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沥青路面施工机群优化配置方案研究 目 录 1 绪论. 1 1.1 本论文背景. 1 1.2 国内外的发展情况. 2 1.2.1 国外智能化工程机械发展概况 2 1.2.2 国内智能化工程机械发展概况 . 3 1.2.3 国内外智能化工程机械发展差距 . 5 1.3 本论文的目的和意义. 5 1.4 本论文的研究内容. 5 2 沥青混凝土路面施工工艺分析. 6 2.1 现行沥青混凝土路面施工工艺. 6 2.1.1 沥青混凝土路面主要施工流程 . 6 2.1.2 沥青混凝土路面施工工艺分析 . 6 2.2 现行施工工艺存在主要问题 10 2.2.1 沥青混合料生产 10 2.2.2 热沥青混合料运输 11 2.2.3 热沥青混合料卸料过程 11 2.2.4 沥青混合料摊铺过程 12 2.2.5 沥青混合料碾压过程 12 2.3 现有施工工艺模式下的不可控因素 13 2.4 转运摊铺工艺在沥青路面施工中的应用 13 2.4.1 实现沥青路面施工高质量的要求 13 2.4.2 基于沥青混合料转运车的新工艺 14 2.4.3 沥青混合料转运车 15 沥青路面施工机群优化配置方案研究 2.4.4 转运车的主要施工技术特点 16 2.4.5 转运车的应用效果 17 2.4.6 正确认识转运车在新工艺中的作用 18 3 新工艺中沥青混凝土路面机群单机选型 19 3.1 选择施工机械的原则 19 3.2 沥青路面施工机械单机选型 20 3.2.1 沥青混合料拌和机选型 20 3.2.2 沥青混合料自卸车单机选型 21 3.2.3 沥青混合料转运车单机选型 21 3.2.4 沥青混合料摊铺机单机选型 22 3.2.5 沥青混凝土路面压路机单机选型 23 4 沥青混凝土路面施工机群优化配置 25 4.1 施工机群优化配置概述 25 4.1.1 机群优化配置的定义 25 4.1.2 机群优化配置的原则 25 4.1.3 机群优化配置的基本条件 26 4.1.4 机群优化配合的复杂性 26 4.2 模型建立的目的及意义 27 4.3 单一机械投资的优化数学模型 27 4.4 一般优化配置模型建立 28 4.4.1 沥青混凝土搅拌设备的生产能力关系 29 4.4.2 沥青混凝土摊铺设备的生产能力关系 29 4.4.3 沥青混凝土运输车辆的生产能力关系 30 4.4.4 一般优化数学模型 31 4.4.5 结论 31 5 论文总结 33 5.1 本论文主要研究内容 33 沥青路面施工机群优化配置方案研究 5.2 展望 33 5.3 论文感想 33 参考文献. 35 致谢. 39 附件 1 开题报告 附件 2 译文及原文影印件 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 1 页 共 39 页 1 绪论 1.1 本论文背景 目前在沥青混凝土路面施工过程中，施工机群要同时在 8-30KM 标段上进行作业， 整个施工机群的调度和生产依赖于管理者的经验，而信息的交流通过点对点式的移动通 讯实现1。 这种信息交流方式和依靠经验进行施工管理的模式， 造成了资源配置不合理； 施工信息交换量少，实时性差；出现物料断流和积压；能耗大，生产率低和施工质量差 等诸多问题。 机群智能化工程机械是指为完成某一工程施工项目，以实现最优资源配置、最优工 作效率、最佳工作质量为目标的同步施工智能化工程机械的组合。它是通过对各智能化 工程机械单机的状态、位置、性能、工作质量和施工进度的在线检测及智能故障诊断， 由主控站根据施工任务完成机群动态组织、施工动态优化调度和集团管理，以实现最佳 资源利用和最优施工效果。它是以高适用性、高可靠性的单机及能对各单机实时监控、 动态调度的智能控制系统为基础，以最大作业效率为目标，将施工对象视同车间流水线 上的加工零件，实现高质量、高效率生产，以其灵活机动之策略和协调应变能力适应瞬 息万变的形势。 我国的城市化、现代化建设，使智能化工程机械具有良好的市场前景。国家“十一 五”发展规划指出，要继续推进西部大开发，振兴东北地区等老工业基地，促进中部地 区崛起，鼓励东部地区率先发展2。西部地区要加快改革开放步伐，加强基础设施建设 和生态环境保护，加快科技教育发展和人才开发，充分发挥资源优势，大力发展特色产 业，增强自我发展能力。东北地区要加快产业结构调整和国有企业改革改组改造，发展 现代农业，着力振兴装备制造业，促进资源枯竭型城市经济转型，在改革开放中实现振 兴。中部地区要抓好粮食主产区建设，发展有比较优势的能源和制造业，加强基础设施 建设，加快建立现代市场体系，在发挥承东启西和产业发展优势中崛起。 “十一五”期 间投资重点仍然是交通运输、水利、水电、建筑、电力、通讯及环保行业等基础设施的 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 2 页 共 39 页 建设。中国现在的城市化率与发达国家相比，差距还很大，还需在城市化建设上加大投 入，从而增加对智能化工程机械的需求，为智能化工程机械发展提供了巨大的发展空间 和市场。智能化工程机械技术开发的成功必然会带来较好的社会效益和经济效益，必将 推动整个工程机械行业的技术进步3。 因此，对机群进行最优化配置、充分发挥机群作业综合能力，降低施工成本，实现 工程机械的智能化就成为十分重要而紧迫的问题。 