3D Topcon mmGPS毫米级精度自动化摊铺系统施工工法.docx
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3DTopconmmGPS毫米级精度自动化摊铺系统施工工法
附件2
集团公司工法申报表
填报单位：
中铁十九局集团第三工程有限公司
工法名称
3DTopconmmGPS毫米级精度自动化摊铺系统施工工法
主要开发单位
中铁十九局集团第三工程有限公司
完成时间
2019年8月20日
主
要
编
写
人
姓名
职务
职称
单位
李宝成
项目经理
高工
中铁十九局第三工程有限公司
杨涛
安全科科长
工程师
甘肃省公路交通建设集团有限公司
张轩齐
副总工
工程师
中铁十九局第三工程有限公司
张志强
副工程部长
工程师
中铁十九局第三工程有限公司
李浩
工程部职员
助理工程师
中铁十九局第三工程有限公司
肖博
副工程部长
助理工程师
中铁十九局第三工程有限公司
应用工程
项目名称
敦煌至当金山口公路DD1合同段
科技成果是否鉴定（评审）及组织鉴定单位
应用时间
2019年7月～2020年10月
科技成果
奖励等级
内容简介
3DTopconmmGPS摊铺自动控制系统是一种专门用于对施工作业面进行高精度整平的光机电液一体化3D自动控制系统,是专门与相关施工机械配套并提高其自动化水平的重要手段,也是当今世界上先进的整平作业技术。
3DTopconmmGPS摊铺自动控制系统集成了多种定位/传感技术、专业化软件和强大的控制系统,能够实现对摊铺机的精确控制、熨平板的实时定位,以及完全自动化的施工作业,从而满足垂直曲线、过渡点、超高曲线和复杂站点等要求苛刻的公路工程建设需要。
本文将从3DTopconmmGPS系统工作原理及在本工程实际施工中的使用来阐述3DTopconmmGPS系统应用功法。
附件及资料目录
申报单位
评审意见
同意申报集团公司工法。
（单位盖章）
评审组组长：
2019年8月20日
集团公司
评审意见
（单位盖章）
评审组组长：
年月日
单位负责人：
陈广佰填表人：
付秀英日期：
2019年8月20日
3DTopconmmGPS毫米级精度自动化摊铺系统施工工法
中铁十九局集团第三工程有限公司李宝成杨涛张轩齐张志强李浩
1．前言
柳格国高（G3011）敦煌至当金山口公路DD1合同段，起点位于敦煌北吕家堡杨家湾村（K116+900.396），与柳格高速瓜州至敦煌段顺接，经敦煌北、敦煌西、七里镇，终点位于K176+000,设计全长59.099604公里。
主线采用双向四车道高速公路标准，设计速度100公里/小时，整体式路基宽度26米，分离式路基宽度2×13米，桥涵设计汽车荷载等级为公路I级。
本项目应用该系统首先为配合水稳碎石底基层摊铺施工。
底基层厚度20cm，采用3.6%水泥掺量的水泥稳定碎石，最大干密度为2.361g/cm³，设计级配采用C-B-3结构，7d无侧限抗压强度≥3.5Mpa。
压实度要求≥97%。
2．工法特点
2.1TopconmmPS摊铺系统是世界上首款基于GNSS技术且达到毫米级控制精度的沥青（或水泥）摊铺系统。
2.2TopconmmPS摊铺系统将成熟的GNSS与激光定位设备和多个传感器融于体。
2.3多功能GX-60控制箱作为操作人员与mmPS摊铺系统的交互界面，有多种固定架可选，可以灵活地安装到摊铺机上的任何理想位置，以方便作业过程中实时监控。
2.4控制箱内置的3D-MC软件能为操作人员实时提供摊铺机的精确位置、传感器状态、摊铺机熨平板与设计数据高差等全部关键信息。
3DTopconmmGPS毫米级精度自动化摊铺系统构件图
3．适用范围
本工法可应用于各级公路级配碎石垫层、水稳碎石基层和底基层摊铺、沥青（水泥混凝土）路面面层摊铺及滑膜摊铺。
4．工艺原理
3DTopconmmGPS摊铺自动控制系统集成了多种定位/传感技术、专业化软件和强大的控制系统,能够实现对摊铺机的精确控制、熨平板的实时定位,以及完全自动化的施工作业,从而满足垂直曲线、过渡点、超高曲线和复杂站点等要求苛刻的公路工程建设需要。
