数字化技术在高速公路施工中的应用探索——以山西太原某高速公路项目为例

苏晋东

(山西路桥第一工程有限公司，山西 太原 030006)

1 数字化技术概述

数字化技术作为智能技术的基础，主要包含了应用软件、系统软件等。针对信号处理中的数字滤波、加密、编码等，都需要借助数字化来实现，如图像数据量较大，数字化之后可方便存储[1]。针对数字化技术的实施，其主要的特点在于：①数字信号需要大规模集成电路，同时需要借助计算机来获取对应的数字信号，这样可以满足数字特技以及图像处理；②数字信号就是加工信号，加工对于存在杂波并且容易出现失真的外部环境具有较高的稳定性，这样也可以满足远距离传输的要求；③数字信号处理电路相对简单，没有传统模拟电路之中的各种调整，所以其电路工作相对稳定，技术人员就能提高节能工作量。

2 山西太原某高速公路项目数字化施工应用

2.1 工程现状

山西省太原市某高速公路项目地处太原东二环高速公路的凌井店至龙白段(即东二环高速)现已全线开工建设，预计2020年内建成通车。

该项目路线总体为南北走向，途经太原市阳曲县、晋中市寿阳县、榆次区共2市3县27个自然村，路线全长33.199 km，双向六车道，设计时速100 km/h。在起终点处，分别与京昆、青银两条国家高速公路交叉，其中，起点北接规划中的某一条高速公路，并与另一条高速公路十字交叉；终点南接某高速公路，还与一条高速公路十字交叉。

随着近年来施工工艺要求越来越高，传统的管理方式和施工控制方式对于施工质量的把控和施工进度的提高已经显得捉襟见肘，传统的管理手段存在很大的不确定性，体现如下：①软基处理问题，主要为检测不全面、全天候监测不到位、监测指标无法量化、计量方式精度低、施工数据报告滞后；②路基填筑问题，传统施工运用推土机粗平、平地机精平的施工工艺完成整平作业；③刷坡难度大，传统施工采用挖机粗略刷坡，人工精准修整的方式进行刷坡作业；④成本、质量控制问题，其主要表现在成本逐年攀升、质量无法精准控制、管理及组织方法不完善[2]。

2.2 项目应用情况

为有效解决该项目实施过程中的难点问题，其项目部特引进三套数字化施工系统如下。

1)北斗TX63挖掘机无桩化施工引导系统，主要针对道路施工中的边坡修整难点问题，在该项目的施工过程中存在着大量的边坡工程，边坡施工的精度要求是5～10 cm，对挖掘机操作手的要求非常高。传统边坡施工需要经验丰富的挖掘机操作手1名、引导员1名、打桩放样人员2名、检核测量人员1～2名，并且需要前期大量的计算、打桩放样的工作[3]。

应用TX63系统后，只需前期制作好电子数据，导入系统中。施工过程中可节省1名引导人员，配套使用LS7道路放检系统，可再节省1名检核测量人员，精度可控制在2～3 cm，且能够解决夜晚不可施工的问题，有效地降低了安全风险和劳动强度，工作效率大大提升。图1为现场安装实例。

图1 现场安装示意图

2)北斗T-D63推土机无桩化施工引导系统(以下简称TD63系统)，主要针对道路施工中的路基整平难点问题。在道路施工过程中存在大量需填挖方的路段，填挖方的平整度直接影响了后续工作，如压实、摊铺的开展。传统的路基整平施工中，进行清表后，首先要进行打桩定线，定出路基高程，后用推土机进行初步推平，再由平地机进行高程精度控制，工序较为繁琐，人员、工时投入量大。

在该项目中应用TD63系统后，只需前期制作好电子数据，导入系统中。精度可直接控制到2～3 cm，完全免除了平地机的工作，且无需前期打桩放样。只需1名推土机驾驶员、1名测量检核人员即可完成路基整平工作，大大减少了人员和时间的投入，提升了整体的施工效率和施工质量。同时，施工时长不再受夜晚光线影响，可真正做到24 h施工[4]。图2为现场安装实例。

图2 安装示意图

3)北斗TC63路基连续压实管理系统(以下简称TC63系统)，主要针对道路施工中的路基压实管控难点问题。传统道路施工中的压实环节一直面临着检测不全面、难以溯源、难以控制施工过程、施工报告滞后、全天候监测不到位等问题，由此带来的人力、时间成本的投入居高不下。

应用TC63系统后，可实现实时的施工质量管控，将传统的结果控制转变为实时过程控制，施工成果可溯源。平台和客户端实时输出压实轨迹、厚度、速度和压实遍数等压实数据参数，引导压实作业，现场及时有效地发现压实不合格区域，保证压实质量均匀性、提高检测合格率，缩短检测周期。

硬件设备安装完成后，只需在电脑上安装客户端软件即可通过后台搭建的信息化管理平台了解到现场工作的各项信息。客户端界面展示见图3。

图3 客户端界面展示

界面中可实时显示压路机的位置、工作速度、碾压遍数等信息，并可进行历史回放。通过颜色的差异可直观了解到压路机的工作状况，能够及时了解现场情况，对于降低返工风险，有着很大的意义。

后台也可直接生成施工报告，总结一段时间内的工作情况，对施工决策有着很大的指导意义。此平台后期还可集成到路面信息化平台中，支持多台压路机在线。

2.3 效益分析(以TX63系统为例)

经过一段时间的使用后，根据现场情况与传统施工的施工方法、人员、效率、费用、精度上进行了对比。

传统施工中，挖掘机在粗略削坡时，需要 测量人员用测量仪器引导挖机进行工作，粗略削坡结束后，测量人员开始打标准桩，然后在标准桩上拉一个坡度标准线，然后由人工根据标准线进行精准的修整坡度。最后，再由测量人员抽样检查坡度是否合格。

应用TX63系统后，由 GPS 基准站和挖掘机安装部件组成，系统工作时，安装在挖掘机机身的GPS接收机和数传电台通过接收GPS信号和基站发送的差分信号获得挖掘机实时的三维位置，然后通过安装在挖掘机大、小臂和回转上的传感器位置实时计算出挖掘机铲斗精确的 三维坐标，并将坐标信息传到安装在驾驶室里的控制箱，系统通过比较数字化三维设计基准模型与当前铲斗所处位置信息，以机器模拟图形、数值和声音信号等多种方式指示实际铲斗与目标工作面的相对位置，引导操作手精确施工。在传统施工工艺的基础上，TX63更加方便、快捷。

3 结束语

高速公路施工属于高度动态的过程，施工过程和施工管理都十分复杂，借助先进的数字化技术和手段提升施工效率、施工质量是高速公路建设者的共同追求。作为在山西应用数字化技术的重要项目，某高速公路项目在施工中引入数字化技术，使用多种数字化系统，彻底改变了传统的施工方式和手段，在施工效率、精度控制以及综合效益等方面和传统施工模式相比均有不同程度的提升，是未来优化高速公路施工技术的主要发展方向，真正实现了从传统施工方式到数字化施工的转变。随着现代高速公路要求施工逐步走向精细化，数字化施工及其控制系统在高速公路施工中的应用必然会越来越频繁，努力打造数字工程和智慧工程。当然，数字化技术的应用是一项长期性的艰巨任务，今后在高速公路施工中应持续完善并优化数字化技术的应用，确保能为交通建设提供强有力的技术支撑。

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