道床基底3D混凝土摊铺机及3D摊铺方法与流程

本发明涉及道床基底3D混凝土摊铺机及3D摊铺方法，属于道路施工技术领域。

背景技术：

高速公路路基和轨道交通的路基一般使用混凝土垫层，目前混凝土垫层传统的施工作业是多名施工人员人工振捣整平，通过预先放置好的桩线测量并控制施工的高程和平整度。传统的测量控制方法不仅效率低精度也不能得到保证，还不能对有坡度或或者复杂曲面的混凝土垫层进行有效施工，如果做好的表面达不到施工标准的要求就必须重新施工。由于摊铺的材料昂贵，一旦某个环节发生问题，所造成的损失会是巨大的。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能对混凝土垫层的高程、厚度和坡度进行精准控制的道床基底3D混凝土摊铺机及3D摊铺方法

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种道床基底3D混凝土摊铺机，所述3D混凝土摊铺机包括摊铺机和3D摊铺控制系统；摊铺机包括工作平台和设置在工作平台前方的摊铺机构；工作平台安装在纵向行走轨道上；3D摊铺控制系统包括设置在施工道路沿线一侧的监测摊铺路面高程的全站仪、固定在摊铺机的摊铺机构一端的的光学靶标、固定在摊铺机的摊铺机构另一端用于监测摊铺路面坡度的坡度传感器和控制装置。

进一步的，所述控制装置包括带有3D显示器的控制面板、通讯电台、集线盒、液压阀；坡度传感器通过线缆与集线盒相连，液压阀通过线缆与集线盒相连；集线盒通过线缆与控制面板相连，用于接收全站仪信息的通讯电台通过线缆与控制面板相连。

进一步的，所述摊铺机构包括一端固定在工作平台前端的倾角油缸，倾角油缸的另一端与左右滑移油缸相连，左右滑移油缸的另一端固定升降油缸；倾角油缸、左右滑移油缸、升降油缸依次连接的结构共有两组分别位于工作平台的前端的两侧；升降油缸的伸缩端固定连接布料器，布料器的后方连接振捣整平装置；布料器的两端各连接一个升降油缸。

进一步的，光学靶标固定在一侧升降油缸的顶端，坡度传感器固定在与光学靶标相对的另一侧的布料器的下端。

进一步的，所述振捣整平装置为高频振动器驱动的整平振动板。

一种道床基底3D混凝土摊铺方法，包含以下施工步骤，

A)确定控制点，在施工道路两侧沿线设置控制点，并确定控制点的准确的3D坐标；

B)3D建模，将施工图纸数字建模形成能被3D摊铺控制系统使用的3D道路图形文件，3D道路图形文件包含施工路面各个点的3D坐标参数；

C)全站仪架设，将全站仪架设在摊铺机前进方向的前方的一侧；

D)摊铺机参数设置，将摊铺机的行进速度、摊铺作业层的虚铺系数、摊铺作业层的摊铺厚度、光学靶标到未摊铺平面的距离等参数输入到3D摊铺控制系统，3D摊铺控制系统确定布料器的具体高度；

E)摊铺作业，3D摊铺控制系统控制摊铺机在引导距离范围内进行自动进行摊铺作业。

进一步的，步骤D)中布料器的高度按以下公式确定

H＝h-(l÷α)；

式中，H为布料器的高度；

h为光学靶标到未摊铺平面的距离；

l为摊铺作业层的虚铺厚度；

α为虚铺系数取1.2～1.5。

进一步的，步骤E)中3D摊铺控制系统控制摊铺机进行平面摊铺的过程如下，全站仪自动跟踪光学靶标；全站仪通过摊铺机上的光学靶标测得摊铺机上摊铺机构的实时坐标参数，经处理后发送给控制系统与预先导入控制系统的3D道路图形文件的3D坐标参数比较，如果实测位置的坐标参数与设计参数存在差异，则控制系统将改正信号转换成电控信号，通过调整液压阀自动调节升降油缸来调整布料器的高低和整平振动板的位置。

进一步的，步骤E)中3D摊铺控制系统控制摊铺机进行3D摊铺的过程如下，全站仪自动跟踪光学靶标；全站仪通过摊铺机上的光学靶标测得摊铺机上摊铺机构的实时坐标参数，经处理后发送给控制系统，坡度传感器将坡度信息反馈给控制系统；控制系统与预先导入控制系统的3D道路图形文件的3D坐标参数比较，如果实测位置坐标和坡度信息与设计参数存在差异,则控制系统将改正信号转换成电控信号，通过调整液压阀自动调节升降油缸来调整布料器的高低和整平振动板的角度。