1.2 国内外的发展情况 1.2.1 国外智能化工程机械发展概况 自 20 世纪 90 年代以来，国外智能化工程机械进入了一个新的发展时期，新技术、 新结构和新产品被广泛应用。技术开发的重点在于增加产品的电子信息技术含量，改善 驾驶人员的工作环境，向环保型、节能型、无人驾驶技术方向发展，相继向市场推出了 一些新型的智能装载机、智能挖掘机、智能摊铺机、智能压路机、智能全路面起重机等 产品。在特定的施工中，如矿井区、易燃易爆区、辐射区和有害健康的作业区、深海作 业区等地方作业，就需要带有遥控装置的智能化工程机械。如日本大成建设株式会社很 早就研制成功了无人驾驶、能独立工作的履带式铲车，它能连续工作 24 小时，且安全 可靠;美国 Cat992C 型轮式装载机，装有可视距离内无线电远距离遥控系统，可在危险 地带实施安全作业;澳大利亚也成功地开发了无人驾驶自卸车，实现了在千米以下坑道 施工作业的无人化操纵1。 电子监控报警系统已被国外工程机械企业成功地应用，如卡特彼勒装载机和挖掘机 上的电子监控系统(EMS)、凯斯公司的报警系统、小松公司的 EDIMO 系统等电子监控系 统。诊断故障发生的部位和处理措施，是整个电子监测系统的关键。国外智能化工程机 械技术正在走向成熟，目前已开始了工程机械作业的机群智能化研究4 5。 在智能化工程机械发展上，CAT 公司已率先在其矿用载重车、铲运机、平地机、铰 接式翻斗车、挖掘机、正铲挖掘机、履带式推土机、轮式装载机等产品上依据用户要求， 配备了 GPS 卫星定位单元，作为动态管理系统的一部分，结合整机电子监控与故障诊断 系统，构成以卫星通信为基础的机群卫星定位管理与维护系统。在欧洲及北美的应用表 明，施工综合效率提高 20%以上，维护成本下降 18%。以下是 CAT 公司智能化工程机械 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 3 页 共 39 页 发展的二个例子。 （1)计算机辅助铲土运输技术与 GPS 定位系统 国外 GPS 在工程机械方面的应用正在不断拓展，呈快速发展之势。卡特彼勒采矿铲 土运输技术系统(METS)包括多种多样的技术产品， 如无线电数据通信、 机器监测、 诊断、 工作与业务管理软件和机器控制等装置，由以下三部分组成:计算机辅助铲土运输系 统(CAES)，包括机载计算机、GPS 微波定位和高速无线电通信三项技术1。在运行中， 机载系统通过无线电接收整个无线网络中的铲土运输数据、工程数据或现场规划数据。 这些数据都显示在驾驶室内的一个屏幕上，司机在驾驶室内能直观地了解机器的作业位 置，并准确地判断需要挖掘、回填或装载的土方量。关键信息管理系统(VIMS)。 VIMS 监测机器中极其关键的性能与作业参数，并且通过无线电将数据从该机器传送到业主办 公室。可立即分析数据以便估量机器的当前状态，或加以收集和整理，以便显示机器的 作业趋势。 CAES office 软件，这种软件与来自装有 CAES 的机器的数据相结合，产 生一个集成的现时作业模型，使业主能在接近实时条件下对现场或远处监控各种作业。 （2)推土机定位系统与虚拟推土相结合。 卡特彼勒的DOZSIMI.5是一种极易使用的计算机程序， 可计算推土机的作业生产率。 该软件包括 Windows 兼容，采用 3D 模拟技术分析推土机距离、坡度、现场设计参数， 并可输出总土方量(压实或松散)、每次移走及每小时移走的土方量、每次总耗时、每次 成本、总系统生产率等大量信息14。 除卡特彼勒公司外， 模块采矿系统公司、 Le-ica 和特林布尔导航设备有限公司均可 独立提供基于 GPS 的推土机定位系统，大大提高推土机的作业生产率。Le-ica 采用 GPS 技术的 2001 导航系统，在无需勘察标桩的情况下，允许司机精确地控制推土机的铲刀 板和机器的位置，实现虚拟推土作业。模块采矿系统公司的推土机定位系统有助于司机 完成诸如坡度与推土任务。驾驶室内安装有图像控制台，向司机显示机器在作业区内的 位置，并实时显示关键作业参数，如铲刀角度或被移动的土方体积。 1.2.2 国内智能化工程机械发展概况 我国智能化工程机械技术的研究工作始于 20 世纪 90 年代初， 1991 年在 “863 计划” 自动化领域首席科学家蒋新松的倡导下，在国内首先开展了工程机械机器人化技术的研 究工作，先后进行了挖掘机机器人化和推土机机器人化、自动导引车(AGV)的技术开发， 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 4 页 共 39 页 有的已开始进人市场应用1。另外国家重点实验室如中科院、清华大学等一些科研单位 同国内企业进行了产学研合作。 国内部分企业已着手联合开发智能化工程机械的一些项目，如徐州工程机械集团有 限公司“九五”期间，与清华大学国家 CIMS 技术研究中心和国家 863/CIMS 机器人项目 专家组，共同完成了“国家 863/CIMS 机器人化工程机械现代集成制造应用工程”单机 自动化的课题研究，并顺利通过了科技部专家组的验收。如今，又着手进行“国家 863/CIMS 机器人化工程机械现代集成制造应用工程”集群自动化的课题研究3。 “机群 智能化工程机械”项目由徐工集团与清华大学、东南大学、长安大学、重庆交通学院等 共同承担，包括智能化摊铺机、拌和站、压路机、装载机、铰接式自卸车和全路面汽车 起重机等多种单机的智能化控制产品样机平台、通用控制器硬件和 GPS 定位系统，技术 水平国内领先。