周念清， 楊浩博， 楊 磊， 劉先林

(1. 同濟(jì)大學(xué)水利工程系， 上海 200092； 2. 南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司， 廣西 南寧 530021； 3. 廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 廣西 南寧 530029)

0 引言

城市軌道交通因其綠色、安全、運(yùn)量大和運(yùn)效高等特點(diǎn)成為城市公共交通不可或缺的組成部分。截至2018年底，我國(guó)共有35個(gè)城市開(kāi)通了軌道交通，運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)5 766.6 km，城市地鐵累計(jì)長(zhǎng)度為4 544.3 km，占線路總長(zhǎng)的78.8%[1]。到2035年，全國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程有望達(dá)到15 000 km[2]。在此背景下，為了使我國(guó)城市軌道交通建設(shè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，研究不良地質(zhì)環(huán)境、減少資金投入、優(yōu)化城市軌道交通線路設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

在軌道交通選線中，傳統(tǒng)的二維選線設(shè)計(jì)方法已無(wú)法滿足龐大的選線設(shè)計(jì)需求。三維地質(zhì)模型作為一種能夠直觀反映地層、地質(zhì)構(gòu)造和巖性空間分布的地質(zhì)工具，已被廣泛應(yīng)用到油藏、采礦、水利、交通等行業(yè)的地質(zhì)勘探及地學(xué)研究工作當(dāng)中[3-5]。它也可以為地鐵工作選線提供新的解決方案，但由于地鐵工程是線性工程，呈條帶狀分布，需要對(duì)建模方法進(jìn)一步優(yōu)化才能應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的實(shí)際選線工作中。

三維地質(zhì)建模按照數(shù)據(jù)來(lái)源，可以分為基于鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)以及多源數(shù)據(jù)等的多種建模方式[6-9]。其中，基于鉆孔數(shù)據(jù)的建模方式應(yīng)用最為廣泛。在研究過(guò)程中，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)在采用鉆探資料進(jìn)行地質(zhì)體的三維可視化時(shí)，模型外推預(yù)測(cè)往往會(huì)與實(shí)際情況產(chǎn)生偏離。袁峰等[10]在煤層頂板巖性預(yù)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，在鉆孔數(shù)量有限的情況下，在孔間和外推區(qū)域鉆探所得的煤層頂板巖性預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況存在較大誤差，由此提出一種基于指示克里金的序貫指示模擬方法。李曉軍等[11]在對(duì)上海長(zhǎng)江隧道進(jìn)行地層建模時(shí)，發(fā)現(xiàn)不連續(xù)地層厚度估計(jì)時(shí)只使用普通克里金并不能很好地判斷出地層的缺失與存在情況，由此提出一種聯(lián)合使用指示克里金(IK)和普通克里金(OK)的估計(jì)方法。因此，將基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模應(yīng)用于地鐵選線時(shí)，對(duì)建模方法進(jìn)行優(yōu)化就需要對(duì)外推或缺少鉆孔資料的建模進(jìn)行研究。

地層建模與巖性建模是基于鉆孔數(shù)據(jù)建模方式的2種典型方法。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，由于地層模型有良好的成層性且符合地質(zhì)工作習(xí)慣，大體上可以滿足工作需要，因此為廣大地質(zhì)工作者所采用。巖性建模是一種非傳統(tǒng)的地質(zhì)建模方法，采用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，按照數(shù)據(jù)預(yù)處理格式定義各巖性材料，將其賦予每個(gè)單元，對(duì)用鉆孔揭露復(fù)雜地層巖性材料空間分布具有更合理的描述。張峰等[12]通過(guò)廣義三棱柱建模原理，融合物探、化探、地調(diào)資料構(gòu)建了相對(duì)準(zhǔn)確的三維地層模型。劉愛(ài)群等[13]介紹了巖性建模的原理，并基于三維巖性模型建立了三維壓力模型。

