè)計單位給出的解決方案一般是長坡的調(diào)坡加厚或是局部調(diào)坡，但在道路養(yǎng)護施工控制中又會遇到難以找平的問題。

傳統(tǒng)的瀝青路面攤鋪過程中的找平方式主要是通過鋼絲線找平基準配合角位位移傳感器、非接觸式超聲波掃描自動找平方式等2D攤鋪控制工藝，這種非接觸式找平的工作原理主要是基于下基層具有較好的平順性，但對于需要局部調(diào)坡的段落是不適用的。路面養(yǎng)護工程攤鋪作業(yè)中，受制于作業(yè)窗口期短及路肩硬化難以掛鋼絲等條件，在封閉的作業(yè)區(qū)間內(nèi)需要集中投入力量開展測量放線、基準線架設(shè)等工作，投入較大且不易控制養(yǎng)護調(diào)坡。因此，在路面養(yǎng)護攤鋪作業(yè)中，亟須能夠減少測量放樣工藝、加快施工進度、保證路面施工平順性的技術(shù)手段。

相較于傳統(tǒng)的2D找平方式，3D攤鋪技術(shù)可以通過前期的測量建模，運用計算機輔助設(shè)計軟件選擇高程變坡、路面平整度最佳的數(shù)字施工模型。3D攤鋪技術(shù)不需要掛線找平基準控制，且在施工過程中可以通過對攤鋪機械姿態(tài)的動態(tài)測量控制實現(xiàn)變厚攤鋪施工作業(yè)，可以減少測量放樣、基準線架設(shè)等工序，提升作業(yè)效率，是路面養(yǎng)護工程攤鋪作業(yè)較理想的選擇。

2 3D攤鋪技術(shù)應(yīng)用在路面養(yǎng)護工程中的可行性分析

2.1 3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)

當(dāng)前3D攤鋪技術(shù)應(yīng)用的代表有瑞士徠卡PaveSmart 3D攤鋪系統(tǒng)、美國拓普康mmGPS 3D攤鋪控制系統(tǒng)、美國天寶3D智能攤鋪控制系統(tǒng)，3D攤鋪的主要工作流程如圖1所示。

圖1 3D攤鋪的主要作業(yè)流程

由圖1可知，攤鋪過程中的“蛙跳”搬站工作是常規(guī)2D攤鋪找平工作中沒有的。施工過程中的檢測控制是3D數(shù)字化攤鋪技術(shù)的重要組成部分。其中在高程控制方面，對于路面工程必須達到毫米級，因為路面施工厚度一般不過10 cm，薄層的甚至可能設(shè)計為2 cm。而要達到毫米級的控制，必須在施工現(xiàn)場加設(shè)光學(xué)測量設(shè)備，如拓普康mmGPS 3D攤鋪控制系統(tǒng)的激光發(fā)射器、徠卡PaveSmart 3D和天寶3D智能攤鋪中的機器人全站儀，為便于描述，本文稱之為光基準站。

在施工過程中，光基準站會持續(xù)測量攤鋪機的姿態(tài)，與建模軟件中的設(shè)計數(shù)據(jù)進行對比，并通過數(shù)傳電臺傳輸至攤鋪機的機載控制終端，不斷對攤鋪機的姿態(tài)進行修正。在3D攤鋪施工現(xiàn)場必須留下一定凈空用于架設(shè)光基準站，在施工前期就要通過測量創(chuàng)建施工控制網(wǎng)及平面坐標系統(tǒng)，現(xiàn)場一般用鋼釘進行標記，用作光基準站控制點，考慮到其他施工通行車輛、運輸車頂升卸料等因素引進的遮擋現(xiàn)象，點間距通?？刂圃?50～200 m[3]。在全站儀方案中，考慮到安裝在攤鋪機兩側(cè)的360°棱鏡與光基準站的通視，一般還會在攤鋪機的兩側(cè)設(shè)站，徠卡PaveSmart 3D攤鋪現(xiàn)場布置方案如圖2所示[4-5]。

圖2 徠卡PaveSmart 3D攤鋪現(xiàn)場布置方案

2.2 養(yǎng)護工程中3D攤鋪技術(shù)的實施方案

3D 智能攤鋪系統(tǒng)借助多種信號傳輸方式來完成整套系統(tǒng)的正常引導(dǎo)運作，但是，當(dāng)光基準站與機載激光接收器之間存在遮擋物時，會直接隔斷兩者之間的信號傳輸，長時間的遮擋更會導(dǎo)致攤鋪機控制系統(tǒng)成為“瞎子”，攤鋪的厚度和平整度將完全失去控制[6]，這也是3D攤鋪技術(shù)現(xiàn)場實施的風(fēng)險點。

