路面基層施工精度研究

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0引言

公路工程中，路面水穩(wěn)基層的攤鋪質(zhì)量對(duì)道路整體的服役狀態(tài)有很大影響，尤其體現(xiàn)在攤鋪厚度、縱斷面高程、橫坡度及平整度等攤鋪指標(biāo)方面[1-2]，這對(duì)路面的攤鋪技術(shù)及其工藝精度提出了較高要求。現(xiàn)有路面攤鋪質(zhì)量主要以傳統(tǒng)攤鋪機(jī)平衡梁以及人工檢查的方式控制，不僅在宏觀攤鋪厚度和平整度方面的局限性較大，而且對(duì)施工過程的攤鋪尺寸不能做到精準(zhǔn)把控，造成攤鋪質(zhì)量的穩(wěn)定性不足，同時(shí)現(xiàn)有的檢測(cè)手段均屬于事后檢測(cè)與點(diǎn)檢測(cè)，無法實(shí)現(xiàn)攤鋪過程控制。隨著科技的不斷發(fā)展和各領(lǐng)域研究成果的交叉應(yīng)用，路面施工技術(shù)也不斷推陳出新。數(shù)字化施工可提高道路工程施工質(zhì)量水平和施工效率，可較好滿足當(dāng)今道路工程建設(shè)迫切追求的質(zhì)量和效益目標(biāo)要求。3D攤鋪技術(shù)通過運(yùn)用精準(zhǔn)定位、自動(dòng)控制及可視化等技術(shù)，將路面攤鋪施工全過程進(jìn)行數(shù)字化與智能化改進(jìn)，成為路面數(shù)字化施工技術(shù)中的重要組成內(nèi)容，在實(shí)體工程中的成功應(yīng)用案例逐年增多[3-6]。然而，我國對(duì)3D攤鋪技術(shù)的應(yīng)用仍處于初級(jí)探索階段，盡管在江蘇寧宣高速、廣西樂百高速、深圳外環(huán)高速等工程中進(jìn)行了規(guī)模化應(yīng)用，但研究重點(diǎn)依然停留在操作流程、適用條件及施工工藝等基礎(chǔ)層面，對(duì)過程數(shù)據(jù)及檢測(cè)結(jié)果的分析未展開深入研究[7-10]，因此對(duì)3D攤鋪技術(shù)的工藝優(yōu)化及其過程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的研究具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

13D攤鋪智能控制技術(shù)

1.13D攤鋪技術(shù)簡(jiǎn)介

路面3D攤鋪施工技術(shù)的應(yīng)用主要包括兩類，一是以全站儀測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)，二是以GPS測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)。主流的技術(shù)品牌均來自國外，其中最具有代表性的技術(shù)品牌分別為德國品牌徠卡（Leica）以及日本品牌拓普康（Topcon）。綜合考量經(jīng)濟(jì)因素及工程條件，本文依托工程采用徠卡（Leica）3D攤鋪技術(shù)。徠卡（Leica）3D攤鋪控制系統(tǒng)主要由自動(dòng)全站儀、機(jī)載控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理軟件組成。其核心思路在于通過對(duì)原地面高程數(shù)據(jù)的大范圍測(cè)量，運(yùn)用數(shù)據(jù)處理軟件獲得施工三維模型，將設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到機(jī)載控制系統(tǒng)，然后根據(jù)三維模型，攤鋪機(jī)在規(guī)定的區(qū)域進(jìn)行攤鋪?zhàn)鳂I(yè)。施工期間，自動(dòng)全站儀實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)備?a href="http://www.wanruchu.com/fanwen/40251.html" target="_blank">精度是否與模型數(shù)據(jù)吻合，進(jìn)而動(dòng)態(tài)調(diào)整攤鋪機(jī)姿態(tài)，保證施工順利進(jìn)行。自動(dòng)全站儀既可以作為跟蹤測(cè)量?jī)x器，對(duì)攤鋪機(jī)作業(yè)時(shí)的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤，又可以作為檢測(cè)測(cè)量?jī)x器，根據(jù)模型數(shù)據(jù)隨時(shí)對(duì)攤鋪機(jī)的姿態(tài)監(jiān)控進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。根據(jù)攤鋪機(jī)數(shù)量的不同，匹配的自動(dòng)全站儀數(shù)量有所區(qū)別。采用單機(jī)攤鋪時(shí)，用于跟蹤測(cè)量的全站儀不應(yīng)少于2臺(tái)，用于檢測(cè)測(cè)量的全站儀不應(yīng)少于1臺(tái)；采用雙機(jī)聯(lián)鋪時(shí)，用于跟蹤測(cè)量的全站儀不應(yīng)少于3臺(tái)，用于檢測(cè)測(cè)量的全站儀不應(yīng)少于1臺(tái)。可以說，自動(dòng)全站儀是保證攤鋪層位平整度與攤鋪厚度的重要核心設(shè)備。機(jī)載控制系統(tǒng)主要包括360°棱鏡、主控制器、桅桿、衛(wèi)星定位接收機(jī)、傾角傳感器、數(shù)傳電臺(tái)、橫坡傳感器等，機(jī)載控制系統(tǒng)組成及安裝位置見圖1[6]。數(shù)據(jù)處理軟件具有錄入道路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、里程樁坐標(biāo)的功能，可進(jìn)行3D建模，并輸出里程樁坐標(biāo)文件、施工線形文件、施工模型文件及檢測(cè)模型文件。1.23D攤鋪技術(shù)施工流程3D攤鋪技術(shù)施工流程主要包括施工前準(zhǔn)備操作、施工過程質(zhì)量控制及施工結(jié)束控制，本文以徠卡（Leica）3D攤鋪技術(shù)為應(yīng)用技術(shù)，流程操作見圖2。

