基于3D機(jī)械控制的瀝青路面施工攤鋪技術(shù)研究

王文學(xué) 李昌華 張文聞 吳方鈺 俞騰翔

摘要：為研究基于3D機(jī)械控制的瀝青路面攤鋪施工攤鋪技術(shù)，該文分析了3D機(jī)械控制原理，并闡述了3D機(jī)械控制的瀝青路面施工攤鋪流程和質(zhì)量控制方法，依托實際工程，對傳統(tǒng)攤鋪施工和3D攤鋪施工后的厚度、平整度進(jìn)行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)基于3D機(jī)械控制的瀝青路面攤鋪效果優(yōu)于傳統(tǒng)攤鋪方式，提高了路面攤鋪的精準(zhǔn)化、智能化和自動化。

關(guān)鍵詞：道路工程??3D機(jī)械控制??攤鋪??施工

中圖分類號：TU753??文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Research?on?Asphalt?Pavement?Construction?Paving?Technology?Based?on?3D?Mechanical?Control

WANG?Wenxue1??LI?Changhua1?ZHANG?Wenwen1??WU?Fangyu2??YU?Tengxiang1

（1.?Construction?headquarters?of?Ningbo?Zhoushan?Port?Main?Channel?Project，?Ningbo，?Zhejiang?Province，?316000?China;?2.?Zhejiang?University，?Hangzhou，?Zhejiang?Province，?310058?China）

Abstract：?In?order?to?study?asphalt?pavement?construction?paving?technology?based?on?3D?mechanical?control，?this?paper?analyzes?the?principle?of?3D?mechanical?control，?and?expounds?the??process?and?quality?control?method?of?asphalt?pavement?construction?paving?with?3D?mechanical?control.?Based?on?the?actual?project，??it?tests?the?thickness?and?flatness?after?the?traditional?paving?construction?and?3D?paving?construction，?and?finds?that?the?effect?of?the?asphalt?pavement?paving?based?on?3D?mechanical?control?is?better?than?that?of?the?traditional?paving?method，?which?improves?the?accuracy，?intelligence?and?automation?of?the?pavement?paving.

Key?Words：?Road?engineering;?3D?mechanical?control;?Paving;?Construction

自改革開放以來，我國道路需求量大，發(fā)展迅速，相應(yīng)的建設(shè)技術(shù)也在不斷提高。瀝青路面具有行車舒適、無揚(yáng)塵和泥漿、自修復(fù)能力強(qiáng)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于高等級公路建設(shè)中。研究發(fā)現(xiàn)，攤鋪技術(shù)是影響瀝青路面施工質(zhì)量的核心技術(shù)，而我國攤鋪技術(shù)由開始的人工攤鋪發(fā)展為機(jī)械攤鋪，提高了施工精度和效率，大大節(jié)約了成本[1]。

近年來，3D技術(shù)逐漸應(yīng)用到工程領(lǐng)域，后被延伸到路面攤鋪中，也由此產(chǎn)生了3D攤鋪技術(shù)。祖民星[2]通過對3D智能攤鋪系統(tǒng)的原理進(jìn)行研究，同時依托實際工程分析了3D智能攤鋪的效能。雷小磊[3]結(jié)合工程實例，闡述了3D攤鋪控制技術(shù)的原理。盧俏宇[4]對3D攤鋪技術(shù)系統(tǒng)的主要設(shè)備和工藝流程進(jìn)行分析，并結(jié)合工程實例，評價了3D自動化攤鋪技術(shù)具有良好的應(yīng)用效果。相較于機(jī)械攤鋪技術(shù)，3D攤鋪技術(shù)結(jié)合了機(jī)械控制技術(shù)、北斗定位技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，實時定位攤鋪機(jī)運(yùn)行軌跡，實時監(jiān)測并反饋攤鋪狀態(tài)，從高程、厚度和寬度三方面實現(xiàn)對瀝青路面攤鋪的自動化、智能化和精準(zhǔn)化控制。該文基于對3D機(jī)械控制的工作原理分析，闡述了瀝青路面攤鋪施工技術(shù)流程，并依托實際工程進(jìn)行實施效果分析，對進(jìn)一步提高我國瀝青路面攤鋪質(zhì)量，提升工作效率具有重要意義。

