翟月，何松，錢玉智

(1.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266033； 2.青島巖土工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266033)

1 引 言

隨著我國城市數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智慧化轉(zhuǎn)型的升級(jí)進(jìn)程加快，為更好地建成“城市大腦”，城市發(fā)展方式正發(fā)生劇烈的轉(zhuǎn)變，對(duì)各項(xiàng)行業(yè)數(shù)據(jù)成果的信息化程度也提出更高要求。作為城市規(guī)劃建設(shè)的重要基礎(chǔ)，地質(zhì)勘察傳統(tǒng)二維圖件(縱橫剖面圖、鉆孔柱狀圖、等厚圖等)表達(dá)地質(zhì)信息空間差異分布的成果形式，已無法滿足系統(tǒng)平臺(tái)式地上地下一體化空間信息提取和分析的需求[1，2]?？辈旃ぷ鞣e極納入智能化管理的數(shù)字閉環(huán)賦能新體系中，構(gòu)建三維可視化的地質(zhì)模型，形成涵蓋結(jié)構(gòu)、環(huán)境和資源等多源數(shù)據(jù)的信息化成果載體，有利于生產(chǎn)組織模式創(chuàng)新，高效提供地質(zhì)信息服務(wù)與決策支持[3～6]。

經(jīng)過近30年，空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建、數(shù)據(jù)的三維可視化表達(dá)等三維地質(zhì)建模理論與方法已經(jīng)集成化發(fā)展，三維地質(zhì)建模技術(shù)得到廣泛運(yùn)用并取得豐富的成果，如GOCAD、Petrel、Surpac、EVS、Geomodeller等專業(yè)建模軟件均在相關(guān)領(lǐng)域取得良好使用效果。創(chuàng)建工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用的三維地質(zhì)模型，則需要在建模數(shù)據(jù)整理、網(wǎng)格精度控制、算法優(yōu)化選擇等環(huán)節(jié)，聚焦地質(zhì)結(jié)構(gòu)模糊度高、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)突出的關(guān)鍵點(diǎn)[7～9]。

本文以青島市城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目為基礎(chǔ)，緊跟青島國際郵輪母港區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)建設(shè)推進(jìn)步伐，采用EVS軟件先后構(gòu)建啟動(dòng)區(qū)初勘地質(zhì)模型和商務(wù)樓詳勘地質(zhì)模型，探索了不同勘察階段地質(zhì)模型的構(gòu)建重點(diǎn)，突出濱?；鶐r型城市的地質(zhì)特點(diǎn)，為建設(shè)項(xiàng)目全周期的設(shè)計(jì)施工和風(fēng)險(xiǎn)管控提供有力的技術(shù)支撐。

2 研究區(qū)工程地質(zhì)概況

2.1 研究區(qū)地理地貌

建模工作區(qū)位于膠州灣東岸，青島港片區(qū)內(nèi)，東至杭鞍立交橋，南臨新冠高架，北接在建地鐵2號(hào)線國際郵輪港站，周邊高樓林立，如中聯(lián)自由港、青島港在建辦公樓等，環(huán)境復(fù)雜，區(qū)域總面積約 3 km2，如圖1所示。建模工作區(qū)地形總體起伏較小，屬于剝蝕斜坡～濱海淺灘地貌，場(chǎng)地西北側(cè)靠近膠州灣為濱海淺灘，東側(cè)靠近新疆路為剝蝕斜坡。本文先依據(jù)整體場(chǎng)區(qū)初勘工作構(gòu)建地質(zhì)模型，后依據(jù)啟動(dòng)區(qū)商務(wù)樓詳勘工作構(gòu)建其地質(zhì)模型。

圖1 場(chǎng)區(qū)位置影像圖

2.2 巖土層分布及特點(diǎn)

本場(chǎng)區(qū)具典型的濱海基巖地質(zhì)特點(diǎn)。即中生代燕山晚期以來，區(qū)域性構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，發(fā)生大規(guī)模、區(qū)域性酸性巖漿侵入，以深成相似斑狀中粗粒黑云母花崗巖為主要組成巖石形成穩(wěn)固的花崗巖巖基，隨海進(jìn)海退作用，沖、海積平原和灘涂形成海陸交互相的沉積物?，F(xiàn)將典型地層描述如下。

第②層、粉土～粉砂

褐色，稍濕，松散～稍密，塑性低，以粉土及粉砂為主，含多量粉細(xì)砂。

第④層、含淤泥細(xì)砂

灰黑色～灰褐色，松散～稍密，飽和，有腥臭味；以細(xì)～中砂為主，含有機(jī)質(zhì)及腐爛植物體，夾有貝類殘骸，局部夾淤泥或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土薄層。

