黑色路面施工整體解決方案

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　　黑色路面施工整體解決方案

　　摘要： 分析了我國瀝青混凝土路面施工中存在的工藝問題。結(jié)合現(xiàn)場施工，介紹了瀝青混合料轉(zhuǎn)運車對改善瀝青混合料溫度和級配分布及路面施工質(zhì)量的影響。根據(jù)瀝青混凝土路面施工工藝及機(jī)械運行規(guī)律，提出了基于無線局域網(wǎng)的機(jī)群智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案。

　　到2005年，我國高速公路將僅次于美國，躍居世界第二位；2010年，“五縱七橫”國道主干線將基本建成，到2020年，公路總里程將達(dá)到145萬公里，其中高等級、次高級路面占公路總里程的50％以上。

　　在已通車的高速公路中，剛性和半剛性基層瀝青路面約占80% .與國外瀝青路面相比較，我國瀝青路面的整體質(zhì)量不高，包括高速公路在內(nèi)的絕大部分瀝青路面在交付使用2～3年后就出現(xiàn)路面早期損壞，嚴(yán)重影響道路的使用率和通行率，同時帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，提高瀝青路面的施工質(zhì)量，延長道路的使用壽命，已經(jīng)成為我國公路行業(yè)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

　　1、目前瀝青路面施工中存在的問題傳統(tǒng)的瀝青路面鋪筑施工工藝是將瀝青混合料設(shè)備生產(chǎn)的瀝青混合料由自卸卡車運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，并卸至瀝青攤鋪機(jī)的料斗中，經(jīng)攤鋪機(jī)進(jìn)行攤鋪后，由壓路機(jī)對路面進(jìn)行最終壓實。國內(nèi)外的施工實踐證明，用這種傳統(tǒng)工藝鋪筑成形的路面早期破損現(xiàn)象比較嚴(yán)重，致使道路的維修費用大大增加，壽命縮短，使用率降低。造成路面早期損壞的主要原因有如下三個方面：

　?。?）自卸車在裝料、運輸及卸料過程中導(dǎo)致瀝青混合料出現(xiàn)三次材料離析和溫度離析。

　?。?）因攤鋪機(jī)料斗容量小、自卸卡車數(shù)量少等因素導(dǎo)致攤鋪機(jī)停機(jī)待料，攤鋪工作不能連續(xù)進(jìn)行，造成路面結(jié)合處粘接力及其他力學(xué)性能的差異。

　　（3）自卸車卸料時對攤鋪機(jī)進(jìn)行碰撞和頂推，造成的路面的橫向接縫（即縱向波）。

　　影響瀝青混凝土路面鋪筑施工質(zhì)量及施工成本的因素除施工工藝外，單機(jī)性能及機(jī)群協(xié)同性方面也有重要作用。國外在上世紀(jì)90年代就已開展了機(jī)群智能控制技術(shù)的研究。由歐盟Brite-EuRam III計劃支持，法國、芬蘭、德國、英國、瑞典五個國家的七家單位合作，歷時兩年（1997~1999）實施“計算機(jī)集成道路建設(shè)計劃（The Computer Integrated Road Cons- truction project）”，旨在為瀝青路面施工提供全新的控制與監(jiān)測工具。整個控制系統(tǒng)由地面子系統(tǒng)（GSS）、定位子系統(tǒng)（PSS）和機(jī)載子系統(tǒng)（OBSS）組成[1].