该技术通过对各智能化工程机械单机的状态、位置、性能、工作质量和 施工进度的在线检测及智能故障诊断，由机群主控站根据施工任务完成机群动态组织、 施工动态优化调度和集团管理，可将施工综合效益提高 25%以上，施工设备维护成本下 降 20% 2000 年首先在 LTU125A 沥青路面自动摊铺机上进行了 CAN 总线、多 CPU 控制器 的开发， 采用了西门子公司的带 CAN 总线的 8 位单片机 C505CA， 实现了该摊铺机的自动 控制(与清华大学合作) 7。徐工集团成功开发的 ZL50G 机器人化装载机的技术水平属国 内领先，达到国际 90 年代后期水平，1999 年 12 月投放市场以来，在同行业中引起激烈 反响，今年已销售了 200 多台，销售额达上亿元。产品出口美国、南非、土耳其等国家 8。 广西柳工集团有限公司以重庆大学为依托向国家 863/CIMS 主题办提出 LG-CIMS 立 项申请，从 1997 年下半年开始了工程机械智能化研究410。2000 年 7 月，LG-CIMS 通 过国家 863/CI M S 专家组验收。此后，柳工又开展了 LG-CIMS 二期工程，2003 年 8 月 通过省级专家鉴定。 2003 年 1 月， 柳工以华中科技大学和苏州大学为依托， 向国家 863/ 自动化领域申请装载机远程服务专家系统与智能化挖掘机及企业信息化工程立项成功， 目前该项目正在按计划进行实施9。 三一集团承担的国家 863 计划项目“机群智能化工程机械”第一期课题，已通过国 家科技部项目阶段性验收，创造了我国沥青路面层机械化施工的新工艺。三一重工提出 了以沥青混合料转运车为核心的智能化工程机械施工解决方案并于 2002 年试制出产品 样机。沥青混合料转运车的应用，实现了对摊铺前的沥青混合料进行二次搅拌和对摊铺 机均匀供料功能，保证了连续均匀摊铺。目前，该设备已投入杭州环线高等级公路施工 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 5 页 共 39 页 中试应用，引起了业界的广泛关注。 1.2.3 国内外智能化工程机械发展差距 虽然国内已开展了智能化工程机械产品化的多项研究，取得了一定的进展，但距离 产业化的目标尚有很大的距离。与国外的差距主要体现在三个方面，即工程机械单机集 成化操作与智能控制技术，工程机械的智能监控、检测、预报、远程故障诊断与维护技 术，以及基于网络的机群集成控制与智能化管理技术等6。 1.3 本论文的目的和意义 本论文对沥青路面施工机群优化配置方案进行研究，在沥青路面施工工艺中，施工 机械是完成各项工程施工的主要工具，是确保工程质量的安全生产、加快工程进度、提 高经济效益、改善劳动条件、降低工程成本的重要技术设备。如果施工机械设备配置不 合理，就很有可能在某些作业循环中出现“机械设备拥塞”现象，而在另一些作业循环 中出现“机械设备脱节”现象，从而大大延误工期，增加施工费用。因此，对机群进行 最优化配置、充分发挥机群作业综合能力，降低施工成本，就成为十分重要而紧迫的问 题且具有深远意义。 1.4 本论文的研究内容 论文由 5 章组成。 第一章 阐述了论文研究的背景，国内外的发展状况及研究的目的和意义。 第二章 对沥青混凝土路面施工工艺进行分析，及现行工艺中存在的一些问题，提 出了“转运摊铺”的工艺模式，并进行分析。 第三章 研究新工艺下沥青混凝土路面施工机群的单机选型。 第四章 阐述了机群优化配置的定义、原则及基本条件。分析了机群优化配置问题 的复杂性,进行了单一机械投资的优化数学模型和沥青混凝土路面施工机 械的一般优化配置模型的建立。 第五章 论文总结。 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 6 页 共 39 页 2 沥青混凝土路面施工工艺分析 2.1 现行沥青混凝土路面施工工艺 2.1.1 沥青混凝土路面主要施工流程 现行沥青混凝土路面施工工艺主要包括沥青混合料的制备、沥青混合料的运输、沥 青混合料的摊铺、铺层的压实，与它们相对应的机械设备分别为:沥青混凝土搅拌设备、 自卸车、沥青混凝土摊铺机、压路机1。 在各项准备工作做好之后，首先是进行沥青混合料的生产，再由自卸车把拌和好的 沥青混合料运送到摊铺现场，直接卸在沥青混凝土摊铺机的料斗中，由摊铺机按照事先 调好的参数进行摊铺，摊铺好的沥青路面待温度降到合适的碾压范围之后，由压实机械 分不同的阶段进行碾压成型，然后检测路面的各项指标，看它们是否符合规范要求，最 后采取相应的解决办法1112（如图 2.1） 。 图 2.1 施工工艺流程图 2.1.2 沥青混凝土路面施工工艺分析 沥青混凝土路面施工是一个工艺要求高、工序繁杂的施工过程。现从以下几个方面 分析沥青混凝土路面施工工艺。 （1）施工准备阶段 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 7 页 共 39 页 目前，沥青混凝土路面施工准备阶段的主要工作有熟悉设计图纸、招标文件及合同 规定，人员配置，混凝土配合比设计，拌和场设置，材料选择，设备的安装调试，工作 面的提供等1314 图纸以及各文件的熟悉 众所周知，熟悉设计图纸、招标文件及合同规定是准备阶段的首要任务，通常由技 术人员及项目经理部主要负责人去做。