王麗芳(廈門地質(zhì)工程勘察院，廈門 361008)

廈門三維地質(zhì)建模方法研究及其在工程應(yīng)用

王麗芳
(廈門地質(zhì)工程勘察院，廈門 361008)

主要根據(jù)廈門城市發(fā)展的戰(zhàn)略需求，針對(duì)廈門市社會(huì)經(jīng)濟(jì)在可持續(xù)發(fā)展過程中所遇到的資源、環(huán)境與安全等問題，在充分搜集與整合并數(shù)字化廈門已有地質(zhì)勘察、調(diào)查等資料及成果的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用地質(zhì)學(xué)、地球物理化學(xué)、鉆探方法和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)等手段，全面調(diào)查城市地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)與地質(zhì)地層環(huán)境，建立廈門三維可視化城市地質(zhì)信息管理服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全市地質(zhì)數(shù)據(jù)的一體化多層次管理和三維可視化，為城市重要重點(diǎn)項(xiàng)目的規(guī)劃、選線選址、勘察設(shè)計(jì)及施工建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理提供最基礎(chǔ)的地質(zhì)信息化資源與決策平臺(tái)。

城市地質(zhì)；三維地質(zhì)建模；數(shù)字城市；地鐵選線

1 前言

進(jìn)入21世紀(jì)，信息化已成為實(shí)現(xiàn)廈門市政府決策、城市管理科學(xué)性、高效率的重要基礎(chǔ)，部分行業(yè)已將信息化貫穿于整個(gè)政府工作的主流程。城市地質(zhì)信息化工作已明顯落后于其他行業(yè)(土地、水務(wù)、氣象、公安等)。廈門自建國(guó)以來開展幾十年的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，完成了1∶20萬、1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)調(diào)查和工程地質(zhì)調(diào)查。城市快速發(fā)展，建筑越來越多，開展過大量的城建工程、地下工程勘查，積累了海量的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的資源數(shù)據(jù)，不同時(shí)期、不同單位完成的地質(zhì)調(diào)查與研究成果分散管理，紙質(zhì)及影像化保存狀態(tài)制約了成果的利用效率。面對(duì)這些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)信息，地質(zhì)技術(shù)人員提出如下問題：如何使用這些測(cè)得的數(shù)據(jù)，來推測(cè)利用該區(qū)域的各種地質(zhì)研究信息[1]。面對(duì)大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，地質(zhì)學(xué)家將無從分析，并且他們習(xí)慣了用圖件反映地質(zhì)信息，自然希望能通過計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)出地質(zhì)體分布規(guī)律。人們迫切希望對(duì)城市地下的地質(zhì)條件和資源有一個(gè)更加清晰的認(rèn)識(shí)和了解，希望通過建立新一代城市地質(zhì)信息系統(tǒng)和進(jìn)行信息集成來解決。三維地質(zhì)可視化建模就是在這個(gè)背景下誕生并迅速發(fā)展，成為這些年來的研究熱點(diǎn)[2,3]。

近10 a來，國(guó)土資源部先后在多個(gè)大城市啟動(dòng)了三維城市地質(zhì)調(diào)查與信息化建設(shè)試點(diǎn)項(xiàng)目。試點(diǎn)城市均全面開展城市基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等地質(zhì)環(huán)境調(diào)查工作，并建立了相應(yīng)的地質(zhì)信息系統(tǒng)[4]。而目前廈門市已開展“數(shù)字廈門”建設(shè)，是福建省首個(gè)城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，對(duì)促進(jìn)廈門城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的作用。

2 廈門地質(zhì)概況

廈門市位于福建省東南部，境域北緯24°23′12.7″～24°54′29.3″；東經(jīng)117°52′53.8″～118°26′1.2″。全市陸地總面積1 573 km2，海域面積324 km2。廈門島處于九龍江出海口的金門灣內(nèi)，臺(tái)灣海峽西岸的中段。臺(tái)灣海峽是東北亞和東南亞海上交通必經(jīng)之地，是“東北亞經(jīng)濟(jì)圈”和“東南亞經(jīng)濟(jì)圈”的結(jié)合部。

廈門市地處我國(guó)東南沿海，福建省東南部，九龍江北岸的沿海部分，背靠漳州、泉州平原，瀕臨臺(tái)灣海峽，面對(duì)金門諸島與臺(tái)灣寶島和澎湖列島，自遠(yuǎn)古時(shí)為白鷺棲息之地而稱“鷺島”。

