三維地質(zhì)建模技術(shù)在平陸運河大跨徑拱橋中的應(yīng)用研究

作者簡介：韋超俊（1992—），碩士，工程師，主要從事巖土工程勘察、設(shè)計與BIM研究工作。

摘要：針對平陸運河大跨徑拱橋在勘察期間鉆孔數(shù)據(jù)不足的問題，文章提出采用微動勘探的方法，采集并解譯生成虛擬鉆孔，根據(jù)GeoStation三維地質(zhì)建模軟件不同建模方法的差異，選用手動建模的方式建立橋梁三維地質(zhì)模型。在三維地質(zhì)模型中進行剖切開挖，得到大跨徑拱橋主墩基礎(chǔ)不同高程地層分布圖及分布占比，確定了拱座區(qū)明挖擴大基礎(chǔ)方案的可行性并對基礎(chǔ)埋深建議提供可靠的依據(jù)，為大跨徑拱橋勘察設(shè)計提供了新的方法和思路。

關(guān)鍵詞：平陸運河；三維地質(zhì)建模；大跨徑拱橋；GeoStation；微動勘探

中圖分類號：U448.22

0 引言

隨著我國交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，建設(shè)的領(lǐng)域、規(guī)模和難度在不斷延伸。建設(shè)過程中，工程地質(zhì)問題日漸凸顯，越來越多的項目面臨勘察任務(wù)重、技術(shù)難度高、工期短及質(zhì)量要求高等挑戰(zhàn)。尤其是一些重點難點工程，常規(guī)勘察手段在解決工程復雜地質(zhì)問題時弊端已越來越凸顯。錢睿、魏志云、周偉等^[1-3]通過對三維地質(zhì)建模的研究，表明三維地質(zhì)建模技術(shù)除了能滿足傳統(tǒng)二維勘察成果信息表達外，還可以幫助巖土工程師更加直觀地發(fā)現(xiàn)工程中一些潛在危險，更加深刻地理解工程地質(zhì)背景，更易于向相關(guān)人員動態(tài)展示勘察成果。尤其在斷層、褶皺等復雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)、多成因多種類交互地層、不良地質(zhì)強烈發(fā)育地區(qū)，三維建模技術(shù)的作用更為明顯。

雖然三維地質(zhì)建模技術(shù)已在國內(nèi)眾多項目中得到成功應(yīng)用^[4-10]，但其應(yīng)用進展仍然緩慢，實際應(yīng)用中仍存在諸多問題^[11-13]。主要原因在于，相對建筑結(jié)構(gòu)或機械結(jié)構(gòu)，地質(zhì)條件本身具有不均勻性和變異性，而在有限的地質(zhì)數(shù)據(jù)下，人為參與建模又會增加地質(zhì)模型的多解性。這不僅需要三維地質(zhì)建模方法和軟件內(nèi)在算法更具特殊性，也對地質(zhì)模型的修改和重建效率提出了更高要求。

本文針對平陸運河大跨徑拱橋在勘察期間鉆孔數(shù)據(jù)不足的問題，提出增加微動勘探方法進行數(shù)據(jù)采集和解譯，結(jié)合GeoStation三維地質(zhì)建模軟件，對拱橋主墩基礎(chǔ)區(qū)域地質(zhì)條件進行分析，確定開挖范圍和基礎(chǔ)埋深，可為同類工程提供參考。

1 項目概述

1.1 工程概況

西部陸海新通道（平陸）運河欽州城區(qū)段航道工程北環(huán)路跨江橋起點位于欽州市北環(huán)路與新華路交叉口，由西往東跨越平陸運河后，上跨沿江北路，順接現(xiàn)狀北環(huán)東路。項目須拆除現(xiàn)有北環(huán)路跨江橋（欽江五橋），在原址建設(shè)一座新橋。橋梁布置為9×30 m+372 m+4×30 m，橋梁全長771.04 m，其中主橋長372 m，引橋長399.04 m。主橋采用計算跨徑330 m的中承式鋼管混凝土推力拱橋；引橋西岸為3×30 m+3×30 m+3×30 m的預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制小箱梁橋，東岸為4×30 m的預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制小箱梁橋。主橋的下部結(jié)構(gòu)主墩為拱座接擴大基礎(chǔ)，引橋的橋墩采用柱式墩，橋臺采用肋板式橋臺，并以鉆孔灌注樁為基礎(chǔ)。

1.2 基本地質(zhì)數(shù)據(jù)

