公路路面平整度測(cè)量方法探究

譚 國(guó)

（廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

路面平整度是評(píng)估路面質(zhì)量的主要參數(shù)之一，它關(guān)系到日常行車的安全性、舒適度，并且影響著路面所受的沖擊力和使用壽命。不平整的路面將增加行車阻力，使車輛發(fā)生額外的振動(dòng)現(xiàn)象，這種振動(dòng)現(xiàn)象將帶來行車的顛簸，對(duì)車輛的速度和安全性具有一定程度的影響。此外，振動(dòng)現(xiàn)象還將加大對(duì)路面的沖擊力，進(jìn)而加速車輛零部件、輪胎和路面的磨損程度，增加車輛燃油的消耗。水網(wǎng)區(qū)域的路面如果平整度較差，將引起路面積水，加速路面老化。因此，為提高行車的安全性、舒適度，減少路面的振動(dòng)沖擊，延長(zhǎng)路面的使用年限，路面的平整度應(yīng)符合工程施工的標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 公路路面平整度測(cè)量的必要性

平整度是公路路面質(zhì)量評(píng)定的重要參數(shù)（厚度、壓實(shí)度和平整度）之一，路面平整度的問題一般較為復(fù)雜，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)平整度的定義也有所不同。美國(guó)工程材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)將路面的平整度定義為路面表面與理想平面之間的縱向偏差，而這種偏差不僅會(huì)對(duì)車輛的動(dòng)力、安全性等造成影響，還會(huì)影響到路面動(dòng)載荷、排水等特性。定義中明確指出了平整度的參考方法，以便于實(shí)際工程中的測(cè)定，并且綜合考慮了人、車、路3個(gè)方面，分析了彼此間的影響。《公路工程名詞術(shù)語》中所定義的平整度為路面表面縱向凹凸量差值。通過查閱與公路路面平整度相關(guān)的文獻(xiàn)可知，路面平整度還可定義為路面表面相對(duì)于理想平面的誤差、路面表面引發(fā)行車振動(dòng)高程的變化量等［1］。

平整度評(píng)價(jià)指標(biāo)是用來衡量路面平整度狀況的參數(shù)，評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠清晰地反映出試驗(yàn)路段具體的斷面信息，可通過特定的計(jì)算方法獲得。新版《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中定義了路面平整度評(píng)價(jià)的3個(gè)重要指標(biāo)，即最大間隙、標(biāo)準(zhǔn)差及平整度指數(shù)。例如，3 m直尺法是一種傳統(tǒng)的測(cè)量方法，在過去的路面平整度驗(yàn)收中的應(yīng)用十分普遍，這種方法將尺子和路面之間的最大間隙作為路面平整度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)地測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。3 m直尺法最主要的優(yōu)點(diǎn)就是測(cè)量成本低、儀器操作簡(jiǎn)便，并且對(duì)測(cè)量人員的技術(shù)要求不高，其缺點(diǎn)是檢測(cè)周期長(zhǎng)、速度慢、測(cè)量精度較低，測(cè)量誤差多數(shù)因測(cè)量人員的人為操作所致。因此，后續(xù)修訂的各類評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中都明確規(guī)定，不得使用3 m直尺法進(jìn)行路面平整度的測(cè)量，對(duì)高速公路或一級(jí)公路等，平整度的驗(yàn)收必須使用規(guī)定的自動(dòng)化測(cè)量設(shè)備。

公路施工檢測(cè)領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，催生出很多新的、智能化的檢測(cè)設(shè)備，如后來逐步在國(guó)內(nèi)很多工程中推廣并應(yīng)用的自動(dòng)化平整度測(cè)試儀，其原理是應(yīng)用了路面平整度標(biāo)準(zhǔn)差和平整度指數(shù)作為平整度指標(biāo)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)積極借鑒了國(guó)外相關(guān)路面平整度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［2］。

