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成都天府机场成功应用拓普康3D毫米GPS摊铺控制系统

2020-06-29 14:10:40

成都天府国际机场(Chengdu Tianfu International Airport)位于成都高新东区(简阳市)芦葭镇。机场毗邻国家级新区--四川天府新区 ,距成都市中心--天府广场51.5km,是“国家十三五”规划中计划将要建设的我国最大的民用运输枢纽机场项目,定位为国家级国际航空枢纽 、丝绸之路经济带中等级最高的航空港,将负责成都出港的全部国际航线,将建成“国际一流、国内领先”的人文、智慧、绿色机场。

成都天府机场成功应用拓普康3D毫米GPS摊铺控制系统

天府国际机场效果图

在跑道施工过程中,第十标段西北民航机场建设集团天府机场项目部采用了TOPCON的3D 毫米GPS自动化摊铺控制系统,作为一种新的数字化施工工艺在实际摊铺中取得了优良成绩。


传统摊铺施工方式——平衡梁与滑靴


01
项目基本情况

本标段总体建设内容为成都天府国际机场飞行区场道工程10标段内场道工程水泥混泥土道面174135.5m³、水泥稳定土基层170512.5m³、排水工程总计15514.4米、调蓄水池一个及其他相关附属配套工程。

成都天府机场成功应用拓普康3D毫米GPS摊铺控制系统

所铺跑道和滑行道现场图

机场项目规划:成都天府国际机场的功能定位为国家级国际航空枢纽,终端规划建设6条跑道,总用地面积约为52平方公里,预计2020年基本建成,2021年投入使用。一期工程将建3条跑道及航站楼,总投资776.99亿元,设计旅客吞吐量为4000万人次。

02
传统的摊铺施工方式

通常采用2D自动控制调平系统,实现方式为架设平衡梁或者滑靴,以金属梁,钢丝绳,或者原地面为参考基准。摊铺过程中,通常采用滑靴传感器和声纳传感器追踪器测量人员架设的金属梁或者基准线进行现场施工,来实现对摊铺厚度和平顺性的控制。

施工时需要很多现场人员进行基准的架设以及道面的前期、后期测量工作,过程中无法实时监测,只能事后进行弥补,经常出现由于基准设定错误而导致的返工,现场协调十分费时费力,大大浪费了施工单位的人力、物力、财力。由于传统设计和施工理念及应用技术的限制,在机场摊铺施工中仍有大量摊铺理念和技术需要改进。

03
3D 毫米GPS摊铺控制系统

成都天府机场成功应用拓普康3D毫米GPS摊铺控制系统

TOPCON 3D 毫米GPS自动化摊铺控制系统是数字化施工在摊铺领域的创新之举,是将GPS RTK技术和激光技术,以及机械控制技术相结合的、专门用于对施工作业面高程进行高精度控制的光机电液一体化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,也是当今世界上最先进的摊铺整平作业技术之一。

其技术核心为:利用GNSS RTK技术对摊铺机熨平板平面位置进行厘米级实时定位,同时利用激光对熨平板高度进行毫米级定位。通过将获取的实时高程数据与设计数据中相应位置的高程信息进行对比,计算差值,将差值转换为强弱不同的电信号,驱动液压阀进行快慢不同的运动,最终控制摊铺机熨平板提升或降低液压缸,实现毫米级平整作业。

成都天府机场成功应用拓普康3D毫米GPS摊铺控制系统

GNSS RTK技术在高程控制方面精度为厘米级,不能很好的满足正常施工要求,而激光因其方向性好的特点,能够在一定范围内能将方向误差控制在毫米级精度,结合自动整平功能则可以很好地实现在垂直方向上对高程的控制。传统的激光控制技术只能在一个很窄的垂直范围内发射一道激光,从而提供一个高程参考,此种情况下对接收机提出一定要求,当激光超出接收机接收范围,在无法实时准确的提供参考数值,只能提供一个运动的参考方向。

系统组成结构图

成都天府机场成功应用拓普康3D毫米GPS摊铺控制系统

TOPCON利用多年来在光学领域的技术积累,成功的研发出LaserZone域激光专利技术,该技术能够在自动整平的基础上向外发射三道与水平方向成10°夹角的激光束形成一堵垂直范围达10米“激光墙”(如图6所示)。从而保证在此“激光墙”的范围内都能够有效接收激光信息,保证得到毫米级的高程精度。


