公路工程3D技术路面施工应用分析

2018-04-27卢俏宇周洪剑

西部交通科技 2018年3期

卢俏宇，周洪剑

(广西桂通工程咨询有限公司，广西南宁 530028)

0 引言

在建的柳州至南宁高速公路改扩建工程(简称柳南改扩建工程)，全长202 km，是全国一次性开工的路线最长的高速公路改扩建工程，项目以打造“广西一流、全国领先、东盟知名”的品质工程为总体管理目标。在建过程中，采用了一系列的技术创新成果。其中，柳州至南宁高速公路改扩建工程№8合同段，在路面工程中采用了3D自动化摊铺技术，取得了较好的效果。本文结合该应用实例和取得的实际效果进行分析，以供同行参考。

1 3D技术摊铺系统控制基本原理

3D技术摊铺系统主要由全站仪基准站和摊铺自动控制系统组成。系统工作时，架设在控制点上的机械控制全站仪将捕获安装在摊铺机桅杆上的360°棱镜的三维坐标数据，通过摊铺机系统上的数据传输电台实时将棱镜坐标数据传送到摊铺自动控制系统的控制箱中，控制箱将获得的当前坐标信息与设计卡中的三维数据进行对比，生成相应的高程修正信息并传递摊铺机左右两侧边控箱，这时再由边控箱对应生成相应的比例驱动信号，通过液压阀驱动摊铺机牵引臂液压油缸，使熨平板进行相应方向的调整和修正，从而使摊铺道面产生坡度和高程变化，弥补路面波动，实现所要求的路面平整度。在具体施工过程中为实现道面摊铺的精确控制要求，另一台测量全站仪一直处于监测道面摊铺状况，真正实现过程监控施工，满足摊铺设计要求。

2 3D技术摊铺系统主要设备

设备主要包括1台主控制器、2台控制手柄、两个360°棱镜、1个横坡传感器、2台车载电台、2个接线盒以及连接线缆(见图1)。

图1 3D摊铺自动控制系统设备组成图

3 现场施工准备流程(见图2)

图2 3D摊铺施工准备流程图

4 摊铺过程与换站

选择合适位置架设好左右两台全站仪，采取一前一后的布局，这样可以避免两台全站仪同时搬站，并且第三台全站仪可以交替搬站。由于每台全站仪在自动跟踪模式下精度会有所降低，在半径150 m范围内精度满足要求，这样每台全站仪控制300 m距离后需要进行搬站动作。如果有备用全站仪，在搬站过程中需要先将备用全站仪自动跟踪到需要换站一侧的棱镜上，在车载电脑上点击切换按钮，系统会自动将新站作为控制站进行不间断作业。若没有备用全站仪，在搬站过程中摊铺机需要停下等待搬站完成并且在数据传输无误的情况下才能继续作业。

5 3D技术摊铺效果

通过前期2 km路段的摊铺，进行了大量的数据检测采集。根据检测数据显示，采用3D摊铺自动控制系统进行的施工和采用传统施工方法进行施工的数据精度基本上一致，无论压实后和松铺检测的实际摊铺标高与设计标高误差基本都在10 mm以内(设备开始启动阶段，高程误差较大，之后趋于稳定，试验验证路段实测极值为23 mm，同时平整度良好，设备稳定。

试验段的摊铺测试充分证明了利用3D摊铺自动控制系统进行的施工精度完全符合施工要求。

采用3D技术进行路面摊铺，按照其原理可知，实测高程可以在工程施工前预先设置，实际摊铺边线点的高程控制，克服了人工测量误差和拉线误差，结合红外测量设备的应用，克服了夜间测量的不便。高程测量的误差取决于事前计算的结果，只有计算结果正确才可以做到零误差；高程控制的误差来源，在于摊铺设备的机械性能，其与系统兼容的敏感性决定了其摊铺控制的结果。实际施工结果表明，柳南改扩建工程中实际使用的摊铺设备，只要摊铺底面无突变，可将高程的误差控制在5 mm内，加上摊铺设备由液压系统控制，平整度控制可达到自然的良好效果。

