北京市通州區工程建設層三維地質建模應用

張園園 何欣 杜紅旺

摘 要：在對工程地質鉆孔、地層分層、剖面等數據分析研究的基礎上，進行數據量化、篩選、標準化后，采用Dream Rocks軟件創建完成了通州區（906 km2）地下60 m工程建設層的三維地質結構與屬性模型。模型可以達到的效果：1）通過三維方式展示砂土液化在空間上的分布;2）通過層間拉伸的方式，展示上下層或相鄰各層之間的三維空間關系;3）模型成果形式能轉換成標準的obj格式，能較好地融入其他相關三維系統中，開展深層次的計算研究。

關鍵詞：Dream Rocks;三維地質建模;工程鉆孔;砂土液化

Abstract： Based on the quantification， screening and standardization of the data obtained from engineering geological drilling， stratification and profiles， the 3D geological structure and attribute model of the 60 m underground engineering construction layer in Tongzhou District （906 km2） was established by using Dream Rocks software. This model can display the 3-D spatial distribution of sand liquefaction， as well as the 3D spatial relationship between upper and lower layers or adjacent layers by stretching between layers. The model results can be converted into standard obj format to be better integrated into other relevant 3D systems and carry out in-depth computational research.

Keywords： Dream Rocks; 3D geological modeling; boreholes; sand liquefaction

地質學經常利用地質平面圖、剖面圖、等值線圖等二維圖件，輔助展示并應用于解決實際的地質問題。在城市大型項目建設工作中，僅靠缺乏整體性、連續性的二維圖件，很難直觀且準確地展示真實的地質環境條件， 給城市地下空間的整體規劃、設計、建設以及后期維護工作帶來相當大的難度。

加拿大工程地質學家Houlding 在1994年首次提出地質理論與計算機三維可視化技術有機融合的三維地質建模概念。三維地質模型將各地層的空間分布及物理力學參數性質以三維形式直觀展示，對合理利用地下空間資源以及有效保障地下空間地質安全建設具有重要意義（何靜等，2019）。基于勘察鉆孔數據分析構建三維地質實體模型一直是國內外研究的熱點，經過多年的研究發展，我國在理論、程序開發以及實例應用等方面均取得了大量的科研成果。理論方面編纂并修訂發行CJJ/T 157-2010 《城市三維建模技術規范》、CH/T 9015-2012 《三維地理信息模型數據產品規范》、CH/T 9017-2012 《三維地理信息模型數據庫規范》等相關理論規范。實例應用有二維剖面圖的三維實體重建（李獻峰等，2008年），精細化三維地質建模在城市地下空間開發中的應用（古銳開等，2019），也有以某區（通州、雄安、柳州等）為例探討城市三維地質模型構建（李靜等，2016;李敏等，2018;馬震等，2019;楊向敏等，2019）。

2016—2019年北京市地質工程勘察院先后承擔了通州區重大地質問題調查與評價子課題，對該區建筑抗震設計條件、古河道分布、砂土液化等工程地質條件進行小范圍的專門研究，并基于Dream Rocks軟件，利用地質鉆孔、地層分層、剖面等數據，建立了局部工程層三維地質結構模型，在模型中展示的砂土液化判別為后續很多地質工程研究提供了理論依據，后續的地質勘察研究成果讓模型精確度進一步得到驗證。隨著建設項目的推進，巖土工程勘察取得了大量建模區域巖土體的物理力學指標，對建模區域內細微和局部的工程地質條件有了進一步的深入了解。為更好地服務于研究區大范圍的城市建設，本文在現有資料基礎上，通過搜集全區的工程地質、水文地質和區域構造等地質資料，建立了工程建設層三維地質模型，直觀反映建模區域內工程地質層的地質概況，為開展具體的工程建設提供指導和參考。