3DTopconmmGPS摊铺自动控制系统施工工法原理示意图
5.施工工艺流程及操作要点
5.1准备工作
1）系统准备：
3DTopconmmGPS摊铺控制系统由GNSS基准站、域激光发射器、mmGPS流动站和P63摊铺机自动控制系统四部分组成，已由厂家完成系统与设备的安装调试。
2）技术准备：
本项目应用该系统首先为配合水稳碎石底基层摊铺施工。
底基层厚度20cm，采用3.6%水泥掺量的水泥稳定碎石，最大干密度为2.361g/cm³，设计级配采用C-B-3结构，7d无侧限抗压强度≥3.5Mpa。
压实度要求≥97%。
3）人员准备：
有测量人员专职操作系统，经由厂家进行业务培训已完全掌握系统操作方法。
现场接受机示意图
5.2操作流程及注意事项
系统工作时，由测量人员事先将现场路基顶面信息及底基层高程等设计信息录入系统，使用GNSS基准站通过无线通讯实时向流动站接收机发送差分信号，同时域激光发射器实时向流动站发射高程信息，mmGPS流动站接收机系统分别将接受到的GNSS卫星信号、GNSS基站发送的差分信号和域激光发射器发射的高程信息，进行实时的处理解算，实现了实时的厘米级的GNSS平面定位精度和毫米级的高程控制精度。
现场LZ-T5域激光发射器
然后事先安装在摊铺机上的P63摊铺机自动控制系统利用配套的PZS-MC域激光接收器和MC-R3GNSS接收机同时进行厘米级的RTK平面定位和毫米级的高程定位，并实时将三维坐标数据传输到GX-60控制箱，控制箱将获得的当前3D坐标信息与由技术人员事先导入的面层设计数据进行对比，并实时生成对应点位的高程修正信息模型，这些高程修正信息通过系统一系列自动计算，再由控制箱生成对应比例的驱动信号，通过电磁阀驱动摊铺机牵引臂的液压油缸，进而使熨平板在相应方向上进行调整，弥补路面波动，实现设计要求的路面平整度和厚度。
配置PZS-MC域激光接收器的摊铺机摊铺作业
6．材料设备
6.1主要技术设备
采用本工法施工，所需配套3DTopconmmGPS摊铺控制系统由GNSS基准站、域激光发射器、mmGPS流动站和P63摊铺机自动控制系统
6.2主要设备
详见“主要施工设备配置表”。
主要施工设备配置表
序号
设备名称
规格/型号
单位
数量
备注
1
稳定料拌合站
800t/h
套
1
水稳料拌合
2
装载机
50型
台
2
拌合机喂料
3
钢模
200*1500
块
450
填料定型
4
摊铺机
沃尔沃9820
台
1
填料摊铺
5
单钢轮振动压路机
26T/22T
台
2
填料碾压
6
双钢轮振动压路机
13T
台
1
填料碾压
7
胶轮压路机
30T
台
1
填料碾压
8
洒水车
15T
辆
6
养生
9
自卸运输车
22m³
辆
20
填料运输
7．质量控制
7.1质量保证体系
已通过ISO9001:
2008质量管理体系认证，依据建设单位、监理工程师的要求，结合我公司质量、环境与职业健康安全综合管理体系建立具有针对性、实用性的有效质量保证体系，编制本项目质量计划，并通过开展日常质量活动以及内部、外部质量体系审核，保证质量体系有效运行。
在施工过程中，认真贯彻执行质量体系标准，加强过程控制，不断完善质量保证体系和质量自检体系，随时接受甲方及监理工程师的监察、检验，确保实现工程质量目标。
7.2质量控制方法：
在整个摊铺过程中，由测量人员使用mmPS流动站实时检测路面的摊铺质量状况，按照设计需求，及时做出调整，真正实现施工过程的全流程监控，以充分满足高质量的摊铺设计要求。
同时在施工中仍需采用插钢钎方法检测摊铺厚度，实验人员实时检测平整度及压实度，及时对摊铺结束的底基层高程利用全站仪进行复核。
具体检测项目见“水泥稳定碎石底基层实测项目”。
水泥稳定碎石底基层实测项目
项次
检查项目
规定值或允许偏差
检查方法和频率
权值
1
压实度
（%）
代表值
97
每个作业段或按附录B检查每200m每车道2处
3
极值
92
2
平整度（mm）
12
3m直尺：
每200m测2处×10尺
2
3
纵断高程（mm）
+5，-15
水准仪：
