高速公路路線三維地質(zhì)建模研究
——以雄信高速為例

胡飄野

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣州 510440）

1 引言

三維地質(zhì)建模（3D Geological Modeling）是基于地質(zhì)勘察原始數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有地質(zhì)體實(shí)現(xiàn)三維可視化的一種表達(dá)[1]。三維地質(zhì)建模技術(shù)在小范圍，非帶狀區(qū)域工程，如城市地下空間規(guī)劃、下沉隧道、高層建筑基坑、礦業(yè)礦產(chǎn)、水利工程等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景[2-4]。在帶狀地形的鐵路、公路工程中應(yīng)用較少。基于以上原因，本文以雄信高速公路項(xiàng)目為例，采用虛擬鉆孔技術(shù)在帶狀地形的工程中完成三維地質(zhì)的建模，可為其他類似工程的帶狀地形三維建模與可視化研究提供借鑒。

目前，常用的三維地質(zhì)建模方法基于既有勘探資料，建模過(guò)程需要對(duì)鉆孔原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[5]，通過(guò)計(jì)算機(jī)擬合將同一屬性的地層進(jìn)行耦合、拼接，進(jìn)而生成地質(zhì)體模型，此種模型雖然建模簡(jiǎn)單便捷，對(duì)于小范圍、非帶狀水平的簡(jiǎn)單地層效果明顯，但是模型精度較低，對(duì)于帶狀工程，可能存在不合理的地層分布[6]。這時(shí)就需要人工干預(yù)，根據(jù)符合地質(zhì)規(guī)律的實(shí)際情況調(diào)整與原始資料的差異。因此，筆者采用在特定邊界位置增加虛擬鉆孔，實(shí)現(xiàn)了地層邊界的尖滅和閉合，可快速完成三維地質(zhì)模型構(gòu)建，并在粵北地區(qū)雄信高速的部分路段三維地質(zhì)建模中得到了應(yīng)用。

2 工程概況

本文以粵北地區(qū)雄信高速公路工程的地質(zhì)模型為例，詳述其在三維地質(zhì)建模平臺(tái)上的建模過(guò)程和模型應(yīng)用。

雄信高速主要經(jīng)過(guò)南雄盆地腹地，根據(jù)地質(zhì)資料揭示，沿線地層出露較少，沿線主要通過(guò)地層有第四系、下第三系、白堊系、前寒武系、燕山期等地層。其中，下第三系和白堊系地層為紅層區(qū)，分布范圍約占線位的85%。集中在K7+770～終點(diǎn)段。前寒武系、燕山期侵入則分布于K7+700 之前。因此，本次建模為了更好地、有針對(duì)性地反映本項(xiàng)目地下三維空間地質(zhì)模型，僅對(duì)K6+600～K9+000 包含本項(xiàng)目3 個(gè)地層年代的地質(zhì)體進(jìn)行了模型建立。

3 技術(shù)背景

在工程中三維地質(zhì)建模是一個(gè)地質(zhì)數(shù)據(jù)從無(wú)到有和數(shù)據(jù)解析的過(guò)程，是多元數(shù)據(jù)一體化耦合的結(jié)果。在三維地質(zhì)系統(tǒng)中創(chuàng)建項(xiàng)目基本信息后，在圖形端選擇對(duì)應(yīng)階段，利用測(cè)繪專業(yè)提供的測(cè)繪數(shù)據(jù)建立地面模型（DTM），地面模型建立后，將線路設(shè)計(jì)圖形參考進(jìn)dgn 文件中，將樁號(hào)里程標(biāo)計(jì)算Excel 表導(dǎo)入dgn 文件中，這個(gè)過(guò)程為勘察前期設(shè)計(jì)三維數(shù)據(jù)合并。

項(xiàng)目不同階段的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察數(shù)據(jù)或者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以直接錄入地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，也可以錄入Excel 表中，后期再導(dǎo)入地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中，覆蓋層、巖層邊界數(shù)據(jù)和斷層等出露線數(shù)據(jù)從圖形端繪制錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，如果現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察和勘察布置設(shè)計(jì)位置不一致時(shí)，可以修改成與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察位置一致，這部分工作為勘察布置設(shè)計(jì)完成后的現(xiàn)場(chǎng)勘察工作和勘察數(shù)據(jù)錄入處理工作，歷史勘察數(shù)據(jù)及剖面數(shù)據(jù)也可錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。

