沥青路面智能摊铺控制技术研究

摘 要

沥青路面平整度是影响高速公路行车舒适性和安全性的关键因素，也是高速公路竣工验收的重要指标之一。通过对高精度沥青混凝土摊铺控制技术进行分析，项目实例说明能将目前沥青混凝土摊铺平整度最高标准由3mm/3ｍ提升到2mm/4ｍ的水平，达到沥青路面平整度的高水平，从而提高沥青混凝土摊铺高程、平整度技术要求。智能控制技术的引入能降低测量成本、人力成本和材料消耗，通过对沥青混凝土摊铺的实时控制，路面一次成型率达95%以上。

关键词

沥青路面 | 摊铺 | 高精度 | 智能控制

至2019年底，我国高速公路里程达到14.96万km，已居世界第一。“十四五”时期高速公路建设任务依然繁重。在已建成的高速公路中，绝大部分采用沥青路面，沥青路面施工的质量会直接影响到高速公路的综合效益。

随着沥青路面施工在我国大规模的展开，传统的施工工艺和技术日趋成熟，沥青混凝土摊铺机均有自动找平装置。目前国内采用的沥青混凝土摊铺控制技术主要采用导轨传递，数字化自动滑靴找平和非接触平衡梁声纳找平的方法，具体做法是：采用全站仪进行放样、钉边桩，人工设置基准线；然后将摊铺机安置在摊铺起始状态，熨平板初始位置选择与松铺厚度相同的木块托垫，作为起始状态；摊铺阶段需要有10ｍ左右的调整段。

传统的沥青混凝土摊铺工艺主要缺陷和问题有：导轨传递方法的准备工序繁多，耗时耗力且效率低下，综合效益差；人为因素对基准控制精度影响大；摊铺层经常出现各种波浪、路面容易形成积水、摊铺成型的平整度差；由于传统施工方式对精度控制上的缺陷，一旦精度控制不够就会造成少铺、多铺和层厚不均，施工浪费严重。如何克服这些缺陷，保证沥青路面高速行车的舒适度是高速公路发展追求的目标之一，改善路面的平整度和提高路面成型精度目前已成为高速公路施工技术研究的一项重要内容。

本项目通过对目前公路沥青路面施工工艺的总结，依托数字化施工技术的发展，找出了一套用于沥青路面施工的智能摊铺控制技术，实现沥青路面的无桩化施工，提高施工效率、减少人力机械使用、提高沥青路面成型质量。

通过大幅提高沥青路面成型精度，精确控制面层厚度，减少浪费，并且有效提高机械的施工效率，减少机械设备占用费，减少了技术人员大量野外工作量，从而开辟一条为企业创造经济效益的有效途径。

高精度沥青混凝土摊铺智能控制技术主要是通过一套高精度测量控制网系统对摊铺机行走过程中的平面、水准高程进行实时智能控制和调整。首先在控制网系统中建立GNSS基准站和激光基站，摊铺机采用GPS－RTK实时定位技术获取精准的平面坐标，通过激光定位技术(LaserZone)精确控制摊铺机熨平板高程，从而达到沥青混凝土摊铺的高精度智能控制。三公局二公司克服各种困难，先后在萱宁项目、徐明项目和沧千项目进行了高精度沥青混凝土摊铺精细化技术的实验和研究工作，并取得了阶段性的成果。

(1)首先解决高精度沥青混凝土摊铺基础配套技术，建立高精度测量控制网。

经实践对比，选用GPS－RTK实时定位技术来对摊铺机进行平面位置定位，需要在已有平面点建立GNSS基准站，在摊铺机上安装流动站，从而达到GPS实时定位。经研究选用激光定位技术(LaserZone)来对摊铺机高程位置进行定位，需要在已知水准点建立激光基站发射器，在摊铺机上安装激光接收器，获取高精度的高程数据。经试验，考虑GNSS基准站和激光发射器的有效半径，平面控制网宜分两级布设，分别为首级控制网和次级控制网。首级控制网点间距为500ｍ左右，在线路两侧交替进行布置，按照四等GPS进行布设。次级控制网点间距为120～140ｍ，在线路两侧设置一对，按照一等导线布设。摊铺机接收到平面和高程数据后需要利用集中控制器与设计数据进行分析，从而对摊铺机工作进行智能控制调整。