每200m测4个断面
1
4
宽度（mm）
符合设计要求
尺量：
每200m测4个断面
1
5
厚度（mm）
代表值
-10
按附录H检查，每200m每车道1点
3
合格值
-25
6
横坡（%）
±0.3
水准仪：
每200m测4个断面
1
7
强度（Mpa）
满足设计要求
按附录G检查
3
现场技术人员检测压实度
8．安全措施
8.1执行标准
根据《安全生产法》、《建设工程安全生产管理条例》、《安全许可证条例》、《公路工程施工安全技术规范》（JTGF90-2015）等法律、法规
8.2安全保证措施
1、树立“安全第一”的思想，抓生产必须抓安全，以安全促生产。
项目部成立以项目经理为首的安全领导小组，配备专职安全工程师，负责全面的安全管理工作；队建立健全安全领导小组，配备专职安全员，负责各项安全工作的落实。
做到有计划、有组织地进行预测、预防事故的发生。
2、建立健全安全生产责任制，从项目经理到生产工人，明确各自的岗位责任，各专职机构和业务部门要在各自的业务范围内对安全生产负责。
争取实现安全无事故的目标。
3、加强全员的安全教育，使广大职工牢固树立“安全第一，预防为主”的意识，克服麻痹思想，组织职工有针对性的学习有关安全方面的规章制度和安全生产知识，做到思想上重视，生产上严格执行操作规程。
各类机械设备的操作工，必须经专门安全操作技术训练，考试合格后方可持证上岗。
严禁酒后操作。
4、坚持经常和定期安全检查，及时发现事故隐患，堵塞事故漏洞，奖罚当场兑现；坚持以自查为主，互查为辅，边查边改的原则；主要查思想、查制度、查纪律、查领导、查隐患，结合季节特点，重点防触电、防高空坠物、防机械车辆事故、防汛、防火等措施的落实。
5、技术部门要严格按照安全生产的要求编制工程项目的施工组织设计，同时编制安全技术措施；对采用的新技术、新材料、新结构、新工艺、新设备，要认真编制安全技术操作规程。
6、通过改进施工方法、施工工艺，采用先进设备等措施，不断改善劳动条件，搞好劳动保护，定期对职工进行体检，预防疾病的发生。
7、施工现场应做好防盗、防火、防破坏工作；施工现场入口及危险作业部位设安全生产标志、宣传画、标语，随时提醒职工注意安全生产；场内各种安全设备、设施、标志等，任何人不准擅自拆动。
8、施工用电必须符合用电安全规程。
施工现场内电线与其所经过的建筑物或工作地点保持安全距离，同时加大电线的安全系数。
各种电动机械设备，必须有可靠有效的安全接地和防雷装置，严禁非专业人员操作机电设备。
9、加强对设备的检查、保养、维修，保证安全装置完备、灵敏、可靠，确保设备的正常安全运转。
10、文明施工，对施工便道的定期维护，杜绝交通事故。
11、对进场人员进行经常性的法律、法规教育，防止施工扰民及治安、刑事案件发生。
12、拌和站安全管理措施：
①拌和站的生活生产房屋，发电机房、临时油库等均应设在干燥的地基上，并应符合防火、防风、防暴、防雨的要求。
在拌和站的最高处设置避雷装置。
②拌和站应设置各种安全标志，并不得擅自拆除。
③拌和站的蓄水池，应设置安全标牌、警示标语及护栏。
场地狭小、行人和运输繁忙的区域应设专人指挥交通。
④拌和站生产过程中，拌和站和施工车辆必须有专人指挥。
清洗拌锅时必须断电停机作业。
⑤发生事故，保护好现场，及时上报，严格按照三不放过的原则（事故原因分析不清不放过、事故责任者和群众没有受到教育不放过、没有防范措施不放过）处理事故。
13、摊铺机安全操作措施
①工作前应检查各关键部位螺栓是否紧固，连接是否可靠，空运转是否正常，转向操纵机构和制动器是否灵敏、可靠。
9．环保措施
9.1环境保护体系
1、环保、水保体系及说明
针对工程及环境特点，从人、机、料、法、环、测六个方面，建立完整的环境保护、水土保持保证体系，保证管理体系的有效运行。
环境保护、水土保持管理体系见下图。
环保和水土保持保证体系图
2、环保、水保管理机构
成立环水保管理领导小组，负责环境保护及水土保持管理工作。
严格按照国家《环境保护法》和《水土保持法》落实“三同时”，认真开展环境保护及水土保持的宣传教育工作。
