重庆山区桥梁面层应用3D摊铺技术的适用性研究

摘 要：当前3D摊铺技术由于其高精度、无人化和高效率等优势，在道路铺装得到广泛应用。然而，目前3D摊铺技术在桥面铺装的案例较少，在重庆这多山区地区的应用更少，限制3D摊铺技术在桥面沥青路面的发展。该文首先介绍3D摊铺技术的原理及核心技术，其次通过3D摊铺技术与传统摊铺在重庆在建五布河特大桥的应用对比，对2种摊铺方式的摊铺质量进行多尺度分析。结果表明，应用3D摊铺技术的路面均符合规范要求，其平整度、纵断高程差、横坡度和摊铺厚度又均优于传统摊铺路面，3D摊铺技术在重庆地区桥面沥青面层铺装具有良好的适用性。

关键词：3D摊铺；沥青路面；自动行走；山区；路面质量

中图分类号：U416.2 文献标志码：A 文章编号：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

重庆地处中国西南部山区，88.6%的土地被山地和丘陵所占据，形成了特殊的“三山夹两江”地形[1]。因此，为了满足经济发展和城市拓展的双重需求，重庆市积极发展城市交通项目，加快建设城市桥梁和隧道，以解决交通问题。

截至2022年，重庆地区道路桥梁共有36座，仅在2022年一年，建成道路桥梁2座，在建道路桥梁6座；穿两山道路隧道22座，在建穿两山道路隧道7座。未来，重庆地区的桥隧高速公路将继续大范围修筑。然而，重庆地区沥青路面容易出现早期病害，投入使用后的1～2年内即出现一定的病害问题，服役寿命短，对高速公路的通行质量和经济性带来严峻挑战[2]。近些年，三维数字模型逐步与施工技术相结合，3D数字化施工技术由此诞生，其中包括3D摊铺技术，实现熨平板的高精度自动调节[3-4]。Peyret等[5]基于在线动态差分技术与GPS技术对摊铺机工作装置进行实时定位，实现了道路摊铺平整度的实时监控。Liang等[6]设计了一种基于超声波测距技术的沥青摊铺机智能自动找平控制系统，通过实时超声波速度补偿获得较高的路面平整度测量精度；王超等[7]在研究后得出3D数字化自动摊铺控制系统可以提高沥青摊铺的精确度，保证沥青面层的平整度、厚度和均匀性。可见，3D摊铺技术应用于路面施工具有众多优势。

近些年，3D摊铺技术在常规路面施工上得到了认可，并被广泛应用。然而，对于3D摊铺技术在桥面沥青面层的案例较少，在类似重庆地区这种多山区地区桥面的应用更少。因此，本文从3D摊铺技术施工工艺和施工效果2个角度对使用3D摊铺技术的重庆五布河大桥（在建）部分施工段进行研究，以期后续为3D摊铺技术在桥面沥青施工的应用奠定部分基础。

1 山区公路3D摊铺核心技术

传统的摊铺机通过人工操纵，行车轨迹由驾驶员根据现场情况操作，但驾驶员很难实时监测摊铺轨迹、摊铺速度、摊铺高程和混合料温度等参数[8]。尤其在山区公路的施工中，由于其复杂的环境和工程特点，山区公路的摊铺难度更大，兼具由于人工在复杂环境的易疲劳性，施工误差加剧。近些年，在摊铺机上引入3D控制技术和施工管控技术，在结合GNSS-RTK技术和LaserZone技术的基础上，3D摊铺技术利用RTK水平精度和高程精度控制优势，实现了沥青混凝土路面高精度摊铺施工。

