基于3D机械控制的沥青路面施工摊铺技术研究

王文学 李昌华 张文闻 吴方钰 俞腾翔

摘要：为研究基于3D机械控制的沥青路面摊铺施工摊铺技术，该文分析了3D机械控制原理，并阐述了3D机械控制的沥青路面施工摊铺流程和质量控制方法，依托实际工程，对传统摊铺施工和3D摊铺施工后的厚度、平整度进行检测，结果发现基于3D机械控制的沥青路面摊铺效果优于传统摊铺方式，提高了路面摊铺的精准化、智能化和自动化。

关键词：道路工程  3D机械控制  摊铺  施工

中图分类号：TU753  文献标识码：A

Research on Asphalt Pavement Construction Paving Technology Based on 3D Mechanical Control

WANG Wenxue1  LI Changhua1 ZHANG Wenwen1  WU Fangyu2  YU Tengxiang1

（1. Construction headquarters of Ningbo Zhoushan Port Main Channel Project， Ningbo， Zhejiang Province， 316000 China; 2. Zhejiang University， Hangzhou， Zhejiang Province， 310058 China）

Abstract： In order to study asphalt pavement construction paving technology based on 3D mechanical control， this paper analyzes the principle of 3D mechanical control， and expounds the  process and quality control method of asphalt pavement construction paving with 3D mechanical control. Based on the actual project，  it tests the thickness and flatness after the traditional paving construction and 3D paving construction， and finds that the effect of the asphalt pavement paving based on 3D mechanical control is better than that of the traditional paving method， which improves the accuracy， intelligence and automation of the pavement paving.

Key Words： Road engineering; 3D mechanical control; Paving; Construction

自改革開放以来，我国道路需求量大，发展迅速，相应的建设技术也在不断提高。沥青路面具有行车舒适、无扬尘和泥浆、自修复能力强等优点，广泛应用于高等级公路建设中。研究发现，摊铺技术是影响沥青路面施工质量的核心技术，而我国摊铺技术由开始的人工摊铺发展为机械摊铺，提高了施工精度和效率，大大节约了成本[1]。

近年来，3D技术逐渐应用到工程领域，后被延伸到路面摊铺中，也由此产生了3D摊铺技术。祖民星[2]通过对3D智能摊铺系统的原理进行研究，同时依托实际工程分析了3D智能摊铺的效能。雷小磊[3]结合工程实例，阐述了3D摊铺控制技术的原理。卢俏宇[4]对3D摊铺技术系统的主要设备和工艺流程进行分析，并结合工程实例，评价了3D自动化摊铺技术具有良好的应用效果。相较于机械摊铺技术，3D摊铺技术结合了机械控制技术、北斗定位技术和计算机技术，实时定位摊铺机运行轨迹，实时监测并反馈摊铺状态，从高程、厚度和宽度三方面实现对沥青路面摊铺的自动化、智能化和精准化控制。该文基于对3D机械控制的工作原理分析，阐述了沥青路面摊铺施工技术流程，并依托实际工程进行实施效果分析，对进一步提高我国沥青路面摊铺质量，提升工作效率具有重要意义。

3D机械控制系统主要由摊铺机、测量设备、机械设备及软件系统四部分组成，如图1所示。测量设备以全站仪为主，机械设备为摊铺机和液压系统。在摊铺施工前，建立沥青路面设计高程、坐标、横纵坡坡度等参数的三维模型，并将其与现场导线结合，使用全站仪完成基准测量工作。在摊铺过程中，摊铺厚度主要依靠摊铺机的熨平板进行调整，通过将建立的三维模型导入摊铺机的操作系统中，可以实时获得熨平板的三维坐标和角度姿态，根据当前的三维坐标和角度分别计算熨平板的坐标偏差和角度偏差，将偏差信号传递给控制转换器，控制转换器接收信号并发送指令给阀控模块，施工中摊铺机通过指令实现对牵引臂油缸和熨平板的操作、调整、控制和修正，确保摊铺机能够根据路面坡度和高程变化及时调整摊铺厚度。

