CN109554994B - 一种沥青路面的3d摊铺施工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种沥青路面的3D摊铺施工工艺，属于道路施工技术领域。本发明使用装配有3D摊铺自动控制系统的摊铺机进行施工，无须放样、打桩、挂线等复杂繁重的操作，不仅能显著降低劳动强度，而且大大加快了施工速度。本发明使用3D摊铺自动控制系统同时配合温拌剂进行摊铺施工，不仅能保证摊铺施工的质量，而且还能减少沥青摊铺产生的有害烟气的排放。

Description

一种沥青路面的3D摊铺施工工艺
技术领域
本发明属于道路施工技术领域，具体涉及一种沥青路面的3D摊铺施工工艺。
背景技术
当前，我国的公路施工水平已经达到一个较高的程度，但是摊铺找平仍然采用传统的技术。传统摊铺施工中，对于高速水稳层施工时采用摊铺机或者平地机对道面进行有效的平整。目前摊铺机在进行水稳层和沥青层进行摊铺施工采用的自动调平系统，主要为接触式滑靴和非接触式声呐这两种方式，即采用滑靴传感器或声纳追踪器参照测量人员架设的铝梁或者基准线进行现场施工，施工时需要很多现场人员进行基准的架设以及道面的前期、后期测量工作，且施工过程中无法实时进行监测，只能事后进行弥补，经常出现由于基准设定错误而导致的返工，现场协调十分费时费力，施工过程需要耗费大量的人力、物力和财力。
传统的摊铺施工方式主要存在如下问题：
(1)人为因素对基准的影响：传统引导基准采用水准仪读取水准尺高程读书计算确定的，但是路基往往基础不好，并且基准线在架设过程中准确度依赖人员的责任心和疲劳度，在很大程度上基准引导线的架设的精度。
(2)工程机械对基准的影响：由于摊铺过程中摊铺机可能会撞坏基准桩或者料车出让施工现场碾压基准线，这些都会导致架设基准的偏差进而出现摊铺施工的错误。
(3)摊铺施工设计标高不能保障：通过平衡梁或者滑靴进行摊铺施工可以较好的控制摊铺的平顺性和平整度，但是却不能确保平顺性和平整度的同时控制摊铺标高。
(4)测量工作量大，需要大量的辅助人员：通过平衡梁或者滑靴进行摊铺施工需要大量的测量工作作为辅助，所以需要大量的测量人员和测量辅助人员，需要大量施工摊铺前期准备工作。
(5)施工存在安全隐患：摊铺施工受外界因素影响大，往往为了赶工期和施工进度需要进行24小时连续施工作业，由于施工人员的疲劳，不可避免的会增加施工出现错误和事故的几率，存在工程质量和安全隐患。
(6)材料的控制：由于控制精度和底基层处理质量不高，下一层平整度差，为了保证最薄处的厚度，会造成上层摊铺中对材料的浪费。
随着公路摊铺施工的要求越来越高，传统摊铺技术已经越来越难以满足施工要求，这就要求新技术来代替传统工艺。工程摊铺施工建设是一个高度动态的过程，整个施工过程和施工管理极为复杂，如何应用先进的技术手段提高施工质量、效率以及施工管理现代化的水平是所有建设者们共同追求的目标。
另外，传统摊铺方法在摊铺沥青时存在沥青温度较高，烟气排放量较大，沥青摊铺后有较长时间的有害气体释放，对环境有一定影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的上述问题，提供一种沥青路面的3D摊铺施工工艺，本发明使用装配有3D摊铺自动控制系统的摊铺机进行施工，无须放样、打桩、挂线等复杂繁重的操作，不仅能显著降低劳动强度，而且大大加快了施工速度，同时还保证了摊铺施工质量，另外还能减少沥青摊铺产生的有害烟气的排放。
为达到上述目的，本方案通过以下技术方案实现：
一种沥青路面的3D摊铺施工工艺，是利用装配有3D摊铺自动控制系统的摊铺机进行自动控制摊铺施工，所述3D摊铺自动控制系统包括三维位置定位系统和车载控制系统；
