沥青路面3D智能摊铺技术应用研究

:S道路与交通工程Road&TrafficEngineering沥青路面3D智能摊铺技术应用研究袁昌验,朱长根-杨伟华I,李真真I,高彬I（1.上海宝冶集团市政工程公司，上海201900；2.东华理工大学土木与建筑工程学院，江西南昌330013）摘要：介绍了一种沥青路面3D智能摊铺技术，相较于传统施工技术，智能摊铺技术实现了高精度、智能化、无桩化施工，施工质量稳定，大幅度削减了人工因素的负面影响。但是，该项技术的施工质量易受到下层路基压实质量的影响，信号传输也会受城市施工环境干扰，因此仍需进行优化。从经济角度考虑，只有在市政道路工程量达到一定体量的基础上才推荐使用该技术进行施工。关键词：沥青路面；摊铺技术；智能化；高精度；无桩化；市政道路中图分类号：U416.217文献标志码：B文章编号:1009-7767（2019）04-0034-04AppliedResearchof3DIntelligentPavingTechnologyofAsphaltPavementYuanChang,ZhuChanggen,YangWeihua,LiZhenzhen,GaoBin随着我国城市化建设和经济发展水平的持续快速提升，机动车保有量与日俱增，市政道路和公路越来越难以满足人们出行及交通运输的需求。同时，市政道路的改造和提升也在很多城市提上了建设议程。为了满足人们日益增加的出行需求，市政道路和公路的新建与改造将是一项长期进行的远大工程。1研究背景沥青摊铺技术是道路施工中的核心技术之一，当前广泛采用的是借助摊铺机来进行施工U7,主要依靠钢丝线（导轨）、机械式平衡梁和非接触式平衡梁进行基准找平。传统的摊铺工艺由于自身的局限性,存在比较明显的不足：1）施工前准备工序较多，需要人工进行道路中线、边线、基准线的放样和复测等，投入的人工和时间较多，综合效益较差；2）施工精度受人工技术和施工机械的影响较大，例如人工测量误差、钢丝挠度、机械振动等，导致对工程施工精度控制不足，一方面可能造成工程质量不满足要求，另一方面可能引起不必要的材料浪费，直接增加工程建设成本。在沥青路面摊铺中，对沥青面层厚度的控制能力直接反映出施工企业的技术质量管理水平。随着科技的不断发展和研究成果的交叉应用，沥青摊铺技术也在不断推陈出新。为了提高自身的施工能力和市场竞争力，施工企业也不断地增加新技术在工程中的创新和应用Hl。下面笔者将介绍一种沥青路面3D智能摊铺技术，这种技术将道路设计、测量和摊铺施工等关键环节综合考虑、同步进行，并应用高精度控制技术，全面提高摊铺作业的施工精度、施工效率，减少由于工程浪费造成的成本投入。2技术原理3D智能摊铺技术依托于Topcon-mmGPS数字化摊铺自动控制系统，主要包括测量系统和摊铺自动控制系统。在施工前，根据设计要求将设计参数转换成3D数据输入系统；在施工时，根据预先输入的设计参数，系统接收测量系统的高程信号，经过数据处理后，在摊铺作业过程中控制摊铺机牵引臂液压油缸，调整和修正熨平板的方向，使摊铺路面的坡度和高程变化，以此来弥补路面波动，从而实现设计要求的平整度和摊铺厚度；同时，系统全过程实时监控摊铺参数，全过程控制摊铺质量，便于及时发现问题并做出调整响应。测量系统主要由GNSS基准站、激光发射器和mmGPS流动站3部分组成，其工作过程如图1所示。在工作时，将GNSS基准站架设在已知坐标点位置处，基准站通过无线电形式向周围实时发送RTK改正数据、差分信号，为机载设备和检测设备（即mmGPS流动站）提供厘米级高精度3D定位基准点。激光发射器通过发射1000r/min、360。旋转、±5m的激光墙，向半径300m以内的流动站和车载激光接收器发射高程信息,提供毫米级高精度高程基准;mmGPS流动站同时接收GPS卫34彳菽技*2O19No.4（Jul.）Vol.37道路与交通工程S：Road&TrafficEngineering星信号、GNSS基准站发送的差分信号和激光发射器的高程信息，经过处理可以得到平面厘米级和高程毫米级定位。