Lazerzone域激光高程控制技术

LZ-T5激光发射器的架设

毫米GPS机载系统的构成:2个域激光接收器、1个控制器1个GNSS接收机及连接用的线缆总成。

2个域激光接收器

MC-R3 GNSS接收机

GX-60控制器


拓普康技术人员培训现场

现场安装域激光
接收器


检测设备包括一个一体化的GNSS流动站(本项目采用的型号:Hiper V与Hiper VR)、激光接收器(型号:PZS-1)、控制手簿(型号:FC5000)和Pocket-3D软件。图12显示了本项目使用的检测设备及其典型手簿软件界面。

成都天府机场成功应用拓普康3D毫米GPS摊铺控制系统

毫米GPS检测设备及软件操作界面

工作原理
3D 毫米GPS自动摊铺控制技术是基于GNSS技术与激光技术的数字化施工解决方案。该方案的实现共包含:数据准备、数据设计、摊铺作业、数据检核等四个作业环节,通过各个环节相互衔接,实现摊铺作业高质量、高效率、自动化的施工。

04
毫米GPS技术在天府机场
项目中成功应用

本次项目的施工内容包括:跑道的水稳层和面层,滑行道的水稳层和面层,滑口的水稳层。对于原地面的平整性,考虑虚铺厚度,在设计中增加进来。

一、道面摊铺
1. 数据准备
工程准备阶段,首先在机场施工范围内选择合适位置埋设控制点。控制点用于对施工设计数据的平面位置和高程信息进行控制,提供激光控制的起算和检查基准。控制点布设完成之后,进行原表面的数据采集,通过内业设计,形成施工的参考依据。

成都天府机场成功应用拓普康3D毫米GPS摊铺控制系统

天府机场部分数据

2、 数据设计
由于原地面摊铺层厚度不均匀,起伏较大,变量铣刨难以实现,如果按照要求等厚铣刨,然后进行等厚摊铺,压实之后的地面数据会依然比较差,因此在进行摊铺前需要层层考虑,对标高与设计相差较大的地方增加一个额外的虚铺厚度,以此来弥补地面坑洼,避免积水和飞机滑行颠簸。

通过3D-Office软件,可以对原始地面和设计数据进行对比,从中查看标高相差情况。在3D-Office中可以根据实际情况通过设置等高线间隔,显示道面的起伏情况。

二、摊铺作业
1. 作业计划
摊铺作业是整个项目的核心内容,摊铺的出料量需要每天在进场前提前做计划,提早准备,供应量超过实际使用量会造成成本浪费,供应量少于实际使用量则需要补料,因此如何确保摊铺供应量是一个非常关键的问题。

在TOPCON 3D控制系统中,可以通过对设计数据(即当天摊铺面层)和实测的面层数据进行对比,从而计算出当天所需摊铺的方量。

2、 实施联铺
天府机场跑道宽45米,为保障摊铺施工时各幅之间摊铺热接缝的完整和平顺,采用多台摊铺机联合摊铺的作业方式。

本项目中,具体实施方法为:三台摊铺机加装毫米GPS摊铺控制系统,依次开始摊铺;与前一台摊铺机搭接的一边,使用传统的滑靴作业方式;每100米或150米处,摊铺机退回起点摊铺新的一幅(例如1号摊铺147幅),天府机场跑道共8幅。激光架设在第一台起步侧后方30米的地方,摊铺作业开始后,各摊铺机保持一定的间距和队形,三机联铺仅使用一台激光发射器。

成都天府机场成功应用拓普康3D毫米GPS摊铺控制系统

3、全程监控作业质量
传统的施工方式,测量人员会按照设计数据,每隔一定距离测量地面数据,计算出架梁高度之后,架设金属梁。此种方式较为简单,但工作量会比较大,需要多个测量人员和工人共同合作才能够完成,尤其夜间作业时,现场环境复杂,极易出现错误,需要相关人员高度的责任心和注意力。如果中间环节出现错误,很难发现,容易造成施工不合格的情况。

