路基智能化施工

路基智能化施工机械控制科研报告

张唐铁路项目概述智能化施工原理介绍施工准备科研项目内容经济效益对比结论与展望第一章、概述

张唐铁路项目国内外路基智能化施工概况现阶段，国内路基工程施工大多采用较为传统的施工及检测方法对路基施工过程进行实时控制。土料摊铺及压实过程需测量人员旁站监控，确保松铺厚度与压实厚度能够满足相关要求；碾压完成后，需对碾压情况进行试验检测，检测方法主要使用压实系数K、孔隙率n、地基系数K30、动态变形模量Evd、二次变形模量Ev2和二次与一次变形模量比Ev2/Ev1，6种不同压实质量检测指标，但上述指标主要是对点的检测；挖掘机刷坡时，需先放样定位路肩及坡脚线，再采用坡度尺进行检查坡度能否满足要求。传统检测指标实施过程中效率低,检测工作量大，费用高,劳动强度大,对路基施工进度有影响较大。国外已在20世纪70年代开始对路基智能化施工进行研发，目前技术已趋于成熟，并得到广泛应用。研究目的

通过路基智能化施工，达到在节省施工成本的基础上，实现实时对路基施工质量控制的目标。研究主要内容

（1）实现精确控制一次成型，实现实时过程控制，实时显示施工报告，现场随时掌控施工效果，避免事后控制可能带来的返工。（2）提高施工质量一致性，精确控制厚度、坡度、平整度，实时的质量控制。（3）节约成本，提高利润，提高机械使用效率，减少施工机械台班数，真正实现施工的高效管理，提高工作效率。

第二章、智能化施工原理介绍

张唐铁路项目路基智能化施工概念

路基智能化施工，是指以一条无缝链接的数据流为核心，贯穿于路基施工的前期准备、机械作业、进度施工动态、施工组织者能够轻松高效地制订施工计划、机械作业人员能够简单直观地操控机械、安全质量检查人员能够心中有数地监控质量。控制、质量控制等过程，运用实时三维定位技术、机械设备传感器技术、信息可视化技术、数据存储及无线传输技术等，将路基施工过程中所有的生产数据实时显示、上传、下载及存档，使项目管理者能够随时随地掌握施工动态、施工组织者能够轻松高效地制订施工计划、机械作业人员能够简单直观地操控机械、安全质量检查人员能够心中有数地监控质量。机械智能化施工软件机械控制系统工地定位系统路基智能化施工系统组成

工地定位系统采用GNSS定位系统，可用于工地测量和系统集成。独立的天线和接收机可为工地提供最大范围无线电覆盖范围。

机械智能化施工软件SVO软件系统时将信息数据转化为实物图形的纽带，有效的将平面数字化信息转换为3D信息，使施工现场立体化、简单化。Svo软件系统

机械控制系统由推土机三维显示系统、压路机连续压实系统及挖掘机铲位引导系统组成，通过对GNSS定位系统信号接收，使数据图形显示于车载显示器中，对路基施工各工序操作给予数据指导与操作限制。机械控制系统第三章、施工准备

张唐铁路项目工程概况

张唐铁路位于我国冀北、冀东地区。线路起自张家口市的孔家庄，向东至承德西部后，折向唐山西部曹妃甸；线路等级为Ⅰ级，正线数目为双线，新建电气化重载铁路，设计速度目标值120km/h。本管段施工范围DK383+200～DK390+400，线路正线7.2km，路基全长约5.1公里。路基分为基床表层为0.6cm、基床底层为1.9，其余为基床底层以下填筑。填料采用细角砾土填筑，每层填筑压实厚度为30cm，最佳含水率为11%。

设备安装设备安装设备安装机械控制系统机械控制系统需要有数据的支持，这里的数据是指机械控制系统所识别的设计单位的3维道路设计数据。由于目前设计单位给出的均是2维设计图纸，需要利用SVO（SiteVisionOffice）将其进行转换，将转换后的3维数据保存在机械控制箱的存储卡中。如以下流程图所示：

基站系统数据准备通过在工地固定位置架设一套GPS接收机作为基准站，为流动站和3D机械控制系统提供差分信号。采用流动站校正现场控制点坐标，并成成校正文件。流动站和安装在机械上的GPS接收机通过校正文件就可以将GPS系统中的84坐标转换成施工现场坐标，从而控制铲刀达到厘米级精度。