1.1 摊铺机运动规划技术

摊铺机运动规划技术是指通过合理的路径规划和运动控制策略，实现摊铺机在工程现场按照特定要求进行自主运动和施工操作。重庆山区里信号较差，导致常用导航较难应用，因而在摊铺机-压路机机群的运动规划中，采用了领航-跟随法。就是将一台摊铺机指定为领航者，第一台无人驾驶双钢轮振动压路机作为第二领航者，其余的压路机作为跟随者。领航摊铺机作为引导，通过机群编队设计和领航者的运动规划，引导机群实现整体运动规划。山区桥梁道路施工前，根据路径规划和施工要求，制定运动控制策略，包括速度控制、转向控制、加减速控制等，以确保摊铺机的稳定运动和精确施工。同时，摊铺机和压路机之间需要进行无线通信，共享运动规划和施工指令，实现机群的协同作业。第二领航者的无人驾驶双钢轮振动压路机，可在摊铺机后方巩固路面，与领航摊铺机保持适当距离，确保路面的平整度和质量，实现整个摊铺机-压路机机群的运动规划。图1为摊铺机-压路机机群运动规划示意图。

1.2 摊铺机引导技术

由于山区的桥梁路面施工线路较为复杂，加之人工误差和摊铺机械误差，导致山区路面较难实现精准摊铺。项目中，使用视觉算法和引导线来控制摊铺机路径可以帮助实现更精确地施工。将视觉摄像头安装在摊铺机上，并在未摊铺的路基一侧布置引导线。通过实时采集摊铺机与引导线之间的偏差，可以对摊铺机进行自主行驶控制，使其沿着指定路径行进。在直线工况下，行走轨迹误差应保持在4 mm以内。这意味着摊铺机在直线行驶时，距离引导线的偏差应控制在4 mm以内。在转弯工况下，行走轨迹误差应保持在12 mm以内。这意味着摊铺机在转弯时，距离引导线的偏差应控制在12 mm以内。相关的视觉算法和控制系统需要被精心设计和开发，同时需要注意系统设计、准确布置引导线和严格的误差限制，以确保施工的精度和质量达到要求。

1.3 雷达测厚技术

山区桥梁项目中，沥青混凝土铺装层平整度通常较差，所以摊铺过程中需要进行连续测厚。项目中，采用了地下雷达（Ground Penetrating Radar， GPR）技术。通过向下发射的电磁波在地表和地下介质的相互作用下发生反射，形成反射回波信号。高灵敏度设备可以接收和记录这些回波信号，并通过分析频谱、时延和波形等信号特征，来获得对新建路面深度、介质结构和性质等关键信息的判断。在山区桥梁沥青摊铺阶段，雷达测厚技术帮助监测山区桥梁路面的厚度和质量，确保道路建设符合设计标准。通过自动引导系统，可以实现更高效、准确地施工，以确保新建路面的质量和平整度。图2为摊铺机的自动引导示意图及其雷达测厚技术在摊铺阶段的应用。

2 工程实践

2.1 工程概况

以重庆市在建五布河特大桥工程为例，五布河特大桥位于重庆市巴南区东泉镇梨树村平滩桥码头附近，特大桥横跨五布河。五步河大桥左线起讫里程桩号为ZK23+961.664～ZK26+071.774，设计全长2 110.08 m，桥面设计标高383.043～424.073 m。右线起讫里程桩号为K23+961.664～K26+029.664，设计全长2 068 m，桥面设计标高383.043～423.224 m。两线纵坡1.95%，单幅净宽15.25 m。五步河大桥设计车道为双向六车道，沥青面层分为上下面层，沥青铺装厚度10 cm。以五布河特大桥K25+200～K25+600路段下面层沥青路面摊铺为研究对象。右幅路面采用传统摊铺施工方法，左幅采用3D摊铺施工。

2.2 3D摊铺及压实工艺

五布河特大桥K25+200～K25+600路段下面层沥青路面3D摊铺项目采用1台RP2205HD摊铺机一次性摊铺，路面宽度15.25 m，按照预估的拌合站生产能力，摊铺速度定为2.5 m/min，夯锤等级为450 r/min。在3D摊铺施工前，首先安装和校准车载设备，并利用水准仪和全站仪获取桥面的三维坐标数据。借助于3D数字化自动摊铺控制系统的各个组件，确保施工现场的设备正常且稳定地运行。通过已知点建立基站或进行后方交会建站时，需要注意棱镜与仪器之间的视线通畅以及施工设备对其的干扰。控制模式开启后，系统通过棱镜得到三维坐标数据，并输入至摊铺系统的控制箱中，继而生成高程修正信息。边控箱通过信号对熨平板进行修正。摊铺施工开始时，实时检测并调整桥面摊铺面的标高，稳定后，3D控制自动控制系统启动，每20 m进行一次检测和调整，360°棱镜不要被运输车辆和障碍物遮挡。

