諸葛緒松，李遵豪，張 偉，李 誠

（1、珠海大橫琴城市新中心發(fā)展有限公司 廣東珠海 519031；2、中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 武漢 430063；3、廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司 廣州 510500）

自20 世紀(jì)80 年代以來，國內(nèi)外推出多種代表性的三維地質(zhì)建模軟件，逐漸廣泛應(yīng)用于石油和礦山領(lǐng)域，如Surpac、Micromine、GOCAD、Petrel、Earth Volumetric Studio（EVS）等，其中EVS 軟件的應(yīng)用范疇包含水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)方面，相較其他軟件不局限于石油和礦山領(lǐng)域，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，以三維地質(zhì)模型的形式存儲、處理、展示建筑工程領(lǐng)域的地層信息，受到越來越多的關(guān)注與研究。

目前國內(nèi)學(xué)者針對建筑工程領(lǐng)域的三維地質(zhì)建模已經(jīng)做了較多的研究，董梅等人［1-2］利用GOCAD 使用克里金插值（Kriging）、離散光滑插值（DSI）等方法建立工程建筑三維地質(zhì)模型，包括地質(zhì)界面、地層面和地層實體。雷赟等人［3-4］利用EVS 實現(xiàn)水文地質(zhì)建模、地層結(jié)構(gòu)及屬性建模。劉禮領(lǐng)等人［5-6］基于Itas-CAD 平臺，使用離散光滑插值方法，實現(xiàn)水利水電工程三維地質(zhì)建模并進(jìn)行工程地質(zhì)條件分析。李曉軍等人［7-8］通過克里金插值技術(shù)估計地層厚度，生成地層頂?shù)酌娌⒂成涑龅刭|(zhì)實體。喬世范等人［9-10］利用CATIA進(jìn)行三維地質(zhì)建模，將模型單元、節(jié)點信息轉(zhuǎn)化為數(shù)值計算模型并導(dǎo)入有限元軟件中。劉遠(yuǎn)亮等人［11］利用有限元三維數(shù)值模擬軟件對邊坡復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模。陳少祥等人［12］提出一種將三維地質(zhì)模型與無人機建模、狹義BIM 及工程數(shù)據(jù)融合的全工程分析模型概念。

通過調(diào)研對比各建模軟件，EVS 軟件建模功能模塊化，使用各模塊搭建各類應(yīng)用程序的操作靈活，建模速度較快，模型精度較高且模型動態(tài)更新，模型可視化展示效果優(yōu)秀。故本文采用EVS 軟件對橫琴杧洲隧道工程場地進(jìn)行三維地層建模。

1 建模數(shù)據(jù)處理

1.1 鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文建模采用橫琴杧洲隧道工程地質(zhì)鉆探數(shù)據(jù)，共52 個鉆孔，根據(jù)勘察報告對場地地層的劃分，地層共劃分為9層，如表1所示，為獲得為EVS 所用的數(shù)據(jù)文件，采用VBA 編程自動處理勘察數(shù)據(jù)庫文件，得到PGF文件和GEO 文件，建模者對于地層分布和層序的認(rèn)知在此步驟中體現(xiàn)，在編程中具體實現(xiàn)，程序內(nèi)容和文件格式限于篇幅不作介紹，其中PGF 文件包含每個鉆孔中揭露地層的層頂?shù)咨疃?、高程信息，此信息是鉆孔揭露的實際信息，是固定不變的，GEO 文件包含每個地層在每個鉆孔中的分布信息，此信息根據(jù)建模者對于場地地質(zhì)條件、地層間切割關(guān)系的認(rèn)識不同而不同。根據(jù)勘察報告關(guān)于各土層成因的描述，本文規(guī)定地層面的建模優(yōu)先級如表1 所示，地層模型建模過程中優(yōu)先級小的地層面切割先級大的地層面。

