EVS耦合鉆孔-標貫數據三維地質建模方法在市政道路勘察中的應用

劉先林 沈家品 甘力

基金項目：2019年度交通運輸行業重點科技項目“水敏感性巖土體高陡公路邊坡災變智能監控預警及應急防治關鍵技術研究”（項目編號：2019-ZD5-026）

作者簡介：劉先林（1982—），高級工程師，主要從事巖土勘察設計及管理相關工作。

文章基于鉆孔與標貫數據難于耦合建模分析的問題，在總結EVS（Earth Volumetric Studio）程序模塊、適用條件及三維建模方法的基礎上，提出了地層建模、巖性建模、參數建模及耦合建模等4種常用方法，并以南寧市那況路人工填土路段為例，采用EVS平臺進行地層-標貫數據耦合建模，開展了三維地質模型效果展示、土石方開挖方量計算、邊坡開挖軟弱土層分析等研究工作。研究表明：相對于傳統二維勘察圖件成果，三維地質模型可更清晰地展示各地質體的空間位置分布規律，可快速進行邊坡三維開挖方量及土石成分比例計算，通過三維地層模型與標貫參數模型的開挖疊加分析，發現在邊坡開挖區存在明顯的軟弱土層，易引起滑坡和不均勻沉降，避免遺漏人工填土層內的隱蔽軟弱層，為確定開挖方量、邊坡坡率與防護、路床換填區域及厚度等設計文件提供了可靠依據。

三維地質建模;EVS（Earth Volumetric Studio）;地層模型;巖性模型;參數模型;市政道路

0 引言

隨著計算機技術的飛速發展，BIM和大數據技術不斷進步，在巖土勘察行業中的三維地質建模也得到了良好的推廣和應用。三維地質建模技術（3D Geological Modeling）是由加拿大學者Simon W.Houlding在1993年提出的。該技術是應用計算機知識將地質數據信息、空間分析與預測、地質統計、實體模型與可視化等綜合工具，用于地球科學研究的新方法[6-7]。

三維地質模型是巖土BIM技術的核心，與橋梁、隧道、路基、場站等結構BIM建模相比較，三維地質模型更具復雜性，因為具有地質認識多解性、地質數據多樣性、地層界面不規則、邊界約束條件多等特點。目前常用的三維地質建模平臺主要有Gocad、Itscad、GeoStation、Surpac、Micromine、3D mine、Petrel、EVS（Earth Volumetric Studio）等軟件。在三維地質建模平臺選擇過程中，需要重點考慮能充分表達三維地質體的空間拓撲結構、幾何特征及屬性信息等，還需要具備融合物探、原位測試等多源數據，并支持地質模型可根據變化數據進行動態更新功能。

在三維地質建模中，常用的數據源主要有鉆孔數據、剖面數據、物探數據、原位測試數據等，根據不同的數據源，可根據實際情況選用地層建模、巖性建模、屬性建模等3種方式，也可選擇2～3種方式進行耦合建模。針對市政道路勘察的特點，可用到的地質建模數據主要為鉆孔數據和標貫原位測試數據。本文采用EVS軟件對南寧市那況路典型人工填土段實施三維地質建模，利用三維地層模型和標貫參數模型進行開挖方量分析和軟弱土層疊加分析。實踐證明，三維地質模型可更直觀地展示三維地質結構，利用多源數據耦合建模與疊加分析方法，更有利于發現常規勘察手段不易察覺的隱蔽性工程問題，值得在后續類似勘察項目中廣泛推廣應用。

1 EVS簡介

EVS（Earth Volumetric Studio）由美國C Tech 公司推出，是國內外最為流行的地球科學領域的3D建模軟件，可服務于地質工程、環境工程、地球化學、地球物理、采礦工程、土木工程及海洋工程等領域。該軟件具有Estimation（估算）、Geology（地質）、Display（顯示）、Analysis（分析）、Annotation（注釋）、Subsetting（子集）、Proximity（鄰近）、Processing（處理）、Import（導入）、Export（導出）、Modeling（建模）、Geometry（幾何）、Projection（投影）、Image（圖像）、Time（時間）、Tools（工具）、Cell（單元）、View（查看）等模塊，每個EVS模塊都可以被視為軟件應用程序，這些模塊都有輸入和輸出端口以及用戶界面。在使用過程中，可將各程序模塊進行連線組裝，形成可執行分析和可視化的高級定制應用程序，具有極強的操作靈活性和處理速度[1]。