1.2.1施工前準(zhǔn)備操作

（1）3D攤鋪施工前，按每10m劃分一個(gè)斷面，每個(gè)斷面取3個(gè)點(diǎn)測(cè)量下層的標(biāo)高數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)下層的測(cè)量數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，利用3D攤鋪輔助軟件進(jìn)行三維建模，生成里程樁坐標(biāo)文件、施工線形文件、施工模型文件和檢測(cè)模型文件。

（3）將里程樁坐標(biāo)文件、施工線形文件、施工模型文件導(dǎo)入機(jī)載控制系統(tǒng)。

（4）布置自動(dòng)全站儀位置，根據(jù)單機(jī)攤鋪或雙機(jī)聯(lián)鋪的全站儀數(shù)量，將全站儀置于攤鋪道兩側(cè)，保證自動(dòng)全站儀與360°棱鏡間的通視性要求。

1.2.2施工過程質(zhì)量控制

（1）根據(jù)跟蹤全站儀與360°棱鏡間的通視性要求，提前設(shè)置跟蹤全站儀的轉(zhuǎn)站點(diǎn)，保證跟蹤與接收設(shè)備距離控制在300m以內(nèi)。

（2）攤鋪機(jī)校準(zhǔn)前水平放置，在熨平板下墊20cm方木以調(diào)整進(jìn)料仰角，待攤鋪機(jī)處于攤鋪工作狀態(tài)后，將左右桅桿調(diào)節(jié)至豎直狀態(tài)；攤鋪機(jī)行進(jìn)的前3～5m進(jìn)行攤鋪數(shù)據(jù)校驗(yàn)，當(dāng)攤鋪精度達(dá)到規(guī)定要求后進(jìn)入自動(dòng)控制攤鋪。

（3）自動(dòng)控制攤鋪階段，跟蹤全站儀自動(dòng)跟蹤攤鋪機(jī)，管理好現(xiàn)場(chǎng)的車輛、人員，保證發(fā)射與接收器的通視。（4）檢測(cè)全站儀對(duì)路面鋪面高程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)。檢測(cè)數(shù)據(jù)正常時(shí)，跟蹤全站儀通過數(shù)傳電臺(tái)與機(jī)載控制設(shè)備保持通信，自動(dòng)調(diào)節(jié)攤鋪機(jī)姿態(tài)；檢測(cè)數(shù)據(jù)異常時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)主動(dòng)通過機(jī)載控制系統(tǒng)調(diào)整，消除誤差要求后方可繼續(xù)攤鋪。（5）隨著攤鋪機(jī)的作業(yè)前進(jìn)，開展轉(zhuǎn)站工作。檢測(cè)全站儀可代替跟蹤設(shè)備進(jìn)行交替轉(zhuǎn)站，使攤鋪不間斷作業(yè)，保證攤鋪的連續(xù)性。1.2.3施工結(jié)束控制攤鋪?zhàn)鳂I(yè)完成后應(yīng)及時(shí)采集已鋪路段數(shù)據(jù)，并進(jìn)行攤鋪質(zhì)量檢測(cè)，確保基本施工質(zhì)量。

