哈大铁路客运专线路基数字化施工工艺

2012-11-27赵敏聪白鹏程

铁道标准设计 2012年5期

赵敏聪，白鹏程

(1.中铁一局哈大铁路客运专线项目经理部，辽宁大连 116103;2.中铁一局集团第四工程有限公司，陕西咸阳 712000)

1 工程概况

哈大铁路客运专线DK109+800～DK110+150段线路以填方通过低缓丘包及其洼地，地形稍有起伏，路堤中心最高填高8.71 m，边坡最大高度8.35 m。线路位于直线上，路基顶宽13.6 m，线路纵坡为15.5‰，基床表层填0.55 m厚的级配碎石，以下依次为0.05 m厚的中粗砂、0.4 m厚的非冻胀土和1.7 m厚的A、B组填料，基床以下填合格填料，路堤边坡坡度为1∶1.5。该段路基在施工过程采用了RTK测量技术、通过3DGPS系统对路基施工的摊铺厚度、平整度、边坡坡度进行实时控制并采用CCS900压实系统对路基施工压实度进行实时监测。

2 施工原理

2.1 概念

数字化施工，是指依托建立数字化的数据中心、地理信息系统(工地定位系统)、工地现场数据采集系统(工地管理系统)及现场机械控制系统(挖掘机、压路机、推土机等机载 GPS定位系统，如图1所示的GCS600、CCS900、GCS900系统)等基础平台，整合工地信息资源，突破时间、空间的局限，建立一个在现实中不可能建立的开放信息环境，从而实现高效施工，优化施工方案，提升工地管理水平的一种施工方式。

图1 数字化施工工地示意

2.2 系统组成

数字化施工不仅局限于网络上的信息交换，其最终目的是利用现有技术手段对工地资源、自然资源等信息进行有效收集、管理与共享，提高工地施工效率。数字化施工系统主要包括以下几个方面。

(1)数字化施工基础设施:作为数字化施工的基础，利用长期运行的GNSS基准站为数字化施工的所有现场数据采集提供基准，为决策者提供现场信息支持，同时为大型项目完工后的系统提供基础平台。

(2)数字化施工控制系统:这是数字化施工系统的核心，利用机械控制系统对施工质量进行实时监测，及时修正可能出现的错误，始终保持设计精度要求，最大程度避免了返工。

(3)数据支持服务中心:数据是数字化施工的血液，它贯穿于整个施工过程，从最初的施工设计数据的三维转化，到施工现场的技术支持，再到施工结果数据的处理都离不开数据服务中心的支持。该服务中心的主要职能是处理、收集、整理施工数据，建立动态信息管理系统，为工地管理者提供决策支持功能。

2.3 施工数据流程

数字一体化施工是一套完整的施工解决方案，主要集施工设计、施工测量和数字化施工方法于一体，它不仅依赖数字化手段整体性地解决工程施工问题。数字化施工流程如图2所示。

2.4 关键技术

(1)声纳技术:通过声纳传感器对设置基准线发出与接收声波信号的时间差值来确定带状道路的表面的平整度，如图3所示。

(2)激光技术:通过激光发射器在一恒定高程上发射生成一激光平面，施工机械通过控制执行机构上的液压油缸使安装在机械上的接收器时刻捕捉激光平面信号，从而满足工作场地对设计高程和整形的要求，如图4所示。

图3 声纳系统示意

图4 激光系统工作原理示意

(3)全站仪技术:是目前精度较高的一种控制技术，其精度能达到1 cm以下。机械行进过程中，全站仪采集棱镜的高程数据，然后将高程数据通过电台传送给平地机械安装的系统中，系统得到信号后，与施工前输入的工程要求对比，系统发出修正信号给阀模块，控制机械的油缸对铲刀进行上升或下降的调整，从而使铲刀保持工程要求的高程位置，如图5所示。

(4)GPS技术:GPS技术是以卫星信号作为工作基准，能够实现全天候施工。在工程机械的工作过程中，通过RTK技术，系统实时的采集铲刀的三维坐标，并与工作前存储的三维坐标数据进行比较，从而精确达到工地设计要求，如图6所示。