所述三维位置定位系统，包括至少三台全站仪，其中至少两台机械控制全站仪用于引导3D摊铺自动控制系统现场施工，一台测量全站仪用于实时检测已摊铺面与设计面的偏移量；
所述车载控制系统，安装于摊铺机上，包括内附3D摊铺辅助软件的主控制器、边控箱、360°棱镜、横坡传感器和车载电台，所述边控箱、横坡传感器、车载电台分别通过接线盒以及连接线缆与主控制器连接；
所述沥青路面的3D摊铺施工步骤具体如下：
(1)将沥青、集料和温拌剂混合均匀，混合温度为100-110℃，得到沥青摊铺组合物；
(2)将施工设计数据导入自动控制系统的主控制器中，作为摊铺控制的基准数据；
(3)设置施工表面相对于设计表面的正确偏移量，在摊铺控制点上架设好全站仪，向后观察，将全站仪追踪到360°棱镜后，3D摊铺自动控制系统即可在手动状态下进行施工；当摊铺机在填筑表面左右高程满足设计要求并稳定后，对3D摊铺自动控制系统的高程和横坡传感器进行校准，校准完成后3D摊铺自动控制系统开始在自动模式的状态下进行摊铺工作；
(4)将沥青摊铺组合物转入装配有3D摊铺自动控制系统的摊铺机中，摊铺机将沥青摊铺组合物施入需摊铺的路面；
(5)摊铺机行进5～10米后，进入自动摊铺模式。
进一步的，步骤(5)中，摊铺机进入自动摊铺模式后，架设在控制点上的机械控制全站仪捕获安装在摊铺机桅杆上的360°棱镜的三维坐标数据，无线传输至车载电台后，通过车载电台实时将360°棱镜三维坐标数据传送到主控制器中，主控制器将获得的当前坐标信息与设计卡中的三维坐标数据进行对比，生成相应的高程修正信息并传递至摊铺机左右两侧的边控箱，再由边控箱对应生成相应的比例驱动信号，通过液压阀驱动摊铺机牵引臂液压油缸使熨平板进行相应方向的调整和修正，从而使摊铺面产生坡度和高程变化，实现所要求的路面平整度和高程。
进一步的，所述两台机械控制全站仪架设于摊铺机正前方的左右两边，并且采取一前一后的布局。
进一步的，所述全站仪架设的跟踪半径为150米。
进一步的，步骤(1)中，所述温拌剂的加入量为沥青与集料总重量的2-3％，所述温拌剂是由以下重量份的原料组成：松香甘油树脂50-70份、地蜡20-30份、丙烯酸酯3-6份、四乙烯五胺5-10份。
进一步的，所述丙烯酸酯为2-苯氧基乙基丙烯酸酯、乙氧基乙基丙烯酸酯、1,6-己二醇二甲基丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯的任一种或几种。
进一步的，所述温拌剂的制备方法如下：按重量份称取地蜡和松香甘油树脂，加热松香甘油树脂至115-120℃，加入地蜡，于600-800r/min搅拌20-30min，于105-110℃保温1-1.5h后，边搅拌边加入丙烯酸酯和四乙烯五胺，混合均匀后得到温拌剂。
有益效果：
本发明采用数字化摊铺施工，无需人工假设引导基准，采用全站仪引导进行精准数字化施工作业，在确保摊铺标高的同时兼顾了摊铺面的平顺性和平整度；摊铺机工作时不需要过多的施工人员和施工辅助人员，大大降低了人员的使用和劳动强度；施工现场整洁有序，确保人员和机械设备的安全；施工过程系统自动的进行控制，无需测量放样和找基准线，减少了人为因素对施工质量的影响；现场施工中测量和数据传输分别采用激光和蓝牙，摊铺工作不受光线和天气的影响，可以24小时全天候施工作业。