23D攤鋪基層施工試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1工程概況

哈肇高速是黑龍江省高速公路網(wǎng)中的“射8線”，同時(shí)也是西向出省的主要干線公路。哈肇高速主線全長(zhǎng)119.779km，建設(shè)里程116.904km。工程地處我國東北部，具有氣候寒冷、施工工期短、建設(shè)任務(wù)重等特點(diǎn)，為優(yōu)質(zhì)高效完成項(xiàng)目建設(shè)，通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析研究，采用3D攤鋪智能控制技術(shù)施工，并在路面基層開展試點(diǎn)應(yīng)用研究。現(xiàn)場(chǎng)施工如圖3所示。

2.2試驗(yàn)方案

2.2.1方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇哈肇高速工程A5標(biāo)，試驗(yàn)段位于K42+500～K42+700段，全長(zhǎng)200m。左幅采用3D攤鋪技術(shù)，右幅采用傳統(tǒng)攤鋪方法，攤鋪方式均采用雙機(jī)連鋪方式。攤鋪順序?yàn)橄冗M(jìn)行3D攤鋪施工，后進(jìn)行傳統(tǒng)攤鋪施工。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，攤鋪厚度設(shè)計(jì)值為25cm，路面設(shè)計(jì)寬度為整體式17m。按照《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTGF80/1—2017）的要求，對(duì)試驗(yàn)段攤鋪層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，實(shí)測(cè)項(xiàng)目為攤鋪厚度、縱斷高程、橫坡度以及平整度，檢測(cè)頻率及位置要求見表1。

2.2.2機(jī)械設(shè)備配置

3D攤鋪試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)配置一套3D攤鋪測(cè)量控制設(shè)備，包括MPC1310主控制器、MOBA-Matic控制手柄、360°棱鏡及桅桿角度傳感器、車載電臺(tái)、接線盒以及線纜。鋪面高程檢測(cè)采用人工手持360°棱鏡，布設(shè)兩臺(tái)跟蹤全站儀與一臺(tái)檢測(cè)全站儀，具體內(nèi)容及功能見表2。

2.2.3注意事項(xiàng)

（1）3D攤鋪技術(shù)在攤鋪起步階段與傳統(tǒng)攤鋪方式相同。以攤鋪設(shè)計(jì)高度為準(zhǔn)，基于攤鋪機(jī)的經(jīng)驗(yàn)值將標(biāo)尺調(diào)整到合適位置，待攤鋪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定且確認(rèn)攤鋪面與設(shè)計(jì)面相符后開啟系統(tǒng)自動(dòng)控制，開始進(jìn)行攤鋪機(jī)的自動(dòng)化作業(yè)。同時(shí)注意到，3D攤鋪施工起步約5m內(nèi)，仍然需要人工撒料補(bǔ)厚，因此起步階段有必要人工進(jìn)行攤鋪機(jī)姿態(tài)的校準(zhǔn)、調(diào)整工作。

（2）攤鋪穩(wěn)定后，可實(shí)時(shí)檢測(cè)攤鋪面的標(biāo)高并進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合拌和、運(yùn)輸能力合理確定攤鋪機(jī)攤鋪速度，確定適宜的夯錘振搗等級(jí)和熨平板振動(dòng)頻率，在此基礎(chǔ)上確定具體的松鋪系數(shù)。各項(xiàng)攤鋪參數(shù)一經(jīng)固定，均不得隨意調(diào)整、改變。

（3）試驗(yàn)段所采用的攤鋪機(jī)型號(hào)、性能、攤鋪系數(shù)均應(yīng)保持一致。攤鋪機(jī)的攤鋪速度、松鋪系數(shù)、攤鋪厚度等參數(shù)輸入3D攤鋪控制系統(tǒng)，由3D攤鋪控制系統(tǒng)確定布料器的具體高度。

