基于GM-BP組合監測的市政道路工程水穩層施工質量控制研究

摘要：為提高水穩層施工質量并延長市政道路工程的使用壽命，以某市政道路工程項目為例，提出基于GM-BP組合監測的水穩層施工質量智能控制方法。根據工程需求，選擇等級在32.5以上的普通硅酸鹽水泥作為主要原材料；將混合料攤鋪在作業面上，進行混合料攤鋪厚度調整與攤鋪速度控制；碾壓施工按初、復、終三個階段進行，根據工程需求設計市政道路工程水穩層碾壓施工；在此基礎上，采用灰色神經網絡（Grey Model with Back Propagation，GM-BP）監測施工關鍵參數，實時進行施工調整，對道路工程進行接縫處理，之后對其進行養護，由此完成施工質量智能控制。分析結果表明：設計的施工質量智能控制方法應用效果良好，可以確保道路工程壓實度、平整度、縱段高程、橫坡等指標通過質量驗收，使施工后的道路實際強度滿足施工強度代表值要求。

關鍵詞：市政道路工程；攤鋪；碾壓；控制方法；施工質量；水穩層

中圖分類號：U416.2" "文獻標識碼：A" "文章編號：２０９６-2118（2024）04-0020-06

Research on Quality Control of Water Stable Layer Construction in Municipal Road Engineering Based on GM-BP Combined Monitoring

HOU Bing，ZHANG Hui，WANG Shengyan，XU Zhenzhen，JIANG Jian，YANG Huixia

（China Construction Seventh Bureau Installation Engineering Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan〓450000，China）

Abstract：In order to improve the quality of water stable layer construction，and prolong the service life of municipal road engineering，an intelligent control method for water stable layer construction quality based on GM-BP combined monitoring is proposed，taking a certain municipal road engineering project as an example.According to the needs of the project，ordinary Portland cement with a grade above 32.5 is selected as the main raw material；spread the mixture on the working surface，adjust the thickness of the mixture paving and control the paving speed；rolling construction is carried out in three stages：initial，secondary，and final stages，and the rolling construction of the water stable layer of municipal road engineering is designed according to the engineering requirements；on this basis，Grey Model with Back Propagation（GM-BP） is used to monitor key construction parameters，make real-time construction adjustments，treat road engineering joints，and then maintain them，thus completing intelligent control of construction quality.The analysis results indicate that the designed intelligent control method for construction quality has a good application effect，which can ensure that the compaction，flatness，vertical section elevation，cross slope and other indicators of road engineering pass quality acceptance，so that the actual strength of the road after construction meets the requirements of the representative value of construction strength.

Keywords：municipal road engineering；paving；rolling；control method；construction quality；water stability layer

0 引言

水泥穩定層是指在道路建設中起到加固和穩定路基的一種構造層[1]，是由一定比例的水泥、石子、砂等材料混合而成，經過合理的施工方法進行澆筑、壓實和養護，形成堅固的層狀結構。其主要應用于需要提高道路承載力和穩定性的地方，如高速公路、市政道路、機場跑道等[2]。其作用是增強土壤的抗剪強度，強化路基結構，防止路面塌陷、松動、變形等問題。因其耐久性好、抗水浸泡性能好、抗車輛荷載能力強等優點，且其施工相對簡單，可適應各種環境條件，因此在道路工程中得到廣泛應用。在水穩層施工過程中，水泥與水發生水化反應，產生硬化產物。水泥水化反應是一個放熱反應，通過這個反應，水泥與水結合形成碳酸鈣結晶體，并釋放出水化熱[3-4]，這些結晶體填充了骨料間的空隙，使水穩層強度和穩定性增加。相比其他基層結構，水穩層具有抗滲和抗凍性好、強度高等顯著優勢，可作為高等級道路較理想的基層。

然而，水穩層由水泥、骨料等混合物料組成，其中水泥和骨料具有不同的線膨脹系數。當水穩層中的水泥發生水化反應，并且產生水泥矩陣體積收縮時，由于骨料的膨脹系數較低，骨料處于被約束的狀態，無法隨著水泥的收縮而自由伸展，從而使整體基層發生干縮，造成水穩層出現裂紋。因此，在施工過程中，應根據工程的實際情況，對每個步驟、每個具體環節的施工質量進行嚴格控制，以提高市政道路工程的使用年限。