本发明配合自制的温拌剂使用，不仅能使沥青摊铺组合物更易施工，显著提高摊铺面的平顺性和平整度，而且相对于传统的温拌剂能够降低拌合、摊铺温度约20-30℃，在降低了温度的情况下，还能保证良好的压实度。温拌剂中的四乙烯五胺具有促进各组分溶合改性的作用，丙烯酸酯与松香甘油树脂配合，能增强其粘结强度，拌合摊铺后使沥青不易剥离，并且具有良好的耐水性，地蜡与松香甘油树脂及其他组分配合，一方面能够降低温拌剂与沥青的拌合温度与摊铺温度，减少烟气的产生，另一方在沥青摊铺后能够抑制有害气体的释放，保护环境。
另外，本发明的温拌剂在与沥青、集料结合后，需要在短时间内完成摊铺，这样才能不影响温拌剂的性能，保证摊铺质量，而本发明使用装配有3D摊铺自动控制系统的摊铺机进行摊铺，能够大大大加快了施工速度，使摊铺料处于很好的使用状态。
附图说明
图1为本发明的3D摊铺自动控制系统的结构示意图；
图中的标记：1-摊铺机，2-全站仪，3-360°棱镜，4-车载电台，5-横坡传感器，6-主控制器，7-边控箱。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种沥青路面的3D摊铺施工工艺，是利用装配有3D摊铺自动控制系统的摊铺机进行自动控制摊铺施工，所述3D摊铺自动控制系统，如图1所示，包括三维位置定位系统和安装于摊铺机1上的车载控制系统；
所述三维位置定位系统配置三台Robot61全站仪2，其中两台机械控制全站仪主要用于引导3D摊铺自动控制系统现场施工，另外一台测量全站仪用于实时检测已摊铺面与设计面偏移量和摊铺过程中“蛙跳”。
所述车载控制系统包括一台内附3D摊铺辅助软件的主控制器6、两台边控箱7、两个360°棱镜3、一个横坡传感器5、两台车载电台4；所述边控箱7、横坡传感器5、车载电台4分别通过接线盒以及连接线缆与主控制器6连接。
各部分配件具体性能如下：
主控制器6选用MPC1310主控制箱，MPC1310控制箱内置蜂鸣器，引导机手操作；具有实时的多任务处理操作系统；LCD显示屏具有亮度调节和多视角查看功能；主控制器内附的3D摊铺辅助软件包括iCON Site Software和iCON Office Software，其中的iCON SiteSoftware用于现场施工管理、现场测量放样工作、现场检测及其工程机械施工引导和控制，iCON Office Software用于数据转换、统计分析，输入和输出。
边控箱7选用MOBA-Matic控制器，其可储存40种不同机器的液压设定模式，通过液压模式，可以为不同的机器选择相应的液压模式，可精确显示施工表面横向坡度。
360°棱镜3，能正确追踪任意水平方向。
横坡传感器5，控制熨烫板进行随动，保证施工面坡度数值，确保摊铺施工过程更平稳。
所述的3D摊铺自动控制系统的工作过程如下：
将实际公路设计数据利用软件转换成机械设备机械设备、测量设备能够自动识别的三维电子数据；导入3D摊铺系统主控制箱中，作为摊铺控制的基准数据。系统工作时，架设在控制点上的机械控制全站仪将捕获安装在摊铺机桅杆上的360°棱镜的三维坐标数据，通过摊铺机系统上的数据传输电台实时将棱镜坐标数据传送到摊铺自动控制系统的MPC1310控制箱中，控制箱将获得的当前坐标信息与设计卡中的三维数据进行对比，结合横坡传感器传输的信息，生成相应的高程修正信息并传递摊铺机左右两侧边控箱，这时再由边控箱对应生成相应的比例驱动信号，通过液压阀驱动摊铺机牵引臂液压油缸使熨平板进行相应方向的调整和修正，从而使摊铺面产生坡度和高程变化，实现所要求的路面平整度和高程。
3D摊铺施工工艺步骤如下：
(1)摊铺原料准备
将沥青、集料和温拌剂混合均匀，混合温度为105℃，得到沥青摊铺组合物；
所述温拌剂的加入量为沥青与集料总重量的2.5％，所述温拌剂是由以下重量份的原料组成：松香甘油树脂60份、地蜡25份、丙烯酸酯5份、四乙烯五胺7份。
