智能碾壓技術在智慧高速公路的應用研究

摘要：文章依托南寧沙井至吳圩高速公路開展路基智能碾壓技術應用研究，闡述了智能碾壓技術的工作原理與系統構成。該技術不僅能減少壓實質量風險，縮短檢測周期、降低檢測人員勞動強度，避免了路基因壓實度不合格返工處理所造成的人力、物力等資源浪費，還革新了項目路基填筑施工質量的管理模式，對節能降耗、綠色施工、智能化發展起著重要作用，具有良好的發展前景。

關鍵詞：高速公路；路基；智能碾壓技術；預警；應用研究

中圖分類號：U412.36+6

0 引言

隨著公路工程基礎建設工作的推進和對交通強國目標的不懈追求，勢必會對公路路基壓實質量提出更高的要求。傳統控制公路路基壓實質量的方法是通過人工記錄碾壓遍數和現場抽樣檢測，方法具有隨機性，不能全面反映路基整體的壓實質量，易出現重復碾壓或者漏壓的現象，埋下質量隱患問題。隨著信息技術的不斷發展和機械設備不斷推陳出新，新技術、新設備的應用，對公路路基壓實質量控制帶來了便利。此外，國家也出臺了許多政策大力推廣智能化、自動化機械設備，因此，智能碾壓技術的應用具有光明的前途和廣闊的市場。

1 工程概況

本文依托南寧沙井至吳圩高速公路開展路基智能碾壓技術研究應用，該高速公路將被打造成為一條智慧高速、綠色高速，在廣西首次開展智慧交通車路協同示范項目建設，社會關注度和質量要求高。該項目位于南寧市江南區、經開區以及崇左市扶綏縣境內，地處南寧盆地西南邊緣的丘陵山區，山丘連綿起伏，主線以路基土石方施工為主，控制路基壓實質量和提高施工效率尤為重要。

2 技術原理

路基智能碾壓技術主要由北斗定位天線、振動傳感器、數據采集單元和智能顯示終端四部分組成，以傳統路基壓路機為載體，組成路基智能碾壓系統。該系統基于北斗高精度定位技術，以路基壓實數據為主線，進行全過程跟蹤、分析、統計、預警，及時掌握路基壓實質量動態，改變以往隨機抽樣檢測和憑經驗判斷路基壓實質量的施工方法，提供更全面更直接的路基壓實質量信息，有利于現場管控路基壓實質量和切實提高工作效率。如圖1所示。

（1）通過“振動輪-土”結構動力幅頻響應機理研究，壓路機在碾壓土體的過程中，振動輪上的傳感器實時采集和分析加速度幅值等參數［1］，并與基準數據庫進行對比判斷壓實質量效果，實現實時監測路基壓實質量的目的。

（2）通過寬幅路基壓實質量快速反饋技術研究應用，多機協同作業的信息通過后臺服務器進行實時匯總處理，并將該段路基碾壓遍數、填筑厚度和壓實度效果信息以圖形顏色的方式實時顯示在每一臺壓路機駕駛室智能顯示終端上，給予操作手提示，避免因漏壓埋下質量隱患和過壓造成成本浪費。

（3）通過智能碾壓關鍵指標預警系統研究應用，建立關鍵指標超限的預警機制，采用手機信息提醒施工管理人員及時處理相關問題，降低質量隱患風險。

（4）通過研究智能碾壓技術工程量算法研究應用，采用北斗定位功能對碾壓面積及高程的數據采集，達到以高程差及碾壓面積進行土石方量估算的目的，便于實時了解工程施工進度情況。

3 “振動輪-土”結構動力幅頻響應機理研究

振動壓路機在進行路基碾壓工作過程中，路堤土體的密實度和彈性模量不斷增加，壓路機振動輪與土體之間的相互作用力以及壓路機振動輪的加速度幅值同步增大。基于壓路機與碾壓土體相互作用的規律，通過分析規律和應用該規律，達到監測路基壓實質量的目的。

依據土體與壓路機振動輪相互作用的機理，通過開展不同填料的路基試驗段施工，人工實時記錄碾壓遍數以及檢測每碾壓一遍的壓實度，并且通過安裝在壓路機振動輪上傳感器，實時監測加速度幅值的變化和采集相應數據，將數據傳輸至控制單元進行分析。通過施工質量智能化信息監控平臺進行數據匹配，得到該填料不同壓實度、碾壓遍數情況下的壓路機振動輪反饋基波（見圖2），即不同路基壓實度、不同碾壓遍數狀態下的CMV值［2］，從而建立監測路基壓實質量、碾壓遍數等指標的對比基準。壓路機在后續路基填筑碾壓工作中，傳感器實時監測和采集加速度幅值數據，同步匹配數據庫中的對比基準CMV值，實現了實時監測路基壓實質量的目的。