廈門全市由陸地和島嶼兩部分組成，地勢(shì)總體由北西向南東傾斜。陸地部分形成3個(gè)半封閉，向東南、西南敞開的海灣——馬鑾灣、杏林灣和同安灣。同安區(qū)北部的云頂山為廈門市最高峰，海拔高程1 175.2 m。南部島嶼星羅棋布，共有大小島嶼、巖礁52個(gè)。

廈門市港灣發(fā)育，海岸線迂回曲折，灘涂較發(fā)育。

廈門市所處的地貌類型為：構(gòu)造侵蝕中低山、低山，侵蝕剝蝕丘陵、低丘、臺(tái)地和堆積沖積階地、洪積扇，沖海積三角洲、風(fēng)積砂丘砂垅。

測(cè)區(qū)地層發(fā)育不全，僅出露部分中生界和新生界，出露面積占陸地總面積約五分之三。根據(jù)接觸關(guān)系、層序、巖性、巖相、化石組合、火山噴發(fā)旋回及碳同位素資料，可分為上三疊統(tǒng)文賓山組、下侏羅統(tǒng)梨山組、上侏羅統(tǒng)長(zhǎng)林組、上侏羅統(tǒng)南園組、第四系中更新統(tǒng)同安組、上更新統(tǒng)龍海組、全新統(tǒng)東山組和長(zhǎng)樂組及第四系殘坡積層。

研究區(qū)的地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，第四紀(jì)松散層薄厚不均，基巖在地表出露時(shí)有發(fā)生。

3 三維地質(zhì)建模方法研究

三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查是廈門城市地質(zhì)調(diào)查的核心工作內(nèi)容，而三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查的主要技術(shù)手段就是利用鉆探、物探、實(shí)地調(diào)查和取樣試驗(yàn)等，了解地質(zhì)體的三維空間分布、結(jié)構(gòu)及其特征。同時(shí)，通過利用三維模型的構(gòu)建，直觀反應(yīng)地質(zhì)體的空間變化。在本項(xiàng)目實(shí)施過程中，針對(duì)廈門三維建模的數(shù)據(jù)特點(diǎn)及建模要求，對(duì)模型建立所采用的數(shù)據(jù)源開展歸并和數(shù)字化，并對(duì)建模技術(shù)進(jìn)行多方多次論證，形成三維城市地質(zhì)模型建立的完善的實(shí)施方案。

近年來,城市地質(zhì)模型開發(fā)者不斷研究發(fā)展，主要形成了以表面模型、實(shí)體模型與混合模型為基礎(chǔ)的20多種空間建模理論[5-6]。為了較好地實(shí)現(xiàn)地質(zhì)特征的三維可視化，地質(zhì)模型的建立必須選用恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，并結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)技術(shù)，這樣才能將地質(zhì)特征以三維圖像方式得以完整展示[8,9]。根據(jù)廈門市基礎(chǔ)地質(zhì)和工程地質(zhì)特征，通過軟件開發(fā)人員與專業(yè)人員的多次溝通，為了完成廈門市基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)三維模型的構(gòu)建，通過整個(gè)項(xiàng)目組團(tuán)隊(duì)共同努力，系統(tǒng)研究了地質(zhì)分區(qū)圖約束下的多源地質(zhì)數(shù)據(jù)耦合自動(dòng)建模技術(shù)，開發(fā)了一系列的分區(qū)圖構(gòu)建、數(shù)據(jù)源檢查、地質(zhì)面構(gòu)建、地質(zhì)體構(gòu)建、模型效果調(diào)整的工具，按照自上而下、由粗到精，先建大層，再建小層的思想進(jìn)行模型構(gòu)建。

3.1 建模的思路和過程

本文在建立三維地質(zhì)模型中的主要思路為：每一層地層單獨(dú)構(gòu)建地質(zhì)體，多層地質(zhì)體構(gòu)成地質(zhì)模型。第一層由地表分區(qū)圖和地形等高線建模。從第一層開始，上一層的底面作為下一層的頂面參與建模，根據(jù)頂面、鉆孔數(shù)據(jù)和地層分區(qū)圖(地質(zhì)圖)自動(dòng)構(gòu)建底面，然后將頂面、側(cè)面和底面構(gòu)成地質(zhì)體(圖1)。