所述丙烯酸酯是由相同质量比的2-苯氧基乙基丙烯酸酯、1,6-己二醇二甲基丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯组成。
所述温拌剂的制备方法如下：按重量份称取地蜡和松香甘油树脂，加热松香甘油树脂至116℃，加入地蜡，于700r/min搅拌25min，于106℃保温1.5h后，边搅拌边加入丙烯酸酯和四乙烯五胺，混合均匀后得到温拌剂。
(2)摊铺数据准备
将传统的工程设计院提供施工设计数据(拟定的高程和位置)进行三维数字模型建立，即利用3D摊铺系统配套的软件将原有的工程二维设计蓝图转化成机械设备、测量设备能够自动识别的三维电子设计图；导入3D摊铺系统主控制箱中，作为摊铺控制的基准数据。
(3)施工现场准备
具体施工前正确连接PaveSmart 3D控制系统各个元部件，设置施工表面相对于设计表面的正确偏移量；在控制点上架设好全站仪，向后观察，将全站仪追踪到360°棱镜后系统即可在手动状态下进行施工。由于系统采用高程加坡度控制，所以当摊铺机在填筑表面左右高程满足设计要求并稳定后需要对系统的高程和横坡传感器进行校准，校准完成后系统开始在自动模式的状态下进行摊铺工作，在施工过程中通过微调控制器左右两侧上升下降按钮的偏移量来满足摊铺表面左右高程要求。
(4)摊铺过程与换站
A、将沥青摊铺组合物转入装配有3D摊铺自动控制系统的摊铺机中，摊铺机将沥青摊铺组合物施入需摊铺的路面；
B、摊铺设备启动行进5～10米，设备调试好以后即进入自动摊铺模式。架设在控制点上的机械控制全站仪将捕获安装在摊铺机桅杆上的360°棱镜的三维坐标数据，通过摊铺机系统上的车载电台实时将棱镜坐标数据传送到摊铺自动控制系统的MPC1310控制箱中，控制箱将获得的当前坐标信息与设计卡中的三维数据进行对比，结合横坡传感器传输的信息，生成相应的高程修正信息并传递摊铺机左右两侧边控箱，这时再由边控箱对应生成相应的比例驱动信号，通过液压阀驱动摊铺机牵引臂液压油缸使熨平板进行相应方向的调整和修正，从而使摊铺面产生坡度和高程变化，实现所要求的路面平整度和高程。
C、选择合适位置架设左右两台机械控制全站仪，采取一前一后的布局，这样可以避免两台全站仪同时搬站，并且第三台全站仪可以交替搬站，由于每台全站仪在自动跟踪模式下精度会有所降低，所以设置在半径150米范围内精度满足要求，这样每台全站仪控制300米距离后需要进行搬站动作。如果有备用全站仪，在搬站过程中需要先将备用全站仪自动跟踪到需要换站一侧的棱镜上，在车载电脑上点击切换按钮，系统会自动将新站作为控制站进行不间断作业。若没有备用全站仪，在搬站过程中摊铺机需要停下等待搬站完成并且数据传输无误的情况下才能继续作业。
实施例2
一种沥青路面的3D摊铺施工工艺，与实施例1基本相同，其中步骤(1)的摊铺原料准备具体如下：
将沥青、集料和温拌剂混合均匀，混合温度为100℃，得到沥青摊铺组合物；
所述温拌剂的加入量为沥青与集料总重量的2％，所述温拌剂是由以下重量份的原料组成：松香甘油树脂50份、地蜡20份、丙烯酸酯3份、四乙烯五胺5份。
所述丙烯酸酯为乙氧基乙基丙烯酸酯。
所述温拌剂的制备方法如下：按重量份称取地蜡和松香甘油树脂，加热松香甘油树脂至115℃，加入地蜡，于800r/min搅拌20min，于105℃保温1.5h后，边搅拌边加入丙烯酸酯和四乙烯五胺，混合均匀后得到温拌剂。
实施例3
一种沥青路面的3D摊铺施工工艺，与实施例1基本相同，其中步骤(1)的摊铺原料准备具体如下：
将沥青、集料和温拌剂混合均匀，混合温度为110℃，得到沥青摊铺组合物；