进一步的，步骤E)中当摊铺机与全站仪距离150～160m时，将全站仪架设在下一个架站点

由于采用了上述技术方案，本发明产生的技术效果如下：

本发明使用全站仪与光学靶标测量并控制施工，不需要人工放桩，节约了施工时间和施工检测成本，并且可以24小时不间断施工并保证施工质量。

对于需要进行多层摊铺的路面可以根据上层路面的起伏进行摊铺，获得更好的平整度。

本发明的控制系统自动控制进行摊铺，减少了人工参与，一次施工就可以达到设计的施工精度，施工后路面的平整度好，杜绝了返工现象，提高了施工质量，节约了施工成本。

本发明的控制系统按照设计图纸自动控制进行摊铺，减轻了施工人员的劳动前度，提高了劳动效率。

本发明通过全站仪和坡度传感器两者技术结合，可以实现对平面、斜面以及各种复杂曲面的表面进行摊铺作业，实现3D立体摊铺。

附图说明

图1是本发明主视示意图；

图2是本发明左视示意图；

图3在摊铺机后方架设全站仪示意图；

图4是本发明控制装置连接示意图；

图5是施工过程中控制点选取示意图；

图6是本发明施工方法中全站仪换站示意图；

其中，1、工作平台，2、纵向行走轨道，3、控制面板，4、通讯电台，5、3D显示器，6、左右滑移油缸，7、光学靶标，8、升降油缸，9、倾角油缸，10、布料器，11、高频振动器，12、整平振动板，13、全站仪，14、TS手簿，15、坡度传感器，16、集线盒，17、液压阀。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做详细的说明：

本发明公开了一种道床基底3D混凝土摊铺机及使用该装置进行道床基底3D混凝土摊铺的方法。

如图1、图2所示，所述3D混凝土摊铺机包括摊铺机和3D摊铺控制系统；摊铺机包括工作平台1和设置在工作平台1前方的摊铺机构；工作平台1安装在纵向行走轨道2上；3D摊铺控制系统包括设置在施工道路沿线一侧的监测摊铺路面高程的全站仪13、固定在摊铺机的摊铺机构一端的的光学靶标7和另一端监测摊铺路面坡度的坡度传感器15和控制装置。本发明的控制装置设置在工作平台1上，控制装置包括带有3D显示器5的控制面板3、通讯电台4、集线盒16、液压阀17；坡度传感器15通过线缆与集线盒16相连，液压阀17通过线缆与集线盒16相连；集线盒16通过线缆与控制面板3相连，用于接收全站仪13信息的通讯电台4通过线缆与控制面板3相连，本发明控制装置连接示意图如图4所示。控制面板3设置在座椅的旁边便于施工人员操作。3D显示器5可以实时显示当前的混凝土垫层的3D参数、设计3D参数以及施工人员通过控制面板输入的控制指令。通讯电台4用来接收全站仪13发送的光学靶标7的实时高程信息，并显示在3D显示器上，光学靶标7的实时位置信息反映的就是布料器10和整平振动板12的实时高程信息。坡度传感器15用于监测当前摊铺路面的坡度，如果是平面摊铺则监测到的数据为零度，如果是斜面或者曲面摊铺则监测到实际的路面坡度或者曲率。

如图2所示，摊铺机的摊铺机构包括一端固定在工作平台1前端的倾角油缸9，倾角油缸9的另一端与左右滑移油缸6相连，左右滑移油缸6的另一端固定升降油缸8；倾角油缸9、左右滑移油缸6、升降油缸8依次连接的结构共有两组分别位于工作平台的前端的两侧；升降油缸8的伸缩端固定连接布料器10，布料器10的后方连接振捣整平装置；布料器10的两端各连接一个升降油缸8。本实施例中的振捣整平装置使用的是由高频振动器11驱动的整平振动板12，可以达到很好的振捣整平效果，施工后的路面质量良好。布料器10选用绞龙布料器，布料均匀，为后续的振捣整平施工创造了良好的条件。倾角油缸9可以保证布料器和整平振动板12始终处于水平状态，从而保证施工精度；在对曲面或者带有坡度的平面进行摊铺作业时，倾角油缸9通过伸缩可以控制布料器10和整平振动板12与水平面呈一定角度，从而实现3D立体施工，图2中箭头所指的方向为摊铺机的行进方向。

升降油缸8的伸缩端向下，在升降油缸8的顶端固定有光学靶标7。全站仪13通过自动跟踪光学靶标7并向摊铺机上的控制系统播发位置信息，从而使本发明的3D摊铺控制系统可以达到2mm以内的定位精度。升降油缸8的伸缩端连接在布料器10的两端，布料器10以及与布料器10相连的整平振动板12的实时坐标通过光学靶标7反馈给全站仪13，经全站仪13处理后发送给控制系统与设计的位置信息比较，将改正信号转换成摊铺机的电控信号通过自动调节升降油缸8来调整布料器10和整平振动板12的位置，达到毫米级的控制精度。坡度传感器15固定在与光学靶标7相对的另一侧的布料器的下端。坡度传感器15用于监测当前摊铺路面的坡度，如果是平面摊铺则坡度传感器以安装光学靶标7一侧的高程信息将布料器10自动找平，如果是斜面或者曲面摊铺则监测到实际的路面坡度或者曲率后发送至控制系统与设计参数比较后发控制液压阀17动作调整布料器10摊铺路面至设计的坡度或者曲率参数。