通过详细的分工和研究，可以掌握项目规模并准 确的计算出沥青混凝土的用量，为合理设计施工计划打下基础。同时还可以了解业主意 图，对项目实施过程中更好的履行合同，维护双方利益创造条件。 人员的配置 沥青混凝土路面施工时各工序相互联系相当紧密，而且往往是连续作业，所以人员 配置都是双班制，在关键工序上要多配置几名责任心强，技术较好的人员。 材料的准备 同时，做好沥青混凝土路面所需各种材料的采购非常重要，材料的质量是沥青混凝 土路面质量好坏的重要因素，材料的数量是否充足直接影响到工期及路面铺筑的质量。 所以要对材料的准备工作给予充分的重视和管理，材料在选购时要随机抽检，选用物理 力学指标要满足技术标准要求的材料1516。 配合比的设计 这项工作由工地实验室负责完成，由工地实验室负责准备原材料，送到业主指定的 实验室去做。 这项工作要尽量提前， 最好能在储备原材料前能够完成。 因为有了配合比， 就可以准确的确定材料的各种规格及数量。在做配合比设计时，还要注意是否有各种外 加剂（如掺加抗剥落剂及其他改性材料）1517。 设备的安装调试 沥青混凝土混合料的拌和质量及产量，与所选沥青混凝土拌和设备有重要关系，拌 和设备要能满足工期的要求及工作的连续性要求。路面的平整度主要取决于摊铺机，摊 铺机最少选用一台，摊铺机的生产效率要高，压路机要采用双钢轮振动压路机及轮胎压 路机的组合作业，数量由实际工作量来确定1819。 （2）施工铺筑阶段 沥青混合料的拌和和运输 沥青在拌和过程中，要配置好热料仓的比例，以确保热料仓的比例符合规范的级配 要求。控制沥青的用量，使其用量符合技术规范的要求。沥青混合料拌和是时要控制好 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 8 页 共 39 页 温度和拌和时间。拌和沥青混合料时，由于沥青裹覆在集料和填料表面的沥青膜厚度一 般在 515um 之间，易被氧化，且挥发成分亦较容易被损耗，因此，尽可能低的拌和温 度及最短的拌和时间可降低沥青结合料的氧化和挥发成分的损耗，保证沥青的质量。沥 青混合料在运输过程中，必须将其充分覆盖，以防止沥青在高温时受阳光、空气所造成 的氧化及沥青混合料温度的降低1420。 沥青混合料的摊铺 摊铺沥青混合料作业过程中，应着重从摊铺宽度和平整度、摊铺时的温度控制以及 与运料车之间的配合把好关，最大限度地避免小波浪、离析、划痕、平整度超差等缺陷， 以提高路面摊铺的质量。 摊铺宽度和平整度的控制。摊铺宽度以设计为准，一般为 2530m。根据铺设路面 的宽度可利用熨平板的仰角要准确，行走速度要稳定，找平装置要能正常地工作，现在 许多摊铺机都配有无接触式均衡梁，该套装置是利用电脑对声纳探头获取的几个垂直点 距离进行处理，及时地对摊铺机熨平板提升装置进行控制，平整度是能够保证的。摊铺 机工作时，方向的调整很重要，操作手要集中精力，精心操作。另外，对履带底部及声 纳探头下面的基层上的杂物要清除干净。 摊铺温度控制，摊铺作业时混合料的温度控制又是一个重要环节。混合料温度过低 （通常 110 度以下）将导致摊铺作业困难，碾压时达不到较好的密实度和平整度。而实 际运输过程中，混合料的温度不可避免要降低，因此要求摊铺时的温度要较初碾时温度 高 10-15 度2122。 摊铺层碾压 沥青混凝土的碾压在摊铺过程中也是一个重要的环节，碾压的质量直接影响路面的 质量。由于各层集料的质地、粒径、配合比不同，压实程序、压路机的组合形式、碾压 速度和碾压遍数也各不相同。特别是上面层集料为玄武岩，石质坚硬，多棱角，内摩阻 力大，层薄而温度降低快等因素，增加了压实的难度。碾压前，应考虑具体的施工条件 （如环境温度、施工工艺、压实厚度等） ，并根据施工规范要求来确定碾压温度，初压 温度对压实质量影响最大，施工时应严格控制。只要物料不和钢轮粘起，并且不发生碾 压推移，就可以开始初压。 沥青路面施工缝的处理 在路面施工中，往往由于在施工缝、构造物两端的施工不当，造成补修处理，这也 在一定程度上反映了施工单位管理水平的高低。沥青路面施工缝处理的好坏对平整度有 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 9 页 共 39 页 一定的影响，通常连续摊铺路段平整度较好，而接缝处较差。因此，接缝水平是制约平 整度的重要因素之一23。处理好接缝的关键是切除接头，用 3m 直尺检查端部平整度， 以摊铺层面直尺脱离点为界限，用切割机切缝挖除。新摊铺接缝处采用斜向碾压法，适 当结合人工找平，可消除接缝处的不平整，使前后两路段平顺衔接。横向接缝处理的好 坏对路面平整度的影响较大，由于横向接缝为冷接缝，处理难度较大，但处理的好与坏 将直接影响路面的平整度，在处理过程中要从以下的几个环节牢牢把握: 切缝:用切割机切割下不符合规范的沥青混合料，并在缝边涂抹浮化沥青，切割时 断面要保持平整垂直;有时为了不使路面表层受污染，也要中采用人工切成毛接缝。 摊铺机就位:摊铺机在切好的施工缝上就位，让熨平板直接压在原摊压实沥青路面 上，预热到所需温度，同时适当提高第一车料的温度。 摊铺机起步:起步速度要慢，使摊铺面尽量做到不作人工处理。 接缝的碾压:先对接缝进行横向碾压，将压路机驶向已压实的混合料层上，并伸入 新铺的面层厚度约 15-20cm，然后每压一遍向新铺层移动 20cm，直至深入轮宽的 2/3 为 止。