1 工程建設層概況

研究區地表下60 m深度范圍分為人工堆積層、新近沉積層及一般第四紀沉積層3大類。其中人工堆積層主要為人工填土①層（圖1） ，填土厚度由東向西遞減。新近沉積②大層主要為粉砂—細砂②層、粉土②1層、粉質黏土②2層（圖2），廣泛分布在通州皮村、徐辛莊—張家灣一線的溫榆河、小中河、潮白河、北運河、通惠河等現今或近代河道、河漫灘及其兩岸一級階地;通州北部的宋莊雙埠頭—尹各莊—葛渠村一帶、西部的永順紀莊—梨園崗墳—馬駒橋北門口一帶及南部永樂店北辛店—大務一帶缺失;一般第四紀沖洪積層主要為細砂與粉質黏土互層，其中③大層主要為粉砂—細砂層③層、粉土③1層、粉質黏土③2層（圖3），主要分布在通州北部的宋莊雙埠頭—尹各莊—葛渠村一帶、西部的永順紀莊—梨園崗墳—臺湖次渠—馬駒橋北門口一帶及南部永樂店北辛店—大務一帶，其余地區缺失。④大層中細砂④層從西到東厚度逐漸變厚（在北馬莊附近厚度約1.6 m，而在東部縣附近厚度可達16 m），粉質黏土④1層在南部地區分布較連續;粉土④2層則局部分布，多以透鏡體形式存在;而圓礫、卵石④3僅局部有揭露（圖4）。⑤大層以粉質黏土⑤層、粉土⑤1層為主，廣泛分布，形成區域性的隔水層;而細砂—中砂⑤2則局部分布（圖5），并多以透鏡體形式存在于粉土及黏質粉土層之間。在潞城胡各莊—張家灣大甘棠一帶因缺失隔水層，局部形成了上、下層地下水的聯系天窗。⑥大層中細砂—中砂⑥層分布連續穩定，粉質黏土⑥1層、粉土⑥2層分布不連續，多呈透鏡體存在;而圓礫—卵石⑥3僅在東北處極少鉆孔內揭露（圖6）。受鉆孔深度限制，僅在通州南部60 m深度鉆孔內揭露本層，且未揭穿本大層（北京市地質工程勘察院，2007）。

2 三維地質模型構建

2.1 三維建模軟件介紹

本文采用DreamRocks工程地質三維自動建模系統軟件進行模型構建，建模采用基于鉆孔數據的不規則格網層序地層構建方法。該軟件具有以下特點：1）能夠較好的處理地層尖滅、正確地反映地層時序，保證不同地質年代的地層在三維空間中覆蓋與被覆蓋的關系與解釋成果一致;2）能在已經建立的工程層三維地質模型的基礎上，能以三維方式展示砂土液化在空間上的分布;3）能通過層間拉伸的方式，反映上下層或相鄰各層之間在三維空間中的關系;4）能通過垂直剖切或水平剖切方式，反映上下層或相鄰各層之間在剖切面上的關系;5）將三維模型成果轉換成標準的obj格式，使三維模型成果融入相關三維系統中。

2.2 三維建模方法與路線

（1）三維建模方法及特點

Dream Rocks建模軟件支持三維地質空間信息獲取、管理、分析和可視化。該系統可以使用多種類型的數據源生成三維數據，并提供多種三維數據的生成方法。建模方法具有以下特點：1）提供基于地質要素的建模方法，并合理地將地質概念模型和實際的工程數據相結合，便于地質人員使用;2）建模方法在地質人員認識工作的基礎上，盡量做到自動化，減輕建模的工作量;3）針對不同類型的地質建模工作能夠提供專門的建模方法支持，提高建模效率;4）充分考慮構造對于地層模型的影響，地層模型中需要體現斷層控制;5）提供合理的地質模型更新方法，便于隨地質工作的不斷深入逐步細化地質模型，并為后續地質工作的持續進行打下基礎;6）提供模型的質量控制功能，對于模型的面網質量及厚度等參數進行控制，便于后續的模型應用。

（2）三維建模技術路線

項目工程層三維地質結構建模采用基于多源數據和垂向多精度模型構建策略。充分收集建模區域的地質資料，包括：鉆孔、各類剖面、等值線、地質圖、地質報告等;根據收集的地質資料以及各種建模數據進行仔細研究整合確定建模縱向標準分層，對所有數據進行標準化統一，保障多個的統一性，同時形成地質建模概念模型，以便開展三維建模工作;根據地質概念模型重新審視各類數據，進行校正和取舍;根據建模區域的地質單元及地質要素的地質特征，選擇性的劃分子建模區域，同時選擇相應的建模方法。建模方法包括層狀地層鉆孔建模、多源復雜構造建模（圖7）。

2.3 數據收集與處理

（1）數據來源

三維建模以研究區內多方位的數據為基礎，包括225個孔深大于60 m鉆孔基本信息、分層信息、巖性描述信息、鉆孔土工試驗信息、61個剖面、工作區基礎地理信息以及砂土液化判別結果信息等。

（2）工程鉆孔數據

對收集的各種鉆孔數據進行整理、儲存、加工和統計，按照建模軟件對數據格式的要求進行整理，建立建模所需的鉆孔數據源。

（3）鉆孔數據格式標準化

收集到的鉆孔坐標系統是從不同數據來源的工程坐標系轉換到北京54投影坐標系。用于三維建模的鉆孔數據根據建模軟件的數據需求，分別對鉆孔數據進行標準分層，建立含7個地層大層、20個地層亞層的地層結構模型（表1）：

三維地質屬性模型：根據獲取到得實驗數據，完成了含水率、天然密度、干密度、比重、孔隙比、飽和度、液限、塑限、塑性指數、液性指數、自重壓力、壓縮模量、承載力等屬性模型得構建（表2）。