2 傳統(tǒng)測(cè)量方法

傳統(tǒng)的公路路面平整度測(cè)量主要有斷面類測(cè)量和反應(yīng)類測(cè)量?jī)深?。斷面類的平整度測(cè)量是依據(jù)路面表面的凹凸情況獲得縱向斷面，通過分析路面的高程差得到具體的平整度參數(shù)，測(cè)量的精度主要是依賴所用測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度（高程精度）；而反應(yīng)類的平整度測(cè)量是通過車輛的振動(dòng)情況反映路面的不平整度，該種測(cè)量方法立足于實(shí)際車輛行駛過程中的真實(shí)狀況，以車輛使用者作為分析對(duì)象，增強(qiáng)了用戶的體驗(yàn)性，因此該種方法在路面平整度的測(cè)量中具有一定的創(chuàng)新性，但其弊端是不同車輛具有不同的振動(dòng)模型，測(cè)試時(shí)需要一套標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試系統(tǒng)，更加強(qiáng)調(diào)常規(guī)車輛與標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試系統(tǒng)之間的匹配問題。下面對(duì)常用的路面平整度測(cè)量方法進(jìn)行詳細(xì)討論。

2.1 精密水準(zhǔn)儀法

精密水準(zhǔn)儀法主要包括望遠(yuǎn)鏡、水準(zhǔn)儀、基座3個(gè)部分，這種方法測(cè)量路面平整度的基本原理如下：由水準(zhǔn)儀氣泡是否居中判斷水平線，通過水平線位于水準(zhǔn)尺上數(shù)值計(jì)算出各點(diǎn)之間的高程差，這種方法要求水準(zhǔn)儀的視準(zhǔn)軸和水準(zhǔn)軸彼此平行，否則將造成很大的測(cè)量誤差，該方法對(duì)測(cè)量人員的技術(shù)要求較高，但測(cè)量結(jié)果的精度較低，可用于路面平整度要求不高的偏遠(yuǎn)地區(qū)的公路［3］。

2.2 連續(xù)平整度法

連續(xù)平整度法以較長(zhǎng)的桁架作為基準(zhǔn)，中間部分的機(jī)架通常能夠伸縮或折疊，在前方和后方分別配有多個(gè)行走輪，前后兩組行走輪之間的距離一般較長(zhǎng)且機(jī)架中間位置設(shè)有一個(gè)可起落的測(cè)定輪，測(cè)定輪配有多個(gè)位移傳感器，在測(cè)定時(shí)，沿著路面某處的縱向方位以規(guī)定的間隔距離向垂直方位移動(dòng)并記錄相關(guān)數(shù)值，這種方法同樣會(huì)遇到測(cè)試效率低和測(cè)試精度差等問題，不適用于在坑槽較多、病害較為嚴(yán)重的路面上進(jìn)行測(cè)試。此外，這種類型的測(cè)試儀器十分笨重，測(cè)量時(shí)很不方便。因此，連續(xù)平整度法在當(dāng)前的公路路面平整度測(cè)量中使用較少。

2.3 車載顛簸累積法

在裝有測(cè)量?jī)x器的小車路過目標(biāo)路段時(shí)，小車后軸與車體單向位移將出現(xiàn)累積值，車載顛簸累積法正是通過計(jì)算該累積值評(píng)估路面的平整度，這種方法所測(cè)出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與車底盤所裝載的懸掛系統(tǒng)關(guān)系較大，因此測(cè)量得出的數(shù)據(jù)只有經(jīng)過再次校正、換算后才能作為反映路面平整度真實(shí)情況的依據(jù)。

