焦曉東，李洋溢

(1.廣西高速公路投資公司，廣西 南寧 530021；2.廣西交通設(shè)計集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

三維地質(zhì)建模的概念最早是由加拿大人SimonWHoulding于1993年提出的。三維地質(zhì)建模就是利用計算機(jī)技術(shù)將地質(zhì)、測孔、地球物理資料和各種解釋結(jié)果或者概念模型綜合在一起生成具有可視化效果的三維定量隨機(jī)模型，是用于地質(zhì)研究的一門新技術(shù)。

模型匯總了各種信息和解釋成果：(1)是地質(zhì)狀態(tài)的三維可視化，即可以由三維立體化的模型看到不同地質(zhì)狀態(tài)的空間分布和變化，也可以制作二維的圖片；(2)為我們提供了各類型數(shù)據(jù)的融合體，因為建模過程即各種數(shù)據(jù)的融合過程；(3)是我們進(jìn)行地層分析的平臺，從地質(zhì)模型可以得到巖層分布、屬性等基礎(chǔ)分析信息，大大提高我們對地層的認(rèn)識，由定性逐漸向定量的方向過渡。利用地質(zhì)領(lǐng)域的三維可視化建模軟件快速精確地建立復(fù)雜地層面、地質(zhì)體和網(wǎng)格模型，不僅方便將建立的地層面導(dǎo)入軟件生成地質(zhì)體，而且可將網(wǎng)格模型直接導(dǎo)出到數(shù)值分析軟件計算分析。三維可視化建模軟件具備強(qiáng)大的三維地質(zhì)建模和網(wǎng)格剖分功能，能夠有效地彌補(bǔ)數(shù)值軟件之前處理有關(guān)地質(zhì)基礎(chǔ)信息建模困難的問題。

隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的焦點是研究巖體的應(yīng)力狀態(tài)與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖體之間的相互作用，故量化的地質(zhì)狀態(tài)的空間分布以及地質(zhì)體屬性是隧道結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計的基礎(chǔ)信息。因此本文利用三維地質(zhì)建模技術(shù)進(jìn)行隧道地質(zhì)災(zāi)害原因分析、設(shè)計施工風(fēng)險分區(qū)指導(dǎo)以及結(jié)構(gòu)數(shù)值計算方面的探索。

1 三維建模軟件GOCAD及建模方法

本文所采用的GOCAD地質(zhì)建模軟件是法國Nancy大學(xué)開發(fā)的主要應(yīng)用于地質(zhì)領(lǐng)域的三維建模軟件。其采用三維矢量拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型開發(fā)了針對地質(zhì)建模特點的插值算法，即離散光滑插值算法(DSI)。DSI法利用相互連接具有空間實體幾何、物理特性的空間坐標(biāo)點模擬地質(zhì)體，已知節(jié)點的空間幾何與物理屬性被轉(zhuǎn)化為線形約束，引入到模型生成的全過程；DSI插值可將離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)曲面適用于自然物體，能夠較準(zhǔn)確地推算和模擬復(fù)雜的地形、地層、構(gòu)造曲面的特征與形態(tài)。

GOCAD地質(zhì)建模有兩種類型：

(1)構(gòu)造模型

通過建立構(gòu)造模型能夠模擬地層面、斷層面的形態(tài)、位置和相互關(guān)系，得到反映地質(zhì)體的各種屬性模型的可視化圖形。

(2)三維儲層?xùn)鸥衲Ｐ?/p>

根據(jù)建立的構(gòu)造模型，在3D Reservoir GridConstruction中可以建立實體模型；賦予地質(zhì)體參數(shù)化的巖層物理特性，并對這些特性參數(shù)進(jìn)行計算和解析，得到可用于數(shù)值模擬的地質(zhì)體物理參數(shù)模型。

構(gòu)造模型屬于基礎(chǔ)建模，主要采用線、面模型，重在模擬地質(zhì)體的空間幾何形態(tài)及其相互關(guān)系；柵格模型是在構(gòu)造模型的基礎(chǔ)上用三維網(wǎng)格(Sgrid)來模擬地質(zhì)體和地質(zhì)屬性參數(shù)的分布，是構(gòu)造模型的深入應(yīng)用。

