重慶山區(qū)橋梁面層應(yīng)用3D攤鋪技術(shù)的適用性研究

摘 要：當(dāng)前3D攤鋪技術(shù)由于其高精度、無(wú)人化和高效率等優(yōu)勢(shì)，在道路鋪裝得到廣泛應(yīng)用。然而，目前3D攤鋪技術(shù)在橋面鋪裝的案例較少，在重慶這多山區(qū)地區(qū)的應(yīng)用更少，限制3D攤鋪技術(shù)在橋面瀝青路面的發(fā)展。該文首先介紹3D攤鋪技術(shù)的原理及核心技術(shù)，其次通過(guò)3D攤鋪技術(shù)與傳統(tǒng)攤鋪在重慶在建五布河特大橋的應(yīng)用對(duì)比，對(duì)2種攤鋪方式的攤鋪質(zhì)量進(jìn)行多尺度分析。結(jié)果表明，應(yīng)用3D攤鋪技術(shù)的路面均符合規(guī)范要求，其平整度、縱斷高程差、橫坡度和攤鋪厚度又均優(yōu)于傳統(tǒng)攤鋪路面，3D攤鋪技術(shù)在重慶地區(qū)橋面瀝青面層鋪裝具有良好的適用性。

關(guān)鍵詞：3D攤鋪；瀝青路面；自動(dòng)行走；山區(qū)；路面質(zhì)量

中圖分類號(hào)：U416.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）27-0107-05

Abstract： At present， 3D paving technology has been widely used in road paving because of its advantages such as high precision， unmanned and high efficiency. At present， however， there are few cases of 3D paving technology in bridge pavement， and even less application in the mountainous area of Chongqing， thus limiting the development of 3D paving technology in bridge asphalt pavement. This paper first introduces the principle and core technologies of 3D paving technology， and then makes a multi-scale analysis of the paving quality of the two paving methods by comparing the application of 3D paving technology and traditional paving in the Wubu River Bridge under construction in Chongqing. The results show that the pavement with 3D paving technology meets the requirements of the specification， and its smoothness， vertical elevation difference， transverse slope and paving thickness are better than those of traditional paving pavement. 3D paving technology has satisfying applicability in bridge deck asphalt pavement in Chongqing.

Keywords： 3D paving; asphalt pavement; automatic walking; mountainous area; pavement quality

重慶地處中國(guó)西南部山區(qū)，88.6%的土地被山地和丘陵所占據(jù)，形成了特殊的“三山夾兩江”地形[1]。因此，為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市拓展的雙重需求，重慶市積極發(fā)展城市交通項(xiàng)目，加快建設(shè)城市橋梁和隧道，以解決交通問題。

截至2022年，重慶地區(qū)道路橋梁共有36座，僅在2022年一年，建成道路橋梁2座，在建道路橋梁6座；穿兩山道路隧道22座，在建穿兩山道路隧道7座。未來(lái)，重慶地區(qū)的橋隧高速公路將繼續(xù)大范圍修筑。然而，重慶地區(qū)瀝青路面容易出現(xiàn)早期病害，投入使用后的1～2年內(nèi)即出現(xiàn)一定的病害問題，服役壽命短，對(duì)高速公路的通行質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[2]。近些年，三維數(shù)字模型逐步與施工技術(shù)相結(jié)合，3D數(shù)字化施工技術(shù)由此誕生，其中包括3D攤鋪技術(shù)，實(shí)現(xiàn)熨平板的高精度自動(dòng)調(diào)節(jié)[3-4]。Peyret等[5]基于在線動(dòng)態(tài)差分技術(shù)與GPS技術(shù)對(duì)攤鋪機(jī)工作裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，實(shí)現(xiàn)了道路攤鋪平整度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。Liang等[6]設(shè)計(jì)了一種基于超聲波測(cè)距技術(shù)的瀝青攤鋪機(jī)智能自動(dòng)找平控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)超聲波速度補(bǔ)償獲得較高的路面平整度測(cè)量精度；王超等[7]在研究后得出3D數(shù)字化自動(dòng)攤鋪控制系統(tǒng)可以提高瀝青攤鋪的精確度，保證瀝青面層的平整度、厚度和均勻性。可見，3D攤鋪技術(shù)應(yīng)用于路面施工具有眾多優(yōu)勢(shì)。