針對工程中是否存在“溫縮開裂”情況，需要進行進一步的分析。一般來說，溫縮開裂主要有以下4種原因：①溫度變化：溫縮開裂現象是由于道路表面材料受到溫度變化的影響而發生的。在高溫季節或夜間溫度較低時，道路表面會經歷溫度的快速變化，由于不同材料的熱脹冷縮系數不同，導致道路表面產生應力變化，從而引起開裂。②材料特性：道路水穩層所使用的材料會對溫縮開裂產生影響。例如，某些黏土含水量高的材料會在高溫季節由于水分蒸發而收縮，從而引起開裂。此外，道路材料的膠結和黏結能力，以及其容納變形的能力也會對溫縮開裂產生一定的影響。③構造設計：道路水穩層的構造設計也是影響溫縮開裂的一個重要因素。合理的構造設計能夠減少或分散溫度變化對道路表面的影響，從而降低開裂的風險。例如，通過增加水穩層的厚度、采用防水層等方式來減緩溫度變化對道路表面的傳導。④施工工藝：道路水穩層的施工工藝也會對溫縮開裂產生影響。不當的施工工藝，如不合理的壓實、不良的材料配合比例及不適當的施工時間等，都可能導致道路材料內部應力不均勻，從而導致溫縮開裂的發生。因此，在施工過程中，需要采取相應的措施，如優化混凝土配合比的設計、控制混凝土的水化熱釋放和溫度變化等，以減少溫縮開裂的風險。針對上述問題，提出基于GM-BP組合監測的市政道路工程水穩層施工質量智能控制方法研究。

1 市政道路工程水穩層施工質量的智能控制

1.1 施工中原材料質量控制

在水穩層的施工階段，基層砂石構造緊密性將會極大地影響到整個結構穩定性[5]。為確保水穩層砂石構造符合標準，在開展研究前，進行水穩層施工原材料質量控制，在此過程中，應嚴格控制施工中的級配碎石、水泥等原材料質量，根據工程需求，選擇等級在32.5以上的普通硅酸鹽水泥作為主要原材料，確保原材料各項參數指標在符合工藝與施工標準的基礎上，控制水泥的初凝時長＞180 min，終凝時長＞360 min。同時，根據工程施工要求[6]，進行原材料制備中膠砂安全性、試驗強度的檢測。在此基礎上，考慮到水泥摻量過高會影響道路施工效果，因此，需準確控制制備過程中水泥的摻入量。

選擇級配碎石時，按照《城鎮道路工程施工與質量驗收規范》（CJJ 1—2008）規定，選取瀝青混凝土基礎或底層碎石級配范圍為5 mm～31.5 mm。水泥穩定砂石層碎石級配范圍為5 mm～25mm。翼緣瀝青混凝土碎石級配范圍為9.5 mm～19 mm。路基層：碎石級配范圍為20 mm～60 mm。結合原材料制備需求，優先選擇5 mm～7.76 mm，7.86 mm～9.55 mm，8.25 mm～10.58 mm，10.75 mm～21.77 mm四種不同粒徑等級的碎石進行配合比設計。在此基礎上，進行碎石微粒含量的檢驗，確保原材料質量通過驗收。在此過程中應注意，完成多次試驗確定配合比后，應按照設計的比值進行溫縮、干縮試驗，確保配合比設計可以達到預期效果后，完成水穩層施工中原材料質量的控制。

1.2 攤鋪厚度與速度的調整控制

水穩層攤鋪厚度的確定需要考慮設計要求及材料特性：①設計要求：根據道路設計要求和規范，確定所需的水穩層總厚度。包括基層的承載能力、交通荷載情況、水穩層的抗裂性能等。②材料特性：水穩層材料的物理特性會影響攤鋪厚度的選擇。一般來說，材料越穩定、密實，攤鋪厚度可以適當減小；材料稀薄或黏粒含量較高時，攤鋪厚度應適當增加。施工條件對攤鋪厚度也有一定影響。例如，施工溫度、濕度、施工工藝、設備技術等都會影響材料的壓實效果和穩定性。在較為惡劣的施工條件下，可能需要增加攤鋪厚度以保證道路質量。

