路基智能化施工機(jī)械控制科研報(bào)告

張?zhí)畦F路項(xiàng)目概述智能化施工原理介紹施工準(zhǔn)備科研項(xiàng)目內(nèi)容經(jīng)濟(jì)效益對比結(jié)論與展望第一章、概述

張?zhí)畦F路項(xiàng)目國內(nèi)外路基智能化施工概況現(xiàn)階段，國內(nèi)路基工程施工大多采用較為傳統(tǒng)的施工及檢測方法對路基施工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。土料攤鋪及壓實(shí)過程需測量人員旁站監(jiān)控，確保松鋪厚度與壓實(shí)厚度能夠滿足相關(guān)要求；碾壓完成后，需對碾壓情況進(jìn)行試驗(yàn)檢測，檢測方法主要使用壓實(shí)系數(shù)K、孔隙率n、地基系數(shù)K30、動(dòng)態(tài)變形模量Evd、二次變形模量Ev2和二次與一次變形模量比Ev2/Ev1，6種不同壓實(shí)質(zhì)量檢測指標(biāo)，但上述指標(biāo)主要是對點(diǎn)的檢測；挖掘機(jī)刷坡時(shí)，需先放樣定位路肩及坡腳線，再采用坡度尺進(jìn)行檢查坡度能否滿足要求。傳統(tǒng)檢測指標(biāo)實(shí)施過程中效率低,檢測工作量大，費(fèi)用高,勞動(dòng)強(qiáng)度大,對路基施工進(jìn)度有影響較大。國外已在20世紀(jì)70年代開始對路基智能化施工進(jìn)行研發(fā)，目前技術(shù)已趨于成熟，并得到廣泛應(yīng)用。研究目的

通過路基智能化施工，達(dá)到在節(jié)省施工成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對路基施工質(zhì)量控制的目標(biāo)。研究主要內(nèi)容

（1）實(shí)現(xiàn)精確控制一次成型，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)過程控制，實(shí)時(shí)顯示施工報(bào)告，現(xiàn)場隨時(shí)掌控施工效果，避免事后控制可能帶來的返工。（2）提高施工質(zhì)量一致性，精確控制厚度、坡度、平整度，實(shí)時(shí)的質(zhì)量控制。（3）節(jié)約成本，提高利潤，提高機(jī)械使用效率，減少施工機(jī)械臺班數(shù)，真正實(shí)現(xiàn)施工的高效管理，提高工作效率。

第二章、智能化施工原理介紹

張?zhí)畦F路項(xiàng)目路基智能化施工概念

路基智能化施工，是指以一條無縫鏈接的數(shù)據(jù)流為核心，貫穿于路基施工的前期準(zhǔn)備、機(jī)械作業(yè)、進(jìn)度施工動(dòng)態(tài)、施工組織者能夠輕松高效地制訂施工計(jì)劃、機(jī)械作業(yè)人員能夠簡單直觀地操控機(jī)械、安全質(zhì)量檢查人員能夠心中有數(shù)地監(jiān)控質(zhì)量。控制、質(zhì)量控制等過程，運(yùn)用實(shí)時(shí)三維定位技術(shù)、機(jī)械設(shè)備傳感器技術(shù)、信息可視化技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲及無線傳輸技術(shù)等，將路基施工過程中所有的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、上傳、下載及存檔，使項(xiàng)目管理者能夠隨時(shí)隨地掌握施工動(dòng)態(tài)、施工組織者能夠輕松高效地制訂施工計(jì)劃、機(jī)械作業(yè)人員能夠簡單直觀地操控機(jī)械、安全質(zhì)量檢查人員能夠心中有數(shù)地監(jiān)控質(zhì)量。機(jī)械智能化施工軟件機(jī)械控制系統(tǒng)工地定位系統(tǒng)路基智能化施工系統(tǒng)組成

工地定位系統(tǒng)采用GNSS定位系統(tǒng)，可用于工地測量和系統(tǒng)集成。獨(dú)立的天線和接收機(jī)可為工地提供最大范圍無線電覆蓋范圍。