2 三維地質(zhì)模型在隧道工程中的應(yīng)用思路

2.1 構(gòu)造模型的應(yīng)用思路

隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工因為地質(zhì)勘查手段的有限性和地質(zhì)體狀態(tài)的不確定性是動態(tài)的，故建設(shè)過程中存在的風(fēng)險也隨著地質(zhì)體狀態(tài)的清晰程度逐漸降低。因此，國標(biāo)中明確規(guī)定公路隧道設(shè)計、施工過程中的風(fēng)險評估以及在隧道施工過程中發(fā)生災(zāi)害時需進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測和成因分析成為隧道建設(shè)風(fēng)險管控的重要內(nèi)容，地質(zhì)體中的構(gòu)造信息成為控制隧道建設(shè)風(fēng)險管控最重要的基礎(chǔ)信息。

在地質(zhì)勘查手段有限、地質(zhì)信息不清晰的情況下，構(gòu)造模型基于基礎(chǔ)的地形、地層和斷層的局部特征可相對準(zhǔn)確推算出整個區(qū)域的構(gòu)造分布形態(tài)、位置、相互關(guān)系以及與隧道結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系。通過可視化的構(gòu)造模型，可以得到隧道設(shè)計、施工風(fēng)險評估中的兩個重要內(nèi)容：(1)隧道結(jié)構(gòu)風(fēng)險分區(qū)，即不良地質(zhì)體對隧道結(jié)構(gòu)的影響范圍。此內(nèi)容對設(shè)計中根據(jù)不良地質(zhì)狀態(tài)下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、針對性選用圍巖改善方法，以及在施工中重點采用多種探測手段驗證以及加強(qiáng)抗風(fēng)險各項施工措施，增加隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工安全系數(shù)，降低風(fēng)險具有重要意義。(2)隧道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測和原因分析。可視化的構(gòu)造模型可以直觀地展示構(gòu)造自身的幾何屬性以及構(gòu)造與隧道結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，通過結(jié)合其物理屬性以及其他如水文等信息，可以從不同的災(zāi)害機(jī)理中找到與之相符合或近似的特征，從而提前預(yù)測或者在災(zāi)害處理中較為準(zhǔn)確地推斷成因，有的放矢，選擇合理的預(yù)測和處治方式。

2.2 柵格模型的應(yīng)用思路

賦予巖層物理特性等各項參數(shù)的復(fù)雜地層面、地質(zhì)體和Sgrid網(wǎng)格模型，可將其局部的模型利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口將其轉(zhuǎn)換到如FLAC3D、Midas-gts或ABAQUS等數(shù)值分析軟件中進(jìn)行隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力計算。這樣既解決了在數(shù)值計算軟件中難于建立復(fù)雜地質(zhì)體的問題；也避免了三維地質(zhì)建模軟件不能進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算的問題，可將定性的風(fēng)險分析深入為定量的受力分析，從而具體指導(dǎo)選取隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。

雖然GOCAD軟件中生成的SGRID網(wǎng)格多為均勻網(wǎng)格，劃分簡便，但對形狀復(fù)雜的地質(zhì)體和結(jié)構(gòu)物生成的網(wǎng)格若直接應(yīng)用到數(shù)值計算軟件中可能影響數(shù)值計算結(jié)果的精確性，如網(wǎng)格密度、網(wǎng)格畸變等因素，故直接轉(zhuǎn)換到數(shù)值計算軟件中一般適合于相對簡單的數(shù)值計算模型，因此在具體實施中也可采用一些圖形處理軟件如SURFER、CATIA等進(jìn)一步編輯和優(yōu)化曲面、網(wǎng)格，然后導(dǎo)入到數(shù)值計算軟件中。

3 三維地質(zhì)模型在隧道工程中應(yīng)用實例

3.1 隧道災(zāi)害簡述

該隧道位于廣西岑溪市境內(nèi)，大致呈北南走向。隧道洞身從山體埡口的二級公路右側(cè)約60 m下方穿過，長度為790 m，最大埋深約136 m。2011年10月，隧道正在從出口往進(jìn)口方向單向掘進(jìn)，右洞掌子面進(jìn)至EK18+215樁號處(所處位置埋深127 m，距二級路215 m)上臺階進(jìn)行爆破開挖，起爆后發(fā)生大規(guī)模突泥地質(zhì)災(zāi)害，突泥量共計數(shù)萬立方米。次日上午察看隧道頂部地表，隧道左線FK18+185處的山坡上出現(xiàn)漏斗狀塌陷坑，陷坑周邊區(qū)域山體出現(xiàn)沉降裂縫，同時陷坑附近二級路段落排水溝出現(xiàn)掏空和路面開裂、沉降現(xiàn)象。