EVS軟件將體積網絡、地質統計分析、3D和4D可視化工具等集成到一起，可更直觀地進行統計分析和匯報展示。EVS除可滿足分析地表水、地下水的數值模擬，也能滿足多種分析物數據分析、土壤和地下水污染以及礦體的綜合體積與質量計算等要求。在BIM技術和大數據不斷發展的今天，該軟件已成為地質工程師和巖土工程師不可缺少的工具之一，可用于三維可視化建模、土石方挖填量分析、地層可靠性分析等工程問題。

2 三維建模方法

傳統地質勘察是通過鉆孔獲取離散點在豎向上的地質信息，若想獲得高精度的三維模型，則需要布置更多的鉆孔，這顯然成本較高不宜實現，因此可利用勘察點源數據對空間任意位置的信息進行插值估算。EVS軟件提供了多種模型網格類型和空間插值方法，在實施應用過程中，可根據數據類型及特點選擇合適的網格和插值方法，以順利實現地質建模、分析及顯示等功能。

2.1 網格與插值方法

在EVS建模中，通常要先確定建模范圍和網格類型，然后再利用空間多源數據在網格內進行插值計算。地質網絡類型主要有矩形線性網（Rectilinear）、凸包網絡（Convex Hull）、有限差分網格（Finite Difference）等類型。

空間數據插值方法主要有克里金（Kriging）插值方法、謝別德（Shepard）插值方法、改進謝別德（Franke/Shepard）插值方法、最近鄰點（Nearest Neighbor）插值方法、徑向基函數（FastRBF）插值方法等。在EVS中最常用的算法是克里金插值方法，該方法是以變異函數理論和結構分析為基礎，在有限區域內對區域化變量進行無偏最優估計的一種方法，是地統計學的主要內容之一。南非礦產工程師D.R.Krige在尋找金礦時首次運用這種方法，法國著名統計學家G.Matheron隨后將該方法理論化、系統化，并命名為克里金插值方法（Kriging）。設Z（x）是被定義在點上的區域變化量，且假定Z（x）服從二階平穩假設。根據克里金插值方法，可得出推測區域V周圍的一組信息{Za，a=1，2，…，n}，對中心位于xo的域V（xo）的平均值進行估計[2]，見式（1）。

Z=1V∫V（x）Z（x）dx（1）

在二階平穩下，待估域V的實際值Z的估計值是這n個有效數據Za（a=1，2，…，n）的線性組合。

2.2 EVS建模方法

在EVS建模過程中，根據項目數據的特點及需求，可選擇地層建模、巖性建模、參數建模及耦合建模等4種方式。

2.2.1 地層建模

地層建模前一般需要對地層層序進行劃分（見圖1），地層層序反映地層沉積時代，所有地層層序應貫穿研究區域，層序編號應自上而下排序。地層界面采用的是不規則三角TIN網格面，在EVS中采用交互方式進行地層三角TIN網格面構建，可以靈活控制地層三角面的范圍。該方法一般適用于地層層序劃分清晰、無多種巖性反復交替出現的情況，可構建地層、斷層等地層構造，建模速度較快。

2.2.2 巖性建模

巖性建模主要適用于鉆孔數量多且地層巖性復雜，同類巖性在鉆孔中反復交替出現的地層。該類地層巖性規律性差，很難手動劃分地層層序，無法采用地層建模方式構建完整三維地質模型。通常是先建立地層頂底面，再利用巖性建模插值方法在頂底界面范圍內進行巖性數據插值，形成巖性模型。由于屬性建模需要進行大量的插值計算，故建模速度相對于地層建模較慢。典型三維巖性模型如圖2所示。

2.2.3 參數建模

參數建模常用于物探（電阻率、CT數據、聲波等）、原位測試（標貫、動探、靜力觸探等）、巖土參數等數據的三維地質建模。利用該方法可劃分出某地質屬性的分布范圍、等值面、體積等，為工程決策提供良好依據。由于參數建模也要進行大量的插值計算，故建模速度相對于地層建模較慢。典型三維參數模型如圖3所示。