TOPCON 3D控制系统中测量人员和架梁工人可以解脱出来,只需要一个测量人员跟在摊铺机后面,实时的检测摊铺出来道面的虚铺厚度即可实时的掌控摊铺作业质量。

成都天府机场成功应用拓普康3D毫米GPS摊铺控制系统

天府机场部分数据(高程精度可达到毫米级)

05
系统效能分析

摊铺机在进行路面结构层的摊铺作业时,传统的滑靴法分别放样设计的中桩和边桩,然后在对应的桩位进行找平。一般情况下,每10米设置一个断面,计算出需铺厚度,然后架设钢桩,挂钢丝绳。摊铺机在作业时通过滑靴沿着钢丝绳行进,并对熨平板进行相应的升降控制。

采用TOPCON 3D 毫米GPS自动化摊铺控制系统后,能够消除放样、设桩、挂绳等繁琐的人工操作,降低了人为错误出现的可能性和易受外界条件干扰的不利因素,明显感到工作效率得到提高,劳动强度降低,同时摊铺质量也明显改善。尤其在进行大面积作业时,作业周期明显加快,施工质量大幅提升,还减少了施工中所需的人工数量。

成都天府机场成功应用拓普康3D毫米GPS摊铺控制系统
毫米GPS摊铺系统作业情况

人员工作量对比(不停航按8机连铺计算):
人员
传统摊铺
停航
3D摊铺
停航
传统摊铺
不停航
3D摊铺
不停航
测量人员
2
2
3-4
3-4
架梁人员
6
0
8-10
2
其他人员
0
1
0
1
由上表可见,人员工作量及人员配备数量,3D摊铺技术停航施工人工量比传统架梁摊铺节省65%左右。不停航施工人工量比传统架梁摊铺节省50%左右。减少人工量的同时就减少了人员与机械车辆交叉作业,人员安全得到保障。

准备时间对比:
原道面测量数据完成后,水稳施工传统架梁摊铺准备时间约70分钟(包括测量放点时间,架梁时间),水稳施工3D摊铺准备时间约30分钟(包括架设激光发射器,GPS基准站,架设起步梁)。

料量控制对比:
在摊铺过程中料量的把控上,3D摊铺技术较传统架梁摊铺上更接近理论摊铺用量。

TOPCON 3D控制系统与传统施工方式对比:
项目
传统施工方式
TOPCON 3D 毫米
GPS摊铺机系统
质量控制
事后控制
造成返工
浪费资源
实时过程检测
确保作业精度
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。
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。
能很好的应对过渡段,超高曲线,以及横坡频繁变坡的情况。
工作量计算
体积计算,误差较大,需要多次补料,容易造成浪费
通过面层设计数据和实测数据的对比,轻松计算出每天摊铺料用量,精度高。
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,将施工数据与设计数据完美结合。
人员
需要辅助人员较多
需要两到三名测量人员即可


06
系统优势

利用项目部提供的设计方电子版设计数据,通过软件将路面设计参数和数据转换为系统软件默认的设计数据格式;这样设计方提供的数据就会在系统施工过程中自动实现。

(1)过程化施工控制
实时显示图形和数据信息,摊铺过程的实时连续控制。
(2)无桩化摊铺
无需测量放桩和架设参考基准线,并且能根据现场施工要求灵活调整。
(3)精准施工作业
系统根据施工要求,准确地按照设计进行施工,保证道面的平整度和厚度。
(4)全天候施工作业
系统施工不受昼夜的影响,可以 24 小时全天候连续作业。
(5)操作流程化
系统操作系统化、流程化,设备简单易用。
(6)设计数据内业检查
通过内业数据的设计就可以轻松查找出可能存在的问题。
(7)工程量计算
通过设计数据与实测数据对比可以准确计算出工程量。
(8)多机联铺
一台基站和域激光发射器理论上可以控制所覆盖范围内的所有摊铺机。

本次机场项目共安装了三套拓普康3D 毫米GPS摊铺控制系统,进行了底基层水稳和上面层水稳的跑道及滑行道的摊铺,仅用了10天便顺利的完成了97000㎡的工作量;我们对部分摊铺面的结果进行了数据采集,对比传统作业方式,虚铺精度和压实后平整度大大优于传统摊铺方式。

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