所述温拌剂的加入量为沥青与集料总重量的3％，所述温拌剂是由以下重量份的原料组成：松香甘油树脂70份、地蜡30份、丙烯酸酯6份、四乙烯五胺10份。
所述丙烯酸酯为2-苯氧基乙基丙烯酸酯。
所述温拌剂的制备方法如下：按重量份称取地蜡和松香甘油树脂，加热松香甘油树脂至120℃，加入地蜡，于600r/min搅拌30min，于110℃保温1h后，边搅拌边加入丙烯酸酯和四乙烯五胺，混合均匀后得到温拌剂。
实施例4
一种沥青路面的3D摊铺施工工艺，与实施例1基本相同，不同之处在于：所述沥青、集料和温拌剂混合温度为110℃，所述温拌剂是购买市售的温拌剂，即APTL/01温拌剂。
对比例1
一种沥青路面的摊铺施工工艺，摊铺原料与实施例1相同，使用传统摊铺方法进行摊铺施工。
对比例2
一种沥青路面的3D摊铺施工工艺，与实施例1基本相同，不同之处在于：使用环氧树脂代替温拌剂中的松香甘油树脂。
选择广西柳州(鹿寨)至南宁高速公路改扩建工程№8标路面为实施对象，使用实施例1-4及对比例1-2的工艺在不同桩号进行摊铺，具体的测试结果见表1-4。
表1设计松铺高程与实测松铺高程对比I(m)
Figure GDA0002810108040000081
Figure GDA0002810108040000091
表2压实后设计高程与实测高程对比I(m)
Figure GDA0002810108040000092
表3设计松铺高程与实测松铺高程对比II(m)
Figure GDA0002810108040000101
表4压实后设计高程与实测高程对比II(m)
Figure GDA0002810108040000102
本发明通过前期路段的摊铺，进行了大量的数据检测采集，表1-4的检测数据显示，实施例1-3的摊铺施工方法不管是压实后还是松铺检测的实际摊铺标高与设计标高误差都在10mm以内，同时平整度良好，并且设备非常稳定。
从表1和表2中实施例4的数据分析可知，使用本发明配置的温拌剂能够提高3D摊铺施工的数据精度，提高摊铺面的平顺性和平整度。
从表1和表2中对比例1的数据分析可知，使用传统的摊铺方法，压实后和松铺检测的实际摊铺标高与设计标高误差，均明显比实施例1-3的大。
从表1和表2中对比例2的数据分析可知，温拌剂中的松香甘油树脂对摊铺精度有一定提高作用；并且在施工过程中发现，沥青的烟气相对于实施例1明显增多。
在本发明的实施过程中，还与传统摊铺施工进行了人员效率及工作强度方面的对比分析，具体如下：
A、本发明：
人员需求：3人(主要分工：全站仪换站、实时数据检测、摊铺机系统控制)；
工作强度：无内业数据处理及准备、无现场测量、放样、打桩、挂线、水准检测，完全实现无桩化施工。
B、传统控制系统中的滑靴系统：
人员需求：8-10人。其中滑靴控制2人；全站仪里程放样2人；水准测量及检测2人；打桩、挂线2人；现场指挥等2人。
工作强度：内业数据准备(数据复杂性可能带来错误)，现场实时放样、水准检测、数据记录、数据分析计算、打桩定线。
C、传统控制系统中的平衡梁系统：
人员需求：6-8人。其中平衡连控制2人；全站仪里程放样2人；水准测量及检测2人；现场指挥等2人。
工作强度：内业数据准备(数据复杂性可能带来错误)、现场实时放样、水准检测、数据记录、数据分析计算等
由以上对比可知，相对于传统摊铺施工，本发明的工艺具有如下优势：
1、人员节省：摊铺工作可以减少5人；
2、材料节省：精确控制每层厚度，减少沥青料用量(实际节省量巨大)；
3、油料节省：利用滑靴方式料车需要来回倒车，整个工期数量可观；