　　三一重工股份有限公司于2002年開始，在國家863計劃“機(jī)群智能化工程機(jī)械”重大專項經(jīng)費支持下，以追求最終產(chǎn)品質(zhì)量最優(yōu)為目標(biāo)，分別從“瀝青路面施工工藝”、“單機(jī)智能化”和“機(jī)群監(jiān)控與優(yōu)化調(diào)度”三個方面，研究生產(chǎn)過程中各要素的約束機(jī)制及影響產(chǎn)品質(zhì)量的工藝因素，尋求生產(chǎn)線中各環(huán)節(jié)的最優(yōu)匹配與協(xié)調(diào)及單機(jī)最優(yōu)狀態(tài)調(diào)整的控制策略，旨在為施工企業(yè)和業(yè)主提供瀝青路面施工的整體解決方案。

　　2、瀝青混合料轉(zhuǎn)運車及轉(zhuǎn)運-攤鋪工藝為了提高瀝青路面面層的施工質(zhì)量，歐美國家提出了轉(zhuǎn)運攤鋪的施工工藝。三一重工股份有限公司在國內(nèi)率先倡導(dǎo)這種工藝，并開發(fā)了國內(nèi)第一臺瀝青混合料轉(zhuǎn)運車LHZ25.

　　新工藝是在運料汽車與攤鋪機(jī)之間增加轉(zhuǎn)運車。轉(zhuǎn)運車的二次攪拌使得在前面環(huán)節(jié)中造成的溫度和級配離析的瀝青混合料得到充分的拌合。同時，避免了運料汽車對攤鋪機(jī)的碰撞。轉(zhuǎn)運車的供料速度不受其它因素的干擾，保證攤鋪機(jī)上的混合料數(shù)量始終是恒定的，拌和機(jī)和運料汽車在供料方面的不均衡通過轉(zhuǎn)運車的料斗儲存量得以調(diào)節(jié)，確保了攤鋪機(jī)勻速穩(wěn)定的攤鋪，使施工路面平整度得到明顯提高。

　　2002年9月三一重工路面機(jī)械公司研制了我國第一臺瀝青混合料轉(zhuǎn)運車LHZ25.在此基礎(chǔ)上于2003年9月推出了改進(jìn)型的瀝青混合料轉(zhuǎn)運車LHZ25A（圖1）。LHZ25A瀝青混凝土轉(zhuǎn)運車主要由機(jī)身、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、物料儲存系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、物料攪拌系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等九大部分組成。

　　機(jī)身用來聯(lián)接行走系統(tǒng)并支撐動力系統(tǒng)及各工作系統(tǒng)，主要由機(jī)架和料倉構(gòu)成。

　　液壓系統(tǒng)實現(xiàn)整機(jī)行走、入料、攪料、出料及輔助運動的傳動及控制。

　　電氣系統(tǒng)主要功能有：保證轉(zhuǎn)運車柴油機(jī)安全、可靠地啟動；實現(xiàn)轉(zhuǎn)運車各功能部件的單動及聯(lián)動工作狀態(tài)；實現(xiàn)轉(zhuǎn)運車與瀝青攤鋪機(jī)的配套作業(yè)；實現(xiàn)轉(zhuǎn)運車工作狀況的監(jiān)控、故障診斷及報警的功能。

　　行駛系統(tǒng)采用了全液壓驅(qū)動的輪胎行走方案。

　　2003年9月6日，LHZ25A參與長沙市市政工地聯(lián)合攤鋪施工，完成了長沙市勞動?xùn)|路五十米瀝青路面的攤鋪。2003年9月下旬，浙江寧波交通建設(shè)集團(tuán)公司租賃了LHZ25A樣機(jī)參與杭州繞城高速公路的施工，完成了杭州繞城高速公路南線8標(biāo)25公里瀝青面層的攤鋪。

　　2003年12月中旬在南昌新余滬內(nèi)高速公路昌京段，完成12公里的瀝青路面攤鋪。國內(nèi)40多家施工企業(yè)技術(shù)負(fù)責(zé)人及行業(yè)協(xié)會和國家科技部863專家觀摩了施工過程。

　　LZH25A型瀝青混合料轉(zhuǎn)運車被科技部863計劃“先進(jìn)制造及自動化”領(lǐng)域推薦為2003年國家科技計劃項目重大進(jìn)展，2004年已正式推向市場。