機(jī)械智能化施工軟件SVO軟件系統(tǒng)時(shí)將信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)物圖形的紐帶，有效的將平面數(shù)字化信息轉(zhuǎn)換為3D信息，使施工現(xiàn)場立體化、簡單化。Svo軟件系統(tǒng)

機(jī)械控制系統(tǒng)由推土機(jī)三維顯示系統(tǒng)、壓路機(jī)連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)及挖掘機(jī)鏟位引導(dǎo)系統(tǒng)組成，通過對GNSS定位系統(tǒng)信號接收，使數(shù)據(jù)圖形顯示于車載顯示器中，對路基施工各工序操作給予數(shù)據(jù)指導(dǎo)與操作限制。機(jī)械控制系統(tǒng)第三章、施工準(zhǔn)備

張?zhí)畦F路項(xiàng)目工程概況

張?zhí)畦F路位于我國冀北、冀東地區(qū)。線路起自張家口市的孔家莊，向東至承德西部后，折向唐山西部曹妃甸；線路等級為Ⅰ級，正線數(shù)目為雙線，新建電氣化重載鐵路，設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值120km/h。本管段施工范圍DK383+200～DK390+400，線路正線7.2km，路基全長約5.1公里。路基分為基床表層為0.6cm、基床底層為1.9，其余為基床底層以下填筑。填料采用細(xì)角礫土填筑，每層填筑壓實(shí)厚度為30cm，最佳含水率為11%。

設(shè)備安裝設(shè)備安裝設(shè)備安裝機(jī)械控制系統(tǒng)機(jī)械控制系統(tǒng)需要有數(shù)據(jù)的支持，這里的數(shù)據(jù)是指機(jī)械控制系統(tǒng)所識別的設(shè)計(jì)單位的3維道路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。由于目前設(shè)計(jì)單位給出的均是2維設(shè)計(jì)圖紙，需要利用SVO（SiteVisionOffice）將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的3維數(shù)據(jù)保存在機(jī)械控制箱的存儲卡中。如以下流程圖所示：

基站系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備通過在工地固定位置架設(shè)一套GPS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，為流動(dòng)站和3D機(jī)械控制系統(tǒng)提供差分信號。采用流動(dòng)站校正現(xiàn)場控制點(diǎn)坐標(biāo)，并成成校正文件。流動(dòng)站和安裝在機(jī)械上的GPS接收機(jī)通過校正文件就可以將GPS系統(tǒng)中的84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成施工現(xiàn)場坐標(biāo)，從而控制鏟刀達(dá)到厘米級精度。