近些年，3D攤鋪技術(shù)在常規(guī)路面施工上得到了認(rèn)可，并被廣泛應(yīng)用。然而，對(duì)于3D攤鋪技術(shù)在橋面瀝青面層的案例較少，在類似重慶地區(qū)這種多山區(qū)地區(qū)橋面的應(yīng)用更少。因此，本文從3D攤鋪技術(shù)施工工藝和施工效果2個(gè)角度對(duì)使用3D攤鋪技術(shù)的重慶五布河大橋（在建）部分施工段進(jìn)行研究，以期后續(xù)為3D攤鋪技術(shù)在橋面瀝青施工的應(yīng)用奠定部分基礎(chǔ)。

1 山區(qū)公路3D攤鋪核心技術(shù)

傳統(tǒng)的攤鋪機(jī)通過(guò)人工操縱，行車軌跡由駕駛員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況操作，但駕駛員很難實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)攤鋪軌跡、攤鋪速度、攤鋪高程和混合料溫度等參數(shù)[8]。尤其在山區(qū)公路的施工中，由于其復(fù)雜的環(huán)境和工程特點(diǎn)，山區(qū)公路的攤鋪難度更大，兼具由于人工在復(fù)雜環(huán)境的易疲勞性，施工誤差加劇。近些年，在攤鋪機(jī)上引入3D控制技術(shù)和施工管控技術(shù)，在結(jié)合GNSS-RTK技術(shù)和LaserZone技術(shù)的基礎(chǔ)上，3D攤鋪技術(shù)利用RTK水平精度和高程精度控制優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了瀝青混凝土路面高精度攤鋪施工。

1.1 攤鋪機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃技術(shù)

攤鋪機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃技術(shù)是指通過(guò)合理的路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制策略，實(shí)現(xiàn)攤鋪機(jī)在工程現(xiàn)場(chǎng)按照特定要求進(jìn)行自主運(yùn)動(dòng)和施工操作。重慶山區(qū)里信號(hào)較差，導(dǎo)致常用導(dǎo)航較難應(yīng)用，因而在攤鋪機(jī)-壓路機(jī)機(jī)群的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中，采用了領(lǐng)航-跟隨法。就是將一臺(tái)攤鋪機(jī)指定為領(lǐng)航者，第一臺(tái)無(wú)人駕駛雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)作為第二領(lǐng)航者，其余的壓路機(jī)作為跟隨者。領(lǐng)航攤鋪機(jī)作為引導(dǎo)，通過(guò)機(jī)群編隊(duì)設(shè)計(jì)和領(lǐng)航者的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，引導(dǎo)機(jī)群實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。山區(qū)橋梁道路施工前，根據(jù)路徑規(guī)劃和施工要求，制定運(yùn)動(dòng)控制策略，包括速度控制、轉(zhuǎn)向控制、加減速控制等，以確保攤鋪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)和精確施工。同時(shí)，攤鋪機(jī)和壓路機(jī)之間需要進(jìn)行無(wú)線通信，共享運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和施工指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)群的協(xié)同作業(yè)。第二領(lǐng)航者的無(wú)人駕駛雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)，可在攤鋪機(jī)后方鞏固路面，與領(lǐng)航攤鋪機(jī)保持適當(dāng)距離，確保路面的平整度和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)整個(gè)攤鋪機(jī)-壓路機(jī)機(jī)群的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。圖1為攤鋪機(jī)-壓路機(jī)機(jī)群運(yùn)動(dòng)規(guī)劃示意圖。

1.2 攤鋪機(jī)引導(dǎo)技術(shù)

由于山區(qū)的橋梁路面施工線路較為復(fù)雜，加之人工誤差和攤鋪機(jī)械誤差，導(dǎo)致山區(qū)路面較難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)攤鋪。項(xiàng)目中，使用視覺算法和引導(dǎo)線來(lái)控制攤鋪機(jī)路徑可以幫助實(shí)現(xiàn)更精確地施工。將視覺攝像頭安裝在攤鋪機(jī)上，并在未攤鋪的路基一側(cè)布置引導(dǎo)線。通過(guò)實(shí)時(shí)采集攤鋪機(jī)與引導(dǎo)線之間的偏差，可以對(duì)攤鋪機(jī)進(jìn)行自主行駛控制，使其沿著指定路徑行進(jìn)。在直線工況下，行走軌跡誤差應(yīng)保持在4 mm以內(nèi)。這意味著攤鋪機(jī)在直線行駛時(shí)，距離引導(dǎo)線的偏差應(yīng)控制在4 mm以內(nèi)。在轉(zhuǎn)彎工況下，行走軌跡誤差應(yīng)保持在12 mm以內(nèi)。這意味著攤鋪機(jī)在轉(zhuǎn)彎時(shí)，距離引導(dǎo)線的偏差應(yīng)控制在12 mm以內(nèi)。相關(guān)的視覺算法和控制系統(tǒng)需要被精心設(shè)計(jì)和開發(fā)，同時(shí)需要注意系統(tǒng)設(shè)計(jì)、準(zhǔn)確布置引導(dǎo)線和嚴(yán)格的誤差限制，以確保施工的精度和質(zhì)量達(dá)到要求。