横向碾压后进行正常的纵向碾压，并用 3m 直尽检查平整，在不符合要求处用 15t 振动压路机碾压。 （3）施工过程检测和质量控制 符合设计要求 检测贯穿于沥青混凝土路面施工的全过程，碾压成型后的路面必须满足设计要求。 检测内容包括:测定平整度、厚度、宽度、高程及钻芯取样等工作25。平整度的测定有 两种办法，一种是用 6m 长铝合金尺杆(规范要求是 3m 直尺)，另一种办法是车载连续平 整度仪。两种办法都要用到，对局部可采用 6m 直尺，对比较长的范围可采用车载连续 平整度仪。两种办法综合使用，可以准确地测定路面的平整度610。 注意沥青混凝土路面缺陷 关于沥青混凝土路面缺陷，其主要表现在路面波浪、横缝跳车、密实度不够、局部 推移、松散、隆起等，这些缺陷都是施工过程中造成的。路面波浪在施工过程中主要是 由于摊铺机造成的，沥青混合料软弱或混合料温度组成的变化导致混合料劲度的不均匀 也是其中因素之一。消除波浪的主要办法是调整好摊铺机的性能，同时要求沥青混合料 要保持稳定的温度及级配。横缝跳车主要是工艺上的问题，横缝在处理时要将已成型的 路面切齐，并在接触面上浇洒钻层沥青。摊铺机在开铺前掌握好松铺系数，刚摊铺完要 人工及时修补。 碾压时先横向碾压， 再纵向碾压， 经过这样处理一般不会出现横缝2324。 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 10 页 共 39 页 资料的整理 沥青混凝土路面施工过程中各种材料的自检资料，质量评定资料都是非常重要的。 要真实;准确地记录每一个工作环节的详细数据，资料要归档存放，资料的种类包括各 种检测试验表、照片、声像及原始记录。 一项沥青混凝土路面工程竣工之后，通常要对各项指标进行检测，但是各施工单位 在进行施工中，根据绝大多数工程实例调查，他们根本不可能检测那么多的参数，也没 有配备那么多的设备仪器，仅仅检测一些比较容易检测的参数，如摊铺厚度、温度和平 整度，根本就不可能及时检测路面的压实度，但是绝大多数单位施工的结果都是满足规 范要求的。因此可以设想在沥青混凝土机群施工系统中只要保证整个系统满足一定的条 件，就可以认为施工的结果是一定能够满足规范要求的。但是系统究竟该满足什么样的 条件，而且在施工过程中是否能够比较容易地找到一些解决办法来实现这些条件是本文 进行研究的对象。通过大量实地考察，查阅国内外相关文献和实验研究表明，只要满足 以下条件就可以认为修建的沥青路面是高质量的: 保证原材料的质量;保证沥青混合料搅拌设备能够生产出合格的沥青混合料和 满足摊铺机的工作需求;保证沥青混合料能够及时送到摊铺现场，不发生或极少发生 材料离析和温度离析;保证摊铺机恒速、稳定、连续工作;按规定的碾压温度和碾压 方式进行碾压。 大量试验和施工经验也表明，在整个沥青混凝土路面施工中只要能够满足或者基本 满足上述条件，就可以获得很高质量的路面。 2.2 现行施工工艺存在主要问题 2.2.1 沥青混合料生产 （1)产生初步材料离析和温度离析:在拌和设备处，离析最敏感的区域是聚料斗和 贮料仓，在沥青混合料向聚料斗和贮料仓装料时会产生材料和温度离析。沥青混合料从 贮料仓向运输车里输送时，由于高度原因，大骨料滚落在车厢附近，粗骨料在车厢周围 比较集中，形成材料离析。同时车厢四壁由于和外界直接接触，温度较低，当热混合料 与四壁接触时，温度会明显降低，而车厢中心的温度就不会有太大的变化，从而形成温 度离析1615。 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 11 页 共 39 页 （2)没有严格按标定条件进行搅拌:主要标定条件有以下两点: a.大气温度或供给集料温度为 15或 20，集料平均含水率为 5 0%，热集料出料温度 为 16。b.最大骨料粒径不超过 20 mm;粉料含量 4%-5%;沥青含量 4%-7%。通常不管哪 一类的沥青混合料搅拌设备其生产率都是在规定的条件下计算出来的，但是由于每一工 程其各种情况都是不同的，存在极大的差异，如夏季施工和冬季施工，同一搅拌设备的 生产率相差很大2025。 （3)搅拌器拌和时间不规范:搅拌时间是干拌时间和湿拌时间的总和，它直接决定 了材料在搅拌锅内经受各种搅拌作用的持续时间，是影响搅拌质量和生产率的决定性因 素。缩短拌和时间意味着增加搅拌器的生产率，而增加拌和时间显然会改善材料拌和的 均匀度。 2.2.2 热沥青混合料运输 （1)材料离析:在向运输车装料过程中会产生骨料的离析，同样，运输车在运料过 程中由于道路不平整也会产生骨料的离析，骨料集中分布在料斗四周。 （2)温度离析:运输过程对混合料质量的影响还在于温度的离析。现行工艺中，运 输车一般吨位较小，由于普通的运输车辆没有良好的保温设施，至多采用帆篷遮盖，在 长时间的运输和待卸料过程中会使混合料温度下降过多，低于规定的摊铺温度面造成废 料。特别是整车料的温度下降不均匀，整车料表面的料温比中部的料温要低 20左右， 造成温度离析，而摊铺机的布料过程无法使混合料的温度充分平衡。在压实过程中，低 温的料不能获得所需的压实度，铺层局部孔隙高，导致渗水和日后的早期病害262728。 2.2.3 热沥青混合料卸料过程 （1)影响摊铺机作业的连续性:现行工艺中由运输车直接向摊铺机卸料过程中难免 出现摊铺机待料和运输车与摊铺机的碰撞，机械间的碰撞直接影响了摊铺平整度，而摊 铺机的待料使摊铺机不能保持连续作业，停机再起动使铺层出现波状起伏，间接地影响 了摊铺平整度，同时，作业的不连续对压路机的压实作业也带来不利影响。 （2)自卸车易与摊铺机发生碰撞:由于自卸车把沥青混合料运到摊铺现场之后，直 接向摊铺机料斗中卸料，此时汽车挂空档，由摊铺机推着前进。但是当摊铺机在一直工 作时，其受力恒定，当突然碰到前面的自卸车时，受力会发生变化而打破原来的平衡状 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 12 页 共 39 页 态，破坏摊铺机的恒定工作，使铺层出现波浪，严重影响路面的平整度，同时对压路机 的碾压作业也带来不利的影响。因此卸料时相当于对摊铺机加载，卸料完毕时相当于对 摊铺机卸载，这样频繁加载、卸载造成了摊铺机的工作不稳定2930。 （3)会产生材料离析和温度离析:自卸车在向摊铺机料斗卸料中，那些大颗粒骨料 会滚向摊铺机料斗的四周，并且落下来，造成材料离析。同时摊铺机料斗边缘由于和大 气直接接触，温度较低，因此斗壁附近的混合料温度会迅速降低，而料斗中央的混合料 温度变化不大，这样就造成了温度离析。 2.2.4 沥青混合料摊铺过程 （1)材料离析。即使通过冷料仓、拌和设备和贮料仓成功地生产了沥青混合料，均 匀地装到卡车内并整体式卸人摊铺机受料斗，在摊铺机内仍可能发生离析。如摊铺机操 作不正确，能够产生不同程度的离析。 （2)温度离析。有的摊铺现场，摊铺机不能连续摊铺，常发生停机待料情况。一旦 停机，摊铺机受料斗中最后剩下的少量温度已明显降低的混合料也输送到后面分料室摊 铺。这部分最后摊铺的较冷的混合料，还不能对其进行碾压，要等下一车新混合料摊铺 下来且摊铺机往前行驶一定距离后才能开始碾压，松散薄层混合料的温度降低得更快。 最终导致摊铺层不同位置的温度差别显著增大。 （3)摊铺不平整问题。近几年由于大型沥青混凝土摊铺机的应用，使我国沥青混凝 土路面机械化施工技术水平有了较大程度的提高，也积累了一些宝贵经验。但由于各种 因素的综合作用，铺层经常出现各种波浪，对路面的平整度造成非常不利的影响，主要 现象有如下 3 种:a.摊铺机起步时形成的波浪，是很明显的凹陷或凸起，而停机再起步 形成的波浪一般长约 0.5 m，最大不平度可达 10 mm 雍包。b、下承层反射的波浪，铺层 局部范围内基本平整，但沿路面纵坡方向有起伏，形成的波浪与底层类似，只是程度要 比下承层小一些。混合料性质不稳定形成的波浪，其具有很大的随机性，并与混合料的 变化息息相关，多见于摊铺作业中上做仰角频繁变化时。如果摊铺的混合料本身性质不 稳定或者温度过高、沥青含量过多、矿粉过多都易使摊铺厚度发生变化从而产生波浪。 2.2.5 沥青混合料碾压过程 （1)压实过程中易出现推移现象。沥青混合料路面压实过程中，极易出现路面推移 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 13 页 共 39 页 现象，这种现象直接影响路面的压实效果，尤其是对路面平整度影响最大。压实过程中 的路面蠕动推移，使在摊铺过程中已弥补的下层不平整，又出现在压实层的表面上。引 起路面推移主要有以下原因:集料级配过于密实、沥青混合料中沥青含量相对较高、基 层没有按要求处理妥当2528。 （2)碾压过度。对 SMA 路面来说，由于它的集料嵌挤作用，压实度比较容易达到， 在碾压时很容易出现碾压过度现象。因此虽然 SMA 在高温可以方便地碾压，而且主要靠 粗集料的嵌挤达到稳定，但过碾压是 SMA 的大忌。 （3)碾压方式不按规定进行。许多施工单位在沥青混合料摊铺好后，不是按照规定 的压实方式进行，而是随意进行，他们的压实工艺、压路机类型、压实温度、压实速度 和压实遍数均没有按照规范来进行，甚至在压实 SMA 路面时不能用轮胎压路机来压，但 是有些单位偏要用轮胎压路机来碾压，这样很难保证路面的压实度和平整度，因此路面 质量也就难以保证，从而造成不必要的浪费或重新返工。 2.3 现有施工工艺模式下的不可控因素 沥青混凝土施工过程中很容易产生材料离析和温度离析，材料离析是混合料粗细集 料和沥青含量的不均匀的体现，温度离析是指混合料在运输、摊铺、压实过程中各部位 的温度不同而引起沥青混合料的性能不同。 离析现象是造成路面潜在损坏的重要根源。混合料一旦发生离析，使铺出的路面不 同区域的级配发生变化，严重影响了路面压实度、平整度和使用寿命，是路面早期破坏 的主要原因。研究表明:离析严重部位由于级配的变化，局部孔隙率增大，当孔隙率由 6%增加到 7%(增加 1%)时，透水性将增大 1-2 倍。材料离析现象伴随着整个混合料的拌 和运输和摊铺过程30。 2.4 转运摊铺工艺在沥青路面施工中的应用 2.4.1 实现沥青路面施工高质量的要求 通过前面的分析可知，要保证沥青路面施工的高质量，需要满足以下基本要求： 保证原.材料的质量;保证沥青混合料搅拌设备能够生产出合格的沥青混合料 和满足摊铺机的工作需求;保证沥青混合料能够及时送到摊铺现场，不发生或极少发 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 14 页 共 39 页 生材料离析和温度离析;保证摊铺机恒速、稳定、连续工作;按规定的碾压温度和碾 压方式进行碾压14。 