2.2.4 耦合建模

由于地層建模、巖性建模、參數建模各具特點及適用條件，為相互驗證模型的精度和可靠性，可考慮利用地層層序、地層巖性和地質參數數據進行耦合建模，以滿足三維地質建模與分析需要，通常有以下3種建模方式。典型耦合模型如圖4所示。

（1）整體地層-屬性混合建模。首先利用地層建模方法建立各主要地層界面，再利用屬性建模插值方法在地層界面范圍內進行地質屬性數據插值，形成整體地層-屬性耦合模型。該方法既保留了地層界面的清晰，又保證了鉆孔各屬性數據空間插值效果，兩者模型可行進分離顯示和交叉分析。

（2）上下部分混合建模。當覆蓋層比較復雜而基巖地層巖性清晰，或者覆蓋層比較簡單，基巖巖性比較復雜時，可以把模型分成上下兩部分，上部為覆蓋層模型，下部為基巖模型，這樣就可利用基巖面作為分界面建立上覆蓋地層模型+下伏基巖巖性模型或參數模型，也可建立上覆蓋巖性模型或參數模型+下伏基巖地層模型。

（3）地層局部混合建模。當地層層序整體清晰，但局部區域地層巖性復雜或只有部分參數數據時，可在局部區域的地層模型內進行參數插值建模。該方法保留了兩種模型的特性，且互不干擾，適用于整體地層分布規律。

3 工程案例

3.1 項目概況

南寧市那況路位于南寧市興寧區三塘鎮金橋片區，金橋客運站處于昆侖大道與快速環路交叉口附近，道路等級為城市主干路，項目西起金侖路，東至規劃4路。項目里程為K0+131.282～K4+210.492，路線全長4 210.492 m，設計速度為50 km/h，道路紅線寬度為45 m，瀝青混凝土路面，雙向六車道。路線范圍內多為城市棄土場和舊水塘填平地段，屬新近堆填，填筑年限為1～3年。典型人工填土路段平面如下頁圖5所示。

該段填土成分復雜，主要為褐黃、褐灰色，松散～稍密、軟～可塑狀黏性土、強風化泥巖或黏性土混礫石、局部混塊石，礫石粒徑一般為2～30 mm，含量約占10%～20%，填土物理力學性質差異極大。傳統二維勘察圖件難以直觀表達復雜地層和物理力學特性的空間分布，本文采用EVS耦合地層-標貫原位測試數據進行三維地質建模，可直觀地表達復雜填土層性狀的分布規律，為邊坡開挖、防護及地基處理等提供依據。

3.2 建模流程

3.2.1 數據格式及處理

在EVS建模中，經常用到的地質數據有PGF、GEO、GMF、APDV、AIDV等格式文件。其中PGF是一種鉆孔數據地層信息;GEO和GMF是根據鉆孔數據進行地質解釋的地層界面信息;APDV和AIDV主要用于建立物探、原位測試等參數模型的數據格式。

為了快速得到三維地質模型所需的各種數據格式文件，采用開發數據接口程序可將理正勘察數據庫文件直接轉化為EVS建模所需的EXCEL格式文件，再利用EVS自帶的文件轉換工具即可生成PGF和APDV格式文件，之后利用make_geo_hierarchy進行程序劃分得到GEO和GMF層面文件。

3.2.2 建模流程

在EVS建模過程中，一般主要利用地層建模中的make_geo_hierarchy、krig_3d_geology、3d_geology_map、explode_and_scale、plume_shell，巖性建模中的krig_3d_geology、indicator_geology、select_cells，以及屬性建模中的krig_3d_geology、krig_3d、plume_shell或intersection_shell等程序模塊。

本文主要耦合了地層建模和參數建模兩種方式，并進行了開挖分析，具體建模流程如圖6所示。

EVS利用不同應用程序模塊構建地層-參數耦合模型的步驟如下：

（1）首先將鉆孔數據和標貫數據處理成EVS可讀取的PGF和APDV數據格式，利用make_geo_hierarchy生成GEO和GMF層面文件。

（2）利用krig_3d_geology、3d_geology_map、plume_shell等模塊建立三維地層模型，利用krig_3d_geology、krig_3d、intersection_shell等模塊建立三維標貫參數模型。

