3D数字化摊铺机控制系统在高速公路建设中的应用

杨刘虎

（中交二公局第六工程有限公司，陕西 西安 715600）

1 工程概况

京秦高速公路遵秦段B4标段路基工程，起讫里程为K72+890—K79+362，全长6.472km；B4、B5标段路面工程，起讫桩号为K72+890—K101+950，全长29.06km。摊铺工作是公路路面施工中的重要环节，切实提高摊铺控制水平是保证路面工程施工质量的关键环节。

2 系统原理分析

以测量系统原理和机械控制原理为核心，建立3D智能摊铺系统，相比于平衡梁、滑雪挂线等传统摊铺方式，其在提高施工精度、保证控制水平、减少操作人员工作量等方面均有突出的应用优势，对推动传统摊铺方式的改革具有重要意义，是数字化施工的主流发展方向[1]。

2.1 测量系统工作原理

以GNSS基准站、激光发射器和mmGPS流动站为核心，共同构成测量系统，彼此协同运行，提高测量精度。其中，GNSS基准站向流动站接收机发送差分信号，流动站也将接收到激光发射器的高程信息，在获得一系列信息后，对其进行整合、解算操作，以实现高程毫米级定位、GNSS平面厘米级定位的效果，为摊铺施工的精细化控制提供保障。

2.2 智能摊铺控制系统工作原理

3D智能摊铺系统运行时，GPS差分信号和激光高程信息被传输至MC-R3接收机，进而对该部分数据做针对性的处理，同时向GX-60控制箱传输三维坐标数据，待控制箱获得该部分数据后，将其与设计卡数据进行比对，识别两者的差别，生成高程修正信息。在此基础上，控制箱生成比例驱动信号，其具有调控作用，在液压阀的驱动下促进摊铺机的合理化运行，使熨平板沿着特定的方向做适当幅度的调整，经过前述操作后，使摊铺面形成坡度和高程变化，以相对精细的方式有效弥补路面波动，从而保证摊铺部位在厚度和平整度两方面均满足要求。摊铺期间，mmGPS流动站可高效监测路面摊铺情况，以便相关操作人员根据最新的信息判断施工状况，及时采取控制措施，保证摊铺的高效性。

3 3D数字化摊铺控制系统与传统施工工艺的对比分析

3.1 传统摊铺工艺

传统的公路工程摊铺控制工作主要采用声呐追踪器或滑雪传感器，通过应用此类装置，达到引导摊铺施工的效果。其中，基准导线的架设属于重点内容，可能会由于某处工作不到位而影响摊铺效果。并且，施工期间难以做到实时监测，存在的问题往往在施工后才被发现，事后弥补将耗费较多的时间和资源，不利于公路工程的高质量发展。总体来看，在建设标准化逐步提高的公路行业发展中，传统摊铺施工方法在质量、效率、效益等方面均存在弊端。

3.2 传统摊铺方法的主要问题

（1）人为干扰因素较强。以水准仪为主要的工具，由操作人员借助该工具读取高程数据，为摊铺施工提供引导。在传统方式下，基准导线的架设精度受人员作业水平的限制，若施工人员在工作中存在不足，将影响基准导线的架设精度，为摊铺带来错误的操作，此条件下摊铺成型的结构自然无法满足既定要求。

（2）工程机械对摊铺质量的影响。摊铺机运行期间，可能由于控制不当或其他原因撞击基准桩，或是现场运输的料车在行驶过程中碾压基准线，此时均会产生不同程度的架设基准偏差，最终影响摊铺效果。

（3）标高控制问题。在传统的摊铺控制工作中广泛使用平衡梁，其在控制摊铺平整度方面有突出的优势，但难以有效保证摊铺标高，即实际摊铺成型后的结构在标高方面可能存在偏差。

（4）测量任务繁重。摊铺施工采用平衡梁时，需安排足够的人员开展测量工作，以便获得摊铺前和摊铺期间的相关数据，此方式一方面增加人力资源投入，不利于工程经济效益的提升，另一方面则容易由于人为因素而导致结果缺乏准确性。