(2)其次解决高精度沥青混凝土摊铺关键技术和设备兼容性问题。

为了建立设计数据模型，我们引入了一个立体三维空间，为了更加精确地体现设计数据，经研究采用TIN(三角网)三维数据模型。将设计数据建立三维模型编入控制器系统。控制系统根据接收的平面位置和高程信息与设计数据进行对比，得到摊铺机具体的调整量，那么要精确控制熨平板的升降，控制系统与摊铺机调节系统的连接至关重要。控制系统与摊铺机连接时，需要对电磁阀进行匹配，通过调研，与沃尔沃、福格勒等知名摊铺机厂商沟通，获取了电磁阀匹配的一手资料，最终解决了电磁阀匹配的问题。

(3)最后进行高精度沥青混凝土摊铺智能控制的试验段摊铺。

在徐明路面项目部进行小面积的沥青混凝土摊铺试验，并开展数据验证和分析处理。经过对比数据，由于下承层的高低起伏，在摊铺机前进过程中，出现了摊铺机起伏的情况，大部分段落摊铺机的行走相对稳定，数据检测优良。按照纵坡0.6%的要求，在10ｍ的距离内高程变化值为10×0.6%＝0.006ｍ(6mm)。在采集数据的纵断面内，除了在起步阶段10ｍ高差在5～7mm外，在平稳摊铺阶段的高差基本控制在4mm以内，完全满足平顺性要求。通过试验发现，下承层的施工质量，特别是标高、平整度等对本结构层的施工质量有着明显的影响，理论上从第一层结构层即开始使用智能控制系统对施工质量最为有利。但考虑到该系统较为昂贵，因此必须采用本系统最佳的结构层选择时机，缩短单个项目对该系统的占用时间，形成在多个项目间的周转，以期发挥该系统的最大效益。必要时，可研究平地机、推土机控制系统。

传统的沥青混凝土摊铺技术与智能摊铺控制技术的比较，见表1。

2016年在沧千项目开展了大面积的沥青混凝土摊铺试验，并在下面层沥青混凝土摊铺中进行实际应用和阶段性成果总结。经过大量的试验发现，激光的传输距离对摊铺精度有一定影响，通过查阅相关资料并与专家进行沟通，确定目前的技术下，沥青混凝土摊铺产生的高温、烟雾等对光传输的影响是无法消除的，试验确认激光控制区域在175ｍ内，精度满足高精度沥青混凝土摊铺的要求。为了保证摊铺工作的连续性，必须设置两个激光基准站。当摊铺机经过相邻激光基准站过渡段时，选择距离近的进行转换，过渡段施工质量稳定。单幅均采用双机联铺的作业形式，传统施工中搭接部位的施工质量特别是平顺性一直不稳定。采用本系统，搭接施工工艺不变，前一工作面预留15cm左右不碾压，待第二台摊铺机摊铺完成一起跨缝碾压，由于其测量精度的提高，搭接部位平顺性明显提高。

通过使用该技术在沧千项目的研究应用，有效节约原材料成本，减少了劳动力使用，节约路面工期一个月，经济效益明显，节约综合成本287万元。在工期方面的提前给后续施工带来巨大的空间，其效益是无法估量的。

通过对大量的数据总结和分析，目前我们已经取得了阶段性成果，我公司基本掌握了高精度智能沥青混凝土摊铺关键技术。在沧千项目部进行了路面下面层高精度摊铺工作，其摊铺机熨平板适时标高均能控制在±4mm以内，得到了建设单位、监理单位的认可。

(1)在反复试验的基础上，证实了沥青混凝土智能摊铺的基础控制网点位布设、点位精度、控制网组网形式及基站设置等的经济性和合理性，基本满足沥青混凝土智能摊铺控制技术要求。

(2)通过三维数据信息的采集，替换了传统的测量手段，实现了测量数字与TIN模型转换，达到了沥青路面智能摊铺的无桩化。

(3)通过改造摊铺机等设备，实现了机、电、光、液技术一体化，将GPS技术与激光技术相结合，创造性地改变了摊铺作业的基准，初步实现了高精度沥青混凝土智能化摊铺。

(4)采用沥青混凝土转运车、控制摊铺速度、选择合理的碾压组合、解决了接缝等主要技术难题，初步形成了高精度沥青混凝土摊铺的成套技术。

当前高速公路、市政道路、路面大修高速发展，沥青混凝土摊铺市场广阔，智能摊铺控制技术以其独有的技术优势有着良好的发展前景。

高精度沥青混凝土摊铺智能控制技术对于沥青混凝土摊铺工艺是一项重要创新，显著推进路面工程施工技术的进步和发展，提高了施工质量控制能力，在沥青路面质量要求、规范标准的编制上有重要参考价值。通过减少劳动力和节约材料成本，有效减少了施工机械伤害风险，保护员工人身健康安全，减少了自然资源浪费，间接对环境生态保护做出贡献。在国防公路沥青路面快速建设、整修上也有很重要的帮助。