第四章、路基智能化施工科研內(nèi)容

張?zhí)畦F路項(xiàng)目傳統(tǒng)工藝施工

本科研項(xiàng)目主要針對傳統(tǒng)工藝與智能化施工進(jìn)行對比，確定智能化施工的優(yōu)勢所在。

傳統(tǒng)施工工藝流程如下：施工工藝流程測量放樣施工工藝流程劃分方格網(wǎng)施工工藝流程卸料與攤鋪施工工藝流程整平與碾壓施工工藝流程

K30試驗(yàn)檢測施工工藝流程刷坡智能化施工工藝

施工工藝流程建立GNSS系統(tǒng)在工地固定基準(zhǔn)點(diǎn)架設(shè)GNSS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，進(jìn)行GNSS測量定位系統(tǒng)校正。施工工藝流程設(shè)備安裝①推土機(jī)三維顯示系統(tǒng)GPS接收機(jī)安裝在鏟刀中心位置，數(shù)傳電臺安裝在推土機(jī)機(jī)頂，控制箱安裝在駕駛室內(nèi)。②壓路機(jī)智能壓實(shí)系統(tǒng)壓路機(jī)智能壓實(shí)系統(tǒng)壓實(shí)傳感器安裝在壓輪中心位置，緊密牢固地垂直安裝在振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)輪的內(nèi)側(cè)機(jī)架上，GPS接收機(jī)、數(shù)傳電臺安裝在壓路機(jī)機(jī)頂，控制箱、光棒、便攜打印機(jī)安裝在駕駛室內(nèi)。③挖掘機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)挖掘機(jī)引導(dǎo)系統(tǒng)在挖掘機(jī)吊臂、小臂、挖斗位置均安裝傳感器，機(jī)身位置處安裝機(jī)身傳感器，挖掘機(jī)在施做過程中，通過各部位的傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)輸入至駕駛室內(nèi)的控制器，通過控制器對挖掘機(jī)挖土及刷破情況進(jìn)行有效控制。施工工藝流程第一層土石方施工路基智能化施工第一層采用傳統(tǒng)工藝施工，根據(jù)傳統(tǒng)施工試驗(yàn)段所采集的數(shù)據(jù)參數(shù)得出：松鋪厚度37cm，碾壓最佳含水量11％；壓路機(jī)靜壓一遍，強(qiáng)振碾壓五遍，靜壓一遍收光，弱振碾壓一遍后進(jìn)行K30試驗(yàn)檢測并提取初始CMV值。清表結(jié)束后，土料攤鋪采用三維顯示推土系統(tǒng)實(shí)施完成，實(shí)施過程中，安裝在推土機(jī)的數(shù)據(jù)控制箱實(shí)時(shí)采集施工機(jī)械鏟刀的豎向位置坐標(biāo)，與控制箱存儲的設(shè)計(jì)文件的高程控制坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，在設(shè)計(jì)的施工范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)坐標(biāo)偏差后，系統(tǒng)會通過閥控制模塊對機(jī)械鏟刀油缸進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，從而確保了整個(gè)施工區(qū)域能夠按照松鋪要求進(jìn)行精確的平整。調(diào)整鏟倒位置控制鏟刀施做厚度施工工藝流程提取初始目標(biāo)CMV值K30試驗(yàn)檢測合格后，將裝有智能壓實(shí)系統(tǒng)的壓路機(jī)開到第一層作業(yè)面上，打開控制箱驗(yàn)算開關(guān)采用弱振方式正向行駛，數(shù)據(jù)采集完成后，系統(tǒng)根據(jù)采集的CMV值進(jìn)行驗(yàn)算并分析出結(jié)果，采用數(shù)據(jù)中中占比例最高的值作為初始目標(biāo)CMV值,得出初始目標(biāo)CMV值為35.1KN/m。弱振提前初始目標(biāo)CMV值提取施工工藝流程驗(yàn)證目標(biāo)CMV值：因連續(xù)壓實(shí)振動(dòng)感應(yīng)設(shè)備觸探范圍為1～1.5米，路基本體以下部分會對其造成一定偏差影響；另外，第一層所提取的初始CMV值是否滿足連續(xù)壓實(shí)規(guī)范中的各項(xiàng)指標(biāo)要求，為了驗(yàn)證取得的初始CMV值能否指導(dǎo)后續(xù)施工，在第二層土石方填筑中進(jìn)行目標(biāo)CMV值的驗(yàn)證，驗(yàn)證的方法為路基連續(xù)壓實(shí)配合K30的檢測，分析連續(xù)同步檢測值與傳統(tǒng)檢測方法檢測值的對應(yīng)關(guān)系，通過相關(guān)性回歸方程確定目標(biāo)CMV值。如果第二層連續(xù)壓實(shí)所取得數(shù)據(jù)關(guān)系離散性滿足要求，且第一層確定的目標(biāo)CMV值大于回歸方程確定目標(biāo)的CMV值，則第一層確定的目標(biāo)CMV可以作為后續(xù)碾壓施工的目標(biāo)值，反之，以回歸方程確定的目標(biāo)CMV值作為后續(xù)施工的目標(biāo)值。施工工藝流程目標(biāo)CMV值控制壓實(shí)質(zhì)量：施工工藝流程圖示中目標(biāo)CMV值顯示為藍(lán)色，表示壓實(shí)度達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)；綠色區(qū)域、灰色區(qū)域CMV值均大于目標(biāo)CMV值，碾壓通過。紅色區(qū)域CMV值小于目標(biāo)CMV值，為碾壓薄弱區(qū)域。每層碾壓結(jié)束后對薄弱區(qū)域（紅色區(qū)域）進(jìn)行常規(guī)K30檢測，如果不滿足要求，對薄弱區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)壓，直至檢測合格為止。薄弱區(qū)域常規(guī)K30檢測合格則對合格區(qū)域（綠色、灰色區(qū)域）進(jìn)行抽檢復(fù)核，如果滿足規(guī)范要求則進(jìn)行下一層施工。施工工藝流程通過路基連續(xù)壓實(shí)CMV值驗(yàn)證過程中總結(jié)出，提高路基壓實(shí)質(zhì)量的控制措施主要有兩種，其一為通過控制壓實(shí)機(jī)具來提高質(zhì)量，例如，控制油門大小改變振動(dòng)參數(shù)；另一種是通過改善填料（包括填料粒徑與含水量）來提高質(zhì)量。施工工藝流程引導(dǎo)系統(tǒng)著眼于過程控制，即實(shí)現(xiàn)顯示作業(yè)控制情況，擺脫了對機(jī)手經(jīng)驗(yàn)的束縛。施工前，僅需將施工要求的深度和坡度輸入控制箱，機(jī)手便可根據(jù)可視化的參考線（測量人員需要將路肩線放樣出）進(jìn)行施工，這樣隨著作業(yè)的完畢，工程質(zhì)量就達(dá)到了要求。這種作業(yè)方式用傳感器測量代替了人工測量，并對系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)控制。提高了作業(yè)效率、縮短工期、降低原材料的損耗、減少輔助施工人員。