3D機(jī)械控制系統(tǒng)主要由攤鋪機(jī)、測量設(shè)備、機(jī)械設(shè)備及軟件系統(tǒng)四部分組成，如圖1所示。測量設(shè)備以全站儀為主，機(jī)械設(shè)備為攤鋪機(jī)和液壓系統(tǒng)。在攤鋪施工前，建立瀝青路面設(shè)計高程、坐標(biāo)、橫縱坡坡度等參數(shù)的三維模型，并將其與現(xiàn)場導(dǎo)線結(jié)合，使用全站儀完成基準(zhǔn)測量工作。在攤鋪過程中，攤鋪厚度主要依靠攤鋪機(jī)的熨平板進(jìn)行調(diào)整，通過將建立的三維模型導(dǎo)入攤鋪機(jī)的操作系統(tǒng)中，可以實時獲得熨平板的三維坐標(biāo)和角度姿態(tài)，根據(jù)當(dāng)前的三維坐標(biāo)和角度分別計算熨平板的坐標(biāo)偏差和角度偏差，將偏差信號傳遞給控制轉(zhuǎn)換器，控制轉(zhuǎn)換器接收信號并發(fā)送指令給閥控模塊，施工中攤鋪機(jī)通過指令實現(xiàn)對牽引臂油缸和熨平板的操作、調(diào)整、控制和修正，確保攤鋪機(jī)能夠根據(jù)路面坡度和高程變化及時調(diào)整攤鋪厚度。

2基于3D機(jī)械控制的瀝青路面施工攤鋪技術(shù)

該文通過總結(jié)工程應(yīng)用經(jīng)驗，對3D機(jī)械控制的瀝青路面攤鋪施工技術(shù)展開研究，主要包含三維建模、設(shè)備安裝、全站儀布設(shè)、施工過程控制和攤鋪質(zhì)量控制五方面，具體流程如圖2所示。

2.1三維建模

首先找到圖紙中設(shè)計橫縱坡、平曲線、豎曲線坐標(biāo)、高程等參數(shù)，并對下承層中每個10?m的斷面上采集不少于三個點的三維坐標(biāo)。根據(jù)設(shè)計要求及三維坐標(biāo)點建立三維模型，通過檢查確保建立的模型無異常點，且厚度和坡度等符合設(shè)計要求，最后生成坐標(biāo)文件、線形文件和模型文件。

2.2設(shè)備安裝

在對攤鋪機(jī)3D機(jī)械控制改造研究過程中，發(fā)現(xiàn)設(shè)備安裝需要注意以下幾點要求。

（1）桅桿應(yīng)垂直安裝在攤鋪機(jī)大臂上，同時距離油缸距離不能小于30?cm，360°反射棱鏡應(yīng)固定安裝在桅桿頂端。

（2）傾角傳感器應(yīng)固定安裝在熨平板上，且方向應(yīng)與攤鋪機(jī)前進(jìn)方向一致。

（3）數(shù)據(jù)電臺應(yīng)固定安裝在攤鋪機(jī)頂棚上方，保證其與測量機(jī)器人之間視野暢通。

（4）主控制器應(yīng)安裝于攤鋪機(jī)的易操作位置。

（5）其余控制部件和傳感器的連接線應(yīng)固定安裝在攤鋪機(jī)合適位置，確保不會影響攤鋪機(jī)的正常工作。

（6）設(shè)備安裝完成后需立即進(jìn)行調(diào)試校準(zhǔn)，確保各部分都運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

2.3全站儀布設(shè)