通過(guò)上述學(xué)者的研究成果可知，現(xiàn)今對(duì)三維地質(zhì)建模的研究多停留在單一方式的原理及應(yīng)用層面。對(duì)于同一區(qū)域內(nèi)不同部分具有不同性質(zhì)和特點(diǎn)的情況，如僅采用單一的建模方式已無(wú)法滿足需求。本文借鑒前人的已有成果對(duì)該情形進(jìn)行研究，擬將2種典型方式聯(lián)合使用，并對(duì)其效果進(jìn)行分析和檢驗(yàn)。本文采用Earth Volumetric Studio軟件(以下簡(jiǎn)稱EVS)對(duì)南寧市軌道交通3號(hào)線青秀山站至博藝路站區(qū)間進(jìn)行三維地質(zhì)建模，利用鉆孔數(shù)據(jù)分別對(duì)地層建模與巖性建模的模擬效果和特點(diǎn)進(jìn)行分析比較，提出地層-巖性建模方法，以提高建模方法的適應(yīng)性，滿足城市軌道交通需求。

1 基于EVS的地質(zhì)建模方法

1.1 EVS對(duì)地層層序的定義

地層層序是EVS創(chuàng)建地層模型、進(jìn)行地質(zhì)解釋的必要前提。通常對(duì)地層信息的解釋分為2種方式： 一種是僅依靠鉆孔揭露的地層信息；另一種是包含層序且進(jìn)行地質(zhì)解釋的層序地層信息。EVS創(chuàng)建地層模型時(shí)，采用后者來(lái)表達(dá)鉆孔揭露的地層信息。這種解釋方法需要將模型中的所有地層按照從上至下的層級(jí)排序，但實(shí)際地層中存在尖滅或透鏡體等現(xiàn)象，很難將地層按照特定層級(jí)排序。為解決這類問(wèn)題，就需要用到層序劃分方法。

實(shí)際地層層序如圖1所示，0為砂土，1為黏土，2為礫石土。假設(shè)整個(gè)場(chǎng)地最左側(cè)、最右側(cè)和中間各有1個(gè)鉆孔，兩側(cè)的鉆孔都沒(méi)有揭露黏土透鏡體，因此，這2個(gè)鉆孔中只有2種材料，即2個(gè)地層，而中間的鉆孔中有3種材料、4個(gè)地層。EVS中層序劃分的方法將研究區(qū)內(nèi)的所有位置都視為具有完整的沉積巖層，通過(guò)調(diào)節(jié)尖滅層地層的厚度為0來(lái)產(chǎn)生地層結(jié)構(gòu)。如圖2所示，EVS層序劃分將該地層看作4層，分別為上部砂土(0)、黏土(1)、下部砂土(2)和礫石土(3)。在輸出模型時(shí)，只要保證層0和層2具有相同的顏色和紋理，那么層0和層2看上去只是一層，與實(shí)際地層結(jié)構(gòu)一致[14]。

圖1 實(shí)際的地層層序[14]

圖2 EVS的地層層序[14]

1.2 地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

對(duì)地層空間分布進(jìn)行三維描述，就必須有能夠?qū),y,z三維域信息進(jìn)行展示的手段。傳統(tǒng)的方法是通過(guò)鉆孔獲取離散點(diǎn)在豎向上的地質(zhì)信息。對(duì)于三維模型，若要對(duì)所有位置進(jìn)行準(zhǔn)確控制就需要布置更多的鉆孔，顯然成本過(guò)高且不切實(shí)際。因此，必須通過(guò)點(diǎn)源數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)空間任意位置的信息進(jìn)行插值估算。

法國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家Matheron根據(jù)南非采礦工程師Krige開(kāi)發(fā)的一種新的礦藏評(píng)價(jià)方法，提出地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)概念。在地質(zhì)建模中地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)理論主要是建立屬性網(wǎng)格，將鉆孔得到的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，外推于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)格內(nèi)的任意位置。在EVS中還可以將目標(biāo)地塊內(nèi)的其他信息構(gòu)建的模型，如三維物探數(shù)據(jù)模型、地下水水頭模型等，疊加或合并于基礎(chǔ)地質(zhì)模型中。這為多元數(shù)據(jù)的耦合、驗(yàn)證插值或外推效果提供了技術(shù)手段。

