沥青混凝土路面3D摊铺技术应用.pdf

总651期2023年第21期（7月 下）0 引言高等级沥青混凝土路面摊铺高程精度要求达到毫米级，水平精度要求达到厘米级，常用的实时动态差分技术（Real-time kinematic，RTK）无法达到这种质量要求。而结合 GNSS-RTK 技术和 Laser Zone 技术优势，并充分利用RTK的水平精度和激光高程精度控制原理的3D数字化摊铺智能控制系统能够较好地满足高速公路沥青混凝土路面摊铺施工质量及精度要求。本文依托具体工程对3D数字化摊铺智能控制系统的应用要点进行分析，可为同类工程提供参考。1 3D摊铺技术原理3D数字化摊铺智能控制系统属于光机电液一体化智能控制系统，从硬件组成来看，其主要包括 GNSS基准站、毫米级GPS流动站、测量系统及数据处理软件。该摊铺智能控制系统能精准控制摊铺机施工，并能进行熨平板实时定位，确保整个摊铺施工过程的自动化。3D 摊铺技术在结合 GNSS-RTK 技术和 LaserZone技术的基础上，借助RTK水平精度及高程精度控制优势，完成沥青混凝土路面高精度摊铺施工。其工作流程为：1）依托原路面数据或设计图构建起三维电子数据，并导入至GX-60控制箱（见图1）；2）通过RTK测算出摊铺机熨平板具体位置，并相应得出该位置的设计高程电子数据；3）由激光接收装置获取该电子数据后反馈至控制器内；并由控制器运算后得出高程实际值与设计值之差，转换成相应的电信号后驱动摊铺机电磁阀工作；4）调整熨平板摊铺角度，以便在23个摊铺机车身行程内将标高调整至设计水平。图1 摊铺面控制及导入系统1.1 GNSS-RTK技术全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）基于被动式测距理论，在卫星沿着设定轨道高速运行的过程中，必须借助该系统定位信号测量出卫星和测站之间的距离，根据实时卫星导航电文解算出具体时刻卫星空间坐标，在空间后方交会原理的指导下推算出GNSS接收机的所在位置1。根据测距原理，可以将GNSS技术定位方式分为伪距测量定位和载波相位测量定位两种。而RTK技术为动态定位差分技术，能对两个测站载波相位观测值展开实时处理，即将基准站采集到的载波相位信号发送至用户接收机，求差后解算坐标。目前，工程领域使用的RTK技术水平及垂直标称精度可分别达到10 mm+1 ppm和20 mm+1 ppm。1.2 Laser Zone技术依托Laser Zone技术的激光发射器发出激光波后形成三维立体空间，激光波按照10 的上下垂直角度发射后形成扇形发射面，上下5 m范围内的激光精度有保证，且在这个空间范围内激光接收装置能较好地接收信号。按照图2所示工作原理，在已知点位架设激光发射器，并测量架设后仪器的高度，推算出激光发射轴水平面实际高程；根据接收器两次接收的激光波时间收稿日期：2022-10-10作者简介：徐丽娟（1984），女，工程师，从事公路桥梁建设管理相关工作。沥青混凝土路面3D摊铺技术应用徐丽娟（景德镇市公路事业发展中心昌江分中心，江西 景德镇 333000）摘要：针对常规沥青混凝土路面摊铺施工存在的人为误差，提出了3D摊铺技术应用的可行性，并在概述3D摊铺技术原理的基础上，对该技术的工程应用要点及应用效果进行分析。应用效果检测对比表明，3D摊铺技术在沥青混凝土路面平整度、高差、横坡度、摊铺厚度等方面均明显优于常规摊铺基准线法，应用前景十分广阔。关键词：沥青混凝土路面；3D摊铺技术；平面控制网中图分类号：U416文献标识码：B8交通世界TRANSPOWORLD差，反算出发射轴面接收位置的相对高差，进而得出接收器具体高程2。图2 Laser Zone激光发射器工作原理2 3D摊铺技术的应用某新建高速公路段位于我国南方高温多雨地区，起讫桩号为 K8+561K20+440，线路全长 11.879 km，考虑该公路段地理位置特殊、交通量巨大，建成后必将成为连接相邻区域的交通要道，因此，对公路沥青路面平整度、抗渗性、耐久性及使用寿命等均有较高要求。