在实际施工过程中，针对上述问题，通常可采取以下六种基本措施3132 33： （1）拌和机向运输车装料时，每装一盘料移动一次运输车，以免沥青混合料在运输 车形成太大的料堆，减少混合料大料滚动的几率从而减少离析； （2）运输车的运输量不能超载，提高运输车的运行速度减少车辆故障率，缩短运输 时间； （3）拌和站选址时尽量靠近施工地点，减少运输时间； （4）选择离析小的摊铺机，并尽量减少摊铺机的摊铺宽度； （5）减少离析的措施，摊铺前增加拌和设备； （6）及时压实。 这六种方法虽然能够在一定程度上减少混合料的温度离析，但是改善效果并不明 显。 2.4.2 基于沥青混合料转运车的新工艺 转运摊铺工艺是指在运料汽车与摊铺机之间增加转运车。转运车的二次搅拌使得在 前面环节中造成的温度和级配离析的沥青混合料得到充分的拌和。同时，避免了运料汽 车对摊铺机的碰撞（如图 2.2 所示）46。 图 2.2 转运一摊铺工艺流程 转运车的供料速度不受其他因素的干扰，保证摊铺机上的混合料数量始终是恒定 的，拌和机和运料汽车在供料方面的不均衡通过转运车的料斗储存量得以调节.确保了 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 15 页 共 39 页 摊铺机匀速稳定的摊铺35。采用转运摊铺工艺允许使用大容量的运料车辆。安装在摊铺 机上的专用料斗(见图 2.3)，承接来自转运车的沥青混合料。这一装置可有效消除原来 摊铺机迸料口两翼粗骨料的堆积，而这种堆积是造成摊铺离析的主要原因3334 图 2.3 摊铺机专用料斗 2.4.3 沥青混合料转运车 三一重工路面机械公司继 2002 年 9 月研制了沥青混合料转运车 LHZ25 后、2003 年 9 月推出了改进型的沥青混合料转运车 LHZ25 A(见图 2.4 ) 入料刮板系统 料仓 二级出料装置 料斗 螺旋搅拌器 图 2.4 LHZ25A 型沥青混合料转运车 LHZ25A 沥青混凝土转运车主要山机身、 动力系统、 液压系统、 电气系统、 行驶系统、 物料储存系统、物料输送系统、物料搅拌系统和辅助系统等 9 大部分组成431。料斗为 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 16 页 共 39 页 一活动斗形容器结构，主要用于承装来自自卸车的沥青混合料并向入料刮板系统输送物 料。 入料刮板系统由主从动链轮、 刮板链条、 输送刮板以及螺杆式链条张紧机构等组成。 入料刮板系统通过并联液压马达将动力传递给链轮，链轮带动链条上的刮板，将沥青混 合料送入搅料仓中。搅料仓为 V 形结构，可贮料 22 t 横向布置在料仓底部的螺旋搅拌 装置是转运车的核心部件，主要由螺旋轴、螺旋叶片、链轮和支承轴承等组成。变径变 节距的螺旋搅拌装置料仓中的沥青混合料进行充分搅拌。 二级出料装置主要由刮板输送装置、回转装置、起落装置等组成，通过刮板输送装 置送料、回转起落装置定位，将二级出料准确无误地输送到摊铺机料斗。 安装在转运车上的超声波传感器对安装在摊铺机上的超声波探测杆进行不断的扫 描，并将检测到的位置信号通过 AID 转换模块传送至 PLC, PLC 经过数据处理，将转运 车与摊铺机之间的实际距离值与预置的转运车与摊铺机之间的理想距离值进行比较，控 制转运车与摊铺机速度的同步363738。 2.4.4 转运车的主要施工技术特点 搅拌功能 采用变径变节距螺旋搅拌技术， 使混合料从 6 个不同的区域通过搅龙进行 二次搅拌使冷粗料与热细料进行彻底混合，从摊铺机连板输送器到整平板的混合料温度 一致有效解决了沥青混合料的集料离析和温度离析问题。 储料功能 转运车的输送器能够从搅拌能力为 25t/h 的搅拌仓内直接取料，并以 60t/h的输送能力将混合料输送到摊铺机不方便工作的地方。 卸料高度距地面最大3.7m， 输送管可以通过障碍物运行39。 协同作业 使用转运车以后料车不直接接触摊铺机使摊铺机不再受瞬间的冲击力和 一个瞬间向前的阻力这样摊铺机能够保持一个稳定的行驶状态。 受料方式 摊铺机料斗的形状发生变化(在摊铺机上直接放置一个自制料斗)混合料 与连板输送器的距离减小混合料从比较小的料口直接下到连板输送器大 大降低了粗细骨料的离析改善了路面上粗细骨料的均匀分布。另外转运车的连续供料使 摊铺机料斗贮料维持一个变化不大或基本不变的量从而使附着重量不变或变化微小有 利于摊铺机恒速摊铺40。 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 17 页 共 39 页 2.4.5 转运车的应用效果 从铺筑的路面质量上来看:采用了转运车后，由于转运车对汽车卸下地存在一定程 度级配离析的混合料进行了二次搅拌，明显改善了混合料地骨料离析，从而使得铺筑的 沥青路面的级配离析程度明显减轻，均匀性好411。不仅路表如此，路面结构内部也是 如此，最大的级配极差为 6.85%，构造深度平均值为 0. 6478mm,标准差为 0.0571mm，渗 透系数标准差为 3 . 21 ml/min。与未采用转运车摊铺的路面结构相比，最大的级配极 差改善了 13.03%，构造深度的均匀性提高了 3.92 倍，渗透系数的均匀性提高了 17.39 倍。另外，还有几方面也得到了相应地提高。 （1）提高了铺筑路面的平整度:使用转运车消除了摊铺机与运料卡车之间的顶推作 用和碰撞接触而产生的摊铺纵波，改善了摊铺机牵引状况，使其能够保持稳定的作业速 度。在相同作业情况下，使用转运车路面平整度为 1. 94mm，不使用转运车的平整度为 2 .23mm。