為預防和處理混合料離析問題，在材料選用時，盡量采用質量穩定、顆粒級配良好的材料，并嚴格按照設計要求進行材料配合。同時混合料應具有均勻性，且在拌合過程中，應確保混合料的充分拌合，盡量減少混合料中顆粒間的空隙。可以采用機械拌合設備，控制拌合時間、速度以及拌合工藝參數。在施工過程中，要注意均勻鋪攤，并使用合適的施工工藝，如夯實、碾壓等，以提高混合料的密實性和穩定性。應通過合理控制施工進度以確保施工按時進行，減少不必要的延遲；嚴格進行材料管理，及時安排材料送達施工現場，以減少因材料延遲引起的施工延期；合理評估施工環境條件，針對性調整施工時間和方式，以減少因環境因素導致的延遲；加強施工團隊內部協調，及時與相關單位進行溝通，以解決施工過程中可能遇到的問題，從而避免延遲。

在攤鋪設備開始作業前，需要先準備2塊方形墊木，將其作為參照，進行混合料攤鋪厚度調整的設計。根據調整需求，控制方形墊木的長度在10 cm～20 cm，寬度在5 cm～10 cm，厚度為n。在此基礎上，將攤鋪設備停在起點位置，抬起熨平板，將方形墊木放置在熨平板的兩端位置，如果熨平板的寬度較大，則需要將方形墊木放置在熨平板的加寬位置內側，放置方式如圖1所示。

根據圖1可知，方形墊木安放完成后，將熨平板放回原位，使起重氣缸保持漂浮狀態。旋轉左、右兩個調厚機的把手，直至縱向坡度感應器上的黃光亮起。此時，調整裝置處于中間狀態，熨平板僅靠自身重力落在方形墊木上，不會受到任何垂直力的影響。調整方形墊木的初始工作仰角，若攤鋪厚度較大，初始仰角應稍大一些。根據上述方式，初步測定攤鋪層厚度，在開鋪后，若有需要，可通過傳感器進行監測，并重新旋轉厚度調節器進行調節。每次調節時，應在5 m范圍內進行多點厚度的實時檢測，并將檢測結果與設計值進行對比。一次校正之后，在測定均值前，不可進行攤鋪厚度的其他調整。

完成混合料攤鋪厚度的調整后，設計攤鋪速度。在此過程中應明確，攤鋪設備應在作業面上保持勻速、連續作業，不可出現時快、時慢的作業方式。一旦攤鋪設備作業速度發生變化，便會出現預壓后作業面平整度的變化，如圖2所示。

根據圖2可知，在正常速度攤鋪時，作業面平整；若攤鋪速度過快，則作業面不平整。因此在攤鋪時，應盡可能避免停車，并且應將每日停車的時間安排在作業面預設收縮縫處。如果在施工過程中必須停止作業，則應把攤鋪機的平板鎖住，防止其沉降，以確保工程質量符合規范要求。

1.3 市政道路工程水穩層碾壓施工控制

完成混合料攤鋪后，進行市政道路工程水穩層碾壓施工。為了保證水穩層的密實度和平整度，并確保道路具有良好的承載能力和行車舒適度，碾壓施工按初、復、終三個階段進行。初期碾壓時，采用重量25 t以上的重膠輪壓路機穩壓1～2遍，錯輪不超過1/3的輪跡帶寬度，且速度需相對較慢，可控制在3 km/h～5 km/h，以確保良好的填充效果和足夠的壓實力度。按規范要求檢查初壓是否達標，如達標，繼續執行下一步驟，否則需要重新壓實。在復壓的過程中，首先進行一次作業面輕微的振蕩，再經過三次強烈的振蕩，并使用重量約為9 t的橡膠輪式壓路機進行碾壓，此過程中速度需適中，可根據道路表面的情況，調整碾壓機的行進速度，將其控制在5 km/h～8 km/h。復壓后要注意道路的壓實效果。終壓以收光和消除痕跡為主，采用重量約為16 t的重型振動壓路機碾壓密實，再采用重量約為12 t的雙鋼輪壓路機碾壓，為消除輪跡用橡膠輪式壓路機對路面進行碾壓。其碾壓速度相對較高，但仍需遵循設計要求和施工規范。一般而言，終期碾壓速度可在3 km/h～8 km/h。

1.4 水穩層施工智能化監測控制

在上述施工控制操作的基礎上，通過埋設傳感器來實時收集攤鋪層厚度及密實度、平整度等關鍵參數。然后通過無線通信技術將傳感器收集到的數據傳輸到物聯網平臺，結合監測數據分析方法，將分析結果與設計要求對比，及時發現施工質量問題，提供更精準的施工調整建議，并進行施工調整，以實現有效的市政道路工程水穩層施工質量智能控制，達到提高施工質量的目的。