　　3、轉(zhuǎn)運車對瀝青混合料溫度和級配分布的影響2003年12月17日至2003年12月24日長沙理工大學(xué)公路工程試驗檢測中心對LHZ25型瀝青混合料轉(zhuǎn)運車在新余滬內(nèi)高速公路昌京段瀝青路面施工中的應(yīng)用情況進(jìn)行了現(xiàn)場測試。施工中瀝青混合料為AC25Ⅰ，兩臺攤鋪機(jī)平行作業(yè)，一臺使用轉(zhuǎn)運車，一臺沒有使用轉(zhuǎn)運車，以比較兩臺攤鋪機(jī)的攤鋪效果和差異（圖2）。

　　用紅外攝像儀分別攝取了卡車內(nèi)瀝青混合料及未采用和采用轉(zhuǎn)運車后的路面溫度分布情況（圖3）。從圖中明顯看出，有轉(zhuǎn)運車時攤鋪表面的溫度分布非常均勻，隨時間變化溫度均勻、穩(wěn)定，同一時刻沿不同的攤鋪寬度溫度也非常均勻，差異很小，基本消除了溫度離析現(xiàn)象。

　　4、轉(zhuǎn)運車對瀝青路面級配離析的影響通過在瀝青混合料轉(zhuǎn)運車的前、后料斗的左、中、右三點取樣，對其進(jìn)行抽提和篩分，測定其級配，并與設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)級配進(jìn)行比較。以了解運料汽車卸下的瀝青混合料的離析情況，以及轉(zhuǎn)運車的再次拌和對瀝青混合料的級配離析的改善情況。

　　分別在兩臺攤鋪機(jī)后的左、中、右三點取樣（攤鋪后、壓實前），取樣時是用鐵鏟直接挖到該層的層底，即是沿整個厚度取樣。然后進(jìn)行抽提篩分，評定經(jīng)攤鋪機(jī)攤鋪后的瀝青混合料的離析情況。

　　終壓后采取鋪砂法測定路表的構(gòu)造深度，采用滲透系數(shù)儀測定路面結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)。路表的構(gòu)造深度，可以反映瀝青混合料的粗、細(xì)骨料在路表的分布規(guī)律。因此可用于評定路表面的級配離析情況。滲透系數(shù)反映的是水在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部流動的快慢程度，反映路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙性及其連通性。因此，可以反映路面內(nèi)部的級配離析情況。綜合測試情況可得如下結(jié)論：

　?。?） 常規(guī)工藝條件下混合料最大的級配極差為19.88％；構(gòu)造深度平均值為0.8698mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.2238mm；滲透系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差為55.81ml/min.

　　（2）采用瀝青混合料轉(zhuǎn)運車后，混合料最大的級配極差為6.85％，構(gòu)造深度平均值為0.6478mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0571mm，滲透系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差為3.21ml/min.與未采用轉(zhuǎn)運車攤鋪的路面結(jié)構(gòu)相比最大的級配極差改善了13.03％，構(gòu)造深度的均勻性提高了3.92倍，滲透系數(shù)的均勻性提高了17.39倍。圖4的對比施工效果圖也說明了這一點。

　　5、施工機(jī)群智能監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)影響瀝青混凝土路面鋪筑施工質(zhì)量及施工成本的因素除施工工藝外，單機(jī)性能及機(jī)群協(xié)同性方面也有重要作用。三一重工股份有限公司聯(lián)合中南大學(xué)、長沙理工大學(xué)及北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所研制了機(jī)群智能調(diào)度與監(jiān)控系統(tǒng)。圖5為該系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)由“調(diào)度與控制”、“機(jī)群定位”、“通信網(wǎng)絡(luò)”、“狀態(tài)監(jiān)測”、“故障診斷與維護(hù)”五個功能模塊組成。系統(tǒng)按空間位置布局由六個部分組成：中央控制室（管理與監(jiān)控中心）、移動通信車（距離較遠(yuǎn)時）、攤鋪機(jī)群（轉(zhuǎn)運車、攤鋪機(jī)、壓路機(jī)）、攪拌站、自卸卡車車隊、遠(yuǎn)程維護(hù)中心。

