一种场地平整工程智能施工方法及系统与流程

本发明涉及建筑工程施工，特别是一种场地平整工程智能施工方法及系统。

背景技术：

1、场地平整工程是建设工程的基础性工序，其施工质量和效率直接影响后续工程的顺利推进。场地平整主要包括对原始地形的挖方、填方、运输、压实等作业环节，涉及大量土方调配工作。

2、随着测量与传感技术的发展，无人机激光雷达地形测量、土方量电算、连续压实监控等技术已分别应用于场地平整施工。然而，申请人经工程实践发现，现有智能化施工方式仍存在以下技术问题：

3、（1）测量、调配、监控各系统相互独立，形成"测控两张皮"：压实监控系统采集的数据仅用于该填筑层的事后验收判定，验收数据不回传、不参与后续施工决策；土方调配方案在开工前一次性确定后不再调整，无法响应施工过程中暴露的实际地质与压实质量状况。

4、（2）地基处理与压实验收相互脱节：软弱地基预处理的设计与压实验收标准分别依据不同环节的经验确定，同一场地内不同地质条件的区域往往执行同一验收标准，处理等级高的区域验收标准未相应提高，处理效果无法通过验收环节验证闭环。

5、（3）压实合格判定指标单一：现有连续压实监控多以压实度代表值单指标判定，或以连续测值的离散程度辅助判断，无法同时反映填筑层的整体压实水平、均匀性和局部缺陷，刚度薄弱区容易被平均指标掩盖，形成隐蔽质量隐患。

6、（4）施工控制只有"事后判定"、没有"事前预测"：现有压实监控是"边压边测、不合格再补压"的事后控制模式，碾压遍数与虚铺厚度凭经验初定，无法在每层施工前预测达到验收标准所需的施工参数，过压浪费与欠压返工都难以避免；且已有碾压数据未沉淀为可复用的预测模型，每一层都从"零经验"开始。

7、（5）忽视层间刚度的相互影响：填筑体是逐层叠加的层状结构，下层的压实状态直接影响上层的压实效率与持力性能，现有验收对各层采用相互独立的判定标准，可能出现上层刚度高于下层刚度的"层间刚度倒挂"，在荷载作用下产生差异沉降。

8、（6）地质模型"一勘定终身"：地质勘察在开工前完成，勘察钻孔间距有限，未探明的软弱体只有在填筑出现质量问题后才被动暴露，此时返工代价高昂；施工过程中产生的大量压实响应数据未被用于验证和修正地质模型，形成数据浪费。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述不足，提供一种场地平整工程智能施工方法及系统，实现场地平整工程施工质量的预测性控制与填料资源的动态优化配置。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种场地平整工程智能施工方法，包括以下步骤：

4、s1、多源勘测与三维叠合建模：建立包含地形、软弱地层和设计面的三维叠合模型；

5、s2、施工质量分区与土方调配初始优化：根据叠合模型中软弱地层的分布划分施工质量分区并确定地基处理等级，建立以运输成本与质量风险成本之和最小为目标的土方调配模型，输出初始土方调配方案；

6、s3、分层开挖与按处理等级差异化预处理：按初始土方调配方案分层开挖，并按各施工质量分区的地基处理等级实施差异化预处理；

7、s4、分层填筑与压实过程监控：分层填筑并实时采集压实过程信号与碾压轨迹，解算表征填筑层压实状态的压实质量指标，并将压实质量指标与碾压轨迹的空间坐标绑定；

8、s5、刚度场反演与三指标联合判定：将与碾压轨迹绑定的压实质量指标经网格化插值反演生成该填筑层的刚度场分布图；按该施工质量分区的地基处理等级调用对应的差异化验收阈值组，并按下一层已填筑层的实测刚度场对差异化验收阈值组进行层间动态修正；以压实质量指标代表值、刚度场均匀性离散值和刚度薄弱区面积占比三项指标联合判定该填筑层是否合格；判定不合格时执行分级处置并复测，直至判定合格；

9、s6、前馈预测与反馈校正：基于已填筑各层的刚度场分布图序列和对应施工参数，建立表征压实质量指标随碾压遍数和虚铺厚度变化的刚度增长响应模型，在每一填筑层施工前，以前馈方式预测该填筑层达到差异化验收阈值组所需的碾压遍数和虚铺厚度，指导该层施工；该层判定合格后，以实测压实质量指标与预测值的偏差对刚度增长响应模型的模型参数进行反馈校正；同时将该层的刚度场分布图和填料实测参数回传至土方调配模型，以刚度薄弱区的空间位置为约束对剩余土方调配方案进行再优化，使级配和含水率满足预设要求的填料优先调配至刚度薄弱区所在的施工质量分区；

