3D摊铺系统在底基层和基层施工中的应用研究

截止2020年底，我国公路总里程已达到519.81万km，高等级公路建设总里程已突破16万km，未来5~10年仍将迎来大量的国省道建设，公路总里程数有望进一步增加，高等级公路有望达到20万km。高速公路作为连接城市的大动脉得到了快速的发展，其中沥青路面由于具有表面平整、行车舒适、耐磨抗滑、低噪声、施工周期短、维修方便等特点而被广泛使用。但目前国内高速公路，特别是云南省部分高速公路沥青路面的平整度不甚理想，甚至局部路段出现跳车现象，严重影响车辆行驶安全及行车舒适性。

根据美国SHPR 研究计划的相关研究成果表明，大约95%的路面服务性能均与路表平整度有关[1]。美国著名的国家合作公路研究计划的研究报告和K．L．SMITH等[2]的论文通过大量的调查和分析，得出结论:认为沥青路面平整度提高25%至少可延长路面使用寿命9%，提高50%则至少可延长使用寿命15%。平整度与沥青路面使用寿命有很强的正相关性，良好的平整度是保证沥青路面使用寿命的重要环节之一，提高路面平整度不仅可以改善行车舒适性、节约油耗，还能大幅提高路面整体的使用寿命，节约维修养护费用[3]。

若仅通过改善沥青混凝土质量、严控摊铺碾压过程等来大幅提高沥青路面平整度会相当困难，因此，需采用毫米级GPS-3D激光数字控制系统施工技术来提高沥青路面整体平整度。

周玉[4]提出的路面平整度传递规律表明:在实际施工过程中，下承层的平整度会传递到上一层路面，通过逐层传递最终直接反映在沥青混凝土路面平整度上。针对云南省部分高速公路沥青路面平整度不佳的问题，引入毫米级GPS-3D激光数字控制系统用于路面底基层、基层的摊铺过程，这可大幅提升其平整度，并能在很大程度上改善底基层和基层平整度对面层平整度的影响。

本文依托云南省元蔓高速公路级配碎石底基层、 水泥稳定碎石 基层铺筑实况，结合现场高程和平整度检测结果，研究分析传统施工工艺与3D智能摊铺施工工艺对高程精度控制和路面平整度提升的影响，可在后续高等级公路沥青路面底基层、基层施工中推广。

在试验路段中，右幅采用传统工艺摊铺，左幅采用3D智能摊铺工艺摊铺。在施工准备过程中，传统施工工艺采用挂线的方式帮助摊铺机实现高程精度控制，具体放样方案为:横向选择距离道路中线3m、5m、8m、10m的位置，纵向选取间距每10m里层桩号的位置，纵横测线形成空间矩形网状结构，将交叉点坐标作为打桩位置，测量得出该点路基实际高程，再根据该点级配碎石底基层、水泥稳定碎石基层设计高程以及相应的松铺系数算出该点挂线高度，最终实现放样打桩。

传统工艺在底基层、基层的施工步骤为:施工准备工作→配合比设计→拌和→运输→摊铺→碾压养生→测试。

3D智能摊铺系统操作步骤[6]简单，主要包含:

1)设备检查和准备→2)地方坐标转换和域激光检校→3)设计制作→4)系统安装→5)架设RTK基准站和域激光发射器→6)机载设备准备和调试→7)摊铺作业。具体操作流程如下:

1)设备检查及准备。设备安装前需对摊铺机型号、安装位置、找平接口的芯数进行检查确认。

2)地方 坐标转换 和域激光校检。利用已有的地方坐标现场测量，将施工坐标系录入到RTK中，实现GPS坐标到地方工程坐标转换，以便使用已有设计;在首次使用或者长途运输、长时间搁置或者使用过程中遇到精度不准确时，需要检校域激光精度，分别用发射器的4个面对准流动站接收机PZS-1进行测量，确保2次互差在5″内，若互差偏大，则需调整参数直至2次互差达到要求精度。