表1 地層分層Tab.1 Stratum Tratification

1.2 數(shù)據(jù)處理程序

本文使用EVS 采用搭建地層模型和屬性模型的建模應(yīng)用程序（Application），其由多種功能模塊及數(shù)據(jù)傳輸路徑組成，屬性建模核心模塊為indicator_geology，該模塊輸入上述PGF 文件，主要功能為將實際鉆孔段數(shù)據(jù)離散為點數(shù)據(jù)后計算未知點各巖土類型的概率。地層建模核心模塊為krig_3d_geology 和3d_geology_map，前者輸入上述GEO 文件，主要功能為生成不規(guī)則三角網(wǎng)，即地層面，后者根據(jù)前者生成的三角網(wǎng)，生成填充于其中的三維實體，即地層，網(wǎng)格類型可選擇矩形線性網(wǎng)格（Rectilinear）、有限差分網(wǎng)格（Finite Difference）及凸包網(wǎng)格（Convex Hull），本文采用凸包網(wǎng)格生成模型并使用area_cut模塊裁剪出隧道盾構(gòu)結(jié)構(gòu)外邊線外擴20 m范圍內(nèi)的模型。

建模完成后模型的可視化展示及數(shù)據(jù)篩選主要依靠plume、intersection、slice、viewer等模塊。

2 建模結(jié)果及分析

由前述建模應(yīng)用程序生成了橫琴杧洲隧道工程場地地層三維模型，地層模型如圖1所示，屬性模型如圖2所示，兩種模型地層炸開后的對比如圖3所示，人為對比可見兩種模型對于各地層的位置、體積描述相差不大。最明顯差別為地層模型中的地層較屬性模型中的地層具有更好的空間連續(xù)性，原因在于兩種建模方法原理上的不同，一般來說，地層建模更適合成層性較好的沉積地層，屬性建模適合復(fù)雜地層，如基巖不均勻分化地層。

圖1 地層模型Fig.1 Stratigraphic Model

圖2 屬性模型Fig.2 Attribute Model

圖3 模型對比（正西方向立面）Fig.3 Model Comparison（Profile in Due West Direction）

2.1 模型應(yīng)用

隧道工程是呈條帶狀分布的線性工程，在實際選線工作和隧道結(jié)構(gòu)計算工作中，需獲得沿隧道走向的縱剖面和垂直隧道走向的橫斷面，根據(jù)地層模型獲得縱剖面和橫剖面，如圖4、圖5?所示，根據(jù)屬性模型獲得縱剖面和橫剖面，如圖6、圖5?所示。

圖4 地層模型隧道地層縱剖面Fig.4 Stratum Longitudinal Section of Stratigraphic Model

圖5 地層橫剖面Fig.5 Stratum Cross Section

圖6 屬性模型隧道地層縱剖面Fig.6 Stratum Longitudinal Section of Attribute Model

工程實踐中一般根據(jù)沿線勘察鉆孔得到橫縱斷面，一旦隧道路線變更，往往只能參考原鉆孔對地層的揭露情況，這種參考的可靠性隨著路線變更距離的增大而降低，且非常依賴勘察設(shè)計人員對于地層分布趨勢的把握，由于地層空間分布的復(fù)雜性，通常上述把握的可靠度較低。根據(jù)已知勘察數(shù)據(jù)、地質(zhì)統(tǒng)計算法、專家經(jīng)驗得到的三維地層模型結(jié)合了數(shù)據(jù)驅(qū)動和知識驅(qū)動，在勘察場地內(nèi)外的地層分布預(yù)測具有較高的可靠性，一般來說，場地內(nèi)的地層預(yù)測置信度高于場地外。另外，基于EVS 平臺所建真三維地層模型的可視化效果優(yōu)秀、數(shù)據(jù)交互操作便捷，為耦合GIS 和BIM 平臺、進(jìn)行有限元分析、地下空間規(guī)劃、城市地質(zhì)調(diào)查等方面提供了技術(shù)支撐。