为保证施工质量和进度，公路管理部门决定采用3D摊铺技术，在正式施工前选取桩号K9+000K9+499段和K9+500K9+999段分别展开常规摊铺施工和3D摊铺施工，并比较两种施工效果。2.1 控制系统建立在摊铺施工前建立高精度施工控制网，并结合公路沥青路面施工技术规范（JTG F402019）及设计，该路段沥青路面摊铺精度应达到2 mm/4 m。因此，应采用二等水准高程控制网和三等GPS平面控制网+一等导线组合的布网格局。其中，平面坐标系统采用工程独立坐标系统，分别以测区平均精度和平均高程为中央子午线和投影高程，同时进行已有高等级控制点联测以构建独立坐标系统。在与线路边缘相距1030m的两侧开阔、通视区域布置控制点，控制点布设间距为150200 m，为确保高程起算点连续、稳定、高精度，应在控制网内同时设置3个深埋水准基点点位，作为摊铺施工中及施工后高程复测、维护的起算基准。水准基点还应设置观测墩，并埋入地下0.5 m处，同时在观测墩下部距离地面1015 m深处打设圆桩基础。为降低建网难度和费用，在保证测控精度的基础上，使平面控制点和高程控制点同点。依据工程测量规范（GB 500262014）确定水准基点、控制点尺寸规格后结合工程地形地质实际现场浇筑。临时点应打设钢钉直接布设，当摊铺一层沥青或碎石料后临时点遭到破坏，则应二次打设钢钉，同时通过电子水准仪、全站仪等采集数据，保证临时点布设准确。2.2 设备安装调试在设计摊铺区域5 000 m半径内架设基准站，架设位置必须具备良好的通视条件。毫米级GNSS发射器高差10 m、有效半径200 m，因此，其架设时除应满足防振、通视等要求外，还必须架设于控制网点上，与摊铺现场的距离位于10150 m之间，精确校核仪器高度和水准点高程后启动。启动后毫米级GNSS流动站校核控制网中控制点坐标至少为4个，结合设计数据展开校核及精度评估。该沥青混凝土路面施工采用基于莱卡测量系统的3D摊铺施工技术，其3D摊铺自动控制系统包括三维定位系统、车载控制系统、辅助软件系统等部分。1）若施工点采用单台单套3D摊铺机施工，三维定位系统配置2台Leica Robot61全站仪；若施工点采用2台套3D摊铺机施工，则配置3台同型号全站仪。2）每台套3D摊铺机车载控制系统主要由MPC1310主控制器1台、MOBA-Matic变控手柄2台、360 棱镜2个、横坡传感器1个、车载电台2台、接线盒及线缆2个组成。3）根据全站仪配套数量确定每个 3D 摊铺施工点ICON Site Software辅助软件系统的匹配量，至少1套。2.3 数据采集及处理2.3.1 平面控制网平面控制网测量时应选择间距500700 m的控制点展开GPS静态观测，并依托观测结果对其余控制点加密测量。按照四等规范施测要求，GPS静态观测使用46台GPS双频接收机展开，测量控制网为四等，固定误差不高于5.0 mm，比例误差系数不高于2.0 mm/km，约束点间边长相对中误差为1/100000，约束平差后最弱边边长相对中误差为 1/70000，基线方位角中误差为2.0”；测量作业技术要求见表1。而全站仪加密测量在GPS静态观测的基础上按照一级导线施测以构成附和导线，次级控制网导线测量起闭点为首级控制点，施测全站仪标称精度不低于2 mm2 ppm；导线边长测量时竖直角和距离均往返观测两个测回；导线水平角观测精度应满足表2规定。表1 测量作业技术要求控制网等级四等卫星截止角高度/15有效卫星数/个4观测时段间隔/min12时段长度/min45接收机采样间隔/s1030位置精度强弱度10表2 导线水平角测量技术要求控制网等级次级网全站仪等级DJ1DJ2测回数/回24半测回归零差/”68同向观测时盘左盘右测量角度值之差/”914同方向各测回间较差/”699总651期2023年第21期（7月 下）GPS静态观测应采用广播星历进行GPS基线解算。通过LGO7.0商用软件的静态定位模式和多基线向量双差求解模式展开数据处理。