克里金法是EVS中采用的最基礎(chǔ)的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。設(shè)Z(x)是被定義在點(diǎn)上的區(qū)域化變量，且假定Z(x)服從二階平穩(wěn)假設(shè)。根據(jù)克里金法，可利用待估域V周圍的一組信息值{Zα，α=1,2,…,n}，對(duì)中心位于x0的域V(x0)的平均值進(jìn)行估計(jì)。

(1)

在二階平穩(wěn)下，待估域V的實(shí)際值Z的估計(jì)值Z*是這n個(gè)有效數(shù)據(jù)Zα(α=1,2,…,n)的線性組合。

1.3 典型建模方式

EVS提供了2種典型的建模方式，分別是地層建模和巖性建模。這2種建模方法具有各自的特點(diǎn)和適用條件，在構(gòu)建地質(zhì)模型時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)的特性進(jìn)行分析，選擇適合的建模方式。

1.3.1 地層建模

地層建模是通過(guò)對(duì)原始鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行層序劃分，得到包含地層層序的數(shù)據(jù)格式。地層建模采用的是不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN)[15]，TIN是通過(guò)對(duì)有限點(diǎn)進(jìn)行Delaunay三角剖分構(gòu)建的。與傳統(tǒng)方法不同的是，EVS采用了三維交互方式進(jìn)行層序劃分，通過(guò)各個(gè)巖性分界點(diǎn)所屬的三維面確定各個(gè)鉆孔中的層序，再通過(guò)該格式創(chuàng)建地層界面，最后采用克里金插值方法得到地層模型，見(jiàn)圖3。

對(duì)于地層劃分清晰、鉆孔布置充足且均勻的情形，地層建模是最優(yōu)的三維建模方式。因?yàn)橥ㄟ^(guò)該方式建模，每個(gè)地層都可以創(chuàng)建清晰平滑的邊界，層與層之間還可以通過(guò)分層顯示方式觀察模型。除此之外，地層建模方法在劃分好層序之后，具有極高的運(yùn)行效率，可以快速地生成地層模型，且方便展示和查看。

(a) 層序劃分

1.3.2 巖性建模

采用地層建模方式可以創(chuàng)建大部分的地質(zhì)模型，但對(duì)于含有特殊地質(zhì)構(gòu)造(如侵入巖、巖溶、褶皺等)的情形，并不適合采用層序劃分的地層建模。對(duì)于大尺度的地質(zhì)模型，鉆孔本身非常復(fù)雜，同種巖性反復(fù)出現(xiàn)，因此無(wú)法劃分層序，也不適合采用地層建模，如圖4所示。

圖4 復(fù)雜鉆孔的情形

針對(duì)這類情況，EVS提供了一種行之有效的GIK(Geologic Indicator Kriging)巖性建模方法。它最大的特點(diǎn)就是采用原始鉆孔數(shù)據(jù)建模，不需要人為干預(yù)或?qū)︺@孔數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，完全由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。因此，巖性建模適用于很難進(jìn)行層序劃分的鉆孔數(shù)據(jù)。由于巖性建模是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型的建模方法，無(wú)需人為干預(yù)，因此對(duì)特殊地質(zhì)構(gòu)造(如透鏡體)的描述更加客觀準(zhǔn)確。它采用的是方格網(wǎng)形式，這種模型對(duì)網(wǎng)格單元進(jìn)行插值，如不加處理，得到的模型就會(huì)呈鋸齒狀。為此，EVS提供了一種平滑巖性建模方法，使生成的巖性模型具有平滑的界面，但這種方法建模比較耗時(shí)，無(wú)法快速得到地質(zhì)模型。

2 EVS耦合地層-巖性三維地質(zhì)建模方法

2.1 耦合建模方法

單獨(dú)采用地層建模和巖性建模各有利弊，為了取得更精確且能夠滿足實(shí)際需要的模型，可考慮將二者相結(jié)合得到既能描述復(fù)雜巖性又能反映地層成層性的模型，以滿足選線工程地質(zhì)建模的需要。為此，提出了以下2種思路。

1)利用地層建模層序劃分的方法界定出地質(zhì)模型的各層邊界，再利用巖性建模的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法(GIK方法)在邊界內(nèi)部進(jìn)行地層巖性的分配。