2基于3D机械控制的沥青路面施工摊铺技术

该文通过总结工程应用经验，对3D机械控制的沥青路面摊铺施工技术展开研究，主要包含三维建模、设备安装、全站仪布设、施工过程控制和摊铺质量控制五方面，具体流程如图2所示。

2.1三维建模

首先找到图纸中设计横纵坡、平曲线、竖曲线坐标、高程等参数，并对下承层中每个10 m的断面上采集不少于三个点的三维坐标。根据设计要求及三维坐标点建立三维模型，通过检查确保建立的模型无异常点，且厚度和坡度等符合设计要求，最后生成坐标文件、线形文件和模型文件。

2.2设备安装

在对摊铺机3D机械控制改造研究过程中，发现设备安装需要注意以下几点要求。

（1）桅杆应垂直安装在摊铺机大臂上，同时距离油缸距离不能小于30 cm，360°反射棱镜应固定安装在桅杆顶端。

（2）倾角传感器应固定安装在熨平板上，且方向应与摊铺机前进方向一致。

（3）数据电台应固定安装在摊铺机顶棚上方，保证其与测量机器人之间视野畅通。

（4）主控制器应安装于摊铺机的易操作位置。

（5）其余控制部件和传感器的连接线应固定安装在摊铺机合适位置，确保不会影响摊铺机的正常工作。

（6）设备安装完成后需立即进行调试校准，确保各部分都运转正常。

2.3全站仪布设

全站仪根据已知水准点和后方交会建站，建站需确保棱镜与全站仪之间视野开阔，且周围无电子设备干扰。全站仪布设时需注意以下几点：

（1）远离高边坡、行车段和施工场地，避免影响测试精度；

（2）配备专门技术人员进行看管；

（3）保证全站仪与导线点之间的夹角在15°～165°之间；

（4）测量结束后全站仪应放入专用防护箱内，避免磕碰；

（5）安排专业技术人员定期对全站仪进行检验校核。

2.4施工过程控制

施工前，将各文件和模型导入智能跟踪全站仪和智能监测全站仪中，同时检查全站仪与棱镜之间的视野，确保可以清晰观察到棱镜，一般全站仪与棱镜之间的距离控制在300～400 m之间。将摊铺机和智能控制系统全部打开，测试其是否都可以正常运转。在进行摊铺施工时，打开预先导入的模型文件，将摊铺机的控制系统调节为机械控制模式，使机器人可以自动跟踪360°棱镜。正式摊铺施工前，试铺一段路，并及时监测，确保摊铺精度达到设计要求，方可将机械控制模式转换为自动控制模式。如图3所示，用于捕获360°棱镜三维坐标的跟踪机器人架设于摊铺机两侧，同时在后方还需要架设一台检测机器人，对摊铺高程和横坡进行实时监测，若不满足要求，则需及时调整跟踪机器人和控制器。在智能跟踪机器人半径150 m范围内，都可利用智能检测机器人进行交替转站，以保证摊铺作业的连续性。

2.5摊铺施工质量控制

现场摊铺结束后应立即采集路面数据，并进行摊铺质量检测，确保施工质量符合《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1）中的相关规定。若采用分段摊铺方式，则每段摊铺路面都需要进行质量检测，而最终整理成报告的数据应为整个摊铺路段的检测数据。检测过程中应随时校核数据，发现问题时应加大检测频率和检测精度，必要时可以采用人工补救。

3实施效果分析

3.1工程概况

北京至雄安新区高速公路河北段（以下简称为“京雄高速”）是北京中心城区连接雄安新区核心区的最便捷高速通道，是支撑新区规划建设，促进京津冀区域协调协同发展的重要经济干线。京雄高速河北段全长约70 km，主线均采用双向八车道高速公路标准建设，设计速度为120 km/h，沿线设置监控通信分中心1处、服务区3处、养护工区2处、主线收费站2处、匝道收费站5处，特大桥8座，桥梁设计荷载等级为公路-I级。京雄高速作为北京中心城区连接雄安新区核心区的最便捷高速通道，具有支撑新区規划建设、促进京津冀区域协调协同发展等重要作用。