第⑥層、含有機(jī)質(zhì)粉質(zhì)黏土

灰黑色，流塑～軟塑。顆粒均勻，手感細(xì)膩，含有機(jī)質(zhì)、貝殼碎屑及腐爛植物體。有腥臭味，強(qiáng)度低，干強(qiáng)度中等，韌性中等，具有中等壓縮性，該層局部相變?yōu)橛倌噘|(zhì)粉質(zhì)黏土或淤泥。

第⑦層、粉質(zhì)黏土

褐黃色～黃褐色，可塑，見有少量鐵錳氧化物，含少量砂粒，局部夾有粗砂薄層，具中等壓縮性，韌性高，切面較光滑，干強(qiáng)度中等。

第⑨層、粗砂

黃褐色～褐黃色，中密～密實(shí)，飽和，分選較差，磨圓一般，主要礦物為石英、長(zhǎng)石，局部夾有小塊碎石，局部含黏土較多，呈砂混黏土狀。

黃褐色，可塑～硬塑，有鐵錳氧化物，含一定量砂，中等壓縮性，韌性高，切面較粗糙，干強(qiáng)度中等～高。

黃褐色～褐黃色，密實(shí)，飽和，主要礦物為石英、長(zhǎng)石，為花崗巖質(zhì)風(fēng)化碎石，塊徑 2 cm～4 cm，分選較差，磨圓亞角狀，混有多量礫砂。

(4)巖體

場(chǎng)地出露的穩(wěn)定基巖為花崗巖，可分為強(qiáng)、中等、微風(fēng)化，各風(fēng)化帶的物理力學(xué)性質(zhì)有極大差異。其中煌斑巖和花崗斑巖作為巖脈，以高傾角(60°～80°)侵入花崗巖體中，走向與區(qū)域構(gòu)造走向一致，以北東向?yàn)橹?，一般脈寬約 0.5 m～ 5.0 m，局部較寬。另受區(qū)域構(gòu)造影響，局部穿插構(gòu)造碎裂巖。

巖體使用的地層編號(hào)采用青島市建委推廣的《青島市區(qū)第四系層序劃分》標(biāo)準(zhǔn)地層層序編號(hào)，概括來講，主層為強(qiáng)風(fēng)化巖層，為中等風(fēng)化巖層，為微風(fēng)化巖層。

黃褐色～肉紅色，粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，以長(zhǎng)石、石英為主要礦物成分。

土黃色～黃綠色～灰綠色，斑狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，主要礦物成分為斜長(zhǎng)石、角閃石等暗色礦物。強(qiáng)風(fēng)化煌斑巖強(qiáng)度較高，但遇水及暴露后強(qiáng)度降低較大。

肉紅色～紫紅色，斑狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，主要礦物為鉀長(zhǎng)石、石英、斑晶粒徑小于 5 mm。

④構(gòu)造碎裂巖

構(gòu)造巖屬動(dòng)力變質(zhì)成因，主要分布于受構(gòu)造擠壓影響而形成的構(gòu)造破碎帶及不同巖性接觸帶，巖體根據(jù)巖性及破碎程度的強(qiáng)弱可分為砂土狀碎裂巖、塊狀碎裂巖。場(chǎng)區(qū)內(nèi)構(gòu)造巖屬動(dòng)力變質(zhì)成因，原巖為粗?；◢弾r，多呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，礦物蝕變強(qiáng)烈，節(jié)理密集發(fā)育，長(zhǎng)石部分高嶺土化或綠簾石化，強(qiáng)度較低。

3 模型構(gòu)建設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)地質(zhì)資料的多樣化服務(wù)以及輔助決策，本文建立包含結(jié)構(gòu)和屬性信息的真三維地質(zhì)模型，即結(jié)合三維地質(zhì)建模對(duì)數(shù)據(jù)精度和一致性的要求，按一定的規(guī)則對(duì)鉆孔、剖面、地質(zhì)圖、測(cè)試資料等進(jìn)行數(shù)據(jù)概化和融合處理，選擇合理的建模方法，完成三維地質(zhì)模型構(gòu)建、校驗(yàn)和發(fā)布展示[10，11]。

3.1 技術(shù)路線

簡(jiǎn)之，三維地質(zhì)模型構(gòu)建工作一般流程為：數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)分析→數(shù)據(jù)預(yù)處理→模型構(gòu)建→模型修正及發(fā)布。