第四章、路基智能化施工科研内容

张唐铁路项目传统工艺施工

本科研项目主要针对传统工艺与智能化施工进行对比，确定智能化施工的优势所在。

传统施工工艺流程如下：施工工艺流程测量放样施工工艺流程划分方格网施工工艺流程卸料与摊铺施工工艺流程整平与碾压施工工艺流程

K30试验检测施工工艺流程刷坡智能化施工工艺

施工工艺流程建立GNSS系统在工地固定基准点架设GNSS接收机作为基准站，进行GNSS测量定位系统校正。施工工艺流程设备安装①推土机三维显示系统GPS接收机安装在铲刀中心位置，数传电台安装在推土机机顶，控制箱安装在驾驶室内。②压路机智能压实系统压路机智能压实系统压实传感器安装在压轮中心位置，紧密牢固地垂直安装在振动压路机振动轮的内侧机架上，GPS接收机、数传电台安装在压路机机顶，控制箱、光棒、便携打印机安装在驾驶室内。③挖掘机引导系统挖掘机引导系统在挖掘机吊臂、小臂、挖斗位置均安装传感器，机身位置处安装机身传感器，挖掘机在施做过程中，通过各部位的传感器传输的数据输入至驾驶室内的控制器，通过控制器对挖掘机挖土及刷破情况进行有效控制。施工工艺流程第一层土石方施工路基智能化施工第一层采用传统工艺施工，根据传统施工试验段所采集的数据参数得出：松铺厚度37cm，碾压最佳含水量11％；压路机静压一遍，强振碾压五遍，静压一遍收光，弱振碾压一遍后进行K30试验检测并提取初始CMV值。清表结束后，土料摊铺采用三维显示推土系统实施完成，实施过程中，安装在推土机的数据控制箱实时采集施工机械铲刀的竖向位置坐标，与控制箱存储的设计文件的高程控制坐标数据进行比较，在设计的施工范围内发现坐标偏差后，系统会通过阀控制模块对机械铲刀油缸进行自动调整，从而确保了整个施工区域能够按照松铺要求进行精确的平整。调整铲倒位置控制铲刀施做厚度施工工艺流程提取初始目标CMV值K30试验检测合格后，将装有智能压实系统的压路机开到第一层作业面上，打开控制箱验算开关采用弱振方式正向行驶，数据采集完成后，系统根据采集的CMV值进行验算并分析出结果，采用数据中中占比例最高的值作为初始目标CMV值,得出初始目标CMV值为35.1KN/m。弱振提前初始目标CMV值提取施工工艺流程验证目标CMV值：因连续压实振动感应设备触探范围为1～1.5米，路基本体以下部分会对其造成一定偏差影响；另外，第一层所提取的初始CMV值是否满足连续压实规范中的各项指标要求，为了验证取得的初始CMV值能否指导后续施工，在第二层土石方填筑中进行目标CMV值的验证，验证的方法为路基连续压实配合K30的检测，分析连续同步检测值与传统检测方法检测值的对应关系，通过相关性回归方程确定目标CMV值。如果第二层连续压实所取得数据关系离散性满足要求，且第一层确定的目标CMV值大于回归方程确定目标的CMV值，则第一层确定的目标CMV可以作为后续碾压施工的目标值，反之，以回归方程确定的目标CMV值作为后续施工的目标值。施工工艺流程目标CMV值控制压实质量：施工工艺流程图示中目标CMV值显示为蓝色，表示压实度达到合格标准；绿色区域、灰色区域CMV值均大于目标CMV值，碾压通过。红色区域CMV值小于目标CMV值，为碾压薄弱区域。每层碾压结束后对薄弱区域（红色区域）进行常规K30检测，如果不满足要求，对薄弱区域进行补压，直至检测合格为止。薄弱区域常规K30检测合格则对合格区域（绿色、灰色区域）进行抽检复核，如果满足规范要求则进行下一层施工。施工工艺流程通过路基连续压实CMV值验证过程中总结出，提高路基压实质量的控制措施主要有两种，其一为通过控制压实机具来提高质量，例如，控制油门大小改变振动参数；另一种是通过改善填料（包括填料粒径与含水量）来提高质量。施工工艺流程引导系统着眼于过程控制，即实现显示作业控制情况，摆脱了对机手经验的束缚。施工前，仅需将施工要求的深度和坡度输入控制箱，机手便可根据可视化的参考线（测量人员需要将路肩线放样出）进行施工，这样随着作业的完毕，工程质量就达到了要求。这种作业方式用传感器测量代替了人工测量，并对系统进行作业控制。提高了作业效率、缩短工期、降低原材料的损耗、减少辅助施工人员。

提高效率，缩短工期，全天化作业无需打桩、放样，减少测量人员，降低测量成本。没有经验的机手也可以实现精确控制，无需过多人员，大大降低人工成本。提高机械使用效率，降低油料和材料的消耗。三维显示控制系统投资回报快，常常在第一个工程中即可收回投资。快速完成，减少返工、放样和检查次数，降低成本，提高材料利用率，均可提高盈利能力。效益对比第五章、经济效益对比

张唐铁路项目

数据分析

数据分析拟合得到K30与CMV关系如图：

数据分析

从图中可以看出，常规检测的压实度指标和CMV有着正相关性，体现出路基压实越密实，动力检测参数越大的趋势，其相关系数为0.835，大于0.7，n取36组对应点大于18，满足规范要求，校验结果可用，回归方程为：CMV=0.195K30+11.09根据路基相关规范，基床以下路堤K30最小合格标准为[K30]=120MPa/m，将其带入回归方程可得目标[CMV]=34.5kN/m。由此可见，第一层确定的目标CMV可以作为后续碾压施工的目标值。

能有效指导机械操作人员，提高机械工作效率提高施工质量可减少重复检测时间，加快路基施工进度降低油耗效益分析

综合分析工艺简单缩短工期节约费用第六章、结论与展望

张唐铁路项目国内外路基智能化施工概况路基智能压实系统的应用，可减少重复检测时间，通过设定CMV值，机手能够直接从驾驶室里的控制器屏幕上实时知道当前压路机所处碾压段落的压实度、碾压遍数、压路机行驶速度等信息，与常规只采用压实遍数进行控制相比可减少重复检测时间，缩短施工周期，加快路基施工进度。减少搭接，传统碾压施工由于碾压遍数、轨迹无法实时显示