這種方法既保留了地層建模對(duì)層面的清晰劃分，每層內(nèi)部又是由指示克里金插值得到的結(jié)果，可以描述復(fù)雜的鉆孔情況，既能進(jìn)行層面間的分離顯示功能，又能選擇查看特定的巖性材料在空間的分布。該方法適用于地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是大尺度、大區(qū)域的三維地質(zhì)模型。

2)對(duì)于整體地層分層清晰，但存在部分區(qū)域巖性復(fù)雜的情況，可以對(duì)性質(zhì)不同的部分分別采用地層和巖性建模來(lái)構(gòu)建模型，再將兩者耦合疊加在一起。該方法保留了2種模型的特性，且互不干擾，適用于區(qū)域地質(zhì)條件分層規(guī)律明顯但伴隨有巖溶等復(fù)雜地質(zhì)體存在的情形。這種方法也可以清楚反映某種巖性材料在空間上的分布與相對(duì)位置。

本文采用第1種方法進(jìn)行耦合建模研究。

2.2 EVS輸入文件格式

為了創(chuàng)建滿足各種需求的地質(zhì)模型，EVS提供了5種標(biāo)準(zhǔn)輸入文件格式。分別是PGF(Pre Geology File)文件、GEO(Boreh-ole Geology Stratigraphy)文件、GMF(Geology Multi-File)文件、APDV(Analyte Point file format)文件、AIDV(Analyte Interval Data File Format)文件。APDV和AIDV格式是用于創(chuàng)建屬性模型的輸入格式，這里主要介紹用于創(chuàng)建地質(zhì)模型的輸入格式PGF、GEO、GMF。

PGF即地質(zhì)預(yù)處理格式，表達(dá)的是沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的鉆孔數(shù)據(jù)，包含鉆孔及巖性分界點(diǎn)的空間位置信息。GEO和GMF是對(duì)PGF進(jìn)行層序劃分后得到的包含地層層序的文件格式。

2.3 數(shù)據(jù)處理及程序模塊

2.3.1 數(shù)據(jù)處理

為了得到三維地質(zhì)建模所需要的各種數(shù)據(jù)文件，需將鉆孔數(shù)據(jù)按照鉆孔ID、地層頂板和底板埋深、地面標(biāo)高、巖性名稱等存儲(chǔ)在EXCEL表格中，通過(guò)EVS自帶的文件轉(zhuǎn)換工具生成PGF，再通過(guò)應(yīng)用模塊make_geo_hierarchy，利用不規(guī)則三角網(wǎng)模型及地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)自上而下地對(duì)地層進(jìn)行劃分，得到包含層序信息的GEO和GMF格式文件，如圖3(a)所示。

2.3.2 程序模塊與建模流程

EVS是一款功能強(qiáng)大且適用于地球科學(xué)領(lǐng)域的可視化3D建模分析軟件，包括估計(jì)(Estimation)、地質(zhì)(Geology)、顯示(Display)等19類百余個(gè)應(yīng)用程序模塊。本文主要用到如下模塊： krig_3d_geology、indicator_geology、explode_and_scale、select_cells、external_faces、post_samples、legend、viewer以及make_geo_hierarchy模塊等。

圖5示出第1種耦合建模方式(即地層-巖性建模)的應(yīng)用模塊流程。

圖5 地層-巖性建模應(yīng)用模塊流程

EVS利用不同應(yīng)用模塊構(gòu)建地層-巖性耦合模型的步驟如下：

1)將包含地層層序信息的GMF文件輸入到krig_3d_geology模塊中，該模塊利用鉆孔揭露的地表與地層等數(shù)據(jù)信息界定地質(zhì)層的邊界，生成進(jìn)行三維地質(zhì)建模和參數(shù)估計(jì)的框架模型，過(guò)程如圖3所示。此框架模型包含有層序劃分，且各分層與地層模型相一致但沒(méi)有進(jìn)行巖性插值的狀態(tài)。