數(shù)據(jù)采集工作主要包括初步勘察和詳細(xì)勘察階段的地質(zhì)信息采集，如DEM數(shù)據(jù)、鉆孔柱狀圖、原位測(cè)試和巖土水樣測(cè)試、監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)及分析成果，應(yīng)具備準(zhǔn)確的空間坐標(biāo)。數(shù)據(jù)分析及預(yù)處理是結(jié)合具體建模工作對(duì)數(shù)據(jù)精度和一致性的要求，進(jìn)行范圍截取、信息篩選、格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)概化和融合等處理，為構(gòu)建模型提供基礎(chǔ)。在模型完成后，需進(jìn)行合理性、合規(guī)性的驗(yàn)證，還應(yīng)參照相應(yīng)的地理信息模型發(fā)布要求，補(bǔ)充模型相關(guān)屬性。

模型構(gòu)建的工作是不斷完善、調(diào)整的，通過數(shù)據(jù)分析、預(yù)處理到模型初步構(gòu)建等過程中發(fā)現(xiàn)的問題，可重復(fù)技術(shù)路線中相應(yīng)工作并完成自身PDCA循環(huán)，直至完成模型修正，滿足發(fā)布使用需求。

3.2 建模方法

本文中采用多源數(shù)據(jù)耦合的各向異性地質(zhì)體建模方法創(chuàng)建層序巖性混合模型，即以結(jié)構(gòu)模型作為邊界約束疊加如水化學(xué)監(jiān)測(cè)檢測(cè)成果、水文場(chǎng)數(shù)據(jù)、巖土體參數(shù)模型，采取合適的插值算法和實(shí)體編輯工具創(chuàng)建精細(xì)化三維地質(zhì)模型。

關(guān)于地質(zhì)模型構(gòu)建中的多源數(shù)據(jù)耦合方法，根據(jù)軟件工具不同略有差異，以采用的EVS軟件為例，主要體現(xiàn)在下述兩個(gè)方面。

(1)數(shù)據(jù)前處理

根據(jù)已有勘察成果，將多來源數(shù)據(jù)形成的交叉剖面作為校驗(yàn)地質(zhì)幾何信息和屬性信息一致性的基礎(chǔ)，軟件將剖面定位到模型三維空間，提取剖面的信息來對(duì)比分析不同巖土體層深、層厚、巖性、其他插值計(jì)算結(jié)果等信息，完成數(shù)據(jù)一致性、邏輯性的校正，如圖2所示。

圖2 利用剖面進(jìn)行數(shù)據(jù)前處理

(2)結(jié)構(gòu)場(chǎng)提取

屬性參數(shù)一般是在三維空間中的離散采樣數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過一定的算法進(jìn)行插值，形成三維規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)。軟件以地質(zhì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)數(shù)據(jù)為空間基礎(chǔ)進(jìn)行屬性結(jié)果插值建模，如圖3中，TOTHC在場(chǎng)地3個(gè)地質(zhì)體結(jié)構(gòu)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行插值，理論基礎(chǔ)和工作流程與一般建模相類似，不再贅述。

圖3 利用剖面進(jìn)行數(shù)據(jù)前處理

4 地質(zhì)模型成果

4.1 初勘工作模型成果

根據(jù)業(yè)主“把握巖面線”的要求，初勘模型制作在調(diào)用項(xiàng)目區(qū)內(nèi)34個(gè)特征鉆孔后(圖4)，為輔助地層分析理解和向業(yè)主介紹基本地質(zhì)情況，合并強(qiáng)～中等～微風(fēng)化基巖地層進(jìn)行概化，適當(dāng)延伸建模深度，同時(shí)結(jié)合水文監(jiān)測(cè)成果制作。

圖4 初勘建模所用鉆孔疊加地表信息

分析地質(zhì)模型可知，場(chǎng)區(qū)地形總體起伏較小，第四系厚度由東向西增大(圖5)。根據(jù)場(chǎng)區(qū)初步規(guī)劃，建議在場(chǎng)區(qū)內(nèi)擬建物可采用樁基礎(chǔ)或者天然地基，其中在第四系較厚地區(qū)的高層建筑、地下車庫及商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)采用樁基礎(chǔ)，以花崗巖中等～微風(fēng)化帶作為樁端基礎(chǔ)持力層；在場(chǎng)區(qū)內(nèi)基巖面出露較淺的地段，可采用天然地基，獨(dú)立基礎(chǔ)，以花崗巖中等～微風(fēng)化帶作為基礎(chǔ)持力層。

圖5 地質(zhì)體剖面信息

結(jié)合漲潮落潮的信息(圖6)，場(chǎng)區(qū)地下水與海水有一定的水力聯(lián)系，地下水位變化與海水潮位呈同相，根據(jù)距離海水的遠(yuǎn)近不同與潮位變化呈不同幅、不同步的特征。在后期工程施工開挖過程中，不排除因施工原因海水潮汐影響范圍擴(kuò)大。