3)设计制作。通常采用道路原设计CAD图纸输入配套的3D-office软件，制作成3D设计。

4)系统安装。毫米级GPS摊铺机系统的机载设备按要求安装到摊铺机上，须注意摊铺机因制造厂商和设计不同，安装前需确认摊铺机厂商和型号以及熨平板的工作长度，同时需确认摊铺机找平系统自身有无问题，尤其须注意激光接收器的安装高度，以避免摊铺过程中出现接收器信号被遮挡的问题。

5)架设域激光发射器。为避开震动和遮挡，架设该设备需考虑域激光的扩展角，即毫米级GPS-3D操作系统垂直作业窗口上下5m距离，并且保证机载激光接收器在此范围内，测量域激光架设点的坐标，通过前后高程控制点对激光发射器进行校核，合格后方可使用，且至少保证用2个及以上控制点检测。

6)机载设备准备和调试。先将GPS接收机手簿里的坐标转换信息、设计、域激光信息通过U盘导入MC控制箱，后设置摊铺机参数和熨平板参数并进行摊铺工作。

7)摊铺作业[7]。(1)用GPS测量地面高程，计算并标记摊铺高度，将熨平板调整到合适高度，点击匹配使高程调整值归零，消除之前由于测量不准确存在的误差;(2)在长距离摊铺过程中，系统默认根据域激光信号强度自动切换通道，由于域激光发射器存在发射偏角，在30m距离内不能使垂直作业窗口上下高度达到10m，实际中不推荐使用自动切换通道，一般设置使用单一激光，而用手动切换，若切换后高度差超过5mm，需再次匹配，使高程偏差值归零;(3)当摊铺机摊铺距离超过当前使用激光发射器精度范围时，需手动切换到另一个通道。3D智能摊铺系统可实时控制高程偏差，通常在摊铺机起步2m范围内熨平板工作尚不稳定，此时无需调整，在摊铺机平稳运行后，再对高程偏差进行调整，其调整要求如表1所示。

4.1高程分析

1)底基层高程分析

根据图3(a)可得，左幅路基所测点实测高程普遍比设计高程偏大，偏差-0.02m~0.02m的数据占比为17%;右幅路基的高程偏差-0.02m~0.02m的数据占比为38%，因此左幅路基高程偏差更大，更不利于级配碎石底基层的施工。根据图3(b)可得，左幅级配碎石底基层铺筑完成后，设计高程与施工高程的偏差显著减小，偏差＞0.04m的数据占比接近为0，偏差数据主要集中在-0.02m~0.02m之间，占比高达64%;右幅级配碎石底基层进行摊铺后，高程偏差值有所减小，高程偏差在-0.02m~0.02m之间的数据占比为51%。

本文为了更好地对比2种施工工艺在底基层精度控制方面的效果，采用-0.02m~0.02m为高程精度控制的对照区间，根据高程数据，采用3D智能摊铺工艺后底基层在-0.02m~0.02m高程偏差的修正比例可达到47%，而采用传统工艺在相同范围的修正比例为13%。

在传统工艺和3D智能摊铺工艺下，级配碎石底基层铺筑后都对高程控制精度有了一定的提升，高程偏差绝对值有所减小;但与采用3D智能摊铺工艺的左幅比较，传统工艺对右幅高程控制精度相对较差，其高程精度修正比例较左幅低34%。在底基层高程控制精度方面，左幅所采用的3D智能摊铺工艺会比右幅传统工艺更有优势。

2)基层高程分析

根据图3(c)可得，左幅级配碎石底基层和水泥稳定碎石基层铺筑完成后，设计高程与施工高程的偏差大部分集中在-0.02m~0.02m之间，在此区间的数据占比81%，而偏差在-0.04m~0.02m的数据占比高达99%;右幅级配碎石底基层和水泥稳定碎石基层铺筑完成后，设计高程与施工高程的偏差在-0.02m~0.02m区间范围的数据占比为78%，高程偏差在-0.02m~0.02m区间范围的数据占比达到91%。