將灰色理論和BP神經網絡進行結合，即灰色神經網絡，以此來實現水穩層施工關鍵參數監測。灰色理論是一種適用于小樣本、缺乏歷史數據的方法，容錯性大，但其非線性擬合能力差，在進行長期監測時，誤差較大。BP神經網絡是一種具有強大的模式識別和學習能力的人工神經網絡，非線性能力強，但在數據量較小的情況下容易過度擬合。因此，將兩者進行結合，可以充分利用兩者的優勢，彌補各自的不足，提高水穩層的攤鋪和碾壓施工關鍵參數監測的準確性和可靠性，以實現有效的市政道路工程水穩層施工質量智能控制。

首先將傳感器收集到的數據傳輸到物聯網平臺，通過灰色理論對其數據進行預處理，分別得到水穩層施工關鍵參數的監測分析結果。對傳感器收集的原始數據X做一次累加，生成新數據序列，再對其進行微分處理，公式如下：

■+aX0（1）=b（1）

式（1）中：a為發展系數，b為灰作用量，X0（1）為原始數據的子序列。

接著采用最小二乘法對公式（1）進行求解，則微分方程的解為：

■■（k+1）=X■（1）-■e■+■（2）

式（2）中：k為累加次數。

最后，再運用累減的方法進行逆向計算，還原原始數據序列，進而得到監測分析結果，公式如下：

■■（k+1）=■■（k+1）-■■（k）（3）

為提高分析結果的精度，利用BP神經網絡對監測結果進行擬合，最終再與設計要求對比，以提供更精準的施工調整建議，其GM-BP組合具體實現施工數據監測的流程如下。

步驟1：利用下述公式（4）對所得監測分析結果進行歸一化處理：

x■=■（4）

式（4）中：■■，■■分別為分析結果最大值和最小值。

步驟2：建立BP神經網絡，設置最大訓練次數、訓練要求精度、學習率等參數。

步驟3：收集歷史水穩層施工相關的數據，如攤鋪厚度、密實度、平整度等參數數據，并進行歸一化處理。將帶有合格與不合格標簽的歷史參數數據作為網絡訓練依據，幫助網絡學習判斷施工質量。并在訓練的過程中對網絡參數進行調整和優化，提高網絡性能。

步驟4：將步驟1處理后的監測分析結果作為輸入項，輸入到訓練好的BP神經網絡中，進行進一步的監測分析，將其與設計要求對比，獲得最終的監測分析結果，以判斷當前施工是否符合要求，并提供更精準的施工調整建議，對施工操作進行調整。

綜上，完成對水穩層施工的實時監測和分析，以對市政道路工程水穩層施工質量進行有效智能控制，從而提高施工質量。

1.5 施工中的接縫處理與養生

對水穩層施工質量的控制，除了上述內容，施工中的接縫處理與養生也起著重要的作用。在道路施工過程中，接縫處理是重要的環節。如果接縫不按規定垂直相接，會形成一條薄弱帶，該薄弱帶上的瀝青面層容易出現龜裂和破壞，影響道路的使用壽命和穩定性。因此在上述內容的基礎上，進行道路的接縫處理時，平接縫和斜接縫是最常用的兩種接縫處理方法。平接縫是指道路層與相鄰部分垂直相連的接縫處理方式，在各種道路工程中都得到廣泛應用。而斜接法是一種應用較多的接頭形式，但其并不適用于一次攤鋪大厚度水穩路面的施工。此次接縫處理的目標有兩個，即質量和美觀。因此，在進行接縫處理時，仍需要采用上述GM-BP組合監測方法對接縫的平整度和壓實度進行監測，以對其進行嚴格的控制，保證接縫處理后的縫隙搭接緊密光滑。

在此基礎上，應進行道路的養生，選用適合的養生方式可以有效地提高道路的使用壽命。養生時間根據使用的道路表面材料、氣候條件、環境濕度等因素，設置為7 d～14 d。在這段時間內，施工單位應依據相關規范和技術要求，實施恰當的養護措施。針對水穩層采用養生布保濕的方式，在攤鋪后立刻對成型的水穩層進行覆蓋，并灑水降溫，保持一定的水分和溫度。持續的養護可以使水泥砂漿充分水化，從而形成更加堅韌耐用的結構層。