2.2 模型分析

⑴為了定量區(qū)別兩類模型的建模效果，統(tǒng)計兩類模型中各地層的體積并分析差別，如表2所示，結(jié)果顯示粗砂層和中風(fēng)化砂巖層的體積誤差較大，體積誤差最小的為淤泥層，因為揭露粗砂和中風(fēng)化砂巖的鉆孔較少，數(shù)量分別為8 個、7 個，約為鉆孔總數(shù)量的15%，而全部52個鉆孔均揭露淤泥層。其它地層的體積誤差均小于8%，兩種模型中各地層質(zhì)心位置相差亦較小，初步說明了地層模型與屬性模型在空間位置上具有較好的對應(yīng)關(guān)系。

⑵僅從地層體積和質(zhì)心的對比不能完全說明地層模型與屬性模型的空間關(guān)系，即使體積和質(zhì)心相同，地層空間分布依然具有多種可能性，為了進(jìn)一步說明地層模型與屬性模型的空間關(guān)系，通過統(tǒng)計地層模型中各地層頂?shù)酌姘母鞣N類地層的概率平均值，如表3所示，結(jié)果顯示地層模型中各地層區(qū)域內(nèi)具有較高的相應(yīng)地層的預(yù)測概率，達(dá)到60.91%～91.34%，概率最大的為淤泥層，粗砂層、中風(fēng)化砂巖層的概率并不低，說明了此研究的必要性。研究表明了本文所建的地層模型與屬性模型在地層空間分布上具有較高的一致性。在模型的各類應(yīng)用中，對于淤泥層的空間分布可持較高的信任度。

表3 各地層區(qū)域內(nèi)各地層的預(yù)測概率Tab.3 Prediction Probability of Each Stratum in Each Stratum Area（%）

⑶屬性模型中每個單元具有各地層的預(yù)測概率，最大概率的地層默認(rèn)為預(yù)測地層，其分布如圖7所示，對比鉆孔位置及其揭露的層位信息，可見表示較高最大概率的冷色主要分布在鉆孔密度較高和地層層位緩變的地方，鉆孔稀疏和地層層位突變的地方為表示較低最大概率的暖色。為了定量說明所建模型的可靠度，統(tǒng)計了大于最大概率的單元體積與模型總體積的比值，如圖8 所示，結(jié)果顯示概率大于0.8的單元體積占總體積為65%，概率大于0.6 的單元體積占總體積為85%，表明屬性模型、與屬性模型具有較好對應(yīng)關(guān)系的地層模型具有較高的置信度。

圖7 屬性模型最大概率分布Fig.7 Maximum Probability Distribution of Attribute Model

圖8 大于最大概率的單元體積占比曲線Fig.8 Unit Volume Ratio Curve

⑷基于面的建模方法所建立的地層模型，與基于地質(zhì)統(tǒng)計的建模方法所建立的屬性模型在空間分布上具有較高的一致性，考慮屬性建模耗時較長（本文地層建模耗時5.0 min，屬性建模耗時2.5 min），且屬性模型占用較大內(nèi)存，可能影響對模型操作的交互效果，針對地質(zhì)條件相似的其它場地的三維地層建模可直接基于面的建模方法，以提高建模效率。

3 結(jié)論

⑴本文所建橫琴杧洲隧道工程場地地層模型與屬性模型具有較好的空間位置對應(yīng)關(guān)系，模型具有較高的置信度，淤泥層的建模效果最好。

⑵本文通過EVS 軟件建立的隧道工程三維地質(zhì)模型可視化效果直觀、精細(xì)化程度高、可靠度高，能直觀反映橫琴杧洲隧道穿越地層的分布情況，為隧道選線、軟土處理、盾構(gòu)管線設(shè)計等方面提供基礎(chǔ)資料。

⑶本文屬性建模僅選取了巖土類別作為預(yù)測指標(biāo)，根據(jù)土工試驗得到的其它巖土物理力學(xué)指標(biāo)（如含水率、壓縮模量等）亦可進(jìn)行屬性建模，用于研究各指標(biāo)之間的空間關(guān)系。

⑷EVS 軟件與GIS 軟件、BIM 軟件、有限元計算軟件的數(shù)據(jù)交互還需進(jìn)一步研究，以期實現(xiàn)地下地上一體化模型，實現(xiàn)三維地質(zhì)模型不僅能“看”，還能“算”，更好地服務(wù)于工程設(shè)計。