（5）操作人员劳动强度大。传统摊铺方法对外界环境较为敏感，容易由于外部因素的作用而出现工期延后、质量较差等问题。同时，传统摊铺方法对操作人员有较强的依赖性，相关工作需由专人完成，而公路摊铺的施工面较大，操作人员的工作负荷较重，可能由于员工工作不到位而出现质量或安全问题。

3.3 3D数字化摊铺控制系统的应用优势

（1）提高数字化施工水平。在传统工程设计中，常采用Moss、CAD等相关软件，需肯定的是此类软件在工程设计中具有举足轻重的地位，但也应认识到其在实际应用中的不足之处，即设计仅停留在电脑或图纸层面，与施工的联系性不强，存在设计与施工脱节的情况。相比之下，3D自动化摊铺系统有效解决了传统设计方法中存在的问题，其高度融合设计与施工能够积极推动公路摊铺的数字化施工进程。

（2）工作流程精简。相比于传统摊铺方法，在数字化摊铺的模式中，其流程更为简单，无需人工架设引导基准，配套的全站仪具有运行稳定、数据准确等多重特点，可有效保证摊铺面的平顺性和平整度、摊铺标高。摊铺期间产生的信息可统一汇聚至施工方，据此对摊铺情况进行判断，合理采取优化措施，施工全程具有数字化、自动化的特征。

（3）全过程控制。摊铺过程中产生的三维坐标数据具有重要的参考价值，其能够被及时反馈，以便采取精准的控制措施。通过信息的高效采集和共享，工程技术人员可掌握路面结构的具体情况，进而加以控制，确保摊铺施工质量达到工程要求。

4 3D数字化摊铺施工流程

前期准备、现场摊铺是3D智能摊铺施工的关键流程。首先全面落实准备工作，为正式施工创造良好条件；然后依据规范组织摊铺作业，保证摊铺效果。

4.1 准备工作

前期准备的主要内容包含：设备及材料的配套、施工队伍的建设、水电等基础资源的供应等。

4.2 人员配置

3D数字化摊铺系统的自动化水平较高，对人员的需求量较少，主要包含2名操作人员，各自分别负责激光发射器转站、现场校核。为充分发挥3D数字化摊铺系统的应用优势，需要加强岗前培训、安全培训和规范作业。

4.3 系统安装及资料准备

（1）安装与调试。3D数字化摊铺机控制系统包含机械、电器、液压系统等，需准确安装到位，并安排试运行，判断实际状况，确保投入至摊铺施工的各装置均正确无误[2]。

（2）控制点的布置。以相关规范为引导，加强对控制点实际位置的控制，要求其有足够的精度；此外，根据要求对控制点做加密处理。

（3）其他方面。为给施工提供引导，提供包含曲线要素、交点坐标在内的各类线路设计水平定线参数以及包含变坡点里程、高程在内的各类关键的垂直定线参数；提供本设计标准横断面图等；并提供线路设计逐桩坐标。

4.4 道路数据编辑

3D智能摊铺系统以各项设计数据为运行基础，因此在摊铺前需汇总各项设计数据，并将其转换为“TN3文件”，以便有效使用数据。

（1）应用3D-office软件，确定横断面、竖曲线、水平曲线的各项设计数据，经编辑处理后制得成果图，具体如图1所示。

图1 3D-office编辑成果图

4.5 工地校正

为保证摊铺监测的准确性，在现场架设GNSS基准站，布置4个控制点，规范测量各点的坐标数据。要求控制点的布置必须全方位覆盖作业区域。

4.6 现场控制点布设

具体要点包括：对施工现场进行夯实处理，保证摊铺机的通视能力；按100m的间隔依次布置控制点，同时严格控制其与摊铺面的高差，以不大于5m为宜；控制点应有稳定性，不可由于压路机振动作用而发生异常；必须有足够的精度，其中水平精度保证在厘米级、高程精度保证在毫米级。