mmGPS流动站主要用于对施工过程中的摊铺精度进行检测,结合预先输入的设计数据分析实际路面摊铺的质量。摊铺自动控制系统主要包括机载GNSS/激光接收器、GNSS接收机和控制器。在摊铺机作业过程中，机载GNSS/激光接收器同时接收测量系统中激光发射器发射的激光信号和GNSS卫星信号，并将信号传输给GNSS接收机，经接收机信号转换和数据处理得到摊铺机熨平板的平面和高程位置信息，然后将位置信息发送至控制器，根据预先输入的设计参数生成相应比例的驱动控制信号，通过液压阀控制摊铺机牵引臂液压缸调整熨平板的方向和高程，实现在摊铺作业过程中实时高精度控制摊铺质量。机载GNSS/激光接收器一般安装在自动或手动可升降的支杆上，并与摊铺机熨平板刚性连接。在安装过程中，需对机载GNSS/激光接收器和熨平板的相对位置信息进行精密测量和校准，以满足能够通过几何关系精确推算出熨平板底部的同步位置和高程的要求。3摊铺效果分析沥青路面3D智能摊铺技术最主要的特点是利用多种仪器设备代替了繁杂的人工测量作业、控制和检测，并大幅度提高了作业精度和质量稳定度。为了检验该项技术的实际摊铺效果，在南京市浦口区长桥路东延段施工长100m的摊铺试验段。该路段属于城市次干路，道路路面结构从上到下依次为4cm细粒式沥青混凝土+8cm粗粒式沥青混凝土+34cm抗裂嵌挤型水泥稳定碎石。在施工过程中，对路面结构的中面层摊铺情况进行随机抽样检查，并做统计分析。3.1面层厚度控制分析为了研究该项摊铺技术的实际摊铺效果，首先对随机样本点的实测高程与设计高程进行统计，如图2所示。图2随机样本点实测高程与设计高程统计分布从图2可以看出，该路段设计高程随点位变化具有一定量的起伏，最大变化幅度约为0.6m。设计高程的起伏变化将给现场实际摊铺精度控制增加一定量的难度。图2中各点位的实测高程值与设计高程值基本重合，为了更清晰地比较实测高程值与设计高程值的偏差，进一步计算并统计两者之间的高差，如图3所示。图3中，正值表示实测高程值大于设计高程值，负值表示实测高程值小于设计高程值。样木点号图3随机样本点实测高程与设计高程偏差量根据图3的数据统计结果，实测高程值与设计高程值最小绝对偏差为2.2mm,最大绝对偏差为9mm。根据规范要求吟91,城市次干路热拌沥青混合料路面厚度偏差宜控制在8%（设计厚度〉60mm）或5mm（设计厚度W60mm）以内，由此可知，检测数据来源的中面层偏差小于6.4mm属于合格。由图3可知，超出6.4mm的检测数据有2个，占所有检测数据的4.5%，检测点的合格率为95.5%,说明3D智能摊铺技术施工质量控2019彳第4期（7A）第37卷彳茲收水35!!道路与交通工程Road&TrafficEngineering制度较好。3.2技术应用效果分析为了深入了解3D智能摊铺技术的实际应用效果,对检测数据偏差量进行了统计分析，如图4所示。2i31¾108642C联册44爲99勿勿，012345678910偏差tt/mm图4检测数据偏差量统计图从图4可以看出，绝大多数的偏差量分布在0〜3mm范围内，且各偏差量的占比基本持平；当偏差量大于4mm之后，数据量显著减小。图5为检测数据偏差量累计占比曲线。由图5可知，偏差量W3mm的数据量占总数的85%，偏差量W4mm的数据量占总数的91%，而满足合格要求的偏差量W6mm的数据量占总数的95%o0.2f0---------1---------1---------1---------1---------1_____i_____i_____i_____i_____i012345678910偏差#/mm图5检测数据偏差量累计占比曲线为了衡量该技术施工效果偏差的离散程度，对检测数据进行标准差计算，计算公式如下：b(r)=¥寻£(如-r)，o式中：N为自由度。经计算，检测数据的标准差为cr=2.756mm,平均值r=2.2mm。