针对五布河特大桥桥面沥青下面层的压实工作，按照紧跟、慢压的原则，方案中使用了4台压路机，前3后3采用同进同退策略进行碾压。每台胶轮压路机都在前一台之后同步进行前进和后退，压路机之间存在重叠区域，以确保前后2个队伍能够及时消除彼此的停车轮迹，从而极大地提升施工的平整度。最后的压实工作由人工驾驶完成收面工作。根据中下面层的厚度和材料的不同，会相应调整车道重叠率和振动设置。五布河特大桥桥面下面层现场3D摊铺情况如图3所示。

2.3 3D摊铺施工质量分析

左右幅研究段的沥青桥面摊铺完成后，对2个研究段路面进行平整度、纵断高程差、横坡度和摊铺厚度实体质量检测。首先在摊铺厚度上，分别在2幅对应位置上共取18个芯样。规范要求路面设计厚度为60 mm的路面，实际摊铺厚度要大于等于56 mm，如图4所示，2种摊铺方式的摊铺厚度均符合要求，传统摊铺的芯样厚度标准差为2.36 mm，而3D摊铺的芯样厚度标准差仅为传统摊铺88.6%，由此可知，3D摊铺的摊铺厚度较传统摊铺稳定。在横坡度上，如图5所示，传统摊铺的横坡度曲线较3D摊铺变化大，3D摊铺的芯样厚度标准差为0.03 mm，而传统摊铺的芯样厚度标准差为0.05 mm，证实了3D摊铺的横坡度曲线较为稳定。在平整度上，规范要求中面层路面平整度要小于等于1.0 M/km，如图6所示，2种摊铺方式的平整度均符合要求，同时，3D摊铺的3个车道平整度值均低于传统摊铺，得益于3D摊铺系统对熨平板的高精度控制。

图7为中桩纵断高程差值曲线图，传统摊铺的中桩纵断高程差值曲线较3D摊铺波动大，3D摊铺的中桩纵断高程差值标准差为1.12 mm，而传统摊铺的中桩纵断高程差值标准差为1.27 mm。图8为边桩纵断高程差值曲线图，传统摊铺技术摊铺的边桩纵断高程差值曲线依旧较3D摊铺技术摊铺的波动大，3D摊铺的边桩纵断高程差值标准差为2.05 mm，而传统摊铺的边桩纵断高程差值标准差为2.65 mm。综合中桩和边桩纵断高程差值来看，边桩的纵断高程差值曲线均较中桩波动大。

3 结论

本文依托重庆市五布河特大桥工程，将3D摊铺技术应用在布河特大桥的下面层施工上，阐述了3D摊铺技术原理及核心技术，明确了3D摊铺技术在桥面铺装的施工工艺。选取了对应大桥铺装研究段，对3D摊铺技术与传统摊铺技术摊铺质量进行了对比分析。主要结论如下。

1）3D摊铺技术与传统摊铺技术均能保证路面厚度及平整度符合规范要求。

2）在3D摊铺高精度控制系统控制下，3D摊铺的路面的纵断高程差、横坡度和摊铺厚度的曲线波动幅度和数据标准差均小于传统摊铺。

3）3D摊铺的路面的平整度优于传统摊铺，3D摊铺技术的准确性和精密性均优于传统摊铺。

综上，3D摊铺在重庆地区桥面铺装具有良好的适用性。

参考文献：

[1] 钟韵，师敏.重庆市桥隧项目发展历程研究[J].项目管理技术，2020，18（1）：58-62.

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[8] 刘廷杰，张韬，徐卫峰.桥面沥青混合料高质量智能铺装施工技术应用[J].运输经理世界，2022（23）：78-80.