具體建模過程如下：

3.1.1 實(shí)現(xiàn)地質(zhì)分區(qū)圖約束下的多源地質(zhì)數(shù)據(jù)耦合的地表面地質(zhì)子面建模

通過剝離當(dāng)前需要處理的地質(zhì)層，將后續(xù)地質(zhì)表面建模轉(zhuǎn)化為地表的地質(zhì)子面建模。然后通過標(biāo)準(zhǔn)地層層序和地層分級(jí)兩重循環(huán)，依次構(gòu)建出所有地質(zhì)體的地質(zhì)子面模型；通過拓?fù)涮幚恚瑯?gòu)建出地層結(jié)構(gòu)模型(圖2)。

圖1 地質(zhì)分區(qū)圖約束下的多源地質(zhì)數(shù)據(jù)耦合建模思路注：需要?jiǎng)冸x地層L，以下都簡(jiǎn)稱“地層L”。

圖2 地層剝層示意圖

3.1.2 出露到地表的地層子面構(gòu)建(每次剝層以后形成的新的地表也是按照此方法處理)

(1) 河流地層：如果模型中包含河流，則將其作為標(biāo)準(zhǔn)地層中的最上面一層，根據(jù)河流的分布圖和地形數(shù)據(jù)，構(gòu)建河流的頂界面。

(2) 其他出露地層：根據(jù)地貌分區(qū)，在每個(gè)地貌單元內(nèi)，找出其中的地形數(shù)據(jù)和鉆孔出露地層頂界點(diǎn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建出露地層子面。

(3) 所有子面模型構(gòu)建后，記錄子面的上下地層屬性，為后面構(gòu)體做準(zhǔn)備。

3.1.3 當(dāng)前需要?jiǎng)冸x地層L的確定方法

(1) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地層表的標(biāo)準(zhǔn)層序和當(dāng)前建模的級(jí)別，自上而下，依次進(jìn)行。河流地層為第一個(gè)需要?jiǎng)冸x的地層。

(2) 地層L的頂板面在前面已經(jīng)構(gòu)建，底板面的構(gòu)建方法：利用地層L的地層分區(qū)和鉆孔底板點(diǎn)，構(gòu)建地層L的初始底板地質(zhì)面模型。

如果地層L是河流地層(將河流作為一類特殊的地層)，則根據(jù)河流的頂面和河床深度自動(dòng)模擬出其底面模型。

(3) 如果地層L到達(dá)了建模邊界，需要構(gòu)建側(cè)面模型。構(gòu)建方法是將頂?shù)酌嫔舷陆拼怪边B接。

3.1.4 地層L剝離后的處理工作

地層L剝離之后，又形成新的地表出露區(qū)，而且地層L的底板面將作為下一地層的頂板面的一部分。剝離時(shí)，需要進(jìn)行的處理有：

(1) 地層L的底面的分割：根據(jù)地層L和M分區(qū)圖的之間的切割關(guān)系，將地層L的地面分成兩大部分A和B：A表示既是L的底又是M的頂，B表示是L的底和其他地層的頂。分割后，對(duì)地層L的地質(zhì)體進(jìn)行更新。

(2) 新的地表出露子面的確定：確定新的地貌分區(qū)單元。剝離地層L后，下一個(gè)地層M的出露地表的地貌分區(qū)單元會(huì)發(fā)生變化，地層M出露的范圍會(huì)擴(kuò)大，擴(kuò)大部分用新的子分區(qū)表示。確定新的地表DEM曲面模型(由一系列的子面拼接而成，每個(gè)子面帶有上下地層屬性信息)。

3.1.5 下一級(jí)地層面的構(gòu)建方法

在大層的地質(zhì)體內(nèi)構(gòu)建這一地層的亞層地質(zhì)體。這樣可避免對(duì)其他地質(zhì)體的干擾。

假設(shè)現(xiàn)有地層L1、L2、L3……，以地層L1為例。L1中有L1-1，L1-2，L1-3……。以L1為例，介紹其構(gòu)建方法：

(1) 首先找出出露地表的DEM。L1的頂面即為地表的DEM。

(2) 地表的地質(zhì)分區(qū)：由用戶提供當(dāng)前級(jí)別的L1-1、L1-2、L1-3……的地質(zhì)分區(qū)圖。

(3) 按照上述方法逐層構(gòu)建頂?shù)鬃用?保證拓?fù)湟恢?。

3.2 建模的基本要求

地質(zhì)模型的建立過程中，在對(duì)地層和地質(zhì)體分布特征進(jìn)行分析處理時(shí)，應(yīng)遵守基本的建模要求，否則將與工程地質(zhì)實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)，地質(zhì)模型的權(quán)威性與實(shí)用性將大打折扣。

