平地机自动找平系统在公路施工中的应用

林松

中水十六局 

摘 要：沥青混凝土路面的平整度是衡量路面工程最为重要的质量指标之一，优良的平整度能保证车辆高速、舒适、安全地通行。采用在平地机上安装GPS控制系统，根据设计图纸中道路参数，将数据导入平地机控制箱和流动站手簿，并设置完成后，平地机GPS测量控制系统将控制安装在平地机铲刀上的 测量传感工具和液压阀，控制平地机的铲刀，确保了道路的自动找平技术，达到了良好的效果。

关键词：平地机；自动找平系统；公路施工；应用

1、工程概况

哈萨克斯坦巴尔喀什-布莱拜塔5、6标段项目（km2069- km2152）全长83km。本合同项目基本是在原有道路基础上进行拓宽，少量进行改线。新建道路为双向四车道沥青砼一级道路，基本宽度为25.5米。该工程主要施工内容包括清表、路基填筑、路面工程、结构物工程和公路附属设施等。其中路基中的找平层、底基层和级配碎石层均需使用进行精平。

2、技术特点

2.1工艺原理

传统施工过程，要依靠大量的人员进行测绘、打桩、放样、辅助平整，再加上要有相当经验的平地机驾驶员配合，施工过程中还需要反复的测量校准，校准期间机器闲置，机器利用率低，间接增加机器使用成本；施工中的反复校准以及夜间无法施工，导致施工进度缓慢，同时，由于各种测量误差以及驾驶员的经验水平不一造成路基质量的优劣不等，这些都直接关系到后期路面的施工质量和整个工程进度，严重时甚至会造成工程返工。在高速公路弯道、匝道等路段的修建过程中，传统施工方法的劣势愈加明显，已经无法满足当今的道路施工需求。

平地机GPS找平系统由高精度定位设备以及数据通讯设备构成，采用基站+移动车载端的方式进行作业。应用GPS具有连续性、实时性、全天候的特点，改善道路工程测量施工效果，降低操作难度。平地机上安装GPS控制系统，根据设计图纸中道路参数，利用Trimble Business Center软件，将数据导入平 地机控制箱和流动站手簿，完成对施工区段的设置后，操作员驾驶平地机平行 于公路轴线方向行走，平地机GPS测量控制系统将控制安装在平地机铲刀上的 测量传感工具和液压阀，控制平地机的铲刀，对公路填筑面进行自动精平。2.2主要设备

序号	名称	数量
1	平地机	1辆
2	天宝基站SPS855 GNSS接收机和外置天线	1套
3	天宝移动站TRIMBLE SPS985智能一体机	1套
4	天宝TRIMBLE GCS900系统	1套

2.3工作流程
        （1）选择距施工区域较近且空旷、不受振动、电磁干扰影响的测量点架设好GPS基站和电台，完成设站。
        （2）利用专用制作软件，将工程设计数据转换成三维数字电子图文件，将文件分别导入安装在平地机上的GPS系统控制箱和GPS流动站手簿。
        （3）基站与卫星通信，进行一次差分获得基站位置信息，基站将位置信息发送给平地机上的GPS系统控制箱和GPS流动站手簿，控制箱和流动站的GPS与卫星通信再进行二次差分获得更为稳定、精确的位置数据。
　　3、道路填筑控制技术研究思路
　3.1研究目的
　　哈萨克斯坦，由于近年来公路工程较多，当地机械操作手需求量大，使用传统工艺施工需对当地操作手进行长时间的操作技能培训，增加费用支出。且短期内无法形成生产规模，直接影响施工进度和质量。
　　为加快道路各施工层顶部精平作业效率，保证工期和质量验收通过率，对平地机加装GPS自动找平系统，在道路填筑控制中进行应用分析。通过现场工艺性试验对比，证明平地机GPS自动找平控制技术在路基填筑施工的可行性，并通过工程应用总结出生产的施工工艺流程及技术要点。
　　3.2现场施工情况
　　道路填筑施工初期，现场测量人员采用全站仪在路基两侧坡脚外扩1米处测设控制高桩，利用水准仪和拉线的方法来达到控制顶层设计标高的目的。
　　因公路施工土方设备较多，道路两侧的控制高桩易产生移位或破坏，现场需要投入的技术人工数量较多，且传统的平地机整平技术在修正各填筑层顶部时进度缓慢，作业效率低下，受限于各方面条件的影响，每台平地机一个台班修正路面不足500m，无法满足工期要求。
　　3.3 控制措施优化研究思路
　　为提高作业效率，减少人员投入，加快施工进度，采用先进的平地机GPS自动找平控制技术。即在平地机上安装GPS自动找平控制系统，根据公路平面、纵断面和横断面等构成的三维设计数据，由平地机GPS自动找平控制系统来指挥液压铲刀自动精平填筑面，快速、准确、真实地实现了从设计图纸到现场实体的转换。并极大减少了现场施工人员数量（基本可减少传统施工人员的三分之二），节省了繁琐的测量工作，只需施工完成后复测，同时可保证机械满负荷工作，提高了机器的利用率；节约了反复测量的时间同时还可以进行夜间施工，极大提高了施工进度。另外，传统施工过程中，驾驶员需要反复操作调整平地机铲刀直至刮平接近设计位置，对驾驶员的技术水平和经验提出了很高的要求，使用了平地机GPS自动找平控制系统，驾驶员基本上不需要操控铲刀，只需要关注驾驶行走，对驾驶员的工作强度和技能要求大大降低。

