3D摊铺技术在路面养护工程中的应用探讨

李飞林

(广西壮族自治区高速公路发展中心，广西 南宁 530021)

0 引言

随着我国公路建设的发展，提升路面施工效率和施工精度，减少施工现场作业人员已经成为路面施工技术的主要发展方向，3D摊铺技术正是在这一背景下产生[1]。现有的3D摊铺技术是在原有的2D摊铺技术的基础上引入BIM技术、测量定位技术，以提高路面材料摊铺的自动化程度，减少摊铺过程的人为干预[2-3]。BIM模型是3D摊铺的信息基础，对于新建高速一般采用设计提供的控制点位进行BIM建模。对养护工程而言，由于在新建过程中大多未采用3D摊铺以及施工过程中与设计存在的误差导致无法按照设计图纸进行建模，对旧路面三维数据进行测量后拟合是养护工程BIM模型的主要数据来源[4]。目前已经有了专用于路面3D摊铺建模的软件，如Icon Site Software,Lecia Icon-office Software,Topcon 3D-Office[5]。目前3D摊铺所采用的测量定位技术可分为两种：一种是基于全站仪与棱镜，另一种是激光和GPS定位，不同的测量定位技术对控制精度有显著影响，一般认为全站仪的测量精度可达到毫米级，而激光和GPS的平面测量精度为厘米级，厚度和高程测量精度为毫米级[6]。

3D摊铺技术在新建公路、机场、广场道面工程中已经得到较多的应用，在路面养护工程的应用较少[7-8]。本研究基于广西某高速公路养护工程，对维特很-徕卡3D摊铺控制技术在路面养护中应用存在的问题和实施效果进行记录和分析，探究3D摊铺技术在养护工程中应用的可行性。

1 3D摊铺技术原理和工作流程

1.1 技术原理

3D摊铺是采用现代测量技术和计算机技术实现传统钢线的数字化，同时采用先进的数据传输和自动控制技术实现摊铺过程对摊铺面长、宽、高3个维度的自动控制，并在施工过程中利用现代测量技术跟踪摊铺误差，并及时进行纠偏的新型摊铺技术。具体而言，构成3D摊铺的关键技术包括：

1)高精度快速测量技术：测量技术在构建3D摊铺BIM模型和施工过程中均有应用。对于新建高速，拟合数据主要来源于设计文件中的控制点坐标和高程信息。在路面养护工程中，由于旧路面的历史信息不完善或在建设时与设计存在相对误差，导致无法使用原设计提供的坐标和高程。鉴于以上因素，在养护工程中通常需要现场采集路面的坐标和高程信息。

目前用于3D摊铺的测量技术主要有GPS、自动跟踪全站仪、全自动水准仪等先进测量装备，这些装备的精准度直接关系到3D摊铺的精度，特别是对于厚度相对薄的沥青路面摊铺，测量技术的先进性更为重要。

2)高性能的摊铺设备：3D摊铺时，摊铺机根据控制面板中预先设置的摊铺控制点坐标和高程自动调整熨平板高度进行摊铺。同时，根据摊铺过程中全站仪跟踪监控的摊铺误差，摊铺机需要能够快速反应，及时调整熨平板以便能够保证实际摊铺面满足设计摊铺面的要求。摊铺机的这一系列动作需要摊铺机本身具有先进的控制系统。

3)摊铺面自动化拟合技术：3D摊铺的摊铺面是以设计厚度、路面各点设计坐标和高程等要素为限制条件，在原地面各高程点实测坐标和高程数据基础上进行平曲线、纵曲线拟合而得到的一条分段光滑的曲面。由于原路面在纵向和横向两个维度的不平整以及设计厚度等限制，拟合方程的选择对拟合结果有直接影响，现阶段对曲线的拟合一般可采取多次抛物线的形式。然而无论采取何种拟合方式，与实际情况均会有误差，合理设置控制点是解决这一误差的有效方法。

1.2 试验段概况

本次3D摊铺试验段原路面为水泥路面，对水泥路面进行抛丸处理后摊铺厚度为2.5 cm的AC-10调平层，然后加铺4 cm SMA-13。AC-10调平层3D摊铺路段为下行K378+670～K376+970，SMA-13上面层3D摊铺路段为下行K378+800～K377+800。下行K378+670～K377+760段AC-10与SMA-13均采用3D摊铺，下行K377+760～K376+970段AC-10采用3D摊铺，上面层SMA-13为平衡梁摊铺。

1.3 3D摊铺工作流程

本试验段包括AC-10和SMA-13两层路面结构，以AC-10采用3D摊铺为例，其摊铺工作流程如图1所示。在摊铺上面层SMA-13时再次进行BIM建模，一般采取在基面BIM模型基础上叠加AC-10的摊铺厚度和重新测量建模两种方法，本试验段选择前者建立SMA-13的3D摊铺BIM模型。

1)控制点测设与高程测量。本次3D摊铺试验段共测设控制点26个，分别设置在中分带路缘石、水沟，以及边护栏外侧(见图2)，主要用于构建施工现场的局部坐标系。本次3D摊铺试验段原路面高程测量采用徕卡全自动水准仪，沿路线方向每10 m一个断面(局部路段5 m一个断面)，每个断面测量4个点(见图3)，试验段共测量原地面水准点1 569个，作为3D摊铺前构建摊铺面模型的基础。