本发明还可以在摊铺机后面的任意一侧设置一台全站仪13用来检测施工后的路面是否达到施工标准，通过配套使用的TS手簿14能够清楚地看到检测出来的数据，并把每一个检测数据记录到全站仪中，以便施工完成后的分析和改进，具体如图3所示，图3中箭头所指的方向为摊铺机行进的方向。

使用本发明中的道床基底3D混凝土摊铺机对道床基底混凝土垫层进行3D摊铺的施工步骤如下：

A)确定控制点，在施工道路两侧沿线设置控制点，并确定控制点的准确的3D坐标；为保证全站仪引导摊铺机的施工精度，全站仪到摊铺机的距离应该在200m以内，所以连续的两个相邻控制点的距离取190～200m，并且应该保证相邻控制点之间通视情况良好；若发现控制点出现沉降或者被破坏，需要及时测绘出该点准确的3D坐标。在施工过程中，全站仪通过所选取的控制点的准确坐标来计算出摊铺机的实时坐标，控制点起到传统施工作业中的桩线的作用。施工道路两侧的控制点交错设置，控制点的选取具体如图5所示。

B)3D建模，将施工图纸数字建模形成能被3D摊铺控制系统使用的3D道路图形文件，并导出到3D摊铺控制系统；3D道路图形文件包含施工路面各个点的3D坐标参数；此过程进行一次即可。

C)全站仪架设，将全站仪架设在摊铺机前进方向道路的一侧，为了保证全站仪在施工过程中能保持良好的监测状态，优选地将全站仪架设在摊铺机安装了光学靶标一侧的道路旁。保证全站仪的架设精度，全站仪必须水平架设。

D)摊铺机参数设置，将摊铺机的行进速度、摊铺作业层的虚铺系数、摊铺作业层的摊铺厚度、光学靶标到未摊铺平面距离等参数输入到3D摊铺控制系统，3D摊铺控制系统确定布料器的具体高度。

布料器的高度按以下公式确定

H＝h-(l÷α)；

式中，H为布料器的高度；

h为光学靶标到未摊铺平面的距离；

l为摊铺作业层的虚铺厚度；

α为虚铺系数取1.2～1.5。

E)摊铺作业，3D摊铺控制系统控制摊铺机在引导距离范围内自动进行摊铺作业。

3D摊铺控制系统控制摊铺机进行平面摊铺的过程如下，全站仪自动跟踪光学靶标；全站仪通过摊铺机上的光学靶标测得摊铺机上摊铺机构的实时坐标参数，经处理后发送给控制系统与预先导入控制系统的3D道路图形文件的3D坐标参数比较，如果实测位置坐标参数与设计参数存在差异，则控制系统将改正信号转换成电控信号，通过调整液压阀自动调节升降油缸来调整布料器的高低和整平振动板的位置。

3D摊铺控制系统控制摊铺机进行3D摊铺的过程如下，全站仪自动跟踪光学靶标；全站仪自动跟踪光学靶标；全站仪通过摊铺机上的光学靶标测得摊铺机上摊铺机构的实时坐标参数，经处理后发送给控制系统，坡度传感器将坡度信息反馈给控制系统；控制系统与预先导入控制系统的3D道路图形文件的3D坐标参数比较，如果实测位置坐标和坡度信息与设计参数存在差异,则控制系统将改正信号转换成电控信号，通过调整液压阀自动调节升降油缸来调整布料器的高低和整平振动板的角度。

在摊铺机作业过程中使用全站仪引导测量使用的光学靶标及时检查整平振动板的高度是够满足设计标高。当摊铺机与全站仪的距离接近最大引导范围时，为保证测量精度一般当摊铺机与全站仪距离150～160m时，将全站仪架设在下一个架站点。

下面结合图6说明具体换站过程，图6中A点设为起始点，B点D点位全站仪架设点，AB之间距离为150～160m，BC之间距离为150～160m，CD之间距离为150～160m，箭头所指的方向为摊铺机行进的方向。摊铺机从A点开始进行施工作业经过B点当到达C点时，摊铺机距离B点的全站仪的直线距离已经接近全站仪的最大引导距离，此时将B点的全站仪架设至D点继续对摊铺机进行监测引导。

使用本发明中道床基底3D混凝土摊铺机并采用3D摊铺方法进行施工，完全不需要进行放桩挂线，节约了施工时间和施工检测成本。摊铺机均由全站仪和坡度传感器进行引导控制，控制系统控制摊铺机完全按照设计图纸进行施工，减轻操作人员的劳动强度，并可以减少现场的施工辅助人员的数量，大大提高施工质量和效率，缩短工期，减少返工并节约材料等。

本发明的道床基底3D混凝土摊铺机与传统施工和目前使用较多的激光整平机相比，能够对高程、厚度和坡度的精准控制，从而实现平面、斜面、以及复杂曲面的自动控制施工。

本发明通过全站仪和坡度传感器两者技术结合，可以实现对平面、斜面以及各种复杂曲面的表面进行摊铺作业，应用范围包括高速公路路基、匝道、轨道交通曲线等。