全站儀根據(jù)已知水準(zhǔn)點和后方交會建站，建站需確保棱鏡與全站儀之間視野開闊，且周圍無電子設(shè)備干擾。全站儀布設(shè)時需注意以下幾點：

（1）遠(yuǎn)離高邊坡、行車段和施工場地，避免影響測試精度；

（2）配備專門技術(shù)人員進(jìn)行看管；

（3）保證全站儀與導(dǎo)線點之間的夾角在15°～165°之間；

（4）測量結(jié)束后全站儀應(yīng)放入專用防護(hù)箱內(nèi)，避免磕碰；

（5）安排專業(yè)技術(shù)人員定期對全站儀進(jìn)行檢驗校核。

2.4施工過程控制

施工前，將各文件和模型導(dǎo)入智能跟蹤全站儀和智能監(jiān)測全站儀中，同時檢查全站儀與棱鏡之間的視野，確?？梢郧逦^察到棱鏡，一般全站儀與棱鏡之間的距離控制在300～400?m之間。將攤鋪機(jī)和智能控制系統(tǒng)全部打開，測試其是否都可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在進(jìn)行攤鋪施工時，打開預(yù)先導(dǎo)入的模型文件，將攤鋪機(jī)的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)為機(jī)械控制模式，使機(jī)器人可以自動跟蹤360°棱鏡。正式攤鋪施工前，試鋪一段路，并及時監(jiān)測，確保攤鋪精度達(dá)到設(shè)計要求，方可將機(jī)械控制模式轉(zhuǎn)換為自動控制模式。如圖3所示，用于捕獲360°棱鏡三維坐標(biāo)的跟蹤機(jī)器人架設(shè)于攤鋪機(jī)兩側(cè)，同時在后方還需要架設(shè)一臺檢測機(jī)器人，對攤鋪高程和橫坡進(jìn)行實時監(jiān)測，若不滿足要求，則需及時調(diào)整跟蹤機(jī)器人和控制器。在智能跟蹤機(jī)器人半徑150?m范圍內(nèi)，都可利用智能檢測機(jī)器人進(jìn)行交替轉(zhuǎn)站，以保證攤鋪作業(yè)的連續(xù)性。

2.5攤鋪施工質(zhì)量控制

現(xiàn)場攤鋪結(jié)束后應(yīng)立即采集路面數(shù)據(jù)，并進(jìn)行攤鋪質(zhì)量檢測，確保施工質(zhì)量符合《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG?F80/1）中的相關(guān)規(guī)定。若采用分段攤鋪方式，則每段攤鋪路面都需要進(jìn)行質(zhì)量檢測，而最終整理成報告的數(shù)據(jù)應(yīng)為整個攤鋪路段的檢測數(shù)據(jù)。檢測過程中應(yīng)隨時校核數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題時應(yīng)加大檢測頻率和檢測精度，必要時可以采用人工補(bǔ)救。

3實施效果分析

3.1工程概況

北京至雄安新區(qū)高速公路河北段（以下簡稱為“京雄高速”）是北京中心城區(qū)連接雄安新區(qū)核心區(qū)的最便捷高速通道，是支撐新區(qū)規(guī)劃建設(shè)，促進(jìn)京津冀區(qū)域協(xié)調(diào)協(xié)同發(fā)展的重要經(jīng)濟(jì)干線。京雄高速河北段全長約70?km，主線均采用雙向八車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計速度為120?km/h，沿線設(shè)置監(jiān)控通信分中心1處、服務(wù)區(qū)3處、養(yǎng)護(hù)工區(qū)2處、主線收費(fèi)站2處、匝道收費(fèi)站5處，特大橋8座，橋梁設(shè)計荷載等級為公路-I級。京雄高速作為北京中心城區(qū)連接雄安新區(qū)核心區(qū)的最便捷高速通道，具有支撐新區(qū)規(guī)劃建設(shè)、促進(jìn)京津冀區(qū)域協(xié)調(diào)協(xié)同發(fā)展等重要作用。