成立以项目经理为组长的施工环保、水土保持领导小组，制定施工环保、水土保持措施，项目经理部、施工队分级管理，负责检查、监督各项环保、水土保持工作的落实。
3、环保、水保人员配置
项目经理部设环保部，配备1名环水保专业工程师，负责识别、评价环境因素，制定环保方案和措施，并检查和监督措施的落实；各施工队配备1名兼职环水保监察员，负责协助环保工程师工作，并在施工中执行环保方案和措施，及时反馈环保信息，为环保方案和措施的调整提供资料。
4、环保、水保管理职责分配
项目经理对施工环保、水土保持工作负全责，其职责是：
监督检查各部门环保工作措施的落实情况，检查环保措施是否有效、全面、是否存有隐患，进行宏观控制。
安全质量部负责制定具体的施工环保措施、工作制度，并检查各队的执行情况，及时上报环保工作动态和指导下级工作，根据国家法律、省市的有关规定以及相关设计编制单独的环境保护方案和水土保持方案；同时，在施工中要监督检查方案进行情况，并留存相关的资料（反映开工前、施工中、完工后的原始情况、变化情况、治理情况的图片、影象、文字）；其他部门负责配合安全质量部工作。
各队环保监察员负责执行各项环保措施的落实工作，检查工班环保员的工作是否到位，效果是否满足环保措施要求。
工作上一级保一级，确保环保工作不流于形式，使各项环保措施落实到位。
9.2环境保护措施
认真贯彻执行甘肃省环境保护特别是敦煌市的环境保护的有关政策、法规、对全体施工人员进行环境保护知识，法规宣传教育，把做好环境保护工作和坚持文明施工，变为每个职工的自觉行动。
1、按当地政府环保部门和业主的要求，配专人开展工作，做到环保工作有人负责，定期检查。
2、严格按建设单位要求和设计文件规定组织施工，每一工程项目，每一道工序，均按环保要求采取相应的保护措施：
（1）按批准的施工组织设计布置各种临时设施，加强管理，保持施工区和生活区的文明整洁。
（2）对施工便道，要经常洒水，防止灰尘飞扬，污染环境。
（3）为了防止尘埃污染，运输车辆要备有覆盖设备，车槽四周密封坚固。
（4）做好施工废水的处理工作。
（5）弃土场做好防排水工作，对弃渣整平压实，并植树种草，进行绿化。
（6）减少噪声、废气污染。
各种临时设施设置于居民区主要风向的下风处，使用机械尽量减少噪音废气的污染，遵守当地有关部门对施工的相关规定。
3、确保施工现场周围道路畅通，排水系统始终处于良好状态，保持场容场貌整洁。
4、实行定期内部环保工作检查制度，检查各项措施落实情况，总结经验教训，确保环保工作各项指标达标。
10.项目工程实例
1、本项目功法应用实例
在2019年7月31日对K169+130-169+750路段水泥稳定底基层进行摊铺作业，采用3DTopconmmGPS摊铺自动控制系统功法施工。
由于新工法预先把工程数据输入机载电脑，直接对摊铺厚度和路面高程进行控制，无需打桩拉线放样，减少施工环节，在减轻技术人员工作量提高施工效率的同时避免了由此带来的误差。
由电脑精确测定安装在摊铺机的三维位置，将数值无线传输到机载计算机内，结合其它传感器传出的数据，对摊铺机的位置和方向进行不间断的刷新调整。
通过机载计算机对机器的“设计”位置和实际位置进行不断的比较，使技术人员可以实时得到摊铺效果反馈并提高摊铺控制精度，最终实现了极佳的铺设效果。
K169+130-169+750路段水泥稳定底基层摊铺效果
2、国内某试车场
下图为2012年在国内某试车场进行的mmPS摊铺机施工现场图。
在此之前国内的试车场全部采用传统方式施工，由于试车场不同于普通的公路，有大量弧形路面需要施工，而且对路面的平顺性要求远高于普通路面。
利用传统施工方式进行施工需要大量的人力进行测量、放样、打桩、挂线、检核等工作，不仅耗费大量的人力成本，而且极易在施工的过程中由于施工质量不满足精度要求而进行返工，造成原材料的浪费与工期的延误。
本次施工中采用拓普康的mmgS,参与的施工人员减少到了原来的半数，工期减少了1/5,避免了返工现象的出现，为试车场施工提供了新思路。
3、欧洲某高速公路
