三維地質(zhì)建模在油氣管道隧道工程勘察中的應用

摘" 要：三維地質(zhì)建模現(xiàn)已廣泛應用于地質(zhì)領域，為直觀形象地展現(xiàn)地質(zhì)體及地質(zhì)信息的三維空間展布特征，利用地質(zhì)調(diào)查、地球物理探測、鉆探等方法手段獲取可靠的地質(zhì)數(shù)據(jù)構建三維地質(zhì)模型。該文基于勘察獲得的精確地質(zhì)信息，優(yōu)化三維地質(zhì)建模流程，通過油氣管道隧道工程實例，構建隧道工程三維地質(zhì)模型，展現(xiàn)三維地質(zhì)空間特征，提高勘察行業(yè)的效率和精確性。

關鍵詞：三維地質(zhì)建模；油氣管道；隧道地質(zhì)模型；地質(zhì)信息；勘察行業(yè)

中圖分類號：TU4" " " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）21-0178-04

Abstract： 3D geological modeling has been widely used in the geological field. In order to intuitively and vividly display the 3D spatial distribution characteristics of geological body and geological information， reliable geological data are obtained by geological survey， geophysical exploration， drilling and other methods to build a 3D geological model. Based on the accurate geological information obtained from the survey， this paper optimizes the 3D geological modeling process， constructs the 3D geological model of the tunnel engineering through the example of the oil and gas pipeline tunnel engineering， displays the 3D geological spatial characteristics， and improves the efficiency and accuracy of the survey industry.

Keywords： 3D geological modeling; oil and gas pipeline; tunnel geological model; geological information; survey industry

隨著油氣管道建設的不斷發(fā)展，在管道穿越山區(qū)時為縮短線路、節(jié)約土地資源、保護環(huán)境，許多管道鋪設都將采用隧道穿越方式。隧道工程的開挖與其所處的地質(zhì)環(huán)境條件，如地質(zhì)構造、地層巖性、不良地質(zhì)等密切相關。同時，由于地質(zhì)環(huán)境條件具有各向異性和復雜性的特征，地下空間的開發(fā)利用對地質(zhì)環(huán)境條件的勘察具有較高的要求。因此，針對地質(zhì)信息情況開展詳細的分析，再現(xiàn)三維地質(zhì)信息，可直觀有效地對工程進行規(guī)劃、設計和風險規(guī)避[1-4]。

三維地質(zhì)建模是以地質(zhì)勘察獲取的各種成果和數(shù)據(jù)為基礎，通過三維建模軟件，使用空間插值、幾何重建、空間分析等技術，在“真”三維空間上對地表、地質(zhì)體及地下一定深度范圍內(nèi)的地質(zhì)體的空間幾何形態(tài)、邊界、性質(zhì)及相互關系等地質(zhì)信息進行表達，并快速構建三維地質(zhì)模型，進一步反映地質(zhì)體空間分布規(guī)律、地質(zhì)體構造形態(tài)、構造關系及地質(zhì)體內(nèi)部屬性變化規(guī)律，通過適當?shù)目梢暬绞秸宫F(xiàn)真實的地質(zhì)環(huán)境[5-10]。

1" 三維地質(zhì)模型的構建

1.1" 三維地質(zhì)建模數(shù)據(jù)基礎

三維地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)主要來源于工程測繪、工程鉆探和工程物探等技術所得的地表、地層、斷層等信息，可生成具有空間三維坐標的各類點、線、面、體要素構建形成三維地質(zhì)模型，見表1。

1.2" 三維地質(zhì)建模方法

為實現(xiàn)三維地質(zhì)模型的精細化，本文綜合工程物探和工程鉆探成果信息建立鉆孔數(shù)據(jù)庫，以此為數(shù)據(jù)基礎建立三維地質(zhì)模型。但由于鉆孔數(shù)據(jù)數(shù)量有限且具有局限性，空間分布不均勻無法滿足全區(qū)域建模，因而補充加入局部輔助剖面圖和地質(zhì)剖面圖進行模型的修正，提高模型的精細化，如圖1所示。

1.3" 數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理的目的是將數(shù)據(jù)成果優(yōu)化，得以構建精細化模型并避免繁瑣工作。數(shù)據(jù)預處理工作主要為以下2部分。

1）平面圖的數(shù)據(jù)提取。工程測繪所得平面圖相對于建模要求而言，常見高程點和等高線過于密集的情況，過密將導致地形面網(wǎng)格構建過于密集，模型數(shù)據(jù)量大且不利于模型的切割運算。因此，將對高程點和等高線進行抽稀工作，根據(jù)地形地貌情況選擇合適的間距設定。

2）鉆孔信息的整合。通過工程鉆探揭露的鉆孔巖層信息和工程物探所得鉆孔電視和波速試驗鉆孔信息綜合形成鉆孔信息庫，其中包括地層分界點、構造發(fā)育段和裂隙發(fā)育情況，使得鉆孔揭露信息更加精確。

