BIM技術在溶洞概率分析中的應用

吳海祥

（廣東省建筑設計研究院有限公司）

1 引言

BIM技術廣泛應用于建筑設計行業的信息化過程中，已在國際范圍內得到認可。很長時間以來，由于勘察專業工作性質的特殊性，其成果交付以二維柱狀圖及相關報告為主。設計單位、建設單位、施工單位對勘察成果難以形成全面有效的認知，難以了解到工程地質條件帶來的工程地質風險，以及易產生的各類工程問題和安全隱患。BIM技術可運用于勘察成果的三維地質模型中，有利于增強上下游信息交流，減少工程地質風險。

三維地質模型可以直觀反映地層、地質構造、巖性的空間分布，在采礦、水利、交通、油藏等行業已得到廣泛應用[1-3]。其有多種建模方式[4-7]，以基于鉆孔數據的建模方式為主。EVS（Earth Volumetric Studio）軟件是一款功能強大的三維地質建模軟件，有多年的發展歷史，能夠建立可實現數據篩選的真三維地質模型，可對模型進行切割、旋轉觀察，可反映復雜地質體、特殊地質構造的真實情況并進行動畫展示。

本文采用Earth Volumetric Studio 軟件(以下簡稱EVS)對廣州市某工程進行三維地質建模，建立場地及溶洞三維地質模型，根據溶洞概率分析，為溶洞風險性分析和處理提供參考和依據。

2 BIM建模步驟及模塊組合

EVS軟件內置了諸如評價、地層、展示、分析、標注、子集化等具有不同功能的模塊，模塊間的組合類似于可視化編程。不同模塊的組合可以建立差異化的地質模型，基于復雜勘察項目建立的地質模型可具有層次化的展示效果。鉆孔數據文件主要包括各地層的深度標高等，可以通過excel轉換而來，主要數據格式為PGF等。

表1是將鉆孔數據Excel導入到EVS中，通過軟件自帶的工具生成PGF文件。圖1為EVS軟件基本模塊組合。

Post samples：導入鉆孔數據生成的PGF文件。

Krig 3d geology：根據鉆孔PGF文件設置場地擬建模型的網格形式、范圍和網格精度。

Indicator geology：建立三維地質模型，建模方法為指示克里金方法。在此模塊中可選擇估算類型Estimation Type。估算類型有多種，主要利用到自然臨近點法Nearest Neighbor和克里金法Kriging。自然臨近點法可以快速建立起場地的粗糙模型用于比對實際數據觀察模型是否合理?？死锝鸱山⒑濣c數據的平滑巖性模型，但用時較長。

Explode and scale：可對模型進行炸開和縮放，具有較好的展示效果。

External faces：輸出模型的外表面，如需對數據進行篩選，需要選擇其他模塊。

Legend：模型的圖例。

Viewer：所有需要展示的模型內容都可以通過連接線連接到viewer模塊。Post samples模塊連接viewer可將鉆孔可視化，External faces模塊連接到viewer可展示模型外表面。Legend模塊連接到viewer可展示模型的圖例。

3 BIM技術特點

3.1 數據集成及可視化

外業鉆孔等數據可以通過三維地質建模軟件EVS生成場地三維地質模型，提供給業主、設計、施工人員使用。三維地質模型的精度直接取決于數據量，鉆孔基本數據、原位測試數據、水文地質信息、特殊性巖體等數據越多，模型集成的信息越豐富，設計、施工人員便能最大限度利用勘探工作提供的資料。

表1 根據鉆孔數據生成的PGF文件

圖1 EVS軟件基本模塊組合

3.2 優化性

基于BIM技術的三維地質模型包含的眾多信息能直觀反映建設工程場地地質構造、特殊性巖土層及周邊不良地質的發育情況。依據上一階段的勘察成果建立的三維地質模型對下一階段的勘察方案有指導作用，可優化場地不良地質作用較發育地段鉆孔布置，合理確定鉆探的位置和范圍。設計和施工亦可根據三維地質模型確定地質構造、特殊性巖土、場地不良地質作用發育的重點區域，優化設計和施工方案，減少工程造價。

3.3 風險管控

三維地質模型可以較好地反映對場地影響較大的地質構造、特殊性巖土、不良地質作用在場地的發育情況，直觀揭示場地地質條件可能帶來的工程地質風險，能夠提高業主、設計、施工對工程地質風險的認識，做好工程風險規避措施，加強風險管控。

4 工程實例

4.1 工程概況

以廣州市某巖土工程勘察項目為例，利用EVS軟件建立項目的三維地質模型。該項目場地為珠江三角洲沖洪積地貌，交通較便利，地勢較平坦。根據場地61個鉆孔的揭露情況，本場地上部第四系覆蓋土層主要有人工堆積成因的素填土（松散—稍壓實），沖洪積成因的粉質黏土（可塑）、淤泥質土（流塑）、粉細砂（稍密為主，局部松散）、中粗砂（稍密）；殘積成因的粉質黏土（軟塑—硬塑）；下伏基巖為石炭系灰巖（C）。

4.2 不良地質作用

該項目的不良地質作用主要為溶洞，在勘察的鉆探深度范圍內，在共29個鉆孔中揭露41個溶洞，約半數鉆孔揭露溶洞。其中5個鉆孔揭露了2個溶洞， 2個鉆孔揭露了3個溶洞，1個鉆孔揭露了4個溶洞。洞頂標高-25.40m～-2.02m，洞頂埋深19.00m～40.50m，洞高0.24m～28.50m，平均洞高4.46m。

本次勘察揭露的溶洞大部分全充填或半充填軟塑狀的粉質黏土，呈黃褐、褐黃色，主要由粉黏粒組成，夾較多灰巖碎屑和碎塊，少量溶洞無充填，少數溶洞為串珠狀溶洞。

4.3 三維地質模型

基于EVS軟件，結合項目實際情況，按照前述流程建立了三維地質模型。在模型的使用過程中，可以任意查看項目鉆孔分布、整體地質模型、各巖性空間分布、地表高程、溶洞概率模型等（見圖2—圖5）。EVS是真三維建模軟件，模型中每一個節點都存儲數據，所以能對數據進行篩選。本項目地表起伏較大，在地表高程模型中有所展示（見圖3）。EVS模型的概率跟鉆孔的分布有關，鉆孔越密集，模型越精確，模型局部區域的概率越高。模型概率為100%的區域一般是鉆孔位置，距離鉆孔越遠，模型的概率越小（見圖3）。從而可知，三維模型的概率、可靠度取決于鉆孔的分布和密度。EVS溶洞概率模型能夠根據已有鉆孔資料判斷出場地最有可能是溶洞的區域，方便后期進行針對性處理。如圖5所示，在溶洞概率大于80%空間分布模型中，場地南側溶洞風險最大，須建議施工單位、設計單位注意風險。

5 結語

圖2 各巖土層空間分布

圖3 整體模型、考慮地表高程的整體模型、整體概率模型

圖4 溶土洞的空間分布

圖5 溶洞概率模型分析

BIM 技術對于工程建設具有重大影響，對已有的巖土工程勘察項目建立三維地質模型是現有BIM技術應用的重要補 充。EVS（Earth Volumetric Studio） 是一款適用于地球科學領域的可視化3D建模分析軟件，可實現真三維的地質體數據建模、分析及可視化，可積極運用于市政工程及隧道工程等大型復雜項目的勘察工作中，能夠對勘察鉆孔布置、設計和施工方案進行優化，減少不良地質作用等引起的工程地質風險，為工程項目順利建設提供保障。