基于3D毫米GPS摊铺技术的京沪高速扩建工程路面结构关键参数提升研究

陈 军

(江苏省交通工程建设局 南京 210004)

0 引言

传统路面摊铺采用挂钢丝、机械式平衡梁、非接触式平衡梁、钢导梁等方式控制摊铺高程、横坡、平整度、厚度等指标[1-2]，存在控制精度不高，受人为、机械及环境因素影响大等缺点，从而影响了施工质量，且易造成路面材料的过度浪费；传统路面摊铺技术在施工前需划线放样，打设钢撅悬挂钢丝绳，或者安排人员逐段移动钢导梁作为基准面，这些工作均需要耗费大量的人力、物力，且会影响摊铺施工的连续性，因此研究采用新的摊铺技术改善以上弊端，可进一步提升高速公路路面的精细化施工水平。

3D毫米GPS摊铺控制系统作为近几年兴起的新型摊铺技术，通过结合卫星定位、激光高程测量、机械自动控制三项技术，可以准确控制结构层摊铺的标高，进而确保摊铺横坡、平整度、厚度，并在摊铺施工过程中实现自动化找平和摊铺，适应了当前路面摊铺施工精细化、智能化需求[3-7]。京沪高速公路沂淮淮江段扩建工程是贯穿江苏省南北的交通大动脉，重载车辆多，交通流量大，对路面质量提出了更高要求，因此在本项目的路面施工中引入3D毫米GPS摊铺控制系统，以期提升路面工程精细化施工水平，并为后续3D毫米GPS摊铺控制系统在高速公路新建、改扩建工程中的应用提供参考。

1 工程概况

京沪高速公路沂淮淮江段扩建工程全长259.5km，全线采用双向八车道高速公路标准扩建，采用沿既有公路两侧加宽为主、局部分离为辅的扩建方案，设计速度120km/h。主线路面结构方案为：主线既有老路第一、第二车道直接加铺4cm SMA-13；新拼宽建设的第三、第四车道路面结构为26cm沥青面层(4cmSMA-13、12cmSUP-20及10cmSUP-25)+38cm抗裂水稳基层+20cm水泥厂拌冷再生底基层，路面结构横截面见图1。其中本项目引进的3D毫米GPS摊铺控制系统应用在JHK-XZ21标合同段新拼宽建设的第三、第四车道的底基层、基层及面层，桩号为K710+000～K733+379.078；对比研究标段为JHK-SQ22标合同段，该标段新拼宽建设的第三、第四车道的底基层、基层及面层现场摊铺采用挂钢丝及非接触式平衡梁进行找平，桩号为K761+650～K789+458.997。

图1 路面结构横断面图

2 3D毫米GPS摊铺控制系统概述

本项目采用拓普康(Topcon)3D毫米GPS摊铺控制系统(以下简称3D摊铺)，由GNSS基准站、域激光发射器、mmGPS流动站和P63摊铺机自动控制系统4部分组成(图2)，该系统工作时，利用GNSS RTK技术对摊铺机熨平板平面位置进行厘米级实时定位，同时利用域激光对熨平板高程进行毫米级定位，实现对摊铺点的确认。P63摊铺机自动控制系统上安装的MC-R3 接收机对上述的GPS 差分信号和激光高程信息进行处理后，将三维数据传输给 GX-60 控制箱，控制箱将坐标数据与设计数据进行对比，生成对应的高程修正信息，再将修正信息生成对应的驱动信号发送至摊铺机控制系统，驱动液压阀摊铺机牵引臂液压油缸使熨平板调整方向，实现路面摊铺平整度、厚度等指标的精准控制，进一步提升摊铺施工的精细化程度[8-9]。

图2 3D摊铺控制系统组成

3 试验方案及现场检测数据分析

选取JHK-XZ21标合同段主线左幅K712+540～K713+600和JHK-SQ22标合同段主线左幅K766+600～K767+740作为典型试验段，其中左幅K712+540～K713+600新拼宽第三、第四车道的底基层、下基层、上基层、面层均采用3D摊铺工艺；左幅K766+600～K767+740新拼宽第三、第四车道底基层、下基层、上基层、下面层采用挂钢丝找平方式，中面层采用非接触式平衡梁找平方式。为了对比分析3D摊铺和传统路面摊铺方式对路面施工质量的影响，选取高程、横坡、厚度、平整度四个控制指标对拼宽新建的第三、第四车道基层顶、中面层顶进行评价分析，鉴于本项目还未大面积进行上面层施工，因此暂不对上面层摊铺施工质量进行对比。