（3）繪制和讀取道路設計路線、邊坡開挖橫斷面等文件到EVS中，采用sur_cut、explode_and_scale、intersection_shell、transform_group等模塊進行路基施工開挖分析。

3.3 模型應用分析

3.3.1 地層展示

通過EVS三維地質模型，可形象直觀地展示勘察場地中素填土、雜填土、粉質黏土、礫石、強風化泥巖、中風化泥巖的空間分布規律。具體三維模型及二維剖面如圖7和圖8所示。

3.3.2 開挖方量計算

利用真三維地質模型，按設計路線及放坡坡率即可進行邊坡三維模型開挖及方量計算。該人工填土段邊坡的開挖總方量約899 995 m3，其中素填土方量為592 634 m3、雜填土為7 144 m3、粉質黏土為154 161 m3、礫石為882 m3、強風化泥巖為122 043 m3、中風化泥巖為23 131 m3。通過與斷面計量法對比分析，采用三維模型開挖計算的工程量及土石成分比例更為精確可靠。三維模型開挖顯示及土石成分比例統計如圖9～11所示。

3.3.3 軟弱土層分析

利用地層模型與標貫擊數參數模型的三維開挖疊加分析，從圖8中可發現，在路基開挖區內存在標貫擊數3～8擊的邊坡軟弱土區域和地層軟弱土區域。開挖邊坡中的軟弱區極易引起滑坡，地基軟弱土區若處治不當易引起不均勻沉降，由于這些軟弱土層呈不均勻分布，具有一定的離散性和隱蔽性，在常規二維勘察成圖中極易遺漏。

3.3.4 措施與建議

針對三維地層及標貫疊加模型所發現的問題，在勘察報告中明確提出了相關的措施及建議。

（1）挖方路塹填土邊坡中存在標貫擊數3～8擊的軟弱夾層時，坡體易沿軟弱夾層發生滑塌，建議K0+131.282～K0+780段挖方路塹邊坡整體坡率不宜陡于1∶2，應對存在軟弱夾層的斷面進行針對性的穩定性計算分析。

（2）由于里程K0+131.282～K0+780段填土邊坡具中等脹縮性特征，邊坡防護可以考慮采取拱形骨架、加筋土柔性反壓、擋墻防護等措施，各支擋結構驗算時需考慮脹縮荷載，加強邊坡地表截排水、深層泄水設施及坡面綠化工作，并對不合格的挖方料進行

改良或廢棄處理。

（3）當路床范圍內存在標貫擊數3～8擊的軟弱層時，由于填土尚未完成自重固結，屬高壓縮性土，承載力低，需要對路面以下的軟弱土層進行換填處理，換填材料應滿足相關規范要求。

4 結語

EVS是一款比較適用的三維地質建模分析軟件，支持鉆探、物探、原位測試等多源數據錄入格式，根據數據特點，可選擇合適的網格類型和空間插值方法，建立符合實際需求的地層模型、巖性模型、參數模型或耦合模型。另外，在介紹EVS建模方法的基礎上，通過對南寧市那況路人工填土段的三維地質建模分析，得到以下結論：

（1）相對于傳統二維勘察圖件，三維地質模型可更清晰地展示各地層的空間分布規律，可快速進行三維模型炸開、剖切、開挖等操作，更直觀地觀察和理解三維地質體。

（2）通過三維地質模型、路線走向及開挖斷面形狀等進行真三維開挖計算，相對于常規二維斷面法計算結果，三維開挖計算得到的成果更為精確，且便于各巖土層方量和比例的統計分析。

（3）通過三維地層與標貫參數模型的開挖疊加分析，可清晰地發現開挖區存在明顯的軟弱層，這些軟弱層極易引起邊坡滑塌和地基不均勻沉降，避免了隱蔽軟弱層的遺漏。

（4）利用三維開挖計算及軟弱層分析成果，為確定開挖方量、邊坡坡率設置與防護、路床換填區域及厚度等設計文件提供了可靠依據。

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