2)將上一步生成的框架導(dǎo)入indicator_geology模塊中，并輸入原始的PGF文件。該模塊利用指示克里金方法在框架模型內(nèi)部進(jìn)行巖性插值，將土層的巖性分配到各個(gè)網(wǎng)格單元中，完成2種模型特性的耦合。

3)將得到的模型依次連接到explode_and_scale、select_cells、external_faces以及viewer等顯示功能模塊，這些模塊分別對(duì)應(yīng)的是按不同巖性分層顯示功能、選擇特定巖性材料顯示功能、對(duì)模型進(jìn)行3D渲染功能以及總的顯示功能。post_samples和legend則是顯示三維鉆孔和圖例的模塊。利用這些顯示模塊對(duì)模型進(jìn)行最終的三維展示。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

南寧市軌道交通3號(hào)線地鐵工程青秀山站至博藝路站區(qū)間(以下稱青博區(qū)間)橫跨邕江位于南寧市青秀區(qū)和邕寧區(qū)兩區(qū)交界處，里程范圍ZDK20+255.879c～ZDK22+293.000，均為地下線路，如圖6所示。

圖6 工程線路示意圖

青博區(qū)間段地勢(shì)整體上北高南低，地形變化較大，地面高程(黃海高程)從81.07 m到121.48 m，高差達(dá)40.41 m，平均坡度4.7%。該區(qū)間地形較為復(fù)雜，地層分布有軟弱土、膨脹土及半成巖等特殊巖土。

地鐵區(qū)間段勘探鉆孔揭露的地層主要是：①2素填土、②1淤泥、⑦1泥巖和粉砂質(zhì)泥巖、⑦2粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖、⑦3粉砂質(zhì)泥巖和⑦4炭質(zhì)泥巖。該區(qū)間鉆孔示意圖如圖7所示。

圖7 青博區(qū)間鉆孔示意圖

3.2 EVS建模與分析

為了探明研究區(qū)段地質(zhì)體的分布情況，首先，利用勘探鉆孔數(shù)據(jù)分別構(gòu)建地層模型及巖性模型； 然后，將地層-巖性耦合建模方法構(gòu)建地層-巖性模型，并將3種地質(zhì)建模方法進(jìn)行比較以闡明建模效果。建模數(shù)據(jù)選自南寧市軌道交通3號(hào)線工程青秀山站至博藝路站區(qū)間段113個(gè)鉆孔的1 127條巖性數(shù)據(jù)。

1)巖性模型。如圖8所示，該方法與鉆孔揭示的地層巖性信息擬合較好，能夠清晰直觀地反映模型內(nèi)部透鏡體與地層尖滅位置的分布，且能直接生成水平的模型底面。模型整體能夠與地質(zhì)剖面圖保持一致，但在連接鄰近鉆孔巖性分界點(diǎn)時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)階梯狀的異變，對(duì)于層面間關(guān)系的描述不夠清晰，不能將模型沿層面分層展示。

圖8 巖性模型

2)地層模型。在同種巖土層反復(fù)交替出現(xiàn)、存在大量透鏡體的情況下，如圖8左下部所示的⑦2、⑦3地層，很難根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行層序劃分構(gòu)建地層模型。只能通過(guò)觀察巖性模型對(duì)整體的地層構(gòu)造做出判斷，忽略透鏡體，只對(duì)厚度大的地層進(jìn)行描述。如圖9所示，該地層模型中各地層層間光滑且連續(xù)、層面關(guān)系表達(dá)較為清晰。

圖9 地層模型

地層模型對(duì)巖性材料的描述在空間分布上與實(shí)際情況存在出入，有時(shí)模型與鉆孔數(shù)據(jù)揭露的信息不相匹配。該工程區(qū)間中部為邕江河道段，表層土以②1淤泥層為主，區(qū)間段模型的俯視圖如圖10所示。由圖10(a)可知，模型表層均為①2素填土，而河道內(nèi)表層為②1，與事實(shí)不符。

圖10 模型俯視圖

在地層模型中，出現(xiàn)表層均為①2素填土的情形，主要與巖性材料賦值規(guī)律、二維插值方式以及人工層序劃分等有關(guān)。

根據(jù)地鐵線路沿線布設(shè)的鉆孔采集的地層及巖性資料，采用地層建模方式構(gòu)建的地質(zhì)模型，在缺少鉆孔數(shù)據(jù)處存在一定的缺陷，需要采取人為干預(yù)的辦法才能使其與實(shí)際情況相符。