由于不同階段的勘察數(shù)據(jù)量不同，所以，可以在不同階段創(chuàng)建不同精度的三維地質(zhì)模型，同時(shí)，可以利用虛擬鉆孔精準(zhǔn)做好邊界閉合和數(shù)據(jù)解析處理工作，最終將勘察數(shù)據(jù)形成三維地質(zhì)模型。后期在三維空間或者編輯剖面進(jìn)行地質(zhì)模型修改、數(shù)據(jù)增加等工作，進(jìn)而進(jìn)一步優(yōu)化模型，使之與實(shí)際更加符合，同時(shí)，完善后的模型格式可接入設(shè)計(jì)、施工的數(shù)據(jù)庫(kù)，達(dá)到綜合利用的目的。

三維模型主要包括地質(zhì)年代分層、地層巖性分層、風(fēng)化程度分層等信息，地質(zhì)構(gòu)造等所有地質(zhì)內(nèi)容。三維地質(zhì)模型除了具有幾何屬性外，還具有相關(guān)地質(zhì)內(nèi)容的物理屬性和工程所需要的過(guò)程屬性。在三維模型中可以定位查詢地質(zhì)條件，并將地位查詢地質(zhì)條件屬性保存輸出，圖形端可根據(jù)勘探數(shù)據(jù)和形成的三維地質(zhì)模型出工程地質(zhì)剖面圖、鉆孔柱狀圖、平切圖等工程圖紙。

4. 建模過(guò)程

4.1 完成工作量情況

本次建模主要針對(duì)K6+600～K9+000 段2.4 km 的地形、地表、地質(zhì)進(jìn)行模型建立。利用情況和建模工作量情況見(jiàn)表1。

表1 本文地質(zhì)建模工作量利用情況一覽表

4.2 三維地形建模

三維地質(zhì)建模是一個(gè)由表及里，先地面后地下的模型建立過(guò)程。因此，第一步需開(kāi)展地表模型建立工作。

三維地形建模是利用勘察的數(shù)據(jù)及實(shí)際地形地物情況（包括勘測(cè)點(diǎn)、等高線、高程點(diǎn)、地表水文、簡(jiǎn)單構(gòu)造物等），采用相同的工程坐標(biāo)系統(tǒng)及高程系統(tǒng)生成1∶1 比例的Mesh 地表模型。

本項(xiàng)目通過(guò)收集、提取、整理的K6+600～K9+000 區(qū)間（長(zhǎng)度2.4 km，帶寬0.4 km）內(nèi)的所有完整的三維等高線數(shù)據(jù)，通過(guò)等高線和高程點(diǎn)的數(shù)據(jù)模擬計(jì)算，擬合出一般的地面模型，局部地形不匹配段則通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)擬合，虛擬擬合點(diǎn)的方式優(yōu)化地形數(shù)據(jù)。待擬合好地表模型后，通過(guò)谷歌影像圖校正貼附地表影像，最后添加地表構(gòu)筑物模型，并標(biāo)識(shí)里程樁號(hào)。其中，本項(xiàng)目主要的地表構(gòu)筑物模型為孔塘特大橋和深路塹的挖方路段，本項(xiàng)目通過(guò)數(shù)據(jù)模擬后地表模型如圖1 所示。

圖1 本項(xiàng)目通過(guò)數(shù)據(jù)擬合后的地表模型

5 三維地質(zhì)建模

5.1 勘察數(shù)據(jù)庫(kù)錄入與管理

在地表模型的基礎(chǔ)上，建立地質(zhì)模型原始數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)需要錄入鉆孔工程數(shù)據(jù)（包括坐標(biāo)、高程、里程樁號(hào)、與軸線的關(guān)系）、地質(zhì)信息（包括地層巖性、風(fēng)化程度、年代成因、巖芯描述、地下水位標(biāo)高等）、簡(jiǎn)要的地質(zhì)構(gòu)造信息（褶曲、斷層、巖層結(jié)構(gòu)面等），必要時(shí)可以輔以錄入物探信息等，為本項(xiàng)目展示直觀，可對(duì)相關(guān)巖土層進(jìn)行優(yōu)化。

5.2 模型建立

三維地質(zhì)模型主要由多個(gè)網(wǎng)格式（TIN 模型）地質(zhì)分界模型組成，勘察數(shù)據(jù)庫(kù)中的層位高程、年代成因、巖性、風(fēng)化程度等不同的要素通過(guò)克里金算法[7]及冪函數(shù)加權(quán)算法擬合平順的TIN 模型，從而描述不同的分層界面，建立從地表覆蓋層開(kāi)始直至勘探信息底部的多層次、立體化的TIN 模型。當(dāng)遇到斷層或傾斜巖層時(shí)，可以利用跡線、產(chǎn)狀及地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)混合建模，因勘察工作量有限或部分路段實(shí)際地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，也可通過(guò)增加邊界虛擬鉆孔或調(diào)整網(wǎng)格點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)模型與實(shí)際相符，提高模型精度。