1.3 雷達(dá)測(cè)厚技術(shù)

山區(qū)橋梁項(xiàng)目中，瀝青混凝土鋪裝層平整度通常較差，所以攤鋪過(guò)程中需要進(jìn)行連續(xù)測(cè)厚。項(xiàng)目中，采用了地下雷達(dá)（Ground Penetrating Radar， GPR）技術(shù)。通過(guò)向下發(fā)射的電磁波在地表和地下介質(zhì)的相互作用下發(fā)生反射，形成反射回波信號(hào)。高靈敏度設(shè)備可以接收和記錄這些回波信號(hào)，并通過(guò)分析頻譜、時(shí)延和波形等信號(hào)特征，來(lái)獲得對(duì)新建路面深度、介質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等關(guān)鍵信息的判斷。在山區(qū)橋梁瀝青攤鋪階段，雷達(dá)測(cè)厚技術(shù)幫助監(jiān)測(cè)山區(qū)橋梁路面的厚度和質(zhì)量，確保道路建設(shè)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)自動(dòng)引導(dǎo)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)更高效、準(zhǔn)確地施工，以確保新建路面的質(zhì)量和平整度。圖2為攤鋪機(jī)的自動(dòng)引導(dǎo)示意圖及其雷達(dá)測(cè)厚技術(shù)在攤鋪階段的應(yīng)用。

2 工程實(shí)踐

2.1 工程概況

以重慶市在建五布河特大橋工程為例，五布河特大橋位于重慶市巴南區(qū)東泉鎮(zhèn)梨樹村平灘橋碼頭附近，特大橋橫跨五布河。五步河大橋左線起訖里程樁號(hào)為ZK23+961.664～ZK26+071.774，設(shè)計(jì)全長(zhǎng)2 110.08 m，橋面設(shè)計(jì)標(biāo)高383.043～424.073 m。右線起訖里程樁號(hào)為K23+961.664～K26+029.664，設(shè)計(jì)全長(zhǎng)2 068 m，橋面設(shè)計(jì)標(biāo)高383.043～423.224 m。兩線縱坡1.95%，單幅凈寬15.25 m。五步河大橋設(shè)計(jì)車道為雙向六車道，瀝青面層分為上下面層，瀝青鋪裝厚度10 cm。以五布河特大橋K25+200～K25+600路段下面層瀝青路面攤鋪為研究對(duì)象。右幅路面采用傳統(tǒng)攤鋪施工方法，左幅采用3D攤鋪施工。

2.2 3D攤鋪及壓實(shí)工藝

五布河特大橋K25+200～K25+600路段下面層瀝青路面3D攤鋪?lái)?xiàng)目采用1臺(tái)RP2205HD攤鋪機(jī)一次性攤鋪，路面寬度15.25 m，按照預(yù)估的拌合站生產(chǎn)能力，攤鋪速度定為2.5 m/min，夯錘等級(jí)為450 r/min。在3D攤鋪施工前，首先安裝和校準(zhǔn)車載設(shè)備，并利用水準(zhǔn)儀和全站儀獲取橋面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。借助于3D數(shù)字化自動(dòng)攤鋪控制系統(tǒng)的各個(gè)組件，確保施工現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備正常且穩(wěn)定地運(yùn)行。通過(guò)已知點(diǎn)建立基站或進(jìn)行后方交會(huì)建站時(shí)，需要注意棱鏡與儀器之間的視線通暢以及施工設(shè)備對(duì)其的干擾?？刂颇Ｊ介_啟后，系統(tǒng)通過(guò)棱鏡得到三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并輸入至攤鋪系統(tǒng)的控制箱中，繼而生成高程修正信息。邊控箱通過(guò)信號(hào)對(duì)熨平板進(jìn)行修正。攤鋪施工開始時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)并調(diào)整橋面攤鋪面的標(biāo)高，穩(wěn)定后，3D控制自動(dòng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)，每20 m進(jìn)行一次檢測(cè)和調(diào)整，360°棱鏡不要被運(yùn)輸車輛和障礙物遮擋。