33D攤鋪施工精度分析

3.1施工精度分析

精度是用以表征測(cè)量誤差范圍和測(cè)量可信度的一個(gè)量，通常情況下可解釋為被測(cè)量的測(cè)得值與其真值間的最大差異。為提高測(cè)量結(jié)果的精度，測(cè)量設(shè)備或儀器的精度與測(cè)量精度是重點(diǎn)把控的對(duì)象，其中，測(cè)量設(shè)備的精度對(duì)測(cè)量結(jié)果具有決定作用，測(cè)量精度同樣受到設(shè)備、儀器的影響。對(duì)此，本文對(duì)攤鋪設(shè)備及相關(guān)試驗(yàn)的測(cè)量設(shè)備在作業(yè)、檢測(cè)前進(jìn)行了精準(zhǔn)調(diào)試，以確保試驗(yàn)設(shè)備對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響達(dá)到最小。測(cè)量精度主要包括兩方面內(nèi)容。一方面是測(cè)量的準(zhǔn)確度，指無窮多次重復(fù)測(cè)量所得量值的平均值與一個(gè)參考量值間的一致程度[11]，具體來說即由測(cè)量結(jié)果與該量值的公認(rèn)值之差衡量,差值小測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度高，差值大測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度低。測(cè)量的準(zhǔn)確度反映的是測(cè)量值的相對(duì)誤差，值得注意的是，測(cè)量準(zhǔn)確度不是一個(gè)量，不能用一個(gè)數(shù)值來表示。另一方面是測(cè)量的精密度，測(cè)量精密度是指在規(guī)定條件下，對(duì)同一或類似被測(cè)對(duì)象重復(fù)測(cè)量所得示值或測(cè)得值間的一致程度[11]。具體來說即測(cè)量數(shù)據(jù)的集散情況，主要體現(xiàn)為測(cè)量隨機(jī)誤差的分布問題，通常以數(shù)字形式表示，如在規(guī)定測(cè)量條件下的標(biāo)準(zhǔn)偏差、方差或變差系數(shù)。測(cè)量的精密度高，則測(cè)量數(shù)據(jù)就比較集中，但測(cè)量的精密度高并不意味著測(cè)量數(shù)據(jù)理想，比如會(huì)出現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)精度良好但集中在離真值較遠(yuǎn)的區(qū)域[12]。因此，應(yīng)當(dāng)從提升測(cè)量準(zhǔn)確度以及測(cè)量精密度兩方面共同提高測(cè)量精度，具體到對(duì)3D攤鋪施工精度的研究中，則是對(duì)常規(guī)攤鋪控制指標(biāo)的測(cè)量精度提升，即對(duì)縱斷高程、攤鋪厚度、橫坡度以及平整度，分別開展3D攤鋪和傳統(tǒng)攤鋪的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確度和精密度分析，其中精密度以檢測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

3.2試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.2.1縱斷高程

通過對(duì)縱斷高程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的對(duì)比，檢測(cè)3D攤鋪施工對(duì)攤鋪厚度的控制效果。水穩(wěn)基層縱斷面高程允許偏差范圍為-10～5mm。縱斷高程控制結(jié)果見表3，3D攤鋪與傳統(tǒng)攤鋪縱斷高程差值對(duì)比見圖4。通過對(duì)縱斷高程數(shù)據(jù)的分析可以看出，兩種攤鋪方式的合格率均為100%，采用3D智能攤鋪技術(shù)的高差控制在±3mm，傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)的高差控制在±4mm。同時(shí)，3D攤鋪縱斷高程差值數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)高程完全一致占比達(dá)到25%，在-1～2mm的區(qū)間占比達(dá)到75.0%；傳統(tǒng)攤鋪方式在-1～2mm區(qū)間的集中度相對(duì)較低，分布率為60%。另一方面，3D攤鋪在中樁和邊樁高程差值的標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.12mm與1.37mm，而傳統(tǒng)攤鋪方式則分別為1.57mm和2.26mm。表明在縱斷高程方面，無論在準(zhǔn)確度還是精密度上，3D攤鋪技術(shù)均優(yōu)于傳統(tǒng)攤鋪。

