3D攤鋪技術在路面養護工程中的應用探討

李飛林

(廣西壯族自治區高速公路發展中心，廣西 南寧 530021)

0 引言

隨著我國公路建設的發展，提升路面施工效率和施工精度，減少施工現場作業人員已經成為路面施工技術的主要發展方向，3D攤鋪技術正是在這一背景下產生[1]。現有的3D攤鋪技術是在原有的2D攤鋪技術的基礎上引入BIM技術、測量定位技術，以提高路面材料攤鋪的自動化程度，減少攤鋪過程的人為干預[2-3]。BIM模型是3D攤鋪的信息基礎，對于新建高速一般采用設計提供的控制點位進行BIM建模。對養護工程而言，由于在新建過程中大多未采用3D攤鋪以及施工過程中與設計存在的誤差導致無法按照設計圖紙進行建模，對舊路面三維數據進行測量后擬合是養護工程BIM模型的主要數據來源[4]。目前已經有了專用于路面3D攤鋪建模的軟件，如Icon Site Software,Lecia Icon-office Software,Topcon 3D-Office[5]。目前3D攤鋪所采用的測量定位技術可分為兩種：一種是基于全站儀與棱鏡，另一種是激光和GPS定位，不同的測量定位技術對控制精度有顯著影響，一般認為全站儀的測量精度可達到毫米級，而激光和GPS的平面測量精度為厘米級，厚度和高程測量精度為毫米級[6]。

3D攤鋪技術在新建公路、機場、廣場道面工程中已經得到較多的應用，在路面養護工程的應用較少[7-8]。本研究基于廣西某高速公路養護工程，對維特很-徠卡3D攤鋪控制技術在路面養護中應用存在的問題和實施效果進行記錄和分析，探究3D攤鋪技術在養護工程中應用的可行性。

1 3D攤鋪技術原理和工作流程

1.1 技術原理

3D攤鋪是采用現代測量技術和計算機技術實現傳統鋼線的數字化，同時采用先進的數據傳輸和自動控制技術實現攤鋪過程對攤鋪面長、寬、高3個維度的自動控制，并在施工過程中利用現代測量技術跟蹤攤鋪誤差，并及時進行糾偏的新型攤鋪技術。具體而言，構成3D攤鋪的關鍵技術包括：

1)高精度快速測量技術：測量技術在構建3D攤鋪BIM模型和施工過程中均有應用。對于新建高速，擬合數據主要來源于設計文件中的控制點坐標和高程信息。在路面養護工程中，由于舊路面的歷史信息不完善或在建設時與設計存在相對誤差，導致無法使用原設計提供的坐標和高程。鑒于以上因素，在養護工程中通常需要現場采集路面的坐標和高程信息。

目前用于3D攤鋪的測量技術主要有GPS、自動跟蹤全站儀、全自動水準儀等先進測量裝備，這些裝備的精準度直接關系到3D攤鋪的精度，特別是對于厚度相對薄的瀝青路面攤鋪，測量技術的先進性更為重要。

2)高性能的攤鋪設備：3D攤鋪時，攤鋪機根據控制面板中預先設置的攤鋪控制點坐標和高程自動調整熨平板高度進行攤鋪。同時，根據攤鋪過程中全站儀跟蹤監控的攤鋪誤差，攤鋪機需要能夠快速反應，及時調整熨平板以便能夠保證實際攤鋪面滿足設計攤鋪面的要求。攤鋪機的這一系列動作需要攤鋪機本身具有先進的控制系統。

3)攤鋪面自動化擬合技術：3D攤鋪的攤鋪面是以設計厚度、路面各點設計坐標和高程等要素為限制條件，在原地面各高程點實測坐標和高程數據基礎上進行平曲線、縱曲線擬合而得到的一條分段光滑的曲面。由于原路面在縱向和橫向兩個維度的不平整以及設計厚度等限制，擬合方程的選擇對擬合結果有直接影響，現階段對曲線的擬合一般可采取多次拋物線的形式。然而無論采取何種擬合方式，與實際情況均會有誤差，合理設置控制點是解決這一誤差的有效方法。