2" 三維地質(zhì)建模在隧道工程中的應用

2.1" 工程區(qū)概況

該隧道穿越工程全長約1 240 m，位于重慶市合川區(qū)和北碚區(qū)交接處的壁山向斜西翼，為嘉陵江河谷地貌，兩岸地形較平緩，第四系地層分布廣泛，主要有第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Q4el+dl）、第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4el+dl），下伏基巖為侏羅系珍珠沖組（J1Z）泥巖夾砂巖，巖層傾角40～66°。

2.2" 工程區(qū)數(shù)據(jù)處理

將地形數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)等勘察數(shù)據(jù)進行建模前預處理。

1）地表模型建立。該工程區(qū)地形較平緩，偶修建有堤壩等人工建構筑物，因此采用“高程點+局部等高線”數(shù)據(jù)結合建模，在地形相差較大時加以等高線約束（如圖2所示），生成TIN模型，真實反映建構筑物、堤壩等，地表模型如圖3所示。

2）地層模型建立。根據(jù)工程測繪和鉆孔揭露的地層數(shù)據(jù)，確定地層出露情況及新老地層關系。本次鉆孔數(shù)據(jù)共14個，沿隧道軸線兩側(cè)20 m交錯布置，并在管道進出口部位各布置一個鉆孔，穿過隧道底板不超過20 m。首先，將鉆孔坐標、孔深和分層等地質(zhì)信息數(shù)字化形成鉆孔分布圖。因隧道埋深10～130 m，因此對地面高程至層底高程0 m深度的地層進行三維地質(zhì)建模。基于鉆孔地層數(shù)據(jù)插值生成地層面，因鉆孔沿隧道軸線兩側(cè)20 m交錯布置，對于模型范圍邊緣的地層存在不準確性，同時，由于該工程區(qū)位于壁山向斜西翼，巖層傾角40～66°，因此，地質(zhì)夾層的存在經(jīng)過鉆孔與隧道軸線垂直的剖面剖切，生成二維剖面。在生成的二維剖面中進行人工干預并導入隧道軸線人工推演二維剖面，進行剖面的預處理工作，優(yōu)化調(diào)整地質(zhì)體界線，如圖4所示。

以鉆孔揭露地層為主要數(shù)據(jù)來源，引入剖面圖的地層線和工程地質(zhì)圖的地質(zhì)界線與鉆孔揭露地層共同約束擬合生成地層三維模型，建立地層模型，如圖5所示。

3）三維地質(zhì)模型建立。該隧道工程區(qū)巖層中存在局部地層夾層和透鏡體，因此，通過優(yōu)化建模方法開展地層建模后，實現(xiàn)透鏡體的構建及開挖，形成三維地質(zhì)模型。隧道工程實例三維地質(zhì)模型如圖6所示，模型真實地反映了隧道工程區(qū)的地表及巖土體相關信息，如地形、地表水體、巖層厚度、巖層產(chǎn)狀、地質(zhì)夾層和透鏡體等。

3" 三維地質(zhì)模型的應用

三維地質(zhì)模型的建立主要是為了更加快速精確地進行工程地質(zhì)分析，進而為隧道工程的設計和施工建設服務。三維地質(zhì)模型可提供全方位的動態(tài)展示，并采用選擇的形式顯示單一地質(zhì)體，表達地質(zhì)體與建構筑物的空間關系等。在三維地質(zhì)模型的基礎上，可實現(xiàn)以下工程地質(zhì)分析。

1）巖體質(zhì)量分級建模。巖體質(zhì)量分級作為評價工程地質(zhì)條件的重要方式，可有助于查明建構筑物所在地下空間的巖體工程特性，為工程設計提供設計指標依據(jù)。

2）三維地質(zhì)模型的剖切分析。通過對三維地質(zhì)模型進行任意剖切，可實現(xiàn)橫向、縱向、平切及斜切等剖面切割，有助于直觀地展示三維地質(zhì)模型的內(nèi)部地質(zhì)情況。

3）地下建構筑物的開挖模擬。根據(jù)構筑物的設計方案建立三維幾何模型，進行地下建筑物的開挖模擬，可得到開挖出來的地質(zhì)模型，根據(jù)地質(zhì)模型可進行巖體質(zhì)量分級。

4）數(shù)值模擬分析。三維地質(zhì)模型可實現(xiàn)與數(shù)值模擬軟件的耦合分析。目前數(shù)值模擬軟件在模擬前期的建模功能方面較薄弱，三維地質(zhì)模型與真實地質(zhì)情況存在較大差異，通過三維地質(zhì)建模軟件實現(xiàn)精細化建模后，導入數(shù)值模擬軟件進行計算，可實現(xiàn)優(yōu)勢互補。

4" 結論

1）本文通過優(yōu)化建模流程提高三維地質(zhì)模型的精細化，其中包括地表模型、鉆孔模型、地層模型和構造模型等，直觀地展現(xiàn)工程區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件，可有效提高勘察成果的質(zhì)量。

2）三維地質(zhì)模型使地質(zhì)特征從二維層面轉(zhuǎn)換成三維空間，使地質(zhì)現(xiàn)象更形象、更具體、更直觀，拓寬勘察成果的應用。通過三維地質(zhì)模型的建立，使地質(zhì)體的空間分布可視化，對隧道工程的設計和施工具有指導意義。

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