2.4 激光平整度法

激光平整度法主要是通過裝有激光傳感器、加速儀、陀螺儀和精確的數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)的測(cè)試車來完成測(cè)量，具體方法如下：測(cè)試過程中，測(cè)試車以恒定的速度行駛，位于測(cè)試車底盤上的多個(gè)激光傳感器將不同角度的路面折射回的光束記錄在讀數(shù)器上，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采集并分析讀數(shù)器上的距離信號(hào)，該距離信號(hào)與測(cè)試車的加速儀信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，最終輸出路面的實(shí)際斷面信號(hào)。為方便后續(xù)工程師的數(shù)據(jù)分析，這些模擬信號(hào)也可轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行存儲(chǔ)。激光平整度法在進(jìn)行路面平整度測(cè)量時(shí)具有速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但其測(cè)量成本相對(duì)較高，因而在國(guó)內(nèi)較高級(jí)別的公路建設(shè)中應(yīng)用較多。

3 基于移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的平整度智能測(cè)量方法

移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)是指依托于先進(jìn)的高速互聯(lián)網(wǎng)或設(shè)備之間自建的內(nèi)部局域網(wǎng)，將各種移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行有效的集成、整合，通過在線實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)獲取、互聯(lián)互通，將數(shù)據(jù)的采集、處理和分析進(jìn)行一體化加工，以此將各設(shè)備的工程特性充分地發(fā)揮出來，實(shí)現(xiàn)多種移動(dòng)設(shè)備協(xié)同、互補(bǔ)、高效地工作。移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)可廣泛應(yīng)用于各類公路工程和與之相關(guān)的研究領(lǐng)域［4］。

基于移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的平整度智能測(cè)量方法在近些年的工程建設(shè)中應(yīng)用較多，主要是公路路面平整度的測(cè)量方面。這種測(cè)量方法所使用的設(shè)備包括手持智能終端、車載傳感裝置和后臺(tái)管理系統(tǒng)等。其中，手持智能終端搭載了較為先進(jìn)的智能處理器和無線網(wǎng)卡，符合高數(shù)據(jù)量的網(wǎng)絡(luò)傳輸規(guī)約。車載傳感裝置配置有多個(gè)微型的光傳感器，主要是通過測(cè)量車的移動(dòng)來獲取路面平整度的返回?cái)?shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)上傳到后臺(tái)管理系統(tǒng)進(jìn)行匯總、分析。后臺(tái)管理系統(tǒng)一般可架設(shè)在測(cè)量車上，由數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成，如果測(cè)量車的空間受限時(shí)，也可將數(shù)據(jù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器做歸一化處理，即同一臺(tái)服務(wù)器分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和集成應(yīng)用兩種功能。后臺(tái)管理系統(tǒng)將匯總、分析后的數(shù)據(jù)再次回傳到手持終端，測(cè)量人員通過手持終端可實(shí)時(shí)了解當(dāng)前路面的平整度狀況，為后續(xù)的施工計(jì)劃制訂提供有效、精確的信息。

隨著公路工程施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，一些智能化的路面測(cè)量方法在不斷更新、迭代、應(yīng)用，特別是在一些公路質(zhì)量要求較高的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目中，對(duì)路面平整度各項(xiàng)指標(biāo)的要求十分嚴(yán)格。因此，在路面平整度的測(cè)量方面，力求做到以下幾點(diǎn)。

3.1 測(cè)量設(shè)備體積小、重量輕

在公路路面平整度測(cè)量過程中，一般選取多個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)量，包括轉(zhuǎn)彎處、斜坡等，需要將測(cè)量設(shè)備在這些點(diǎn)位上不斷移動(dòng)，因此選用體積小、重量輕的測(cè)量設(shè)備更為合適，可極大地縮短路面平整度測(cè)量的周期。

3.2 測(cè)量成本低

平整度測(cè)量費(fèi)用在工程總體的造價(jià)之內(nèi)，如果測(cè)量成本過高，將影響公路其他部分的建設(shè)投入，也會(huì)影響到工程的總體質(zhì)量，在測(cè)量功能相近、測(cè)量誤差相同的情況下，應(yīng)首選測(cè)量成本較低的設(shè)備。