3)地層-巖性模型。2種建模方式在水平方向、空間分布和成層性上各有利弊。為了同時(shí)反映地層的成層性和地層的不連續(xù)性，將上述2種方法結(jié)合，先通過(guò)地層建模方法對(duì)地層進(jìn)行劃分，再在劃分的地層內(nèi)部進(jìn)行巖性建模，即地層-巖性建模。這樣既能夠?qū)?fù)雜的透鏡體有清晰的描述，又能在地層間形成清晰的界面，如圖11所示。

圖11 地層-巖性模型

由圖11可知，在水平展布上地層-巖性模型較地層模型更符合實(shí)際。其對(duì)巖性分布的描述均以鉆孔數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，采用克里金方法進(jìn)行插值，所得結(jié)果沒(méi)有出現(xiàn)明顯的突變或與經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知不符的情形。如圖10(b)所示，模型俯視圖中段清晰地顯示了邕江河道段表層的巖性，主要分布有②1淤泥層和少量③3粉土層、④1-2粉砂層。與地層建模和巖性建模相比，地層-巖性建模的顯示效果對(duì)于線狀的地鐵線路工程具有更好的適應(yīng)性。

4)2種模型的耦合效果。由于這2種模型均是基于空間上三維鉆孔數(shù)據(jù)，從模型輪廓和模型巖性與三維鉆孔表達(dá)的一致性方面來(lái)看，擬合程度良好，不存在明顯不相符的情況。地層模型的層序劃分與巖性模型中不同材料的分界處基本吻合。

3.3 交叉驗(yàn)證

為了驗(yàn)證地層-巖性建模方法的有效性，需要對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行交叉驗(yàn)證[16]。驗(yàn)證按照如下方式進(jìn)行： 1)從所有鉆孔中抽取1個(gè)鉆孔作為驗(yàn)證樣本，利用剩余鉆孔構(gòu)建模型，采取指示克里金方法對(duì)層厚進(jìn)行估計(jì)； 2)將抽取的鉆孔依次替換剩余鉆孔中的其他樣本，每次替換后都用剩余的鉆孔進(jìn)行層厚估計(jì)； 3)選取平均相對(duì)誤差和均方根誤差對(duì)建模精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用的公式如下:

(2)

(3)

式(2)—(3)中：O為驗(yàn)證數(shù)據(jù)；P為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)；n為驗(yàn)證數(shù)據(jù)的數(shù)目。

青博區(qū)間段鉆孔揭露的主要地層有①2、②1、⑦2、⑦3、⑦4，地鐵隧道穿越⑦2、⑦3地層及其層間界面。進(jìn)行模型檢驗(yàn)時(shí)，在112個(gè)鉆孔中選取5個(gè)有代表性的鉆孔對(duì)①2、⑦2、⑦3地層分別進(jìn)行交叉驗(yàn)證。根據(jù)式(2)—(3)計(jì)算得到的驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

表1 精度驗(yàn)證

由表1可知，地層-巖性建模對(duì)層厚的估計(jì)明顯好于地層建模，具有較低的MRE值和RRMSE值，較地層建模分別降低了2.18%～9.87%、0.39 ～ 2.78 m。地層建模在缺少鉆孔處的估計(jì)會(huì)引起較大誤差。結(jié)果表明，地層-巖性建模能更好地?cái)M合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，所建模型更加可靠。

3.4 模型應(yīng)用

青博區(qū)間段因橫跨邕江，且跨江段地質(zhì)條件比較復(fù)雜，隧道施工面臨巨大風(fēng)險(xiǎn)。為了使地鐵隧道穿越的地層避開(kāi)不良地質(zhì)體，可以根據(jù)三維地質(zhì)模型展示結(jié)果，探討地鐵隧道通過(guò)不同標(biāo)高時(shí)遇到不良地質(zhì)體的可能性及由此可能產(chǎn)生的影響，以此確定隧道穿越工程地質(zhì)條件良好的高程范圍。分別對(duì)47.6、45.0、39.3 m 3個(gè)標(biāo)高段三維地質(zhì)模型進(jìn)行平剖，如圖12所示。