10、s7、地质模型回写与补充勘察触发：将各填筑层经步骤s5识别的压实响应分布回写至叠合模型中的软弱地层三维分布模型，对软弱地层的空间分布进行动态修正；当同一平面位置在连续的多个填筑层均被判定为刚度薄弱区时，判定该位置存在未探明软弱体，触发对该位置的补充勘察，并根据补充勘察结果更新叠合模型、重新划分施工质量分区及其地基处理等级，相应重构土方调配方案；

11、s8、循环执行步骤s4至s7直至填筑完成，对场地进行精细整平，采用gps实时动态测量技术复测场地标高，经检测合格后形成竣工资料。

12、优选地，所述步骤s1具体为：利用无人机搭载激光雷达扫描仪对施工场地进行全覆盖扫描，获取场地点云数据，建立三维地形模型，并将地质勘察数据插值建为软弱地层三维分布模型，与按设计标高建立的设计面模型叠合，形成叠合模型。

13、优选地，所述步骤s2具体为：根据所述叠合模型中软弱地层的埋深和厚度，将施工场地划分为若干施工质量分区，并确定各施工质量分区的地基处理等级；基于叠合模型计算各施工质量分区的挖方量与填方量，以运输成本与质量风险成本之和最小为目标函数建立土方调配模型，求解输出初始土方调配方案。

14、优选地，所述步骤s2中，地基处理等级按软弱地层的埋深和厚度划分为三级：施工质量分区内无软弱地层分布的为ⅰ级；存在软弱地层且埋深大于预设埋深值、厚度小于预设厚度值的为ⅱ级；软弱地层埋深不大于预设埋深值或厚度不小于预设厚度值的为ⅲ级。

15、优选地，所述步骤s2中，土方调配模型的约束条件包括：各料源填料的含水率须处于预设含水率区间内；各施工质量分区的日调配量不超过压实设备的日产能；以及工作面时序约束，即施工质量分区未完成差异化预处理并验收合格前，该分区对应的填方工作面不安排填料调入。

16、优选地，所述步骤s3具体为：按照初始土方调配方案对挖方区自上而下分层开挖；对填方区按各施工质量分区的地基处理等级实施差异化预处理，地基处理等级越高，预处理采用的强夯能级越大或换填厚度越大，预处理完成并经验收合格的施工质量分区方可进入填筑工序。

17、优选地，所述步骤s4具体为：在验收合格的施工质量分区内分层填筑土料，压实机械上设置的智能压实监控装置实时采集压实过程中的振动加速度信号和碾压轨迹，由振动加速度信号解算表征填筑层压实状态的压实质量指标，并将压实质量指标与碾压轨迹的空间坐标绑定上传。

18、优选地，所述步骤s5中，刚度场分布图的生成方法为：以碾压轨迹上的采样点为离散点，将各采样点绑定的压实质量指标采用反距离加权插值或克里金插值映射至规则网格，网格尺寸不大于压实机械碾压轮宽度的二分之一，得到刚度场分布图。

19、优选地，所述步骤s5中，三指标联合判定的规则为：压实质量指标代表值不低于差异化验收阈值组中的代表值下限、刚度场均匀性离散值不大于差异化验收阈值组中的离散值上限、刚度薄弱区面积占比不大于差异化验收阈值组中的占比上限，三项指标同时满足时判定该填筑层合格；其中刚度薄弱区为刚度场分布图中压实质量指标低于代表值下限的连续网格区域。

20、优选地，所述差异化验收阈值组的取值规则为：地基处理等级越高，对应的压实质量指标代表值下限越大，刚度场均匀性离散值上限和刚度薄弱区面积占比上限越小。

21、优选地，所述步骤s5中，分级处置按以下顺序逐级执行：第一级，对刚度薄弱区补充碾压后复测；第二级，补充碾压后复测仍不合格的，对刚度薄弱区的填料进行翻晒或掺料改良后复压、复测；第三级，经第二级处置复测仍不合格的，对刚度薄弱区进行局部换填并复测，同时将换填位置和换填材料信息回填至土方调配模型。

22、优选地，所述步骤s5中，层间动态修正的规则为：当下一层已填筑层对应网格位置的实测压实质量指标低于所属分区差异化验收阈值组的代表值下限时，按预设幅度提高当前填筑层对应网格位置的代表值下限，防止形成上层刚度高于下层刚度的层间刚度倒挂；当下一层已填筑层对应网格位置的实测压实质量指标高于代表值下限达到预设裕度时，按预设幅度降低当前填筑层的目标碾压遍数。

23、优选地，所述步骤s6中，刚度增长响应模型的建立与校正方法为：以各已填筑层同一网格位置处压实质量指标随碾压遍数增长的采样序列为训练数据，拟合表征压实质量指标与碾压遍数、虚铺厚度之间映射关系的响应曲线；施工下一填筑层时，由响应曲线外推达到差异化验收阈值组所需的目标碾压遍数和目标虚铺厚度；该层施工完成后，以实测压实质量指标序列与响应曲线预测值的偏差更新响应曲线的模型参数。