事实证明使用转运摊铺技术使铺筑路面的平整度得到了很大提高。 （2）减少混合料离析状况:使用转运车后最高温度与最低温度偏差为 12，而不使 用转运车温度偏差达到 3 4，为了进一步证明其优越性，我们对混合料温度进行了测 量比较。 当进入转运车料斗的混合料温度变化在 103一 150之间， 标准差为 12.4 时， 经转运车搅拌混合，出料温度变化范围在 136一 148之间，标准差为 3.5，说明转运 车对温度离析有明显的改善作用。 （3）提高了铺筑路面的整体质量转运车得使用改变了传统的施工工艺，使转运、贮 料、二次搅拌一次完成，极大地提高了施工作业质量。在施工中增加转运车，可使摊铺 机料仓中的贮料维持一个变化不大或基本不变的量，从而使附着重量不变或变化微小， 更贴近于恒速摊铺，进一步提高了摊铺作业的均匀性，铺筑的路面具有均匀的密度和结 构强度，转运摊铺工艺可保证摊铺以恒定的速度连续摊铺作业，减少停机待料造成的横 向接缝，使路面整体质量明显提高。 从经济效益上来看3537: （1）提高了运料卡车作业效率。由于转运车可以减少运料卡车在铺筑现场等待及 卸料时间 50%以上，并且减少了运料卡车的数量，降低了施工成本; （2）提高了摊铺机作业效率。LHZ25A 转运车加摊铺机料斗总储料能力大于 30 吨， 可以确保摊铺机以较高的摊铺速度连续作业，提高了摊铺作业效率; （3）大大节约了沥青路面的长期维修费用。采用转运车进行摊铺施工的沥青路面 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 18 页 共 39 页 可以大量节省长期维修费用，至少延长使用寿命达 40%，提高了沥青路面的使用率。 2.4.6 正确认识转运车在新工艺中的作用 2.4.6.1 基于转运车的新工艺的优点 分析新工艺的流程可以看出，在路面施工过程中增加转运车具有如下优点3437: （1）可以避免自卸车在卸料时对摊铺机水平方向的撞击和垂直方向的挤压，以及 混合料泻入料斗引起的冲击等对摊铺机平稳作业的影响; （2）自卸车可无干扰地输料到摊铺机，不停顿、均匀地为摊铺机稳定供料，保证 摊铺路面更平整，还可避免由于操作不慎而将混合料撤落在摊铺机前方; （3）能很大程度地帮助消除沥青混合料的材料离析和温度离析问题; （4）可选的混合器及搅拌器或螺旋搅拌器，能够提供最好的搅拌方案，利用摊铺 前的最后机会，消除混合料离析并使混合料温度均匀。搅拌器在沥青混合料进人熨平板 之前对其进行搅拌，更有效地减少材料离析，保证良好的摊铺效果; （5）可选的旋转输料器提供从邻近车道受料或输料，能保护新铺路面或粘结层路 基; （6）减少了自卸车在摊铺过程中的等待时间; （7）加快了自卸车的运输周期，可将所需的自卸车数量比通常情况减少 25%。 2.4.6.2 基于转运车的新工艺的缺点 增加了摊铺机的操作难度：转运车因为是与摊铺机联合作业的，其行驶速度必须与 摊铺机的摊铺速度完全吻合。由此摊铺机操作手要随时的观察转运车的行驶状况和转运 车斗臂的位置，以免碰撞造成机械的损伤，无形中就加大了操作的难度364142。 增加了运输车指挥的难度：因转运车离地高度相对较低，在指挥倒料时要指挥运输 车辆多次起斗。同时检查转运车的“推轮”伸出距离是否和料车保持合适的距离，当推 轮的伸出距离不合适时极易将混合料撒出料斗外。 增加了对封层破坏的可能性：转运车料斗底部设有小轮，在转运车转向时，有时因 为转运车料斗底部小轮横至，会将封层表面的碎石挤掉，形成封层破损。 另外，使用转运车后发现混合料中粗集料的破损现象比较严重，造成摊铺面有较多 的“白头”现象4344。 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 19 页 共 39 页 3 新工艺中沥青混凝土路面机群单机选型 3.1 选择施工机械的原则 工程量和施工进度是合理选择施工机械的重要依据。一般情况下，为了保证施工进 度和提高经济效益，工程量大时采用大型机械，而工程量小时采用中、小型机械，但这 不是绝对的。在选择施工机械时应遵循以下几条原则46: (l)工程适用性 选用的施工机械一方面其类型应适合于工地的气候、地形、土质、施工场地大小、 运输距离、施工断面形状尺寸、工程质量要求等;另一方面，机械的容量要与工程进度 及工程量任务相符合，避免因机械工作能力不足或剩余造成延缓工期或机械利用率太低 的现象。 (2)技术先进性 一台性能和技术都很先进的机械，其生产能力数倍于一台相对落后的机械。选用先 进机械，其生产效率高，故障率低，需要人工维护的时间少，作业质量一般也有保证。 (3)经济合理性 机械的经济性，首先是其购置的经济性;其次是使用的经济性，包括燃润油、零部 件等。同时应考虑本单位作业人员的技术水平，避免花高价购置的机械无人能操纵，从 而造成资源浪费，加大工程成本。 (4)配套性 在选择机械时，一方面要考虑单台配套性，特别是进口机械。另外，还应考虑成组 设备的配套性。 (5)可靠性 可靠性包括运行可靠性和技术可靠性。如果可靠性差，势必影响正常的工程作业， 降低利用率，增加机械维修成本，甚至会出现机械事故，造成人员伤亡和财产损失。 (6)应能保证工程质量和施工安全 沥青路面施工机群优化配置方案研究 第 20 页 共 39 页 选择合适的施工机械是保证工程质量的重要因素之一。对于技术要求高的作业项 目，应采用性能优良或专用的机械，但不可片面追求高性能，还应兼顾机械的通用性。 同时，