3.1 水稳基层施工质量对比

3.1.1 高程偏差检测结果分析

两试验段水稳上基层施工后的高程偏差数据如表1，其中基层高程允许偏差范围为≥-10mm，≤5mm[10]。

表1 基层高程偏差

续表

由表1可知两种摊铺方式施工的水稳基层实际高程偏差均满足规范要求，其中采用3D摊铺的基层最大绝对值高程偏差为6mm，绝对值平均高程偏差2.9mm；挂钢丝摊铺的基层最大绝对值高程偏差为10mm，绝对值平均高程偏差4.9mm，即采用3D摊铺方式对高程控制的精度有所提高，进一步缩小了高程偏差，基本控制在-6～4mm范围内，保证了后续面层高程控制的准确性。

3.1.2 横坡检测结果分析

两试验段水稳上基层施工后的横坡数据如图3，基层横坡设计值为2%，允许偏差为±0.3%。

图3 基层顶横坡

由图3可知：两种摊铺方式施工的水稳基层顶横坡度均能满足规范要求，根据数据点连成的折线分布情况，3D摊铺工艺下，基层横坡均在2.0%附近波动，波动范围在1.98%～2.02%之间，误差控制在±0.02%范围内;挂钢丝摊铺工艺下，基层横坡在1.95%～2.05%之间，误差控制在±0.05%范围内，表明3D摊铺工艺在基层横坡指标控制上较挂钢丝摊铺更为精准。3D摊铺工艺下，基层顶横坡平均值为2%，标准差为0.01%;挂钢丝摊铺工艺下，基层横坡度平均值为2%，标准差为0.034%，两种摊铺方式下横坡均能满足规范允许偏差要求，但3D摊铺对横坡控制的精度更高，且整体较稳定。

3.1.3 厚度检测结果分析

考虑到摊铺厚度受下承层平整度的影响较大，因此对K712+540～K713+600和K766+600～K767+740这两段底基层顶按每隔100m频率进行平整度检测，检测数据如图4，规范要求底基层平整度≤12mm。

图4 底基层平整度

从图4中可知，这两段底基层顶的平整度均能满足规范要求，数据点形成的折线基本重叠，其中3D摊铺后底基层顶平整度平均值为7.2mm，挂钢丝为7.1mm，两个段落底基层平整度基本相当。在下承层平整度基本相当的情况下，下面进一步对比分析3D摊铺与挂钢丝摊铺的基层施工厚度变异情况，为此分别对K712+540～K713+600和K766+600～K767+740这两段每隔100m进行钻孔取芯量测芯样厚度，上下基层总厚度检测数据如图5，其中基层设计厚度为380mm，厚度容许负偏差为-10mm。

图5 基层厚度

由图5可知：两种摊铺方式施工的水稳基层厚度均能满足规范要求，根据数据点分布情况，3D摊铺工艺下，基层厚度数据点基本集中在设计厚度380mm水平线附近，离散性相对较小，表明在施工过程中厚度控制较为稳定；3D摊铺工艺下，基层厚度平均值为379mm,与设计厚度偏差为-0.26%，标准差为2.52mm ;挂钢丝摊铺工艺下，基层厚度平均值为391mm,与设计厚度偏差为2.9%，标准差为5.43mm，即采用 3D摊铺工艺后基层实际厚度与设计厚度较为接近，且厚度均匀性较好，因此3D摊铺可有效控制基层摊铺厚度，减少基层超厚情况发生，保证后续沥青面层的厚度和标高的准确性。

3.1.4 平整度检测结果分析

采用3m直尺分别对K712+540～K713+600和K766+600～K767+740这两段基层每隔100m进行平整度检测，基层平整度检测数据如图6，规范规定基层平整度≤8mm。

由图6可知：两种摊铺方式施工的水稳基层平整度均能满足规范要求，根据数据点分布情况，3D摊铺工艺下，基层平整度数据点均在4.5mm以内；挂钢丝摊铺工艺下，基层平整度数据点在5～6mm之间，这表明3D摊铺工艺的基层平整度指标较挂钢丝摊铺工艺有一定程度的提升。3D摊铺工艺下，基层平整度平均值为4mm,标准差为0.33mm;挂钢丝摊铺工艺下，基层平整度平均值为5.6mm，标准差为0.35mm，即采用3D摊铺工艺后，得益于激光控制绝对高程的精准性，水稳基层的平整度较好，基层顶更加平整，有利于后续在面层进一步调整平整度，保证路面通车后的舒适性。