24、优选地，所述步骤s7中，补充勘察的触发条件为：同一平面位置在连续n层填筑层的刚度场分布图中均被判定为刚度薄弱区，n为不小于2的预设整数；补充勘察完成后，将勘察揭露的软弱体空间范围写入软弱地层三维分布模型，并重新执行步骤s2中的施工质量分区划分、地基处理等级确定和土方调配方案求解。

25、优选地，还包括施工过程中的环境保护措施，包括：在挖填施工边界设置防尘网或洒水降尘装置；在施工区域外围设置临时排水沟；施工机械尾气排放符合国家标准《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法》gb 20891-2014的要求。

26、另外，本发明还公开一种场地平整工程智能施工系统，用于实现上述的场地平整工程智能施工方法，包括：

27、数据采集模块，包括搭载激光雷达扫描仪和惯性测量单元的无人机，用于采集施工场地的三维点云数据；

28、三维建模与分析模块，与数据采集模块通信连接，用于将点云数据与地质勘察数据、设计标高建立为叠合模型，划分施工质量分区并确定地基处理等级，建立并求解土方调配模型，以及根据回写数据更新叠合模型；

29、智能压实监控模块，安装于压实机械上，包括加速度传感器、振动频率采集器及无线数据传输单元，用于实时采集振动加速度信号与碾压轨迹并上传；

30、施工管控中心，分别与三维建模与分析模块、智能压实监控模块通信连接，内置刚度场反演单元、联合判定单元、前馈预测单元、反馈修正单元和模型更新单元：刚度场反演单元用于将压实质量指标网格化插值生成刚度场分布图；联合判定单元用于按施工质量分区的地基处理等级调用差异化验收阈值组并进行层间动态修正，进行三指标联合判定；前馈预测单元用于建立刚度增长响应模型并预测下一填筑层的碾压遍数和虚铺厚度；反馈修正单元用于以实测值与预测值的偏差校正刚度增长响应模型的模型参数，并将判定结果和刚度场分布图回传三维建模与分析模块，触发土方调配方案再优化；模型更新单元用于将压实响应分布回写软弱地层三维分布模型，并在连续的多个填筑层于同一平面位置均被判定为刚度薄弱区时触发补充勘察；

31、gps实时动态测量单元，用于竣工标高复测。

32、进一步地，所述施工管控中心设有bim集成平台，将叠合模型、施工质量分区、各填筑层刚度场分布图、刚度增长响应曲线、联合判定结果及施工进度进行集成展示，实现施工全过程可视化管理。

33、本发明有益效果：

34、1、本发明通过分区定级、差异化处理与验收、前馈预测与反馈校正和地质模型回写的自更新闭环控制，使压实质量数据同时服务于本层验收、下层修正、上层预测和地质模型更新，实现场地平整工程施工质量的预测性控制与填料资源的动态优化配置。

35、2、本发明由事后控制升级为预测性控制，其刚度增长响应模型利用已填筑各层数据拟合压实质量指标与碾压遍数、虚铺厚度的映射关系，每层施工前前馈预测目标碾压遍数与虚铺厚度，施工后以实测偏差校正模型参数，形成前馈预测、反馈校正双环，碾压参数由凭经验初定、不合格再返工转变为按模型预测、随施工进化，同时抑制过压浪费与欠压返工（参见图5）。

36、（2）本发明消除层间刚度倒挂，其验收阈值组按下一层实测刚度场动态修正，下层欠压位置对应提高上层验收标准、下层裕度充足位置对应降低上层目标碾压遍数，保证填筑体刚度沿层位协调分布，避免层间差异沉降。

37、（3）本发明的压实数据反哺地质模型，实现以压验勘，其各层压实响应分布回写软弱地层三维分布模型；同一平面位置连续多层判定薄弱时触发补充勘察，勘察结果更新叠合模型并重新分区、重构调配方案。未探明软弱体由出质量事故后被动暴露转变为连续薄弱自动预警、主动补勘，且每次补勘都使模型更精确，叠合模型在全施工周期内持续进化。

38、（4）本发明形成三重嵌套闭环：内环（本层：监控、反演、判定、分级处置）、中环（层间：前馈预测、施工、反馈校正、阈值继承修正）、外环（全场：地质模型回写、补充勘察、重新分区、调配重构）。三环共用同一刚度场数据流，数据一次采集、四级复用（验收、下层修正、上层预测、地质更新），各环节功能上相互制约、彼此支持，取得单技术叠加无法实现的协同效果。

39、（5）本发明处理与验收等级联动、三指标联合判定、多约束调配的有益效果与前述机制叠加，使处理效果由差异化验收验证闭环，薄弱区定向补强，优质填料按需配置。