3.3 測(cè)量效率高

測(cè)量效率較高的設(shè)備在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可完成多個(gè)路段或工程的路面平整度測(cè)量工作，這在一定程度上能夠縮短工期，為工程施工過程中可能出現(xiàn)的臨時(shí)性問題處理留有足夠的時(shí)間，確保各個(gè)施工環(huán)節(jié)都能夠達(dá)到工程標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 測(cè)量精度高

高精度的測(cè)量設(shè)備決定了路面的高平整度，能夠保證行車的舒適度和安全性，也可避免水網(wǎng)區(qū)域發(fā)生積水，提高路面施工質(zhì)量。在選擇高精度平整度測(cè)量設(shè)備時(shí)，應(yīng)注意各設(shè)備之間的匹配度和兼容性等問題，如設(shè)備的接口尺寸、有線或無線連接及網(wǎng)絡(luò)傳輸速率等情況，由過去的平整度測(cè)量經(jīng)驗(yàn)可知，一般情況下，平整度智能測(cè)量設(shè)備越靈敏，其測(cè)量的精度就越高。

4 瀝青路面平整度測(cè)量

4.1 施工概況

以廣西柳州主城區(qū)某段瀝青路面工程為研究案例，在該路段竣工后進(jìn)行路面平整度測(cè)量工作，該路段全長(zhǎng)約2 km，選用兩組T350型智能化平整度測(cè)量車完成測(cè)量，通過對(duì)比測(cè)量數(shù)據(jù)與路況真實(shí)數(shù)據(jù)，找到該路段不平整度較為突出的點(diǎn)位，分析路面整體施工質(zhì)量，評(píng)估行車的舒適度和安全性，為下一步的路面保養(yǎng)和維護(hù)工作提供技術(shù)支撐。

4.2 基于移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的平整度測(cè)量方法實(shí)際工程應(yīng)用

測(cè)量過程中使兩組測(cè)量車從公路兩端同時(shí)、同速相向而行，為充分節(jié)省人力成本并測(cè)試單人駕車模式在路面平整度測(cè)量過程中的可行性，要求每輛測(cè)量車上僅配備一名測(cè)試人員，該測(cè)試人員同時(shí)是車輛的駕駛?cè)藛T。當(dāng)測(cè)量過程開始時(shí)，兩人應(yīng)同時(shí)啟動(dòng)手持測(cè)量終端，查看設(shè)備是否正常運(yùn)行，包括設(shè)備自檢情況、網(wǎng)絡(luò)連通和延時(shí)情況等，確認(rèn)無誤后測(cè)量人員通過隨身配備的對(duì)講機(jī)進(jìn)行通話，同時(shí)啟動(dòng)測(cè)量車進(jìn)行勻速行進(jìn)并測(cè)量。在車輛行進(jìn)的過程中，測(cè)量人員應(yīng)時(shí)刻觀察車輛的運(yùn)行狀態(tài)，包括車載傳感裝置、后臺(tái)管理系統(tǒng)的運(yùn)行情況，查看交換機(jī)、服務(wù)器是否有報(bào)警燈閃爍等。當(dāng)車輛遇到顛簸或行進(jìn)至平整度較差的區(qū)域時(shí)，可聽到手持終端發(fā)出的報(bào)警聲，在手持終端的顯示屏上可看到實(shí)際的不平整度分析結(jié)果，包括高程差、位置和范圍等，當(dāng)測(cè)量車行進(jìn)至平整度較好的路面時(shí)，報(bào)警聲消失。此時(shí)，打開手持終端的路面平整度結(jié)果分析模塊可看到完整的平整度分析報(bào)告，包含不平整度具體位置、大小及所受沖擊力等信息。由分析報(bào)告中的三維立體模擬畫面可以看到車輛在遇到平整度較差的路面時(shí)車輛的顛簸程度及路面所受沖擊力情況。此外，由朗特-肯波動(dòng)曲線也可評(píng)估車輪與路面的齒合情況，齒合程度越高代表該點(diǎn)位的路面平整度較好，反之則較差。當(dāng)兩組測(cè)量車相遇時(shí)，該段路面的平整度測(cè)量工作結(jié)束。將兩組測(cè)量車所獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)、分析報(bào)告進(jìn)行對(duì)比分析，綜合得出最終的路面平整度測(cè)量結(jié)果，為后續(xù)路面養(yǎng)護(hù)方案的制訂提供參考。