在国外，由于人力成本高昂，施工工艺要求较高，机械控制系统已经很普遍的应用在各种工程施工上。
下图展示的是欧洲某高速公路施工的现场图，所有的施工参数已经输入到控制箱中，控制箱根据设计数据与现场采集到的位置数据进行比较，进行摊铺作业的自动控制，实现毫米级精度的施工整个施工现场除必须的操作人员外，仅有的少量的检测人员。
4、滑膜摊铺
此套系统不仅能够在沥青摊铺机上使用，还可以根据不同的施工作业环境和施工设备应用到滑膜摊铺机上，能达到同样的作业精度。
TopconmmGPS设备可以应用在不同品牌的滑膜摊铺机上，为不同摊铺机厂商提供了相匹配的接口线缆只需要在预定的时候选择相应的摊铺机配件即可。
如果拥有多台摊铺机设备，只需要预定不同的线缆，即可实现在不同设备之间的交替使用，节约大量成本。
11．效益分析
11.1本项目功法效果
本项目实际应用效果及与旧的摊铺方法方法对比：
项目
传统施工方法
3DTopconmmGPS功法
1
质量控制
事后控制，造成返工，浪费资源。
实时过程检测，确保施工的精度。
2
基准设置
事先要测量放样、打桩、放样基准线等大量工作
省去了打桩放样和拉钢丝线等设置基准的环节，从而减少人为因素误差，减少摊铺预先准备的时间，提高控制精度和工作效率。
3
坡度控制
无法实时的进行坡度控制，弯道作业无法严格达到设计要求
全数字显示，精确控制高程和坡度；实时显示摊铺坡度与设计面差值，严格控制坡度和厚度。
4
高程检测
无法显示和记录当前点的高程
GPS平面和激光高程导航，全程无间断测量，可通过实时采集数据计算压实度。
5
设计呈现
只能以方格网形式显示CAD设计数据，无法真实呈现每个格网中任意一点真实坐标
严格按照设计院CAD设计的项目数据，能有效地按1:
1的比例在现场进行施工，真实呈现施工现场每一点坐标值，将施工数据与设计数据完美结合。
11.2过本项目与其他项目共同总结，3DTopconmmGPS系统功法具有如下优点。
1.简化工序，提高效率，降低人力成本
支持设计数据的导入，省去人工架设参照基准的工作，无需测量人员进行计算设计、测量、放样、打桩、拉线等准备工作，只需少量检测人员即可，摊铺机就绪后即可直接开始摊铺作业。
融合卫星定位和革命性的LaserZone域激光技术，使摊铺作业摆脱传统钢丝线的束缚、变得更加轻松自如且高效。
TopconPzS-MC域激光接收器集成GNS5天线安装在摊铺机的左右两侧，两台接收器实时接收并解算区域激光信号，将高程精度控制在毫米级。
系统配备的TopconMC-R3GNSS接收机，采用业内领先的GNSS信号跟踪技术，结合内置的电台和网络模块，用于高精度实时定位和定向。
改变了过去钉刚签挂钢丝绳定位的模式，节省大量人力且精度更高更易控制。
2.全天候作业，缩短工期
相比传统作业模式，不受环境光照影响，作业精度一致，可全天候作业，充分发挥我公司路面作业抢工期抢进度时连续作业的优势。
3.一个域激光发射器可控制整个区域
独创的LaserZone域激光技术使一台发射器可同时为该区域内多台流动站设备提供高程信息，不同于同类产品中一对一模式，极大地降低了系统投入成本，本工程里程长，施工摊铺段落多，而3DTopconmmGPS系统最多同时支持四台发射器交替设站，极大地扩展了工作区域范围，满足了我们同时多开作业面的需求。
4.数字化管理，全流程控制
控制箱实时显示当前作业状态方便查看；数字化控制严格控制施工质量。
结合原有的质量检测方法，为保证摊铺质量上了双保险。
5.超高标准的平整度、平顺性与厚度控制，节省材料
整个过程中精确控制每一层路面摊铺的绝对高程，实现材料成本节约最大化。
排除人为误差影响，精度完全可控平整度精度：
优于5mm（95%），平顺性精度：
优于2mm/4m。
可有高效制反馈摊铺材料使用量，是成本控制管理的有力保证。
可见3DTopconmmGPS系统操作并不困难，极易推广使用，且能从质量、工期、成本三方面带来巨大效益，建议在全公司范围内推广该系统使用该功法。
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