1.2 試驗段概況

本次3D攤鋪試驗段原路面為水泥路面，對水泥路面進行拋丸處理后攤鋪厚度為2.5 cm的AC-10調平層，然后加鋪4 cm SMA-13。AC-10調平層3D攤鋪路段為下行K378+670～K376+970，SMA-13上面層3D攤鋪路段為下行K378+800～K377+800。下行K378+670～K377+760段AC-10與SMA-13均采用3D攤鋪，下行K377+760～K376+970段AC-10采用3D攤鋪，上面層SMA-13為平衡梁攤鋪。

1.3 3D攤鋪工作流程

本試驗段包括AC-10和SMA-13兩層路面結構，以AC-10采用3D攤鋪為例，其攤鋪工作流程如圖1所示。在攤鋪上面層SMA-13時再次進行BIM建模，一般采取在基面BIM模型基礎上疊加AC-10的攤鋪厚度和重新測量建模兩種方法，本試驗段選擇前者建立SMA-13的3D攤鋪BIM模型。

1)控制點測設與高程測量。本次3D攤鋪試驗段共測設控制點26個，分別設置在中分帶路緣石、水溝，以及邊護欄外側(見圖2)，主要用于構建施工現場的局部坐標系。本次3D攤鋪試驗段原路面高程測量采用徠卡全自動水準儀，沿路線方向每10 m一個斷面(局部路段5 m一個斷面)，每個斷面測量4個點(見圖3)，試驗段共測量原地面水準點1 569個，作為3D攤鋪前構建攤鋪面模型的基礎。

2)攤鋪面建模與調整。根據原地面高程測量，以及每一層瀝青路面設計厚度、松鋪系數等參數，通過計算機擬合(見圖4)，得到需要的攤鋪面是3D攤鋪精準控制的關鍵。本次攤鋪面擬合建模時，以每個斷面的左右兩個端點作為控制點(每個斷面中間2個點只在厚度檢查時使用)，將試驗段高程測量數據沿路線走向共分為了42段，分段采用多次拋物線進行擬合(見圖5)。在擬合得到的圓滑地面線基礎上，根據結構層厚度和松鋪系數整體上抬擬合的圓滑地面線，得到攤鋪線(每個斷面兩側點的坐標和高程)，實現傳統施工中的鋼線數字化。

3)攤鋪機系統準備。正式施工前，需要在攤鋪機上安裝棱鏡(含桅桿)，3D攤鋪專用的控制面板、控制手柄、橫坡傳感器、車載電臺等硬件設備，拆除平衡梁，并將擬合得到的坐標、高程等數據輸入控制面板，控制面板與攤鋪機的控制系統相連接，從而實現攤鋪過程中攤鋪機按預設的坐標和高程數據，以及橫坡數據進行攤鋪(見圖6)。

4)3D攤鋪。試驗段3D攤鋪采用雙擊聯鋪，攤鋪機為2臺福格勒1880-3L型攤鋪機。由于3D攤鋪的本質是將傳統鋼線數字化，通過數字化的鋼線進行自動找平。因而在進行3D攤鋪時找平路面既不依賴實體鋼線，也無需平衡梁。同時，3D攤鋪相對于傳統攤鋪增加了攤鋪誤差糾偏，因而在施工過程中采用了4臺自動跟蹤全站儀對攤鋪過程進行跟蹤觀測。如圖7所示，3D攤鋪時，采用2臺自動追蹤全站儀分別追蹤1臺攤鋪機外側的棱鏡信號。由于棱鏡的高度、平面位置，以及攤鋪的橫坡坡度已經提前在控制系統中進行了校準，全站儀跟蹤棱鏡信號可以監控攤鋪機是否按照預先設定的路線和高程進行攤鋪行走。同時，技術人員手持棱鏡隨時立于攤鋪的路面上，由第3臺全站儀跟蹤該棱鏡的坐標和高程信號，并與該坐標設計攤鋪面的高程進行比對，校核實際攤鋪面是否滿足設計攤鋪面的要求，如果該高程校核結果超過誤差要求，則可通過控制面板對熨平板高度、角度進行調整，以滿足設計攤鋪面的要求。