項目位于欽州市舊城區(qū)，受既有橋梁、下埋管線及交通保暢等多重因素影響，新建拱橋關(guān)鍵性的主墩基礎(chǔ)位置，勘察階段難以實施地質(zhì)鉆探。兩岸主墩區(qū)域共布置勘探鉆孔20個，具備原孔位實施鉆探條件的鉆孔13個，實際鉆孔完成率僅65%。在已完成的鉆孔中，揭示填土最大厚度達16.00 m，粉細砂最大厚度為12.00 m，中粗砂最大厚度達8.40 m。基巖種類及風化程度差異大，這對橋梁基礎(chǔ)類型選擇、基礎(chǔ)埋深、持力層確定以及工程造價估算都造成了巨大困難。

1.2.1 鉆探數(shù)據(jù)

項目主橋西岸主墩基礎(chǔ)共利用鉆孔6個，東岸主墩基礎(chǔ)利用鉆孔7個。根據(jù)鉆孔巖性分類數(shù)據(jù)，主橋位區(qū)域內(nèi)地層主要由第四系人工填土層（Q^ml₄）素填土，第四系沖洪積層（Q^al+pl₄）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細砂、粉質(zhì)黏土、粉土、中粗砂，侏羅紀上統(tǒng)（J₂）全風化泥質(zhì)粉砂巖、強風化粉砂巖、強風化泥質(zhì)粉砂巖、強風化泥巖、中風化粉砂巖、中風化泥質(zhì)粉砂巖和中風化泥巖組成，具體如表1所示。

主墩區(qū)典型地質(zhì)斷面如圖1所示。

1.2.2 物探數(shù)據(jù)

大跨徑拱橋地質(zhì)條件的核心問題在于橋梁主墩區(qū)中風化巖面深度和巖層分布狀態(tài)。微動勘探技術(shù)不僅對場地要求小，而且對于判別地層分界，尤其是探測中風化巖面深度，具有獨特的優(yōu)勢。為解決該橋主墩區(qū)勘探鉆孔數(shù)量不足導致主墩基礎(chǔ)選型與埋深確定困難的問題，提出了增加微動勘探技術(shù)，對橋梁主墩基礎(chǔ)區(qū)域進行地質(zhì)數(shù)據(jù)采集，提取頻散曲線并進行地層分析解譯，由此增加地質(zhì)數(shù)據(jù)。

微動勘探是利用天然微弱的大地震動作震源，提取面波信息，獲取頻散曲線，來實現(xiàn)勘探目的，如圖2所示。作為一種應(yīng)用于市場的物探新方法，微動勘探因其無須人工震源，安全環(huán)保、抗干擾能力強、適應(yīng)能力強、探測深度大等優(yōu)點，能有效解決傳統(tǒng)方法在某些物探場景中的限制。

在橋梁主墩未完成鉆孔的位置布設(shè)微動儀，以采集數(shù)據(jù)并獲取頻散曲線，結(jié)合已完成鉆孔地層條件進行解譯，得到與地質(zhì)分層對應(yīng)的波速分層圖（圖3）。將解譯地質(zhì)數(shù)據(jù)形成虛擬鉆孔，結(jié)合微動勘探與鉆探數(shù)據(jù)，制作了地質(zhì)剖面圖（圖4）。

2 三維地質(zhì)建模

2.1 地形建模

根據(jù)數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)類型，地形建模分為陸域地形和河道地形建模。陸域地形利用地形等高線進行建模；河道地形利用水深圖轉(zhuǎn)化為河底高程點，在GeoStation軟件中擬合生成得到河底地形mesh面，再與陸域地形面建立公共節(jié)點并拼接成完整地形面。通過將鉆孔孔口實測高程與地形面再次擬合，對不合理地形進行拉伸調(diào)整，對網(wǎng)格變異進行尖滅處理，完成地形mesh面建立。如圖5所示。

2.2 地層建模

該項目三維地質(zhì)建模主要有以下幾個難點：（1）地質(zhì)條件較復雜，地層巖性種類多，巖面起伏較大；（2）橋位區(qū)基巖風化強烈，不同強風化巖、強風化與中風化巖、中風化巖之間互層交錯，空間分布復雜；（3）巖土層中含有多處透鏡體，建模難度大。巖土界面建模流程如圖6所示。項目重點在于根據(jù)地質(zhì)資料進行精細化建模，并有效分析地質(zhì)條件，為設(shè)計提供橋梁基礎(chǔ)選型與基礎(chǔ)埋置建議，保證地基承載力滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