6 模型合并及應(yīng)用

三維地質(zhì)和三維地表模型完成后，需進(jìn)行模型合并，2 組模型在軟件中的坐標(biāo)為工程所在的原始坐標(biāo)位置，模型合并使用Microstation 參考功能將模型按原坐標(biāo)參考到一個(gè)文件中。2 組模型合并到1 個(gè)文件后需進(jìn)行布爾運(yùn)算，將三維地質(zhì)模型橋梁樁基及邊坡所占部分進(jìn)行開(kāi)挖，并去除掉開(kāi)挖部分內(nèi)容，最終表達(dá)模型模擬真實(shí)需要表達(dá)內(nèi)容。

6.1 地表漫游

自身渲染軟件可通過(guò)加載三維地質(zhì)和三維地表模型實(shí)現(xiàn)360°全方位漫游演示，通過(guò)設(shè)計(jì)漫游視角、路徑等視頻信息錄入，可實(shí)現(xiàn)地表構(gòu)造物模型、地表地質(zhì)模型的可視化。路塹邊坡路段可通過(guò)設(shè)計(jì)斷面與三維模型疊加相減實(shí)現(xiàn)邊坡開(kāi)挖面的可視化漫游如圖2 所示。

圖2 K6+900 和K7+100 兩段高邊坡地表漫游圖

6.2 地下切坡和漫游

自身渲染軟件通過(guò)加載三維地質(zhì)模型實(shí)現(xiàn)360°全方位漫游演示，通過(guò)設(shè)計(jì)漫游視角、路徑、坡切方法等進(jìn)行視頻信息錄入，可實(shí)現(xiàn)地下地質(zhì)模型的可視化。對(duì)于橋梁樁基設(shè)計(jì)，可通過(guò)地下漫游實(shí)現(xiàn)樁身與樁底地質(zhì)信息如圖3 所示的可視化。

圖3 橋梁樁基地下地質(zhì)模型坡切圖

6.3 設(shè)計(jì)應(yīng)用

地質(zhì)模型建立具有相應(yīng)的屬性，如地質(zhì)模型巖性屬性，風(fēng)化程度屬性，斷層屬性及同時(shí)可以附加巖土力學(xué)計(jì)算所需要的力學(xué)參數(shù)屬性，參數(shù)屬性可以通過(guò)開(kāi)發(fā)，將力學(xué)參數(shù)提取用于結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算。

三維地表及地質(zhì)模型可進(jìn)行邊坡開(kāi)挖工程量統(tǒng)計(jì)，邊坡開(kāi)挖面的巖土分布情況；橋梁構(gòu)造物可進(jìn)行樁基的樁底標(biāo)高計(jì)算，入巖深度，樁底巖土層分布情況。

7 結(jié)論及建議

7.1 結(jié)論

通過(guò)三維模型能真實(shí)地查看結(jié)構(gòu)物所處地質(zhì)條件，分析其相互關(guān)系，并可以通過(guò)查詢功能具體定位里程位置查詢結(jié)構(gòu)物地質(zhì)條件；結(jié)合虛擬鉆孔技術(shù)能在一定程度上提高三維地質(zhì)模型的精度；地質(zhì)模型與構(gòu)造物結(jié)合通過(guò)模型反應(yīng)不同位置段地質(zhì)條件，根據(jù)三維空間關(guān)系分析構(gòu)造物所處地質(zhì)復(fù)雜度、安全性等條件。結(jié)合三維地質(zhì)模型可以反映邊坡開(kāi)挖面各個(gè)地層的關(guān)系，在后續(xù)過(guò)程中的補(bǔ)充數(shù)據(jù)可以更新模型，反映出更真實(shí)的三維地質(zhì)條件，優(yōu)化設(shè)計(jì)及施工方案。

7.2 建議

本次建模地質(zhì)資料僅建立在初勘的基礎(chǔ)上，地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)量較少，模擬精度較低，隨著項(xiàng)目的深入勘察，資料的增多，建模精度將會(huì)更高，更加符合真實(shí)情況。

現(xiàn)階段三維地質(zhì)建模在勘察、設(shè)計(jì)、施工三者之間的聯(lián)系不夠緊密，各個(gè)環(huán)節(jié)相對(duì)獨(dú)立，參數(shù)未能較好運(yùn)用。建議通過(guò)加強(qiáng)加密勘察工作，進(jìn)一步完成項(xiàng)目區(qū)三維模型建立資料，為設(shè)計(jì)和施工提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。