3.2 沥青面层施工质量对比

3.2.1 高程检测结果分析

两试验段沥青中面层施工完成后的高程偏差数据如表2，高程允许偏差范围为±15mm。由表2可知：两种摊铺方式施工的中面层实际高程偏差均满足规范要求，其中采用3D摊铺的中面层最大绝对值高程偏差为4mm，绝对值平均高程偏差2.3mm；非接触式平衡梁摊铺完成的中面层最大绝对值高程偏差为10mm，绝对值平均偏差4.3mm，即采用3D摊铺方式对高程控制的精度有所提高，进一步缩小高程偏差，基本控制在±4mm范围内，能够有效保证老路第一、第二车道与新拼宽的第三、第四车道中面层的顺接，减少拼接处“错台”的情况，提升路面面层拼接质量。

表2 沥青中面层高程偏差

3.2.2 横坡检测结果分析

两试验段沥青中面层顶施工后的横坡检测数据如图7，中面层顶横坡设计值为2%，允许偏差为±0.3%。

由图7可知：两种摊铺方式施工的中面层顶横坡度均能满足规范要求。根据数据点连成的折线分布情况，3D摊铺工艺下，中面层顶横坡均在2.0%附近波动，波动范围在1.99%～2.01%之间，误差控制在±0.01%范围内，非接触式平衡梁摊铺工艺下，中面层顶横坡数据点在1.95%～2.05%之间，误差控制在±0.05%范围内，这表明3D摊铺工艺在中面层顶横坡指标控制上较非接触式平衡梁摊铺更加精准；3D摊铺工艺下，中面层顶横坡平均值为2%，标准差为0.01%;非接触式平衡梁摊铺工艺下，中面层顶横坡度平均值为2%，标准差为0.033%，两种摊铺方式下横坡度均能满足规范允许偏差要求，但3D摊铺对横坡控制的精度显著提高，且整体较稳定。

图7 中面层顶横坡

3.2.3 厚度检测结果分析

分别对这两段每隔100m进行钻孔取芯量测芯样厚度，下面层及中面层总厚度检测数据如图8，下面层及中面层设计总厚度为22cm。

由图8可知：3D摊铺工艺下，面层厚度平均值为219mm,与设计厚度偏差为-0.54%，标准差为3.76mm ;挂钢丝摊铺工艺下，面层厚度平均值为225mm,与设计厚度偏差为2.27%，标准差为7.24mm，即采用 3D摊铺工艺后面层实际厚度与设计厚度较为接近，且厚度均匀性要优于非接触式平衡梁摊铺工艺，因此3D摊铺可有效控制面层总厚度，进一步缩小与设计厚度的偏差，减少路面材料的用量，节约工程造价。

图8 面层厚度

3.2.4 平整度检测结果分析

采用连续式平整度仪分别对这两段沥青中面层每隔100m进行平整度检测，中面层平整度检测数据如图9规范规定中面层平整度≤1mm。

由图9可知：两种摊铺方式施工的中面层平整度均能满足规范要求，3D摊铺工艺下，中面层厚度平均值为0.700mm，标准差为0.055mm；非接触式平衡梁摊铺工艺下，中面层平整度平均值为0.805mm，标准差为0.079mm。对比平整度的平均值和标准差可以得出，采用3D摊铺工艺后中面层的平整度及离散性均变小，中面层顶更加平整，而且本项目施工过程中涉及到半幅封闭施工，半幅完成至中面层顶后临时双向通车的情况，平整度更好的中面层无疑会给司乘人员带来更好的行车体验，同时也有利于对后续整体加铺4cm厚上面层的平整度进行控制。

图9 中面层平整度

4 结论

(1)3D摊铺工艺采用定位系统及激光测量系统可以实现标高的精准控制,相对传统的挂钢丝、非接触式平衡梁摊铺方式，可以缩小基层顶及中面层顶平均2mm的高程偏差；在控制标高的基础上，基层顶和中面层顶的横坡控制误差范围进一步缩小，横坡控制精度更高，基层顶及中面层顶的厚度与设计厚度较为接近，且厚度均匀性和平整度更好，基层顶及中面层顶更加平整，行车舒适性得到提高。

(2)针对两侧拓宽的高速公路改扩建方式，减少新老路面拼接处的高差，实现面层顺接，对提升拼接质量至关重要，因此建议从基层到面层全部使用3D摊铺工艺，实现高程的精准控制，减少新老面层“错台”现象的发生，提升路面拼接质量。

(3)通过使用3D摊铺工艺可以减小各层实际厚度与设计厚度的偏差，满足设计和规范要求，并控制各层超厚情况的发生，减少路面材料用量，节约工程造价。

(4)路面施工正逐步从人工加机械的半自动化向高度自动化发展，未来将对3D毫米GPS摊铺控制系统与物联网、大数据、5G技术结合的可能性进行探讨，以期实现摊铺设备与碾压设备的高度联动，进一步提升路面施工智能化管控水平。