在養生保濕環節，至少應配備1輛專門的灑水車，在水穩層初步形成且平整度、壓實度等達到標準之后，才能展開灑水養生。如果使用噴霧的方法澆水，要避免直接將水沖刷到表面。養生布的排列不能任意遮擋，兩個部分的養生布重疊長度≥0.3 m，要手動拉動養生布滾壓，使其均勻鋪開。為保護新鋪設的道路表面材料免受損害，通常需要實施一定的交通管制措施，以限制車輛和行人對養生中道路的使用。具體的交通管制要求將根據道路類型、交通流量、施工區域等因素而異。一般情況下，可以采取道路封閉、交通分流等措施進行交通管制。按照上述方式，完成道路接縫處理與養生，實現對水穩層施工質量的全面提升。

2 實例分析

2.1 工程概況

完成對水穩層施工方案的設計后，為實現對該方法在實際應用中質量控制效果的檢驗，選擇河南地區大型市政道路工程項目作為試點，該市政道路工程為一條主干道，等級為一級公路。將水泥穩定碎石混合料作為主干路的基層結構，位于路面下方，厚度為15 cm。在施工過程中，選用了42.5號普通硅酸鹽水泥，初凝時間≤45 min，終凝時間為6 h。級配碎石符合規范的設計要求，粒徑范圍為5 mm～10 mm。水泥∶碎石∶水的重量比例為1∶2∶0.4，在施工過程中需要嚴格控制水分含量，最佳含水量為8%。原材料試驗檢測結果符合規范要求，水泥穩定碎石混合料的設計強度為C30。

施工前，與項目的承包方進行交涉，掌握與此項目相關的概況信息，具體內容見表1。

在深入該項目所在地的現場勘察中發現，道路所在地屬于濕潤-半濕潤的季風氣候，水資源條件相對較差。該工程早期施工的水穩層厚度為34 cm，但由于整體壓實度施工技術不符合規范，導致工程質量一直無法達到預期。為實現對工程項目質量的全面提升，在施工前需要對項目所在地的水文地質條件展開分析，具體內容見表2。掌握工程項目的基本情況后，使用本文設計的方法，進行水穩層施工質量控制。市政道路工程水泥穩定碎石結構層的施工質量控制需要在原材料選擇、配合比設計、混合料拌合、運輸、攤鋪、碾壓、接縫處理和養生等環節上嚴格把控，從而完成本文方法在市政道路工程施工中的應用。具體的施工現場如圖3所示。

2.2 試驗結果與討論

完成施工后，設置壓實度、平整度等若干個指標，結合《城鎮道路工程施工與質量驗收規范》（CJJ 1—2019），設計工程質量檢查方法與頻率，進行工程施工質量的檢驗。試驗結果見表3。

從表3中可以看出，市政道路工程質1量驗收指標中的壓實度、平整度、強度、中線偏位、縱斷高程、寬度、厚度、橫坡等檢查結果偏差均在規定值范圍內，說明本文設計的方法可以起到提升道路工程質量的作用。

完成上述測定后，在道路工程的左幅與右幅選擇測點，設計施工強度代表值，采用鉆芯取樣法進行施工后道路實際強度的測定，測定結果見表4。從表4中可以看出，道路左幅與右幅選擇的測點實測強度均大于施工強度代表值，說明施工后道路強度通過質量驗收。綜合上述試驗結果，得到如下結論：此次研究設計的市政道路工程水穩層施工質量智能控制方法應用效果良好，應用該方法進行道路工程施工，可以在確保道路工程壓實度、平整度、縱斷高程、橫坡等指標通過質量驗收的基礎上，使施工后道路實際強度滿足施工強度代表值，即確保工程施工強度達到規范。

3 結語

市政道路工程建設是城市發展的關鍵環節之一，水穩層質量在道路穩定性和安全性方面起著重要作用。本文以某市政道路工程項目為例，通過規范化的水穩層施工方案和智能控制方法，提高了道路工程的施工質量。市政道路的水穩層具有較高的強度，隨著時間的推移，會形成更為牢固的結構，增強抗滲透性和抗凍性。為了確保水穩層質量，本文針對原材料質量、混合料攤鋪厚度與速度、碾壓施工和道路接縫處理等方面進行了合理控制與調整。采用GM-BP組合監測方法，實時監測施工關鍵參數，并根據監測結果調整施工工序，實現對工程施工全過程質量的智能控制。該方法經過實例驗證，能夠提高道路工程的施工質量，有助于保障市政道路的整體發展，提升道路的穩定性和安全性。

參 考 文 獻

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編輯：楊 洋