柳南改扩建K1349+160～K1349+880段4%水稳层采用3D技术摊铺，仅以K1349+160～K1349+220现场实测数据为例。松铺系数为1.35。设计厚度为20 cm，现场钻芯取样6个(19.8 cm、19.3 cm、19.6 cm、19.3 cm、19.4 cm、19.6 cm)，平均厚度19.5 cm，厚度分布均匀，满足规范要求。

5.1 松铺数据

松铺数据见表1。

表1 松铺数据表

5.2 压实后数据

压实后数据见表2。

表2 压实后数据表

5.3 实施效果

摊铺的实施效果见图3、图4。

图3 3D摊铺作业图

图4 3D摊铺现场图

采用3D技术进行摊铺作业，现场技术人员按审核的计算结果输入数据，不用再进行计算，只需具备测量的基本技能，即仪器设备的架设和照单输入数据的能力，即可胜任现场工作，有利于人才的培养，人员的劳动强度也会大为降低。

采用3D技术进行摊铺作业，无需挂线，减少了大量的辅助人工，节省了人力，有很好的经济效益；同时，没有杆线的影响，运输车辆的倒运空间更大，现场整洁有序，安全性更好、效率更高。

由于高程控制准确，路面结构层的厚度得到良好的控制，厚度均匀，质量可靠，减少了材料的浪费，提高了经济效益。

系统施工不受光线影响，可以24 h全天候施工作业。

5.4 存在问题和思考

采用3D技术进行摊铺，顶面高程控制的误差主要来源有：(1)测站仪器安装的精度；(2)施工摊铺设备与系统发出指令反应的灵敏度。以上两个方面的误差因素，实施证明，能控制好难度不大。因此，顶面高程达到预设值是可行的。而底层高程控制不理想，要达到理想的平整度和保证压实后标高完全控制在容许范围，就需要对铺筑底面设置足够多的测点，根据松铺系数调整顶面摊铺高程，这样既增加底面测量工作量，又增加系统数据的输入。因此我们对实施过程进行了一些思考，如果铺筑底面，标高控制不理想，我们以路床标高达到50 mm这种情形进行分析。因测点设置少，以下承层误差为0的极端情况指导上层结构的摊铺，同时为方便计算，松铺系数均按1.35计算(实际各结构层松铺系数是不同的)，以优化施工控制。以柳南改扩建项目扩建部分路面结构层为例，其结构层组成如下：

15 cm级配碎石垫层+20 cm水泥稳定碎石底基层+38 cm水泥稳定碎石基层+1 cmSBS改性沥青同步碎石封层+8 cmAC-25C沥青混凝土下面层+6 cmAC-20C沥青混凝土中面层+4 cmSMA-13沥青混凝土上面层。

从15 cm级配碎石垫层开始使用3D技术进行摊铺，路床顶面高程出现±50 mm的情况，误判误差为0。则最簿处松铺值为20×1.35-5=22 cm，最厚处松铺值为20×1.35-5=32 cm。实际压实厚度最簿处为22÷1.35=16.3 cm，与设计高层差值为16.3+5=21.3 cm，结论为压实后高出设计值1.3 cm；实际压实厚度最簿处为32÷1.35=23.7 cm，与设计高层差值为23.7-5=18.7 cm，结论为压实后低于设计值1.3 cm。可见，在误判的情况下，差值传递到级配碎石垫层时的数值减少量为37 mm，绝对误差为±13 mm，±13 mm的误差还会往上传递，同理推出±13 mm传递到上一层，绝对

误差量±3.4 mm，在规范容许范围。以上各结构层所受的影响在承受范围内。

由此可知：底层高程的误差，厚度不经松铺系数的调整，误差会向上一层传递，误差的正负值保持原有特征，高者恒高，低者恒低，但振幅会收窄。

误差振幅收窄量遵守以下规律：

H=L-L/S

H——上层结构底面接收下层机构传递的误差量；

L——下层误差量(高为+，低为-)；

S——结构层松铺系数，S>1。

可见，在底层大面平整，高程误差在+50 mm的情况下，采用3D摊铺技术进行路面结构层的施工，摊铺两层结构以上，误差传递到第二层顶面时，可以满足规范要求。可以结合松铺系数，采用设计高程计算松铺高程值进场施工控制，第三层基本没有影响。