結(jié)合路面養(yǎng)護工程的特點，可以得出3D攤鋪技術(shù)應(yīng)用在路面養(yǎng)護工程中面臨的挑戰(zhàn)包括：路面養(yǎng)護施工周期短，因此要求前期測量工作更快完成；運營公路上可以架設(shè)光基準站的空間有限，高速公路中央綠化、路側(cè)標志牌均可能會遮擋光基準站與機載激光接收器。針對如何既將3D攤鋪技術(shù)用于路面養(yǎng)護工程，同時解決養(yǎng)護工程的作業(yè)時間和空間限制對3D攤鋪技術(shù)應(yīng)用的制約，本文提出的方案如下：

(1) 應(yīng)用快速測量建模技術(shù)。如用百米或者十米間隔的水準儀進行閉合聯(lián)測，測量的時間周期必然是較長的，因此可以通過使用無人機攜帶正射影像進行航測以加速測量過程。另外，也可以嘗試應(yīng)用近年來快速發(fā)展的激光點云測量技術(shù)，如拓普康的RD-M1 路面掃描儀就可以通過車載正面向下的激光掃描方式采集數(shù)百萬的點位信息，并直接導(dǎo)入建模軟件[7]。

(2) 預(yù)先規(guī)劃好光基準站點位置。在道路封閉或是原路面銑刨前，即需要開始準備測量設(shè)站工作，綜合考慮道路平曲線、綠化、標志牌和開放車道行車的遮擋影響，以及現(xiàn)場施工中必要的通視距離，規(guī)劃控制站點位置。同時，由于全站儀或激光發(fā)射器均需要穩(wěn)定的基礎(chǔ)以形成絕對的水準，站點位置還需要一定的強度基礎(chǔ)，松軟的綠化土是不合適的。

3 試驗路概況及實施過程

3.1 試驗路概況

為探索路面養(yǎng)護工程應(yīng)用3D攤鋪技術(shù)的可行性，2020年9月在江蘇省S49新?lián)P高速新?lián)P方向K47+100～K47+370段實施了3D攤鋪試驗段工程。原路面的病害主要是路面車轍病害，養(yǎng)護技術(shù)方案是行車道的銑刨重鋪。試驗路所用的3D攤鋪設(shè)備為瑞士徠卡PaveSmart 3D攤鋪系統(tǒng)，試驗路為單車道養(yǎng)護施工。

3.2 試驗路鋪筑過程

3.2.1 測量建模工作

“倉廩實，天下安”，糧食是國家治國安邦的根本。耕地更是保障糧食生產(chǎn)的重要前提與保障，而土地整治是補充耕地最直接有效的途徑，是推進鄉(xiāng)村振興的有力手段。為保證耕地數(shù)量的同時保障耕地質(zhì)量，在土地整治開發(fā)建設(shè)過程中，土壤環(huán)境質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測、土地利用科學(xué)規(guī)劃及整治中各類信息收集分析存儲，是當(dāng)前一定時期內(nèi)土地整治管理過程中的重要工作。同時，隨著計算機科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)時代的到來，科技創(chuàng)新與信息技術(shù)發(fā)展息息相關(guān)，在土地整治中也得到了較多的應(yīng)用，極大地提高了土地整治各階段的效率。本文介紹了信息化技術(shù)在土地整治工程中的應(yīng)用，旨在推廣信息化技術(shù)的同時，提高土地整治質(zhì)量，構(gòu)建生態(tài)和諧土地。

確定試驗段后，對K47+100～K47+370段行車道進行銑刨，銑刨完成前后，現(xiàn)場分別對原地面、銑刨面進行高程測量，測量間距為10 m。為數(shù)據(jù)化地表達道路的平順性，采用兩點設(shè)計與實際標高差相減后除以兩點間距離的公式計算道路平順性。從高程測量數(shù)據(jù)及平順性計算結(jié)果來看，原地面的線形總體平順。原路面的高程測量數(shù)據(jù)如圖3所示，原路面的平順性檢測結(jié)果如圖4所示。

圖3 原路面的高程測量數(shù)據(jù)

圖4 原路面的平順性檢測結(jié)果

將原路面測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入ICON三維建模軟件，考慮到本次僅維修一個車道，為避免因臺階造成道路安全隱患，在三維建模中以貼近原地面的原則進行設(shè)計，建模完成后將設(shè)計數(shù)據(jù)導(dǎo)入機載控制電腦。

3.2.2 機械設(shè)備配置

根據(jù)現(xiàn)場單車道施工的實際作業(yè)條件，使用兩臺機器人全站儀對攤鋪機的姿態(tài)進行控制，其中一臺機器人全站儀進行攤鋪后的數(shù)據(jù)檢測。攤鋪機械上配置360°棱鏡，用于機器人全站儀對攤鋪機姿態(tài)數(shù)據(jù)的跟蹤。運用無人機在施工現(xiàn)場進行大范圍的航測以選定具體設(shè)站的位置，根據(jù)現(xiàn)場的條件，為防止第一車道通行車輛對測量造成遮擋干擾，將兩臺跟蹤全站儀布置在砌石邊坡上，將測量全站儀設(shè)置在硬路肩上。試驗路現(xiàn)場機械設(shè)備配置如圖5所示，全自動全站儀跟蹤攤鋪機姿態(tài)如圖6所示。