        平地机GPS自动找平控制系统的应用较传统的施工方式有着极大的施工优势，在未来的道路施工中必将成为主流趋势，代替传统的施工工艺。

3.4工艺对比性分析
　　选取操作水平熟练和一般的平地机操作手，分别驾驶未加装GPS控制系统的平地机和加装了GPS控制系统的平地机进行操作测试，进行现场对比试验。通过连续12个月、每月为期一周的现场测试及质量检测统计数据，分析得出了不同条件下的施工效率和质量验收合格率。同时，通过实践证明了平地机GPS测量自动控制技术的优越性。
　　以熟练操作手驾驶普通平地机进行填筑平整施工为例，每台班（按8小时计）完成填筑层顶部精平修正仅为380m，安装GPS自动控制系统后，每台班可完成自动精平0.8km，作业效率得到了很大的提升了。
　　3.5施工质量检查
　　通过采用平地机GPS测量控制技术后取得的效果来看，各施工层顶部的高差偏差和平整度完全达到了设计及规范要求；特别是在公路缓和曲线及圆曲线路段处，从验收测量结果来看，超高加高段精平后的平、纵曲线流畅，横断面平整度良好，其施工质量完全满足设计要求，有效减少了不必要的返工作业，工序效率有了大幅的提高，达到了预期效果。
　　采用平地机GPS系统控制技术精平后的各施工层顶部，经水准仪和全站仪检测：高差偏差≤20mm，变坡点位置偏差≤10mm，平整度≤15mm，单元验收优良率100%。

3.6施工过程中的纠偏
　　为有效避免由于GPS接受信号异常、机械设备性能方面和人为不当操作等造成的数据偏差，需通过以下方式进行纠偏：
　　（1）每次开机后检查安装在平地机铲刀上的两个流动站，若流动站信号指示灯闪烁异常，需及时查看平地机GPS控制箱与流动站接收机之间的线路连接，使用机载控制箱中的诊断模块分析解决。
　　（2）每两周使用外接传感器对液压阀模块进行一次校准，确保机载控制箱发出的指令能够通过液压阀模板更精准的控制铲刀予以执行。

4、效益分析

4.1 经济效益
a平地机自动找平系统在依托工程应用后，大幅提高道路基层施工精度，质量合格率和一次性验收的通过率提高了20%，有效缩减了工期和各类施工成本，创造了良好的经济效益。仅从技术人员投入来看，平地机GPS自动找平控制技术比常规普通的测量控制技术节省了一半的测量时间，并且每班组可减少两名测量员、一名技术员和四名普工。

b施工质量高、误差小（误差基本控制在±2cm 左右），返工率低，一次返工的损失不光是经济上的损失，还会影响到整个施工进度。
　　4.2 社会效益
　　平地机GPS自动找平系统控制技术应用于道路填筑施工后，下层高质量的路基为上层基层和面层的铺设打下了良好的基础；有利提高路面的平整度，驾驶员及乘客在完工路面上驾（乘）车的舒适度大幅增加，安全系数上升。
        在相同工况下，施工进度较传统方式能够提高近一倍，如果再考虑到使用平地机GPS自动找平系统控制技术可以进行夜间施工，施工进度会更快，施工周期短带来的无形效益也是多方面。

平地机自动找平系统的应用较传统的施工方式有着极大的施工优势，在未来的道路施工中必将成为主流趋势，代替传统的施工工艺。