2)摊铺面建模与调整。根据原地面高程测量，以及每一层沥青路面设计厚度、松铺系数等参数，通过计算机拟合(见图4)，得到需要的摊铺面是3D摊铺精准控制的关键。本次摊铺面拟合建模时，以每个断面的左右两个端点作为控制点(每个断面中间2个点只在厚度检查时使用)，将试验段高程测量数据沿路线走向共分为了42段，分段采用多次抛物线进行拟合(见图5)。在拟合得到的圆滑地面线基础上，根据结构层厚度和松铺系数整体上抬拟合的圆滑地面线，得到摊铺线(每个断面两侧点的坐标和高程)，实现传统施工中的钢线数字化。

3)摊铺机系统准备。正式施工前，需要在摊铺机上安装棱镜(含桅杆)，3D摊铺专用的控制面板、控制手柄、横坡传感器、车载电台等硬件设备，拆除平衡梁，并将拟合得到的坐标、高程等数据输入控制面板，控制面板与摊铺机的控制系统相连接，从而实现摊铺过程中摊铺机按预设的坐标和高程数据，以及横坡数据进行摊铺(见图6)。

4)3D摊铺。试验段3D摊铺采用双击联铺，摊铺机为2台福格勒1880-3L型摊铺机。由于3D摊铺的本质是将传统钢线数字化，通过数字化的钢线进行自动找平。因而在进行3D摊铺时找平路面既不依赖实体钢线，也无需平衡梁。同时，3D摊铺相对于传统摊铺增加了摊铺误差纠偏，因而在施工过程中采用了4台自动跟踪全站仪对摊铺过程进行跟踪观测。如图7所示，3D摊铺时，采用2台自动追踪全站仪分别追踪1台摊铺机外侧的棱镜信号。由于棱镜的高度、平面位置，以及摊铺的横坡坡度已经提前在控制系统中进行了校准，全站仪跟踪棱镜信号可以监控摊铺机是否按照预先设定的路线和高程进行摊铺行走。同时，技术人员手持棱镜随时立于摊铺的路面上，由第3台全站仪跟踪该棱镜的坐标和高程信号，并与该坐标设计摊铺面的高程进行比对，校核实际摊铺面是否满足设计摊铺面的要求，如果该高程校核结果超过误差要求，则可通过控制面板对熨平板高度、角度进行调整，以满足设计摊铺面的要求。

由于现场绿化、料车、压路机等设备可能对全站仪的信号跟踪形成遮挡，现场在合适位置配备了第4台全站仪，当1台全站仪信号被遮挡时，可以切换到该全站仪进行信号追踪，同时被遮挡的全站仪利用切换后的时间对机位进行调整，调整完成后将跟踪信号由第4台全站仪切换回该全站仪(见图8)。

2 实施效果与讨论

本研究对试验段的实施过程进行记录，从项目测量准备阶段来看，主要依靠GPS、全站仪和水准仪进行测量，速度较慢。试验段的测量断面间距为10 m，每个断面4个高程点，而速度仅为3 km/2 d～4 km/2 d。如果将测量的高程点进一步加密，提高基面拟合的精度，测量工作量更大。为满足养护工程快速开放交通的目的，未来可以采用高精度的车载设备进行测量。

在现场施工控制方面，养护工程受到沿线绿化和通车的影响，用于监控施工过程的全站仪布设位置受到很大限制。在本次3D摊铺试验段施工时，全站仪仅能布设在摊铺机前后的，容易受到路侧绿化、料车、压路机等的阻碍，造成通视距离短，需要频繁转站。转站采用人工进行，速度慢，导致摊铺机需要降速等待。因而，在养护工程中需针对养护工程的施工条件，优化全站仪布设方式以及转站方式，从而提高转站效率。此外，试验段中每个断面采集了4个高程点，但施工中实际只用到了左右2个端点，中间2个点只作为校核局部摊铺厚度之用，路面横向以左右2个端点为基准，通过一个横坡进行控制，在养护工程中很难兼顾线形和摊铺厚度。可以根据旧路面状况，采用2个横坡进行横向摊铺控制。

在实施效果方面，采用八轮平整度仪对路面平整度进行检测，结果如表1所示。从表1可知，3D摊铺的沥青路面平整度满足不大于1.2 mm的要求，相较于原路面均有较大幅度的提升。但是，采用3D摊铺路段的平整度总体低于常规平衡梁摊铺的平整度。AC-10和SMA-13均采用3D摊铺时，SMA-13摊铺后对平整度改善小，反而AC-10采用3D摊铺，SMA-13采用平衡梁摊铺的平整度改善更大。采用3D摊铺AC-10后，相对于旧水泥路面平整度有明显提升，但再次采用3D摊铺SMA-13后，平整度提升不明显。分析原因，可能是在3D摊铺SMA-13前，没有测量已摊铺的AC-10的高程数据，而直接采用了旧水泥路面的高程数据拟合建立SMA-13的摊铺面。因而，建议采用3D摊铺时应逐层测量底层的高程数据作为基准建模。

表1 平整度检测结果 mm

3 结论

1)在本研究的试验段施工过程中实现了全程无平衡梁、无实体钢线的条件下进行调平层和沥青面层摊铺，表明在养护工程中采用3D摊铺技术实现平衡梁和钢线数字化，并指导摊铺机摊铺的技术方向具有可行性。

2)3D摊铺前期测量准备工作主要依靠人工进行，从养护工程全过程施工效率来看，采用3D摊铺相较于普通摊铺技术并无明显优势，采用车载式测量设备取代人工是未来的研究方向。

3)3D摊铺技术与普通摊铺技术的沥青路面平整度均达到小于1.2 mm的标准，但3D摊铺技术对旧路面平整度修正效果低于普通摊铺技术。提高建模测量精度、优化施工控制点位布置和提高施工过程测量精度是提高养护工程3D摊铺施工效果的主要途径。