針對(duì)五布河特大橋橋面瀝青下面層的壓實(shí)工作，按照緊跟、慢壓的原則，方案中使用了4臺(tái)壓路機(jī)，前3后3采用同進(jìn)同退策略進(jìn)行碾壓。每臺(tái)膠輪壓路機(jī)都在前一臺(tái)之后同步進(jìn)行前進(jìn)和后退，壓路機(jī)之間存在重疊區(qū)域，以確保前后2個(gè)隊(duì)伍能夠及時(shí)消除彼此的停車輪跡，從而極大地提升施工的平整度。最后的壓實(shí)工作由人工駕駛完成收面工作。根據(jù)中下面層的厚度和材料的不同，會(huì)相應(yīng)調(diào)整車道重疊率和振動(dòng)設(shè)置。五布河特大橋橋面下面層現(xiàn)場(chǎng)3D攤鋪情況如圖3所示。

2.3 3D攤鋪施工質(zhì)量分析

左右幅研究段的瀝青橋面攤鋪完成后，對(duì)2個(gè)研究段路面進(jìn)行平整度、縱斷高程差、橫坡度和攤鋪厚度實(shí)體質(zhì)量檢測(cè)。首先在攤鋪厚度上，分別在2幅對(duì)應(yīng)位置上共取18個(gè)芯樣。規(guī)范要求路面設(shè)計(jì)厚度為60 mm的路面，實(shí)際攤鋪厚度要大于等于56 mm，如圖4所示，2種攤鋪方式的攤鋪厚度均符合要求，傳統(tǒng)攤鋪的芯樣厚度標(biāo)準(zhǔn)差為2.36 mm，而3D攤鋪的芯樣厚度標(biāo)準(zhǔn)差僅為傳統(tǒng)攤鋪88.6%，由此可知，3D攤鋪的攤鋪厚度較傳統(tǒng)攤鋪穩(wěn)定。在橫坡度上，如圖5所示，傳統(tǒng)攤鋪的橫坡度曲線較3D攤鋪?zhàn)兓螅?D攤鋪的芯樣厚度標(biāo)準(zhǔn)差為0.03 mm，而傳統(tǒng)攤鋪的芯樣厚度標(biāo)準(zhǔn)差為0.05 mm，證實(shí)了3D攤鋪的橫坡度曲線較為穩(wěn)定。在平整度上，規(guī)范要求中面層路面平整度要小于等于1.0 M/km，如圖6所示，2種攤鋪方式的平整度均符合要求，同時(shí)，3D攤鋪的3個(gè)車道平整度值均低于傳統(tǒng)攤鋪，得益于3D攤鋪系統(tǒng)對(duì)熨平板的高精度控制。

圖7為中樁縱斷高程差值曲線圖，傳統(tǒng)攤鋪的中樁縱斷高程差值曲線較3D攤鋪波動(dòng)大，3D攤鋪的中樁縱斷高程差值標(biāo)準(zhǔn)差為1.12 mm，而傳統(tǒng)攤鋪的中樁縱斷高程差值標(biāo)準(zhǔn)差為1.27 mm。圖8為邊樁縱斷高程差值曲線圖，傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)攤鋪的邊樁縱斷高程差值曲線依舊較3D攤鋪技術(shù)攤鋪的波動(dòng)大，3D攤鋪的邊樁縱斷高程差值標(biāo)準(zhǔn)差為2.05 mm，而傳統(tǒng)攤鋪的邊樁縱斷高程差值標(biāo)準(zhǔn)差為2.65 mm。綜合中樁和邊樁縱斷高程差值來(lái)看，邊樁的縱斷高程差值曲線均較中樁波動(dòng)大。

3 結(jié)論

本文依托重慶市五布河特大橋工程，將3D攤鋪技術(shù)應(yīng)用在布河特大橋的下面層施工上，闡述了3D攤鋪技術(shù)原理及核心技術(shù)，明確了3D攤鋪技術(shù)在橋面鋪裝的施工工藝。選取了對(duì)應(yīng)大橋鋪裝研究段，對(duì)3D攤鋪技術(shù)與傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)攤鋪質(zhì)量進(jìn)行了對(duì)比分析。主要結(jié)論如下。

1）3D攤鋪技術(shù)與傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)均能保證路面厚度及平整度符合規(guī)范要求。

2）在3D攤鋪高精度控制系統(tǒng)控制下，3D攤鋪的路面的縱斷高程差、橫坡度和攤鋪厚度的曲線波動(dòng)幅度和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差均小于傳統(tǒng)攤鋪。

3）3D攤鋪的路面的平整度優(yōu)于傳統(tǒng)攤鋪，3D攤鋪技術(shù)的準(zhǔn)確性和精密性均優(yōu)于傳統(tǒng)攤鋪。

綜上，3D攤鋪在重慶地區(qū)橋面鋪裝具有良好的適用性。

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