4、工期缩短：无测量工作不会带来工期耽误，摊铺工期成本可减至最少。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限制本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种沥青路面的3D摊铺施工工艺，其特征在于：利用装配有3D摊铺自动控制系统的摊铺机进行自动控制摊铺施工，所述3D摊铺自动控制系统包括三维位置定位系统和车载控制系统；
所述三维位置定位系统，包括至少三台全站仪，其中至少两台机械控制全站仪用于引导3D摊铺自动控制系统现场施工，一台测量全站仪用于实时检测已摊铺面与设计面的偏移量；
所述车载控制系统，安装于摊铺机上，包括内附3D摊铺辅助软件的主控制器、边控箱、360°棱镜、横坡传感器和车载电台，所述边控箱、横坡传感器、车载电台分别通过接线盒以及连接线缆与主控制器连接；
所述沥青路面的3D摊铺施工步骤具体如下：
(1)将沥青、集料和温拌剂混合均匀，混合温度为100-110℃，得到沥青摊铺组合物；
所述温拌剂的加入量为沥青与集料总重量的2-3％，所述温拌剂是由以下重量份的原料组成：松香甘油树脂50-70份、地蜡20-30份、丙烯酸酯3-6份、四乙烯五胺5-10份；
(2)将施工设计数据导入3D摊铺自动控制系统的主控制器中，作为摊铺控制的基准数据；
(3)设置施工表面相对于设计表面的正确偏移量，在摊铺控制点上架设好全站仪，向后观察，将全站仪追踪到360°棱镜后，3D摊铺自动控制系统即可在手动状态下进行施工；当摊铺机在填筑表面左右高程满足设计要求并稳定后，对3D摊铺自动控制系统的高程和横坡传感器进行校准，校准完成后3D摊铺自动控制系统开始在自动模式的状态下进行摊铺工作；
(4)将沥青摊铺组合物转入装配有3D摊铺自动控制系统的摊铺机中，摊铺机将沥青摊铺组合物施入需摊铺的路面；
(5)摊铺机行进5～10米后，进入自动摊铺模式。
2.如权利要求1所述的一种沥青路面的3D摊铺施工工艺，其特征在于：步骤(5)中，摊铺机进入自动摊铺模式后，架设在控制点上的机械控制全站仪捕获安装在摊铺机桅杆上的360°棱镜的三维坐标数据，无线传输至车载电台后，通过车载电台实时将360°棱镜三维坐标数据传送到主控制器中，主控制器将获得的当前坐标信息与设计卡中的三维坐标数据进行对比，生成相应的高程修正信息并传递至摊铺机左右两侧的边控箱，再由边控箱对应生成相应的比例驱动信号，通过液压阀驱动摊铺机牵引臂液压油缸使熨平板进行相应方向的调整和修正，从而使摊铺面产生坡度和高程变化，实现所要求的路面平整度和高程。
3.如权利要求1所述的一种沥青路面的3D摊铺施工工艺，其特征在于：所述两台机械控制全站仪架设于摊铺机正前方的左右两边，并且采取一前一后的布局。
4.如权利要求1所述的一种沥青路面的3D摊铺施工工艺，其特征在于：所述全站仪架设的跟踪半径为150米。
5.如权利要求1所述的一种沥青路面的3D摊铺施工工艺，其特征在于：所述丙烯酸酯为2-苯氧基乙基丙烯酸酯、乙氧基乙基丙烯酸酯、1,6-己二醇二甲基丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯的任一种或几种。
6.如权利要求1或5所述的一种沥青路面的3D摊铺施工工艺，其特征在于：所述温拌剂的制备方法如下：按重量份称取地蜡和松香甘油树脂，加热松香甘油树脂至115-120℃，加入地蜡，于600-800r/min搅拌20-30min，于105-110℃保温1-1.5h后，边搅拌边加入丙烯酸酯和四乙烯五胺，混合均匀后得到温拌剂。
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