3.2现场实施方案

该项目选取京雄高速K46+000到K48+000路段进行路面智能施工技术的应用，从人员、效率、质量等方面评价项目的实用性和稳定性，最终形成沥青路面智能施工工艺。按照传统摊铺和3D摊铺两种方法平行施工，摊铺机1安装3D控制系统，摊铺机2与摊铺机3采用传统2D摊铺控制方式，如图4所示。

3.3 施工质量检测

3.3.1 厚度检测

（1）全站仪测量法。

选取10 m一个断面，使用全站仪测量每个断面左右幅3点施工前后的高程差，最后生成3D摊铺区域和传统摊铺区域的厚度云图，如图5、图6所示。从图中可以看出，3D摊铺施工区域厚度均匀，误差控制在1 cm以内，传统施工区域，局部区域出现摊铺过厚或偏薄的现象，图中蓝色区域为摊铺过厚超过1 cm以上的区域，红色部分为摊铺偏薄超过1 cm以上的区域。

（2）钻芯取样法。

采用钻芯机，在K46+000-K48+00范围内，每200 m一个断面，每个断面采集3点，如图7所示，采样检测数据见表1所示。

由表1和表2分析可知，采用3D摊铺施工技术和传统摊铺施工技术厚度的平均值分别为59.3 mm和63.3 mm，均满足规范要求，但是传统摊铺厚度偏大，造成沥青混合料的浪费，增加了建设成本。从厚度均匀性方面分析可知，3D摊铺施工技术和传统摊铺施工技术厚度的标准差分别为1.011和6.539，表明3D摊铺施工技术控制厚度的性能远高于传统摊铺技术。

3.2.2平整度检测

沥青路面施工完成后通过连续式平整度仪对3D摊铺和传统摊铺施工效果进行检测，结果见表3。

由表3可知，3D摊铺施工和传统摊铺施工，平整度均小于允许值（1.2 mm），合格率为100%；采用传统摊铺工艺进行沥青路面施工，平整度波动较大，最大值为1.79 mm，表明3D摊铺工艺可以较好的提升路面平度[5-7]。

4结语

该文通过对3D机械控制原理进行分析，阐述了基于3D机械控制的沥青路面施工摊铺技术，并依托工程进行實际应用，得出以下几点结论：（1）完成了摊铺机3D机械控制模型和改造方案设计，形成了标准的3D机械控制施工摊铺技术和施工质量控制方法；（2）基于3D机械控制的路面智能施工技术改变了传统摊铺施工方式，可以精准控制路面高程、平整度、压实均匀性，实现精准化、智能化、自动化施工目的。

参考文献

[1] 张媛芳，张媛. 3D摊铺技术在沥青混凝土路面施工中的应用[J].交通世界，2021（9）：88-89.

[2] 祖民星.沥青混凝土路面3D智能摊铺应用研究[J].西部交通科技，2018（11）：9-12.

[3] 雷小磊，李刚.3D摊铺控制技术在沥青混凝土路面工程中的应用研究[J].市政技术，2018，36（5）：20-24.

[4] 卢俏宇，周洪剑.公路工程3D技术路面施工应用分析[J].西部交通科技，2018（3）：18-21，140.

[5] 丁凯.高地隙喷雾机侧倾稳定性建模及控制方法研究[D].石河子：石河子大学，2019.

[6] 张军，卢海峨.3DmmGPS摊铺控制系统在经乌高速公路水稳层施工中的试点应用[J].交通建设与管理，2021（2）：89-91.

[7] 张帆，肖述文，涂一文，等.多轴机械臂3D打印的运动-挤料协同控制方法[J].机械设计与研究，2021，37（6）：141-147，154.