該工程案例應(yīng)用了較為智能化的公路路面平整度測(cè)量方法，通過單人-單車測(cè)量模式完成了路面平整度的實(shí)地測(cè)量工作。相比傳統(tǒng)的測(cè)量方式，本次測(cè)量試驗(yàn)無論是在設(shè)備的使用上或是在人員的配置上都達(dá)到了簡(jiǎn)約、高效和精準(zhǔn)的目的，智能化測(cè)試車為測(cè)試人員提供了一個(gè)功能完備的測(cè)試平臺(tái)，而手持終端的使用為測(cè)試人員提供了更多的便利。此外，精準(zhǔn)、高效的測(cè)量方式也節(jié)省了更多的建設(shè)成本，各方面的工程效益都十分顯著。

4.3 移動(dòng)互聯(lián)平整度測(cè)量法優(yōu)勢(shì)分析

4.3.1 提高測(cè)量效率

通過智能方法進(jìn)行路面的平整度測(cè)量，測(cè)試人員通過手持終端可實(shí)時(shí)觀察路面平整度狀況，并且測(cè)試車所搭載的無線傳感裝置接收和發(fā)送數(shù)據(jù)十分靈敏，后臺(tái)管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)分析和處理方面的速度非常快，發(fā)送到手持終端的分析結(jié)果也比較及時(shí)，這就保證了整個(gè)平整度測(cè)量的全過程是閉環(huán)、可控和高效的，也為工程技術(shù)人員的分析爭(zhēng)取了更多的時(shí)間。

4.3.2 提升測(cè)量精度

智能化的測(cè)量方法其底層架構(gòu)、設(shè)備達(dá)到了一定的自動(dòng)化和智能化程度，各個(gè)環(huán)節(jié)所用到的設(shè)備、部件均為當(dāng)前業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的產(chǎn)品，無論是在數(shù)據(jù)獲取的全面性方面，還是在數(shù)據(jù)分析的可靠性方面，都已形成較為完善的測(cè)量系統(tǒng)。因此，智能化的測(cè)量方法在路面平整度測(cè)量過程中的優(yōu)勢(shì)十分明顯，特別是在路面平整度測(cè)量的精度方面。

4.3.3 降低人工成本

相比過去路面平整度測(cè)量時(shí)的多人、多設(shè)備冗余工作，智能化測(cè)量方法所用到的人力、物力都大幅減少，測(cè)量人員完全可以獨(dú)自駕駛測(cè)量車并且手持測(cè)量終端完成整個(gè)路段的平整度測(cè)量工作，智能化的測(cè)量設(shè)備無論是在重量或體積上都能夠滿足單人測(cè)量作業(yè)的要求，智能化程度較高，人工成本較低。

5 結(jié)束語

公路路面的平整度測(cè)量技術(shù)一直以來都是路面質(zhì)量研究領(lǐng)域的重點(diǎn)課題，工程技術(shù)人員在測(cè)試人員、測(cè)試設(shè)備及測(cè)試方法等方面不斷地進(jìn)行嘗試和突破，以最少的測(cè)量成本獲取最佳的測(cè)量結(jié)果為最終目的。因此，各類智能化終端、測(cè)量設(shè)備的應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)低成本、高精度的測(cè)量提供了可能。本文重點(diǎn)論述了智能化平整度測(cè)量的方法及其在工程中的應(yīng)用，論證了單人-單車測(cè)量模式的可行性，為同類工程的路面平整度測(cè)量工作開辟了新的思路。