根據(jù)岑溪市區(qū)域地質(zhì)圖和現(xiàn)場踏勘、調(diào)查成果，發(fā)現(xiàn)隧址區(qū)南北和東西走向各發(fā)育一條區(qū)域性斷層：大隆至水汶正斷層(10NW48°)和西垌至嶺腳正斷層(80SE55°)。南北走向斷層起點始于大隆鎮(zhèn)附近，延伸至隧道進(jìn)口所在山坳與南渡至水汶公路緊貼并線一段，繼續(xù)向南擴(kuò)展至水汶鎮(zhèn)附近；東西走向斷層起點始于西垌鎮(zhèn)附近，沿南渡至水汶公路南側(cè)黃華河，向東發(fā)展與隧道相交，在隧址區(qū)盤山公路坡頂附近與大隆至水汶正斷層(10NW48°)交叉。

3.2 三維地質(zhì)構(gòu)造模型的建立

選取隧址區(qū)的地形圖，在AutoCAD軟件中將平面的等高線圖轉(zhuǎn)換為具有三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的等高線圖。首先使用UCS命令確定CAD原點，將絕對高程轉(zhuǎn)化為相對高程；高程值修改完畢，修改其在AutoCAD中等高線所在圖層的圖層名為英文名稱，并且使用purge命令刪去不需要的圖層保存為.DXF文件，同時將構(gòu)造面和路線數(shù)據(jù)也保存為.DXF文件。

在對地形精度要求不高的情況下，也可通過Google earth影像資料提取點云數(shù)據(jù)或下載strm地形數(shù)據(jù)建立地表曲面模型。

根據(jù)斷層構(gòu)造產(chǎn)狀參數(shù)、隧道線路數(shù)據(jù)以及隧址區(qū)1∶2 000地形圖的.DXF文件，在GOCAD中主要建立了隧道區(qū)域的三維地質(zhì)構(gòu)造模型。

3.3 利用構(gòu)造模型進(jìn)行災(zāi)害原因分析

從三維構(gòu)造模型上可清晰看出，大隆至水汶正斷層為紅色區(qū)域，西垌至嶺腳正斷層為桃紅色區(qū)域，二者交匯的區(qū)域在模型中為黃色；災(zāi)害發(fā)生的掌子面EK18+215處正好位于黃色區(qū)域附近，即位于兩個斷層交匯處(如圖1所示)。

圖1 構(gòu)造分布與隧道結(jié)構(gòu)三維空間關(guān)系圖

從模型中的山體走勢可以看出突泥的出口端較進(jìn)口端標(biāo)高低了許多，而且隧道出口段中風(fēng)化巖體完整性較好，形成了一個完整性較好的隔水板(綠色薄片)，地下水向低處流動并在隔水板前蓄積，在隧道開挖前形成一個相對穩(wěn)定的水頭差。

斷層交匯處受兩條斷層錯動影響，巖體在高溫高壓下受到擠壓摩擦變得更加破碎；裂隙極為發(fā)育，經(jīng)過久遠(yuǎn)地質(zhì)時期的風(fēng)化作用，巖石大部風(fēng)化成礦物顆粒和團(tuán)塊，同時因為大氣降水與風(fēng)化后產(chǎn)生的礦物細(xì)?；旌蠟槟酀{。

當(dāng)隧道從出口端開挖至EK18+215掌子面時，爆破導(dǎo)致隔水層巖體破壞，壓力水頭和爆破振動作用致使隔水層突然間被壓裂，地下水?dāng)y帶被風(fēng)化黏土礦物傾瀉而出如同決堤一般，形成突泥災(zāi)害。因大隆至水汶正斷層向西傾斜約48°(即向隧道側(cè)山體傾斜)，西垌至嶺腳正斷層向南(即向隧道岑溪端傾斜)約55°，交匯區(qū)在隧道頂部地表位置恰好指向隧道左線與二級路中間的區(qū)域(見圖2)。

涌水突泥發(fā)生后，掌子面上部的斷層交匯區(qū)形成局部空腔，在巖體自重和突泥負(fù)壓的影響下，交匯區(qū)上部的破碎巖體崩落填充空腔，最終沿著交匯區(qū)的空間傾斜角聯(lián)通地表，在掌子面EK18+215前方約30 m，右側(cè)約51 m位置，形成一個塌陷漏斗。同時周邊巖土向空腔區(qū)松弛以及與地下水位急劇下降的共同作用下，塌陷區(qū)周圍山體出現(xiàn)錯臺和后緣張拉裂縫，出現(xiàn)不穩(wěn)定的滑動趨勢。

圖2 地表塌陷、二級路與隧道平面位置關(guān)系圖

3.4 利用構(gòu)造模型指導(dǎo)隧道施工風(fēng)險分區(qū)