在结束外业观测后选择大地四边形构网图形，处理和分析观测基线，并检查基线质量。解算全部基线并分析精度后，选取基线形成独立的基线环，并进行基线网整体平差。应用商用软件展开GPS静态观测网平差及高斯投影转换，基于已经得出的成果，平差处理全站仪加密一级附和导线。2.3.2 高程控制网通过二等水准先测量水准基点，再测量高程控制网，测量结果的 1 000 m 水准测量偶然中误差不大于1.0，1 000 m水准测量全中误差不大于2.0，已测段高差限差、附合水准路线或环线闭合差分别为6L和4L，L为已测段、附合水准路线或环线长度。待结束水准测量后计算各点间高差，并应用南方平差易软件进行高程控制网平差，最终得出各测点高程值。2.4 3D摊铺控制将摊铺机标尺置于设定位置后预热3060 min，使熨平板温度升高至 100 及以上，调整摊铺机下方垫块，使其厚度同松铺厚度，并保证熨平板稳固支承其上；调整好熨平板仰角和拱度后开启摊铺机，并将振级设定为四级，手动摊铺610 m长度后调节为3D自动摊铺控制模式。摊铺施工前必须在接料斗内壁均匀涂抹薄层防黏液，料车与摊铺机接料斗中心对齐后以空挡停置于摊铺机前方1030 cm处，在摊铺机的推动下前行卸料。必须选用生产能力与摊铺机摊铺速度相适应的沥青混凝土拌和设备，以确保摊铺施工过程匀速、连续展开。考虑 23 m/min的设计摊铺速度，该沥青路面采用设计生产能力278 t/h的拌和楼，如遇供料紧张的情形，应采用设计范围的最低限，但是遇到较长的供料断档时，必须暂停摊铺并设置施工缝。为保证摊铺施工开始后熨平板、机体、夯锤等部件温度与混合料温度接近，摊铺机起步后的5 m内应采用1 m/min的摊铺速度，超过5 m后应将摊铺速度提升至设计值。3 应用效果检测在 K9+000K9+499 段和 K9+500K9+999 段摊铺碾压施工结束后分别展开高程、平整度、横坡度及厚度检测，根据检测结果，相应公路段常规摊铺施工方式下高差位于-30.122.8 mm之间，3D摊铺控制施工段高差位于-9.210.2 mm之间；常规摊铺方式下横坡度位于-1.91%2.24%之间，3D摊铺施工段横坡度位于-1.96%2.14%之间；常规摊铺方式及3D摊铺控制施工段摊铺厚度分别位于170192 mm和174186 mm之间。可见，传统摊铺施工过程中采用的基准线法高差控制波动大，主要原因在于基准线对摊铺施工存在较大扰动，而3D摊铺施工则能有效避免这种情况；传统摊铺过程中基准线法施工的横坡度检测结果波动较大，表明试验段横坡度控制不好，而3D摊铺施工横坡度波动幅度小，控制有序；最后，在摊铺厚度控制方面，3D摊铺技术控制效果明显优于传统摊铺基准线法。4 结束语综上所述，3D摊铺技术取代了常规施工中的人为操作，能有效避免可能产生的各种操作误差。在管理方面，可通过信息自动采集与存储，随时随地、精准无误，解决沥青混凝土路面摊铺施工中各类问题，并使传统施工工艺中存在的工、料、机等劣质质量成本降至零，提升公路工程的社会效益和经济效益。3D摊铺技术属于数字化施工范畴，通过该技术的推广应用，还能借助平台将施工过程中相关质量参数有机联系起来，借助云存储、大数据，实时调阅查看，实现沥青混凝土路面施工中各方协同管理以及全智能和数字化施工。参考文献：1 赵琦，赵帅，王超.3D摊铺技术在沥青混凝土路面施工中的运用J.电子技术与软件工程，2022（15）：232-235.2 曹妍，孙明祥，王芮文.基于3D技术的路基整平和路面摊铺协同控制技术的研究J.黑龙江交通科技，2022，45（2）：18-20.3 顾江鸣，邹文军，白伟华，等.3D智能数字化摊铺技术在溧高高速公路路面施工中的应用J.工程质量，2021，39（2）：65-68.4 赵秀娟.3D数字化智能控制技术在沥青路面下面层摊铺施工中的应用研究J.工程建设与设计，2021（2）：139-140.5 梁家心.路面沥青摊铺3D测量控制技术应用分析J.西部交通科技，2020（1）：27-29.10