4 寬幅路基壓實質量快速反饋技術研究應用

高速公路路基填筑工作面的面積往往較大，寬度達到幾十米甚至上百米，在施工過程中如何判斷碾壓遍數、厚度、壓實度等指標是否滿足要求，是一個值得思考的問題。經調研了解，操作人員在工作時注意力較為集中，但對數字較為不敏感。于是通過顏色展示的方式，將路基壓實質量情況實時反饋給壓路機操作人員以進行及時處理。

通過已建立的北斗信號網絡，基于定位、高程測量功能，采集每個壓路機在施工過程的行走軌跡和高程數據，進而得出該工作面的碾壓遍數、填筑厚度（在上下層填筑工作面采集的高程差）。壓實度通過采集加速度幅值并對比CMV值進行獲取。在施工質量智能化信息監控平臺建立碾壓遍數、填筑厚度、壓實度顏色判別數據庫（見表1）。壓路機在施工中實時將采集的數據信息傳送到施工質量智能化信息監控平臺進行對比分析，后臺將信息傳輸至壓路機顯示終端，以顏色區別不同的質量指標，實現路基壓實質量快速反饋的目的，讓操作人員實時掌握施工現場漏壓區和壓實薄弱區，達到實時動態質量監控的效果（見圖3）。

5 智能碾壓關鍵指標預警系統研究應用

研究通過智能碾壓系統就路基松鋪厚度、壓實厚度、壓實度三大指標向管理人員進行預警，讓管理人員及時了解施工現場路基壓實質量情況并采取相應處理措施。依據設計圖紙和規范要求，在施工質量智能化信息監控平臺設定指標允許偏差值，實際偏差值＞5%的為輕度偏差；10%為中度偏差；15%為嚴重偏差。如圖4所示。

智能碾壓系統在施工過程中不間斷采集數據和傳送至服務器處理，在出現質量偏差時通過手機預警的形式提醒施工管理人員及時處理相關問題，如后頁圖5所示為施工質量控制提供必要的技術支撐，實現對路基填筑松鋪厚度、壓實厚度、壓實度等指標過程控制的目的。

6 智能碾壓技術工程量算法研究應用

基于柵格地圖下的層厚控制技術，將路基工作范圍內的區域進行網格化處理，并對碾壓層位進行DEM高程建模。利用北斗定位和測量功能，壓路機在碾壓過程中對行走軌跡及上下填筑層標高進行測量，并進一步通過上下層填筑層高程差及碾壓面積進行土石方量的估算。

（1）將路基工作范圍內的區域進行柵格化處理，即將工作面劃分為很多個小方格，每個方格尺寸大小為20 cm×20 cm，每個方格有獨立屬性，包括遍數與壓實厚度等，通過壓實厚度與方格網面積的乘積，計算每一方格的土石方量。

（2）系統終端平臺接收并分析數據，根據每一小格的土石方量，進而匯總形成整個樁號、整個工區及整個標段的總方量，通過公路施工質量智能化信息監控平臺網站可對沙吳高速公路各段落已施工和未施工的土石方量數據進行查詢。通過計算土石方的方量，可實時了解每個工作面的施工進度和剩余工程量，為下一步的施工組織工作提供依據。

7 結語

智能碾壓技術通過建立基準數據庫，實現對沙吳智慧高速公路路基壓實質量進行實時、全斷面監測的目的，取代傳統人工取樣以點代面檢測的方法，該技術不僅能減少壓實質量風險，縮短檢測周期、降低檢測人員勞動強度，還避免了路基因壓實度不合格返工處理所造成的人力、物力等資源浪費。此外，該技術革新了項目路基填筑施工質量的管理模式，對節能降耗、綠色施工、智能化發展起著重要作用，具有良好的發展前景。

參考文獻

［1］劉佳濤.高速公路瀝青路面碾壓施工質量智能監控技術［J］.工程機械與維修，2022（1）：188-189.

［2］宋宏偉，劉永祥.路基智能碾壓在實際施工中的運用［J］.中國港灣建設，202 42（7）：64-67.

收稿日期：2023-10-18

作者簡介：何 平（1990—），工程師，主要從事道路與橋梁工程技術管理工作。