提高效率，縮短工期，全天化作業(yè)無需打樁、放樣，減少測量人員，降低測量成本。沒有經(jīng)驗(yàn)的機(jī)手也可以實(shí)現(xiàn)精確控制，無需過多人員，大大降低人工成本。提高機(jī)械使用效率，降低油料和材料的消耗。三維顯示控制系統(tǒng)投資回報(bào)快，常常在第一個(gè)工程中即可收回投資。快速完成，減少返工、放樣和檢查次數(shù)，降低成本，提高材料利用率，均可提高盈利能力。效益對比第五章、經(jīng)濟(jì)效益對比

張?zhí)畦F路項(xiàng)目

數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析擬合得到K30與CMV關(guān)系如圖：

數(shù)據(jù)分析

從圖中可以看出，常規(guī)檢測的壓實(shí)度指標(biāo)和CMV有著正相關(guān)性，體現(xiàn)出路基壓實(shí)越密實(shí)，動(dòng)力檢測參數(shù)越大的趨勢，其相關(guān)系數(shù)為0.835，大于0.7，n取36組對應(yīng)點(diǎn)大于18，滿足規(guī)范要求，校驗(yàn)結(jié)果可用，回歸方程為：CMV=0.195K30+11.09根據(jù)路基相關(guān)規(guī)范，基床以下路堤K30最小合格標(biāo)準(zhǔn)為[K30]=120MPa/m，將其帶入回歸方程可得目標(biāo)[CMV]=34.5kN/m。由此可見，第一層確定的目標(biāo)CMV可以作為后續(xù)碾壓施工的目標(biāo)值。

能有效指導(dǎo)機(jī)械操作人員，提高機(jī)械工作效率提高施工質(zhì)量可減少重復(fù)檢測時(shí)間，加快路基施工進(jìn)度降低油耗效益分析

綜合分析工藝簡單縮短工期節(jié)約費(fèi)用第六章、結(jié)論與展望

張?zhí)畦F路項(xiàng)目國內(nèi)外路基智能化施工概況路基智能壓實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用，可減少重復(fù)檢測時(shí)間，通過設(shè)定CMV值，機(jī)手能夠直接從駕駛室里的控制器屏幕上實(shí)時(shí)知道當(dāng)前壓路機(jī)所處碾壓段落的壓實(shí)度、碾壓遍數(shù)、壓路機(jī)行駛速度等信息，與常規(guī)只采用壓實(shí)遍數(shù)進(jìn)行控制相比可減少重復(fù)檢測時(shí)間，縮短施工周期，加快路基施工進(jìn)度。減少搭接，傳統(tǒng)碾壓施工由于碾壓遍數(shù)、軌跡無法實(shí)時(shí)顯示