覆蓋層作為非持力層，其承載力對基礎(chǔ)影響有限，基底巖土分布、巖層風化程度與破碎程度直接影響主墩基礎(chǔ)的安全。GeoStation軟件自帶的建模方法有自動建模、半自動建模和分區(qū)塊建模。自動建模和半自動建模都是以克里金和加權(quán)平均算法為基礎(chǔ)的綜合建模方法，主要區(qū)別在于自動建模模型邊界為建模元素X-Y-Z坐標最大/最小值圍合生成的矩形，而半自動建模則需要人為添加平面邊界。兩種建模方式雖然簡單、速度快捷，但整體建模精度不高，難以綜合利用地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)。尤其是面對透鏡體、巖性互層、自定義地層尖滅問題時，建模結(jié)果和人為解譯結(jié)果之間的偏差較大。分區(qū)塊建模主要應(yīng)用于大范圍地質(zhì)建模，通過將大范圍模型分成多個區(qū)塊，可實現(xiàn)獨立區(qū)塊內(nèi)自由建模，同時保證區(qū)塊間地層銜接的一致性。

該項目建模范圍不大，但對地基承載力要求高，即要求三維地質(zhì)模型具有較高精度，才能保證設(shè)計基礎(chǔ)埋深同時滿足經(jīng)濟性與安全性，因此上述三種常規(guī)建模方法難以滿足該項目橋梁設(shè)計的地質(zhì)成果要求。

手動建模是通過人工解譯的方法，進行多剖面二維地質(zhì)分層，再通過擬合生成三維地質(zhì)界面，最終通過布爾運算、上下面圍合或面剪切體等方式生成三維地質(zhì)體。手動建模可以更好地融合鉆探、物探、地調(diào)等多種地質(zhì)數(shù)據(jù)，大幅度提高地質(zhì)分層的精確度，保證人為解譯成果和模型的一致性，從而滿足地質(zhì)模型的設(shè)計使用需求。

手動建模關(guān)鍵在于，將微動勘探數(shù)據(jù)形成虛擬鉆孔，與鉆探數(shù)據(jù)同步導入，根據(jù)同一地層的分布范圍線和鉆孔巖性分界點數(shù)據(jù)，解譯形成多向地層分界線。以地層分界線為基礎(chǔ)，采用克里金插值法，獲得地質(zhì)分層界面。

將所有地質(zhì)分層界面依次切割mesh體或面面圍合成體的方式，建立覆蓋層和基巖層模型，最終實現(xiàn)完整的三維地質(zhì)模型建模（圖7）。

3 模型開挖及分析

橋梁主墩擬采用明挖擴大基礎(chǔ)，其基礎(chǔ)形狀如圖8所示。從滿足主墩基礎(chǔ)最小埋深開始，將三維地質(zhì)模型按每米高程剪切，開挖一個基底地質(zhì)平面進行分析。根據(jù)不同高程平面地層分布及占比，綜合不同地層地基承載力，給出基礎(chǔ)形式與埋深的建議。

根據(jù)不同高程地基平切面圖（圖9、圖10），得到主墩區(qū)不同高程地層分布及其占比（表2、表3）。

在滿足主墩基礎(chǔ)要求的最小埋深以下，西岸拱座基底地層為粉細砂、中粗砂、中風化泥巖、中風化粉砂巖。東岸拱座基底地層為粉細砂、中風化泥巖、中風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化粉砂巖。需滿足基礎(chǔ)底面及其以下的高程地基均為完整中風化巖，西岸拱座基礎(chǔ)埋深為-8.0 m時，地基中風化泥巖占比27.80%，中風化泥質(zhì)粉砂巖占比11.37%，中風化粉砂巖占比60.83%；東岸拱座基礎(chǔ)埋深為-12.0 m時，地基中風化泥巖占比95.49%，中風化泥質(zhì)粉砂巖占比4.51%。即采用明挖擴大基礎(chǔ)時，東西岸主墩基礎(chǔ)埋深宜分別選取-12.0 m、-8.0 m。

4 結(jié)語

本文提出增加微動勘探的方法，采集數(shù)據(jù)并解譯形成虛擬鉆孔數(shù)據(jù)，結(jié)合GeoStation三維地質(zhì)建模軟件，實現(xiàn)舊橋改造大跨徑拱橋主墩區(qū)缺少鉆探地質(zhì)資料情況下的三維地質(zhì)建模。通過對比自動建模、半自動建模、分區(qū)塊建模和手動建模方法，探索了手動建模在復雜地層橋梁工程中的應(yīng)用，為三維地質(zhì)建模提供了新的思路。通過對三維地質(zhì)模型的剖切和開挖模擬，確定了拱橋主墩區(qū)采用明挖擴大基礎(chǔ)的可行性并給出基礎(chǔ)埋深建議值，為工程的基礎(chǔ)設(shè)計建設(shè)提供了真實、客觀的可視化地質(zhì)參考數(shù)據(jù)，對同類工程建設(shè)也起到了參考作用。

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