3.2.2攤鋪厚度

為研究3D攤鋪技術(shù)的實(shí)際攤鋪效果，對(duì)隨機(jī)樣本點(diǎn)的芯樣厚度與攤鋪層設(shè)計(jì)厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，3D攤鋪與傳統(tǒng)攤鋪厚度對(duì)比見圖5。從圖5可以看出，圖中各點(diǎn)位的實(shí)測(cè)厚度值與設(shè)計(jì)厚度值略有偏差，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，3D攤鋪實(shí)測(cè)厚度與設(shè)計(jì)厚度最小絕對(duì)偏差為0mm，最大絕對(duì)偏差為4mm，傳統(tǒng)攤鋪實(shí)測(cè)厚度與設(shè)計(jì)厚度最小絕對(duì)偏差為0mm，最大絕對(duì)偏差為7mm。根據(jù)規(guī)范要求，高速公路水穩(wěn)基層厚度偏差應(yīng)小于8mm，兩種攤鋪方式均滿足規(guī)范要求，但3D攤鋪技術(shù)在攤鋪厚度上控制更好。另一方面，3D攤鋪段落芯樣厚度的標(biāo)準(zhǔn)差為2.22mm，而傳統(tǒng)攤鋪段落芯樣厚度的標(biāo)準(zhǔn)差為4.00mm，表明在攤鋪厚度方面，3D攤鋪技術(shù)在精密度和準(zhǔn)確度方面均優(yōu)于傳統(tǒng)攤鋪。

3.2.3橫坡度

依據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTGF80/1—2017），橫坡允許偏差范圍為±0.3%。在試驗(yàn)段每隔10m使用水準(zhǔn)儀測(cè)量一個(gè)橫斷面，水穩(wěn)基層橫坡度試驗(yàn)結(jié)果見圖6。由圖6可以看出，使用3D智能攤鋪技術(shù)攤鋪，壓實(shí)面橫坡波動(dòng)較常規(guī)攤鋪壓實(shí)面橫坡波動(dòng)小，3D攤鋪橫坡度最大值1.533%與最小值1.451%之間偏差0.082%，在允許偏差范圍之內(nèi)，傳統(tǒng)攤鋪橫坡度最大值1.575%與最小值1.437%之間偏差0.138%。同時(shí)，3D攤鋪施工的橫坡度標(biāo)準(zhǔn)差（0.021%）小于傳統(tǒng)攤鋪施工橫坡度標(biāo)準(zhǔn)差（0.036%），表明在橫坡度方面，3D攤鋪技術(shù)在精密度和準(zhǔn)確度方面均優(yōu)于傳統(tǒng)攤鋪。

3.2.4平整度

對(duì)3D智能攤鋪技術(shù)施工段落和傳統(tǒng)攤鋪施工段落進(jìn)行平整度試驗(yàn)，不同攤鋪方式下不同車道位置平整度對(duì)比見圖7。從平整度檢測(cè)結(jié)果來看，3D攤鋪施工段落整體平整度平均值低于傳統(tǒng)攤鋪施工段落，平整度標(biāo)準(zhǔn)差較傳統(tǒng)攤鋪較小。由此可見，采用3D智能攤鋪施工技術(shù)，能夠有效地提高水穩(wěn)基層攤鋪平整度。

4結(jié)論

本文依托黑龍江省哈肇高速公路水穩(wěn)基層建設(shè)工程，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確立了3D攤鋪技術(shù)在基層施工中的施工流程以及重點(diǎn)注意事項(xiàng)，對(duì)比分析了3D攤鋪智能控制技術(shù)與傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)在施工精度上的不同，主要結(jié)論如下：

（1）3D攤鋪技術(shù)在攤鋪施工起步階段與傳統(tǒng)攤鋪基本相同，但在起步約5m內(nèi)仍應(yīng)人工進(jìn)行撒料補(bǔ)厚以及對(duì)攤鋪機(jī)的姿態(tài)校準(zhǔn)；

（2）3D攤鋪技術(shù)在施工過程中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注攤鋪機(jī)的姿態(tài)矯正問題，保證實(shí)際攤鋪尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的差值保持在規(guī)范允許范圍的誤差內(nèi)；

（3）3D攤鋪技術(shù)在縱斷高程、攤鋪厚度、橫坡度以及平整度方面，測(cè)量準(zhǔn)確度和精密度均優(yōu)于傳統(tǒng)攤鋪，整體施工精度顯著提高。各車道之間整體平整度變化較小，攤鋪性能較傳統(tǒng)攤鋪穩(wěn)定性好，可提高路面行駛的舒適度。

作者:張揚(yáng) 單位:黑龍江省交投公路建設(shè)投資有限公司