3.2現(xiàn)場實施方案

該項目選取京雄高速K46+000到K48+000路段進(jìn)行路面智能施工技術(shù)的應(yīng)用，從人員、效率、質(zhì)量等方面評價項目的實用性和穩(wěn)定性，最終形成瀝青路面智能施工工藝。按照傳統(tǒng)攤鋪和3D攤鋪兩種方法平行施工，攤鋪機(jī)1安裝3D控制系統(tǒng)，攤鋪機(jī)2與攤鋪機(jī)3采用傳統(tǒng)2D攤鋪控制方式，如圖4所示。

3.3?施工質(zhì)量檢測

3.3.1?厚度檢測

（1）全站儀測量法。

選取10?m一個斷面，使用全站儀測量每個斷面左右幅3點施工前后的高程差，最后生成3D攤鋪區(qū)域和傳統(tǒng)攤鋪區(qū)域的厚度云圖，如圖5、圖6所示。從圖中可以看出，3D攤鋪施工區(qū)域厚度均勻，誤差控制在1?cm以內(nèi)，傳統(tǒng)施工區(qū)域，局部區(qū)域出現(xiàn)攤鋪過厚或偏薄的現(xiàn)象，圖中藍(lán)色區(qū)域為攤鋪過厚超過1?cm以上的區(qū)域，紅色部分為攤鋪偏薄超過1?cm以上的區(qū)域。

（2）鉆芯取樣法。

采用鉆芯機(jī)，在K46+000-K48+00范圍內(nèi)，每200?m一個斷面，每個斷面采集3點，如圖7所示，采樣檢測數(shù)據(jù)見表1所示。

由表1和表2分析可知，采用3D攤鋪施工技術(shù)和傳統(tǒng)攤鋪施工技術(shù)厚度的平均值分別為59.3?mm和63.3?mm，均滿足規(guī)范要求，但是傳統(tǒng)攤鋪厚度偏大，造成瀝青混合料的浪費(fèi)，增加了建設(shè)成本。從厚度均勻性方面分析可知，3D攤鋪施工技術(shù)和傳統(tǒng)攤鋪施工技術(shù)厚度的標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.011和6.539，表明3D攤鋪施工技術(shù)控制厚度的性能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)。

3.2.2平整度檢測

瀝青路面施工完成后通過連續(xù)式平整度儀對3D攤鋪和傳統(tǒng)攤鋪施工效果進(jìn)行檢測，結(jié)果見表3。

由表3可知，3D攤鋪施工和傳統(tǒng)攤鋪施工，平整度均小于允許值（1.2?mm），合格率為100%；采用傳統(tǒng)攤鋪工藝進(jìn)行瀝青路面施工，平整度波動較大，最大值為1.79?mm，表明3D攤鋪工藝可以較好的提升路面平度[5-7]。

4結(jié)語

該文通過對3D機(jī)械控制原理進(jìn)行分析，闡述了基于3D機(jī)械控制的瀝青路面施工攤鋪技術(shù)，并依托工程進(jìn)行實際應(yīng)用，得出以下幾點結(jié)論：（1）完成了攤鋪機(jī)3D機(jī)械控制模型和改造方案設(shè)計，形成了標(biāo)準(zhǔn)的3D機(jī)械控制施工攤鋪技術(shù)和施工質(zhì)量控制方法；（2）基于3D機(jī)械控制的路面智能施工技術(shù)改變了傳統(tǒng)攤鋪施工方式，可以精準(zhǔn)控制路面高程、平整度、壓實均勻性，實現(xiàn)精準(zhǔn)化、智能化、自動化施工目的。

參考文獻(xiàn)

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[4] 盧俏宇，周洪劍.公路工程3D技術(shù)路面施工應(yīng)用分析[J].西部交通科技，2018（3）：18-21，140.

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