圖6 漲潮落潮的水面變化和速度等線圖

在場(chǎng)區(qū)靠近膠州灣一側(cè)，受海潮影響明顯，且勘察區(qū)域第四系有一定的厚度，多為松散填土，砂土，下部為飽和海相砂土，自然放坡開挖時(shí)坡體自身穩(wěn)定性較差，且易受海水影響，因此靠近膠州灣坡岸一側(cè)第四系較厚地段基坑支護(hù)可初步考慮支護(hù)開挖的模式。模型中結(jié)合基坑初步設(shè)計(jì)的成果(圖7)，展示了商務(wù)樓地塊開挖后采用樁錨支護(hù)形式的方案，并研究了對(duì)2號(hào)線郵輪母港站的基坑施工活動(dòng)影響，具有很好的指導(dǎo)意義。

圖7 場(chǎng)區(qū)基坑支護(hù)初步設(shè)計(jì)

4.2 詳勘工作模型成果

隨著商務(wù)樓詳勘工作開展，利用鉆孔地層信息和相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果信息，構(gòu)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)和屬性三維模型(圖8～圖12)。由圖9和圖10可清晰了解場(chǎng)區(qū)第2層粉土～粉砂的休止角試驗(yàn)結(jié)果，水上休止角約為38°～39°，水下休止角約為25°～26°，北側(cè)取樣測(cè)試結(jié)果略大于南側(cè)。巖石點(diǎn)荷載結(jié)果顯示，微風(fēng)化花崗斑巖的強(qiáng)度(61 MPa～ 92 MPa)普遍高于微風(fēng)化花崗巖(40 MPa～78 MPa)，兩種巖體局部因有節(jié)理發(fā)育帶而強(qiáng)度略有降低。通過模型中海相地層的三維分布展示，較準(zhǔn)確地勾勒出濱海淺灘和剝蝕堆積緩坡兩種地貌，并通過調(diào)整變差函數(shù)主方向的角度來表達(dá)高傾角巖脈和破碎帶的走向、傾向，合理選擇各軸向比例較好地指示了特殊性地質(zhì)體脈狀較扁長(zhǎng)的空間形態(tài)。模型表達(dá)出構(gòu)造破碎帶發(fā)育的地段，可有針對(duì)性地指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

圖8 商務(wù)樓鉆孔和地層分布

圖9 商務(wù)樓海相砂、淤泥、粉質(zhì)黏土地層分布

圖10 巖脈和碎裂巖高角度異性分布

圖11 第2層粗砂的休止角試驗(yàn)成果

圖12 第18-2-10和18-3-10層巖體的點(diǎn)荷載試驗(yàn)成果

4.3 模型成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用

相較于二維成果，三維地質(zhì)模型在直觀性、全面性展示地質(zhì)信息方面有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，且由于地質(zhì)成果模型可進(jìn)行剖挖切等工程分析，在項(xiàng)目推進(jìn)過程中，轉(zhuǎn)出成其他通用格式也實(shí)際應(yīng)用于BIM技術(shù)中，配合基坑設(shè)計(jì)方案優(yōu)化工作，如圖13所示，根據(jù)集散中心地質(zhì)水文條件特點(diǎn)，將初步設(shè)計(jì)擬采用的雙排樁+錨索支護(hù)體系進(jìn)行優(yōu)化。具體調(diào)整為：分次開挖，首先采用坡率法開挖至基底，二次開挖采用灌注樁+支撐的支護(hù)形式，同時(shí)止水方式由咬合樁調(diào)整為水泥土連續(xù)墻，達(dá)到了縮短工期、降低支護(hù)成本且提高安全可靠性的目的，可見地質(zhì)模型成果積極參與建設(shè)項(xiàng)目全生命周期管理，實(shí)用性較好。

圖13 地質(zhì)模型參與BIM技術(shù)輔助項(xiàng)目全生命周期管理(左圖為地質(zhì)模型右圖為支護(hù)體系模型)

5 結(jié) 語

對(duì)于地質(zhì)模型概而言之，細(xì)致的勘探測(cè)試工作可獲取更加有效的信息，越有利于精細(xì)模型要求的構(gòu)建及表達(dá)。本文利用郵輪母港啟動(dòng)區(qū)初勘、詳勘的工程地質(zhì)勘察成果，依據(jù)不同工作時(shí)期的具體項(xiàng)目要求和對(duì)地質(zhì)信息的解析深度，構(gòu)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)和屬性混合模型，較好地指導(dǎo)和服務(wù)實(shí)際工程建設(shè)活動(dòng)。