5 现场摊铺流程

5.1 架设激光发射器

布设于已知点处，不受压路机振动作用的影响，同时必须保证控制点与摊铺机通视。

5.2 摊铺起步准备

在熨平板下方垫支撑物，材料可选择铁板或木块，此装置的厚度与摊铺厚度保持一致，并用MMGNSS流动站标定其高度。对熨平板进行调整，使其起始仰角达到要求。摊铺机起步遵循缓慢的原则，以1m/min为宜，后续以实际情况为准，若无异常则恢复正常行驶速度，有序推进摊铺进程。

5.3 摊铺过程控制

摊铺期间，MMGNSS流动站根据实测数据对比分析实测面与设计面，判断是否存在偏差。如有偏差则借助控制箱做精细化调整，直至实测结果满足要求为止。

5.4 激光发射器转站

根据激光发射器的运行性能可知，其有效发射距离为150m，若此装置与摊铺机的距离低于该值，需转站，以便正常运行。在现场布置两台激光发射器，其中一台用于日常摊铺施工，另一台负责转站。摊铺施工中，能够便捷地借助手持放检系统完成校核作业，及时掌握施工数据并判断其是否存在误差，如有误差则加以控制，切实提高路面的摊铺精度。

5.5 摊铺数据采集分析存档

（1）数据分析。通过对现场实测数据的分析可以得知，3D数字化摊铺控制系统的运行精度较高。例如，实际摊铺标高得到有效控制，其与设计标高的误差可在10mm以内，并且摊铺全过程中设备可维持稳定运行状态。

（2）数据存档。在及时采集数据后，将其全面汇总，构成完善的数据库，妥善储存各项测量数据，以便后续可根据需求及时查阅。

5.6 智能化施工

向3D数字化摊铺控制系统中融入设计数据，系统结合设定要求自动控制，既提高作业精度，又省去测量放样和找基准线的环节，减少工作量，人为因素对施工的干扰较小，整个摊铺施工突出智能化特征。

5.7 标准化施工作业

以施工规范为引导，系统自动匹配施工作业进度，保证各项摊铺作业均达到标准要求。有效减少施工成本，无需组织打桩放样，可缩短工程施工时间，提高工作效率，并且在降低油耗、节省材料等方面均有突出的优势。

6 3D数字化摊铺机控制系统的应用效果分析

6.1 质量层面

3D数字化摊铺系统日常运行具有高精度、高稳定性的突出特征。项目测试初期，根据水准仪的检测结果可知，摊铺表面实测结果满足要求，系统的运行状态良好。3D数字化摊铺系统是公路工程建设领域的主流形式，其依托设计三维模型进行施工，可自动引导控制，以便有效适应横坡、纵坡的变化，也能够顺畅地完成超高段等特殊区段的施工作业，确保道路施工质量达到要求。数字化摊铺系统的施工流程更为精简，作业内容减少，无需打桩挂线、架铝梁，仅在合理使用全站仪后即可高效引导摊铺机的运行，也能够根据三维设计数据合理开展摊铺作业。摊铺后，为全面保证施工质量，用另一台自动跟踪机器人检测，判断摊铺表面的实际情况，有效提高摊铺精度。

6.2 安全层面

在传统的公路摊铺施工方法中，常用到钢钎、钢丝，而此类材料在实际应用中容易绊倒施工人员，存在安全隐患。而3D数字化摊铺机控制系统可有效规避该类问题，以免诱发安全事故。夜间施工的光照条件不足，若采取传统施工方法，需针对某特定的区域多次来回测量，可能由于操作不当而发生车辆伤害事故，而在合理应用3D数字化摊铺机控制系统后，可有效规避该问题，安全性得到有效保障，施工成本也随之下降[3]。

7 结语

综上所述，在高速公路施工中，摊铺属于重点施工环节，针对传统施工方案存在的效率低、质量差、安全隐患多等问题，可应用3D数字化摊铺机控制系统，显示其在保证质量、提高效率、增加效益等方面的优势。从工程实践情况来看，该3D数字化摊铺机控制系统的运行稳定可靠，施工效果可以满足要求，在保证施工安全和质量的前提下，有效减少成本投入，提高经济效益。