同样采取-0.02m~0.02m为高程修复对照区间，在该区间3D智能摊铺工艺在基层的修复比例达到64%，而传统工艺在基层的修复比例为41%，说明2种摊铺工艺都对高程控制精度有了一定的提升作用，但左幅对高程精度控制的提升作用更加明显，修复比例较右幅高23%，即采用3D智能摊铺工艺更容易实现对高程精度的精准控制，使施工后的实际高程更加接近于设计高程。

4.2平整度分析

对云南元蔓高速公路K88+800~K89+100路段的路基、级配碎石底基层、水泥稳定碎石基层平整度采用连续式平整度仪按照T0932的要求进行检测。以K88+800为起点将检测路段每100m划分为一个段落，超车道对应的段落编号为1、2、3，行车道对应的段落编号为4、5、6。

1)底基层平整度分析

整理试验段路基与底基层平整度检测数据，结果如图4、图5所示。由图4可知，在摊铺级配碎石底基层之前，两幅路基的平整度相近，但左幅平整度数值的变异性较大，初始路况相对较差。通过统计数据可得，采用连续式平整度仪测得右幅路基平整度的平均值为4.656mm，标准差为0.313;左幅路基平整度的平均值为4.440mm，标准差为0.611。

由图5可得，采用连续式平整度仪测得右幅级配碎石层的平整度平均值为2.858mm，样本标准差为0.398;左幅平整度平均值为2.751mm，样本标准差为0.210。相较路基平整度，采用传统工艺时，级配碎石底基层平整度提高了1.798mm，标准差由0.313增加到0.398，厚度均匀性变差;采用3D智能摊铺工艺时平整度提升了1.808mm，标准差由0.611减小到0.210，明显减小，表明采用3D智能摊铺工艺对平整度方面的提升不够显著，但厚度的均匀性方面显著变好。

1)基层平整度分析

整理试验段基层平整度检测数据，结果如图6所示。由图6可知，右幅水泥稳定碎石基层采用连续式平整度仪测得的平整度平均值为3.071mm，样本标准差为0.289;左幅平整度的平均值为2.356mm，样本标准差为0.329。相较级配碎石层平整度，采用传统工艺摊铺时，水稳基层平整度由底基层2.858mm增加到了3.071mm，标准差由0.398减小到0.289，平整度反而变差;而采用3D智能摊铺工艺时，水稳基层平整度由底基层2.632mm变为2.356mm，平整度变好，标准差由0.210变为0.329，在水泥稳定碎石基层施工完成后，左幅平整度由4.440mm提高到2.356mm，提升值达到2.084mm;右幅平整度由4.656mm提高到3.071mm，提高值达到1.585mm，相较左幅低了0.499mm。本路段检测数据表明，相比传统工艺，采用3D智能摊铺工艺施工能提高水稳基层平整度。

4.3传统工艺与3D智能摊铺工艺的对比

1)试验段实践证明，使用毫米级GPS-3D激光数字控制系统在摊铺环节可实现无桩化施工，使得摊铺作业更加智能化。

2)在高程精度控制方面，3D智能摊铺工艺在底基层对于路基高程偏差-0.02m~0.02m区间内修复比例提高51%，在相同区间内在基层对路基修复比例提高64%;而使用传统工艺相应提高了13%和41%，因此，采用3D智能摊铺工艺较传统工艺而言，高程精度控制更佳。

3)在平整度提升方面，左幅采用3D智能摊铺工艺，测得路基、底基层和基层平整度分别为4.440mm、2.751mm和2.356mm，底基层和基层分别提高了1.689mm和0.395mm;右幅采用传统工艺，测得路基、底基层和基层平整度分别为4.656mm、2.858mm和3.071mm，底基层提高1.798mm。在基层施工结束后，基层的平整度出现了反增，增加了0.213mm。因此，采用3D智能摊铺工艺较传统工艺，平整度提升更加明显且稳定。