建立三維地質(zhì)模型之后，將其與隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維剖切，通過不同地質(zhì)體被賦予的色塊可以非常清晰地在隧道結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分區(qū)；斷層交匯段屬于施工風(fēng)險最高的區(qū)域；隧道分別處于南北和東西斷層，根據(jù)所屬斷層的不同屬性也可基本確定為風(fēng)險較高段落；相應(yīng)的較完整隔水巖體和斷層影響區(qū)域段落的風(fēng)險較低(見圖3)。

在后期的施工中，根據(jù)此模型提供的樁號位置，明確了隧道施工的風(fēng)險段落以及風(fēng)險程度，確定在施工中對最高風(fēng)險段落采取陸地聲吶和瞬變電磁物探，然后根據(jù)物探結(jié)果，在掌子面采取超前水平鉆探、超前泄水以及超前注漿措施；施工中超前鉆探以及后期施工所揭露的掌子面狀態(tài)顯示，三維地質(zhì)模型所預(yù)測的高風(fēng)險區(qū)和較高風(fēng)險的誤差約為10 m左右，達(dá)到了相對準(zhǔn)確的結(jié)果，有力地指導(dǎo)了后續(xù)施工處治，也有效提示了施工技術(shù)人員，避免人員、設(shè)備安全事故的發(fā)生，最終在6個月內(nèi)實現(xiàn)了隧道結(jié)構(gòu)對復(fù)雜地質(zhì)段落的穿越。

圖3 基于三維構(gòu)造模型的風(fēng)險分區(qū)示意圖

3.5 利用網(wǎng)格模型應(yīng)用于數(shù)值分析的嘗試

本文嘗試在構(gòu)造模型的基礎(chǔ)上建立三維網(wǎng)格模型并導(dǎo)入數(shù)值計算軟件進(jìn)行受力計算分析，但結(jié)果不盡如人意?？偨Y(jié)下來有以下因素：(1)對于整條隧道的三維地質(zhì)模型而言，本模型的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)值計算軟件有些龐大，導(dǎo)致后期數(shù)值計算較為困難且精度存在問題；(2)對于深埋段的隧道支護(hù)而言，支護(hù)周圍一定范圍內(nèi)的地質(zhì)體、構(gòu)造面與支護(hù)的相互作用是關(guān)鍵，因此若需要較好的計算結(jié)果，通過簡化的選取局部的三維網(wǎng)格模型并對網(wǎng)格進(jìn)行加密并加載合適的邊界條件似乎更重要；(3)就計算結(jié)果而言，因為地質(zhì)體參數(shù)以及巖土本構(gòu)的原因，隧道支護(hù)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)可以用于支護(hù)受力特征研究，以及支護(hù)參數(shù)、開挖方式等的參考，但不能直接用于設(shè)計。因此，如何更好地將網(wǎng)格模型應(yīng)用于隧道受力數(shù)值分析還有待于更進(jìn)一步的探索和驗證。

4 結(jié)語

通過三維地質(zhì)模型在隧道工程中應(yīng)用的初探，可得出以下幾點思路：

(1)三維地質(zhì)模型在隧道工程中的應(yīng)用具有良好的可視化效果，能夠較清晰地反映地質(zhì)狀態(tài)的特點。三維地質(zhì)構(gòu)造模型的應(yīng)用具有顯著的效果，尤其是在定性工作即隧道風(fēng)險評估和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測與分析方面具有明顯的優(yōu)點。

(2)三維地質(zhì)網(wǎng)格模型的應(yīng)用與構(gòu)造模型應(yīng)用的側(cè)重點應(yīng)有所區(qū)別，受限于模型大小等各種因素的影響，適宜用于局部地質(zhì)體、構(gòu)造面與隧道結(jié)構(gòu)的相互作用的計算，即其結(jié)果可作為不良地質(zhì)體段落隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計的參考。

(3)把前期建立三維地質(zhì)模型設(shè)置風(fēng)險分區(qū)以及預(yù)警機(jī)制與后期的超前地質(zhì)預(yù)報工作、動態(tài)設(shè)計、施工措施結(jié)合起來才能在隧道建設(shè)風(fēng)險管控中充分發(fā)揮其作用。

(4)其他更為復(fù)雜的有關(guān)三維地質(zhì)建模以及如何將網(wǎng)格模型更好地應(yīng)用于隧道工程等問題還有待以后更深入研究。

[1]邵國波，郭 艷，蔡 冰.GOCAD軟件在三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用[J].山東交通科技，2010(5)：25-27.

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[4]劉先林，唐正輝.三維地質(zhì)建模與數(shù)值模擬關(guān)鍵技術(shù)研究[J].西部交通科技，2016(5)：1-5，9.