圖12 模型平剖圖

1)標(biāo)高為47.6 m時(shí)，地鐵隧道主要穿越的地層巖性材料有②1淤泥，⑦1泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，⑦2粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，⑦3粉砂質(zhì)泥巖，⑦4炭質(zhì)泥巖。其中，②1淤泥為灰色-深灰色，呈流塑狀，具高壓縮性，工程力學(xué)性質(zhì)極差；⑦4炭質(zhì)泥巖屬半成巖地層，工程性質(zhì)較差。

2)標(biāo)高為45.0 m時(shí)，地鐵隧道主要穿越的地層巖性材料與標(biāo)高為47.6 m時(shí)相同，但②1淤泥和⑦4炭質(zhì)泥巖揭露的面積更小，對(duì)工程影響不大。

3)標(biāo)高為39.3 m時(shí)，地鐵隧道主要穿越的地層巖性為⑦1泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，⑦2粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，⑦3粉砂質(zhì)泥巖，而工程性質(zhì)較差的②1淤泥、⑦4炭質(zhì)泥巖等地層未出現(xiàn)。

根據(jù)三維地質(zhì)建模結(jié)果分析，從邕江底至標(biāo)高39.3 m處分布了大量工程性質(zhì)較差的巖土體，隧道施工應(yīng)盡可能避開(kāi)。標(biāo)高39.3 m以下的巖土材料相對(duì)穩(wěn)定，地鐵隧道從此穿過(guò)相對(duì)適宜，具體地鐵線路選線設(shè)計(jì)可參考兩端地鐵車站標(biāo)高及區(qū)間隧道地質(zhì)條件確定選線設(shè)計(jì)穿越的標(biāo)高，在考慮技術(shù)可行的前提下以節(jié)省工程造價(jià)為目標(biāo)，達(dá)到安全合理的目的。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)南寧軌道交通3號(hào)線青博區(qū)間段三維地質(zhì)建模方法以及地鐵線路選線時(shí)地質(zhì)條件的研究，得到以下結(jié)論：

1)利用EVS構(gòu)建的三維地質(zhì)模型可以清晰地展示地鐵線路所穿越地層及周邊的巖性材料和不良地質(zhì)體的具體位置，為地鐵線路優(yōu)化、優(yōu)選地質(zhì)條件提供技術(shù)依據(jù)。

2)通過(guò)對(duì)地層建模和巖性建模2種方法的對(duì)比分析，提出了一種基于地層-巖性的耦合建模方法，該方法可以同時(shí)具有展示復(fù)雜透鏡體和清晰地質(zhì)層面的功能，且可以更合理地反映實(shí)際地質(zhì)體的分布情況。

3)經(jīng)過(guò)交叉驗(yàn)證，結(jié)果表明地層-巖性耦合建模方法的相對(duì)誤差、均方根誤差均比單獨(dú)采用地層建模方法分別降低了2.18%～9.87%、0.39 ～ 2.78 m。地層-巖性建模具有較低的值，證明該方法能更好地?cái)M合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

4)對(duì)所建模型在不同標(biāo)高處進(jìn)行平剖，結(jié)果清晰地反映了在不同標(biāo)高處地層巖性分布及工程性質(zhì)的差異。對(duì)地鐵線路在不同標(biāo)高處所穿越的地質(zhì)條件進(jìn)行分析，認(rèn)為青博區(qū)間段地鐵隧道頂板標(biāo)高小于39.3 m時(shí)的地質(zhì)條件比較適宜，可以作為地鐵隧道設(shè)計(jì)依據(jù)。

本文主要對(duì)利用EVS軟件實(shí)現(xiàn)2種建模方式特性耦合的過(guò)程及應(yīng)用進(jìn)行了介紹，而從精細(xì)化建模的角度探討如何對(duì)底層算法進(jìn)行優(yōu)化還有待進(jìn)一步研究。