图5 全站仪系统

图6 GPS系统工作示意

3 施工准备

该段路基施工数字化系统主要采用美国天宝公司的研发的Trimble系列控制系统，并采用卡特彼勒推土机、宝马压路机等设备进行配套施工。

3.1 机型配置

(1)TrimbleCCS900智能压实系统设备(表1)

(2)TrimbleGCS900推土机自动系统设备(表2)

表1 TrimbleCCS900智能压实系统设备台

表2 TrimbleGCS900推土机自动系统设备台

(3)TrimbleGCS600挖掘机自动系统设备(表3)

表3 TrimbleGCS600挖掘机自动系统设备台

3.2 设备安装

CCS900压路机、GCS900推土机、GCS600挖掘机的安装示意如图7～图9所示。

图7 CCS900压路机安装图示

图8 GCS900推土机安装图示

3.3 数据准备

(1)基站系统:在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站通过数据链接收来自基准站的数据，同时采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时几秒钟，其工作原理见图10。

图9 GCS600HEX挖掘机安装图示

图10 流动站工作原理示意

(2)机械控制系统:机械控制系统需要数据的支持，这里的数据是指机械控制系统所识别的设计单位的三维道路设计数据。利用天宝的设计软件SVO(Site Vision Office)将设计单位给出的二维设计图纸数据进行转换，将转换后的3维数据保存在机械控制箱的存储卡中，如图11所示，主要包括起始桩号，垂直定向、道路横坡及偏移量。

图11 机械控制系统数据转换流程

4 施工工艺

4.1 工艺流程(图12)

图12 数字化施工流程示意

4.2 基站准备

在工地固定位置架设1套SPS881 GPS接收机作为基准站，为流动站和3D机械控制系统提供差分信号。现场校正 CPII083、CPII081、HD18三个控制点，CPII082－1作为校正后检查点，校正完成后生成校正文件。流动站和安装在机械上的GPS接收机通过校正文件就可以将GPS系统的WGS84坐标转换成施工现场坐标，从而控制铲刀达到厘米级精度。

4.3 摊铺

摊铺前，通过办公软件(SVO)对施工场地表面进行设计，确定场地内各点的三维坐标信息，这些信息将通过闪存卡下载到机载系统中，系统会将这些信息作为工作过程中的标准进行存储。通过RTK技术，系统实时采集铲刀三维坐标，并与工作前存储的三维坐标数据进行比较，判断自己所处的点高程是否符合工程设计要求，并且清楚地知道怎样工作来达到这个要求，从而确保了整个场地的地形能够按照设计者的要求进行精确的修整。

4.4 碾压

为了和传统施工方法检验的参数标准相匹配，首先需建立CCS 900系统的CMV参数与传统监测结果的关系，步骤如下:(1)检测传统施工方法试验段的道路碾压是否达到符合设计;(2)将装有天宝CCS 900系统的压路机开到该路面上行进，以获取相应的CMV范围，将该范围作为CCS 900系统在数字化施工工段进行碾压的参考值。

天宝CCS 900系统将碾压标准存入内存，碾压过程中实时显示碾压次数、密实度信息;输出数据与设计要求实时对比，生成图形，及时发现不符合要求的区域进行补充碾压，从而实现图形化操作，确保精确压实且不漏压。

4.5 边坡修整

施工中主要采用配备了天宝激光和传感器显示控制系统(GCS600 HEX)的挖掘机，进行实时路基坡度显示控制操作。GCS600HEX系统着眼于过程控制，即实现显示作业控制情况，摆脱了对机手经验的束缚。施工前，将施工要求的深度和坡度输入控制箱，机手便可根据可视化的参考线进行施工，这样随着作业的完毕，工程质量就达到了要求。

5 数据采集处理

数字化施工中推土机的GCS900系统和压路机CCS900系统中，都配备有CB430控制箱，可以实时显示数据和图形。每完成一道工序后，利用 TrimbleSCS900系统采集地表数据，用于核算工程量、检查表面坡度、平整度和厚度。GCS900中的CB430可以显示挖填量、高程、偏移量等，CCS900中的CB430可以显示碾压次数、CMV及超压欠压区域。