基于平地机3D控制系统的施工技术研究

2018-11-13王洋

西部交通科技 2018年10期

王洋

(河北省高速公路石黄管理处，河北石家庄 050006)

0 引言

随着国家道路十三五的规划建设，公路及高速公路建设逐渐进入新一轮高潮。数字化施工作为科技进步的成果，很少应用于高速公路道路建设中。研究数字化施工技术应用问题，将大力提升道路建设施工进度，降低施工成本，提升施工质量。

关于平地机控制系统与数字化施工技术研究较多。付琴等人、马锦姝、赵剑发、戴慧丽[1-4]就数字化施工技术发展进行研究，并结合BIM三维建模技术进行分析其应用前景。董海荣、宋永刚等人[5，6]主要研究3D控制技术在机械工程设计中的应用，如何充分有效发挥3D控制技术已然成为机械工程设计中关键问题，给出各自的观点。王萍红、曹擎宇、杨青丰等人[7-9]主要研究如何利用相关技术将平地机智能化，达到节时省力，重点设计平地机，为平地机在工程实践应用提供基础。

本文以平地机3D控制系统为研究载体，分析数字化施工技术应用。首先分析平地机3D控制系统施工特性、应用范围、技术原理、机械设备、施工工艺等。然后探讨选择平地机3D控制系统施工技术的施工周期效益、质量比较、经济效益。力求给类似路基施工提供良好借鉴，大力推广应用平地机3D控制系统数字化施工技术。

1 施工技术分析

1.1 特性分析

与传统平地机施工技术相比，基于平地机3D控制系统的数字化施工技术精平时效高，可显著缩短施工周期。同时可以降低人工工时投入，节约施工资金投入，施工工程准确率高，降低了因施工质量缺陷造成的返工概率。该项施工技术可以有效提升标高精度，保证施工质量。

1.2 应用范围

该项施工技术主要应用在路基施工施工周期紧张、施工工程大、施工人员短缺的情况下，其优势极为明显。

平地机3D控制系统的数字化施工技术在工程实践中详细应用概况如图1所示。

图1 平地机3D控制系统数字化施工技术应用示意图

1.3 技术原理介绍

3D控制系统将工程数据录入机载计算机中，控制平地机铲刀，整合传感器内输出的数据，不停歇的刷新调节改变平地机位置与方向。利用车载电脑完成机器设计位置与实际位置实时对比，获得高度与坡度的准确数值，回传至铲刀控制器内，高度与坡度进行调整。RTK检测系统GPS基站收集上空GPS卫星发出的时空信息。基站利用无线调制解调器，完成所有设备的通讯互联。按照上述过程获得设备与基站的准确位置信息后，结合斜坡与其余传感器数据信息，标定平地机铲刀最精准的位置及方向角度等。

1.4 机械设备介绍

第一步完成传统平地机改装工作，将GPS移动站与液压系统安装与铲刀位置处，第二步安装车载计算机与信号传感设备于司机室，第三步将信号接收发射设备配制到司机室外，如图2所示。

图2 机械设备安装位置图

1.5 施工工艺分析

施工工艺主要分为如下4个环节：

(1)将设计数据录入车载计算机内，电脑自动搭建三维数字模型。计算机借助传感设备不断对比平地机铲刀目前位置和设计数据，完成调节控制信号。

(2)推土机粗平与平地机精平同步进行，节约测量放样时长，控制系统可直接控制路基标高、坡度及平整度。

(3)参照车载电脑搭建的三维数字模型，综合考虑铲刀上GPS获得的检测数据信息，利用传感设备，求出平地机真实位置、方向，并和设定值进行对比，将调整信息传至液压控制设备内调整铲刀。该机械施工时仅用2个往返，路基精平工作即可完成。

(4)施工结束后，复测其标高，其误差仅在20 mm内变化。

2 效益探讨

传统路基精平工艺流程如下：第一步初测现场；第二步依照设计文件要求完成现场检测放样、工程机械施工、检测放样、再次工程机械施工、再次检测放样，多次重复后，最终达到设计位置。该种方法耗费大量测量人员的工时，同时因多次的检测放样，极易造成长时间内工程机械停工。机械司机不仅要启动机械设备，而且以检测放样后设置的桩作为基准，不断调节机械铲刀刮平达到设计位置区域。该种施工方法需要很高的驾驶技术与施工经验，增大了工程建设的风险几率。

利用平地机3D控制系统，因设计资料数据可直接录入车载电脑中，直接控制机械设备进行施工，可准确达到设计位置，完全不依靠桩，避免了检测人员工地检测放样程序，提升了机械使用效率。司机仅需要认真操作机械驾驶，利用3D控制系统完成铲刀控制过程，短时间中快速达到设计位置，减少了司机的工作任务与操作技能要求。

施工该施工技术的效益主要体现在施工周期效益、质量比较、经济效益等3个方面。具体如下：

(1)施工周期效益

在施工现场验证，选择传统施工技术，检测工人检测放样、平地机铺以人工整平，日均精平工作量仅380 m。选择平地机3D控制系统进行施工，日均精平工作可达到960 m。

(2)质量比较

在使用传统施工工艺时，检测人员的业务水平能力与责任心要求都极高，除此之外，天气与照明情况很大程度上影响着其业务能力发挥，无法保证质量与精度。选择本文的施工技术施工可以直接将工程设计数据应用在施工中，降低了误差，GPS基站与施工机械之间可实现通视，天气与光线无法干扰检测人员水平的发挥。

(3)经济效益

选择传统施工时，精平人员配备检测工人3名，平地机2台，辅助整平工人8名。同时在施工时各检测人员、整平人员必须全程陪同。当不断进行检测放样时机械处于停工状态，造成机械设备浪费，施工投资增大。选择平地机3D控制系统，在施工环节去掉了耗时耗力的检测放样环节，仅在施工结束后复测即可，降低辅助整平工人投资，并且提升机械使用效率。

3 工程实践应用

由中国交通建设第四工程局第三工程有限公司承建的京新高速公路呼和浩特-包头区段第4标段8分部，全程长度32 km，设有4个路基建设队伍(平均每个路基建设队伍施工任务为8 km)。因为施工时间较短，工程量很大，加上地质条件差，路基填高大部分较低，在施工时，大约8 km的路基选择平地机3D控制系统的数字化施工技术。将选择传统施工工艺技术与选择平地机3D控制系统施工工艺技术的2个路基建设队伍施工成本进行比较分析，具体数据如表1数据所示。