由于現場綠化、料車、壓路機等設備可能對全站儀的信號跟蹤形成遮擋，現場在合適位置配備了第4臺全站儀，當1臺全站儀信號被遮擋時，可以切換到該全站儀進行信號追蹤，同時被遮擋的全站儀利用切換后的時間對機位進行調整，調整完成后將跟蹤信號由第4臺全站儀切換回該全站儀(見圖8)。

2 實施效果與討論

本研究對試驗段的實施過程進行記錄，從項目測量準備階段來看，主要依靠GPS、全站儀和水準儀進行測量，速度較慢。試驗段的測量斷面間距為10 m，每個斷面4個高程點，而速度僅為3 km/2 d～4 km/2 d。如果將測量的高程點進一步加密，提高基面擬合的精度，測量工作量更大。為滿足養護工程快速開放交通的目的，未來可以采用高精度的車載設備進行測量。

在現場施工控制方面，養護工程受到沿線綠化和通車的影響，用于監控施工過程的全站儀布設位置受到很大限制。在本次3D攤鋪試驗段施工時，全站儀僅能布設在攤鋪機前后的，容易受到路側綠化、料車、壓路機等的阻礙，造成通視距離短，需要頻繁轉站。轉站采用人工進行，速度慢，導致攤鋪機需要降速等待。因而，在養護工程中需針對養護工程的施工條件，優化全站儀布設方式以及轉站方式，從而提高轉站效率。此外，試驗段中每個斷面采集了4個高程點，但施工中實際只用到了左右2個端點，中間2個點只作為校核局部攤鋪厚度之用，路面橫向以左右2個端點為基準，通過一個橫坡進行控制，在養護工程中很難兼顧線形和攤鋪厚度。可以根據舊路面狀況，采用2個橫坡進行橫向攤鋪控制。

在實施效果方面，采用八輪平整度儀對路面平整度進行檢測，結果如表1所示。從表1可知，3D攤鋪的瀝青路面平整度滿足不大于1.2 mm的要求，相較于原路面均有較大幅度的提升。但是，采用3D攤鋪路段的平整度總體低于常規平衡梁攤鋪的平整度。AC-10和SMA-13均采用3D攤鋪時，SMA-13攤鋪后對平整度改善小，反而AC-10采用3D攤鋪，SMA-13采用平衡梁攤鋪的平整度改善更大。采用3D攤鋪AC-10后，相對于舊水泥路面平整度有明顯提升，但再次采用3D攤鋪SMA-13后，平整度提升不明顯。分析原因，可能是在3D攤鋪SMA-13前，沒有測量已攤鋪的AC-10的高程數據，而直接采用了舊水泥路面的高程數據擬合建立SMA-13的攤鋪面。因而，建議采用3D攤鋪時應逐層測量底層的高程數據作為基準建模。

表1 平整度檢測結果 mm

3 結論

1)在本研究的試驗段施工過程中實現了全程無平衡梁、無實體鋼線的條件下進行調平層和瀝青面層攤鋪，表明在養護工程中采用3D攤鋪技術實現平衡梁和鋼線數字化，并指導攤鋪機攤鋪的技術方向具有可行性。

2)3D攤鋪前期測量準備工作主要依靠人工進行，從養護工程全過程施工效率來看，采用3D攤鋪相較于普通攤鋪技術并無明顯優勢，采用車載式測量設備取代人工是未來的研究方向。

3)3D攤鋪技術與普通攤鋪技術的瀝青路面平整度均達到小于1.2 mm的標準，但3D攤鋪技術對舊路面平整度修正效果低于普通攤鋪技術。提高建模測量精度、優化施工控制點位布置和提高施工過程測量精度是提高養護工程3D攤鋪施工效果的主要途徑。