圖5 試驗路現(xiàn)場機械設(shè)備配置

圖6 全自動全站儀跟蹤攤鋪機姿態(tài)

3.2.3 施工過程

現(xiàn)場施工中，首先對攤鋪機姿態(tài)(包括熨平板兩端位置和提升液壓缸位置)進行校準，獲得攤鋪初始姿態(tài)數(shù)據(jù)。

在校準工作完成后，現(xiàn)場攤鋪機械正常施工，攤鋪機不需要配置滑靴等找平裝置，施工中由機載控制電腦根據(jù)三維建模數(shù)據(jù)、攤鋪機械姿態(tài)數(shù)據(jù)控制熨平板的提升、橫坡。試驗段當(dāng)天施工除起步約5 m范圍內(nèi)需要人工補料修正厚度外，后續(xù)段落均可由機械設(shè)備自動工作，無須人為干預(yù)。

圖7 現(xiàn)場機載控制電腦顯示的實際與設(shè)計高程之差

4 試驗路檢測數(shù)據(jù)分析

試驗路完成后，分別從測量高程、路面平整度和厚度的角度開展試驗檢測工作，以檢驗3D攤鋪在路面養(yǎng)護工程中應(yīng)用的可行性。

4.1 高程測量數(shù)據(jù)

在施工完成后對道路進行沿線高程測量，對比設(shè)計數(shù)據(jù)與現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)。從高程測量數(shù)據(jù)來看，施工碾壓后的數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)基本相符，也與現(xiàn)場機載控制電腦顯示結(jié)果吻合。道路高程數(shù)據(jù)測量(設(shè)計已考慮松鋪)如圖8所示。

圖8 道路高程數(shù)據(jù)測量(設(shè)計已考慮松鋪)

4.2 路面平整度與厚度數(shù)據(jù)

在施工完成后第二天，進行現(xiàn)場路面檢測，對3D攤鋪中較為關(guān)鍵的厚度、平整度數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場檢測。采用鉆芯法檢測厚度，對相應(yīng)位置的芯樣厚度與設(shè)計厚度數(shù)據(jù)(設(shè)計面與銑刨面差值)進行對比，數(shù)據(jù)吻合性較好。因條件限制，路面平整度采用3 m直尺進行檢測，滿足規(guī)范要求。路面芯樣厚度檢測結(jié)果如圖9所示，路面平整度檢測結(jié)果如圖10所示。

圖9 路面芯樣厚度檢測結(jié)果

圖10 路面平整度檢測結(jié)果

該試驗路通車一年后，跟蹤觀測顯示各項路表性能指標正常。

綜上，本文在詳細分析路面養(yǎng)護工程的需求及3D攤鋪作業(yè)流程后，鋪筑試驗路以進一步論證3D攤鋪技術(shù)在路面養(yǎng)護工程中應(yīng)用的可行性。根據(jù)施工過程中的控制數(shù)據(jù)、檢測結(jié)果以及通車一年后的運營表現(xiàn)可知，本次試驗是成功的。

5 結(jié)論

3D攤鋪技術(shù)是測量定位、機械控制和工程施工等諸多領(lǐng)域的技術(shù)融合，符合當(dāng)前各行業(yè)數(shù)字轉(zhuǎn)型的發(fā)展趨勢。通過分析路面養(yǎng)護工程應(yīng)用3D攤鋪技術(shù)工藝過程中的方案設(shè)計、試驗路鋪筑和檢測數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

(1) 通過分析3D攤鋪技術(shù)的特點，結(jié)合路面養(yǎng)護的實際條件進行針對性的方案設(shè)計以及施工組織中的動態(tài)化措施調(diào)整，將3D攤鋪技術(shù)應(yīng)用于路面養(yǎng)護工程是可行的。

(2) 路面養(yǎng)護工程應(yīng)用3D攤鋪技術(shù)的難點在于確定光基準站點位置，通過試驗路的鋪筑，總結(jié)應(yīng)在道路封閉或是路面養(yǎng)護銑刨前準備此項工作，將光基準站點架設(shè)于硬路肩、砌石邊坡上，以保證光基準站良好的通視性。

(3) 總結(jié)試驗路的鋪筑過程可知，3D攤鋪技術(shù)無須基準掛線、安裝平衡梁，施工中應(yīng)用三維測量數(shù)據(jù)對機械姿態(tài)實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整，解決了養(yǎng)護工程難以基準掛線的困難。

(4) 試驗路鋪筑過程檢測數(shù)據(jù)表明，3D攤鋪施工過程實際控制高程與設(shè)計值之差基本在±3 mm以內(nèi)，路面平整度良好。針對路面養(yǎng)護工程中的道路平順性問題，3D攤鋪技術(shù)是較佳的解決方案。