3 三維模型成果可視化空間展示

（1）巖土體結構三維空間展示

根據收集獲取的225個工程地質鉆孔基本信息、分層信息、巖性描述信息，本次工作構建了通州區地基土三維結構模型（圖8、圖9），覆蓋面積約906 km2。模型能直觀反映工作區內工程地質層巖土體的空間展布情況以及軟弱土、液化砂土、密實砂土等地質體的分布情況，為工作區地下空間開發、規劃與建設的地質環境條件評價提供了依據。

（2）三維地質體與地表影響信息疊加

通過工程層三維地質模型疊加地表遙感影像和DEM，更加直觀和完整地反映出了該地區地表河流水系、地形地貌、道路居民地與地下地層分布、走向間的空間關系（圖10）。

（3）人工填土層綜合展示

三維地質模型能較好地反映出人工填土的空間分布特征（圖11），為深入開展工程地質研究提供了數據支撐。工作區表層廣泛分布人工填土，總體來說人工填土厚度未超過6 m，鉆孔揭露填土厚度0～5.8 m。人工填土由于其成因、成分、粒度變化很大，因而其密度、濕度、塑性等不穩定，導致土體力學狀態極不平衡，其工程性質特差，一般不能直接作為建（構）筑物的天然地基持力層。

4 三維地質模型應用

可以對該三維地質體進行多種三維空間應用分析，對關注區域重點剖析、深入了解模型內部的地質狀況。如剖面分割，柵欄圖制作分析，屬性模型切割分析、地質體透視顯示、生成某一深度的地質圖、海量剖面動態顯示等。

（1）虛擬鉆孔分析評價

在該模型中，可以在建模范圍的任意處生成虛擬鉆孔及相應的鉆孔分層信息（圖12）。本次研究中選取11個其他地勘項目中深60 m鉆孔柱狀圖與相同位置虛擬鉆孔作對比，結果顯示，該模型在地層信息準確度上極高，除個別鉆孔薄層不一致外所有地層均相互對應，判斷本模型的虛擬鉆孔可作為地質研究參考。

（2）砂土液化評價

砂土地震液化是由多種原因綜合作用的結果，如土的巖性、顆粒組成、密度、埋藏條件、地下水位、沉積環境、地質歷史、地震動強度、頻譜特征和持續時間等。目前各種判別液化的方法都是經驗方法，都有一定的局限性和模糊性。在項目中參照GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》（2016年版）、GB 50021-2001《巖土工程勘察規范》（2009年版）相關規定，首先進行初判，然后對可能液化的地層采用標準貫入試驗法進行液化復判，并采用靜力觸探試驗法和剪切波速法進行驗判（北京市地質工程勘察院，2017）。在此基礎上，以標準貫入試驗法判別結果為主，以其他兩種方法判別結果為輔助參考，將224個鉆孔的砂土液化信息導入到該三維模型中，獲取研究區砂土液化空間分布特征（圖13）并進一步進行分析評價，最后從模型中提取砂土液化參數，得出該區砂土液化等級可分為不液化、輕微液化、中等液化和嚴重液化4級。其中輕微液化區主要分布在該區北部的宋莊翟里—潞城郝家府一帶、東部的西集武辛莊—曹莊一帶及中部十里莊、棗林莊等地;中等液化區主要分布在北部潮白河西岸的港北村—小楊各莊村、中部張家灣梁各莊附近地區、縣鎮蘇莊—馬蹄—凌莊—南小莊—前東儀村狹窄U型地帶、南部的尚武集村和胡家村—臨溝屯村地區;嚴重液化區主要分布東部潮白河西岸的Ⅰ級階上的廣大地區，如白廟—東堡—大沙務一線、崔家樓—耿樓村一帶;不液化區主要分布北部潮白河Ⅲ階地以及該區中西部地區（北京市地質工程勘察院，2019）。因此在該區進行工程建設需要考慮到砂土液化的影響。

5 結論

本次建模主要是通過工程地質三維解釋好的鉆孔分層數據，建立工作區鉆孔地層控制三角格網，再通過地層控制三角格網，調整虛擬鉆孔插值個數，建立虛擬鉆孔，之后利用原始鉆孔和虛擬鉆孔進行三角格網剖分，根據地層層序，依次構建出各個地層的底板，以保證鉆孔上下的地層接觸關系一致，最后，圈定地層邊界，利用邊界分塊，根據抽取的各層底板規劃到各個地層塊中，通過融合建立了工作區的三維地質結構模型。

該三維地質模型解決了以往二維空間的限制，具體形象地展示了研究區地下土層的空間三維分布，及評判結果的二維和三維分布，既揭露了研究區的地下土層結構，又展示了易于發生砂土液化災害的空間范圍，為砂土液化災害的防治工作提供決策依據。

模型可服務于研究區地基穩定性，工程建設適宜性，工程地質分區和評價工作，其三維空間分析能夠快速有效避免因工程建設而導致的地質災害的發生，為城市建設開展具體的工程提供建設性的科學依據。

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