　　中央控制室：是整個智能化工程機(jī)械的中樞，與攪拌站毗鄰，負(fù)責(zé)對整個系統(tǒng)中的各種機(jī)械進(jìn)行統(tǒng)一管理、監(jiān)控及調(diào)度。根據(jù)單機(jī)運行狀態(tài)信息和單機(jī)工藝模型，在最優(yōu)調(diào)度軟件支持下產(chǎn)生單機(jī)調(diào)度信息，機(jī)群內(nèi)各單機(jī)運行及施工狀態(tài)均在控制中心大屏幕上顯示。中央控制室與遠(yuǎn)程維護(hù)中心通過互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)。

　　攤鋪機(jī)群系統(tǒng)：主要包括攤鋪機(jī)、壓路機(jī)和轉(zhuǎn)運車，它們之間的協(xié)作控制是整個智能化機(jī)群系統(tǒng)的重點（圖6）。

　　物料運輸車隊：以GSM短信息形式與中央控制中心室聯(lián)系，按控制中心指令進(jìn)行物料運輸與調(diào)配。

　　通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：由無線局域網(wǎng)、數(shù)傳電臺、GSM和互聯(lián)網(wǎng)組成。攤鋪機(jī)群因相互位置鄰近，通過安裝在攤鋪機(jī)上的AP網(wǎng)橋形成局域網(wǎng)，局域網(wǎng)與控制中心通過無線數(shù)傳電臺聯(lián)系，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時，需加移動通信車。

　　遠(yuǎn)程維護(hù)中心：通過互聯(lián)網(wǎng)接收機(jī)群控制中心的維護(hù)請求及發(fā)出維護(hù)指導(dǎo)意見。

　　機(jī)群調(diào)度的優(yōu)化目標(biāo)決定了機(jī)群作業(yè)模式的總價值，取決于各種目標(biāo)因素的綜合考慮?？紤]問題的復(fù)雜性，本系統(tǒng)采用定量與定性相結(jié)合的方式，綜合考慮施工質(zhì)量和施工成本雙重因素。主要考慮路面密實度和平整度，在機(jī)群調(diào)度中通過對運輸車輛的調(diào)度保證瀝青混合料的連續(xù)均勻供料，不允許攤鋪機(jī)出現(xiàn)停機(jī)待料和待攤鋪材料的過多積壓。通過對攤鋪機(jī)與壓路機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)測與協(xié)調(diào)，以最經(jīng)濟(jì)的方式達(dá)到路面密實度指標(biāo)。

　　6、結(jié)論

　?。?） 在現(xiàn)有瀝青混凝土路面鋪筑工藝模式下，材料的級配離析與溫度離析是制約瀝青路面鋪筑質(zhì)量的不可控因素，在機(jī)群系統(tǒng)中增加具有二次攪拌功能的瀝青混合料轉(zhuǎn)運車是一種簡便可行的解決途徑，應(yīng)引起有關(guān)管理部門和行業(yè)協(xié)會的重視。

　?。?） 在高等級路面施工項目中，由于施工機(jī)械品種及數(shù)量較多，各種機(jī)械的運行狀態(tài)具有一定的隨機(jī)性，施工機(jī)械的優(yōu)化配置及機(jī)器狀態(tài)的動態(tài)調(diào)節(jié)可為挖掘機(jī)器潛能提供技術(shù)手段。

　　（3） 利用網(wǎng)絡(luò)、通信、GPS定位等技術(shù)，實現(xiàn)施工機(jī)群的智能調(diào)度和施工環(huán)節(jié)的全過程監(jiān)控與管理，使瀝青路面施工進(jìn)入全新的數(shù)字化作業(yè)模式，將對我國公路建設(shè)和提高工程機(jī)械技術(shù)水平產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。