综上可以看出，3D智能摊铺技术不仅施工质量合格率较高,而且施工技术水平也较高，工程整体偏差集中在较小的量值范围内，且集中度较高。4分析讨论沥青路面3D智能摊铺技术将当前多种先进的测量定位技术引入到传统的沥青摊铺机上引导施工，完全改变了传统工艺中人工作业的施工方法，加强了工程施工中的过程控制，提高了施工质量，同时在施工效率和工期、工程成本投入等方面也具有明显优势。但是,其在实际应用中仍然可能存在一系列需要考虑的问题。4.1市政道路适用性分析3D智能摊铺系统借助多种信号传输过程来完成整套系统的正常引导运作，其中激光发射器是通过发射1个三维空间的激光墙信号来为设备提供毫米级精度的高程基准。但是，当激光发射器与机载激光接收器之间存在高大的遮挡物时，可能会直接隔断两者之间的信号传输，进而影响摊铺的正常作业和精度控制。相比于公路工程，市政道路工程需要在市区内修筑，施工场地周围的房屋建筑、道路两侧的标识牌、电线杆等都可能影响信号的正常传输。激光发射器的有效作业范围大约为150〜300m,为了减少施工场地周边环境对激光信号的影响，需要加密激光发射器的布设,这样将减小激光发射器的有效利用率，增加换站工作量,以及相应的站间数据对接处理。频繁的换站和多次的系统误差叠加，将影响引导摊铺机作业的精度，难以达到预期的效果。因此，在市政道路施工中，有待进一步改进信号过渡处理技术来适应复杂的城市作业环境。4.2施工质量影响因素分析对于传统施工工艺来说，施工质量主要取决于摊铺作业人员的技术水平、人工精度控制、机械自身摊铺性能。而3D智能摊铺技术借助高精度测量控制技术代替了人工控制，减少了人为误差和避免了传统施工中多道工序的累积误差。因此,3D智能摊铺技术施工质量除了受摊铺机械自身性能影响外，主要取决于控制系统的精度，这包括仪器安装精度和设备指令及控制响应精度。系统通过专人安装并校核，基本可以消除系统安装误差，保证系统控制精度。除此之外，位于下部的路基填筑质量也将直接影响智能摊铺技术的施工质量。在施工准备期间，需要确定各层沥青的松铺系数，并将参数及设计数据预先输入到系统中。在松铺每层沥青时，顶面标高可以比较精确地控制，但是底面标高却主要取决于下层路基的施工质量，包括标高、平整度、压实度等。当标高和平整度36彳貳仪*2019No.4(Jul.)Vol.37道路与交通工程::Road&TrafficEngineering未达到质量标准时，将使得实际需要摊铺的厚度与预设的设计厚度不相符，但是松铺的沥青却是按照预设的设计厚度摊铺的，这将导致压实后沥青面层标高与设计值产生一定差异，影响摊铺质量。另外，当下层路基压实度不合格时，在后续摊铺碾压中，路基填土将进一步发生沉降，同样将导致碾压后的沥青面层标高低于预设标高。因此，为了尽可能地提高3D智能摊铺技术的施工质量，应尽量保证系统设备的安装精度，消除系统误差，严格控制路基填土的碾压施工质量，减少外界因素对摊铺质量的影响。4.3经济效益分析当采用3D智能摊铺技术施工时，相比传统施工技术增加了系统设备的购置费用，减少了2〜3人的人工费，由于高精度控制节约了摊铺材料的成本投入。其中，设备购置费和节约材料减少的成本投入占主要部分，人工费相比可以忽略。当前整套3D智能摊铺设备市场价为150万元，可以列入固定成本。对于材料节约成本部分，根据现场施工经验，摊铺每层沥青面层，3D智能摊铺技术比传统施工技术减少厚度平均约为3mm,则3层路面结构面层厚度大约节省9mm0假设常规市政道路上面层采用改性SMA,中面层采用改性沥青混凝土，下面层采用普通沥青混凝土，三者的单价分别为1800J500J000元/n?,以1km道路进行计算,6车道路面宽度为22m,每层面层节约的摊铺材料体积为1000x22x0.003=66m3,材料节约成本金额为66x(1800+1500+1000)=28.38万元。借用经济学中量本利模型㈣，则采用3D智能摊铺技术的盈亏平衡点工程量为:BEQ=150/28.38=5.3km0因此，在不考虑后期维护费用的前提下，当采用3D智能摊铺