(1) 模型地表面的地層與地表地形和地質(zhì)剖面圖要完全吻合

第四系沉積物地層因其具有標(biāo)準(zhǔn)的沉積層序，構(gòu)建模型可采用自頂至底逐層剝離的方法，并要求處理好與地形圖和剖面圖的吻合關(guān)系。

(2) 某些地層的缺失要符合地層的沉積、搬運(yùn)和侵蝕規(guī)律

在完全地質(zhì)整合下，各個(gè)地層均按沉積序列規(guī)律分布，一般某一地層的缺失或尖滅，主要是由搬運(yùn)或侵蝕作用引起的。因此在對(duì)缺失地層的分布特征和分界線進(jìn)行插值和推斷時(shí)，要充分考慮缺失地層在研究區(qū)的原始沉積序列和搬運(yùn)侵蝕規(guī)律。

(3) 第四系地質(zhì)模型的構(gòu)建還要考慮基巖面約束作用

在研究區(qū)的不同地區(qū)，基巖面與第四系地層的相互位置關(guān)系各不相同。基巖面在某些地區(qū)會(huì)穿入第四系地質(zhì)中，在別的地區(qū)又會(huì)出露到地表。故而在對(duì)第四系地層模型建立時(shí)還應(yīng)充分考慮基巖面的約束作用。

4 三維地質(zhì)模型的構(gòu)建

提供自動(dòng)建模工具，對(duì)陸域、海域整體建模，先建立第四系三維模型，再建立基巖三維模型；孤石、斷層模型單獨(dú)構(gòu)建?；阢@孔數(shù)據(jù)，地層分區(qū)圖，并約束地表地質(zhì)圖，構(gòu)建陸域、海域第四系三維模型(反映成因類型與巖性)。在第四系模型的基礎(chǔ)上，提取第四系頂面作為基巖面，并結(jié)合產(chǎn)狀數(shù)據(jù)等，自動(dòng)構(gòu)建基巖三維模型。建模還考慮地層厚度與距離，進(jìn)行自動(dòng)尖滅處理；從上往下構(gòu)建，當(dāng)?shù)貙影l(fā)生相交時(shí)，新地層切割老地層等其他規(guī)則。

4.1 建模工具開發(fā)

研發(fā)地質(zhì)圖、鉆孔、分區(qū)圖(細(xì)分到成因類型)共同約束的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)自動(dòng)建模工具(一種全新的建模工具)。采用自頂向底的思想構(gòu)建地層面，利用基于地質(zhì)分區(qū)的三維地質(zhì)快速建模方法的建模工具來構(gòu)建工程地質(zhì)1級(jí)、2級(jí)模型，通過這種方式，可以在今后地質(zhì)工作中，隨著數(shù)據(jù)的豐富和完善，能夠及時(shí)重構(gòu)更新模型，隨時(shí)對(duì)模型形態(tài)進(jìn)行快速調(diào)整。經(jīng)過廈門地質(zhì)工程勘察院專業(yè)人員共同的討論和研究，最終厘定了廈門地區(qū)工程地質(zhì)地層層序。

4.2 建模數(shù)據(jù)源

建模中需要利用到的數(shù)據(jù)包括：具有標(biāo)準(zhǔn)層序的鉆孔數(shù)據(jù)、地表等高線、地層分區(qū)圖(地質(zhì)圖)、剖面圖、地層埋深等值線等(圖3)。其中鉆孔數(shù)據(jù)、地表等高線數(shù)據(jù)和地層分區(qū)圖(地質(zhì)圖)是必需數(shù)據(jù)，各類數(shù)據(jù)用途如下：

·地形圖數(shù)據(jù)——用于構(gòu)建地表的三維曲面；

·地質(zhì)圖——反映地層在地表的分布情況；

·鉆孔——反映鉆孔上每個(gè)地層分界點(diǎn)的高程；

·隱伏地層平面分區(qū)圖——根據(jù)鉆孔的地層分界點(diǎn)的分布范圍，結(jié)合其他資料等，繪制生成隱伏地層的平面分布圖；

·地質(zhì)剖面圖——反映兩個(gè)鉆孔之間的地層連接規(guī)律，屬于建模的可選數(shù)據(jù)；

·地層的標(biāo)準(zhǔn)層序表——根據(jù)建模區(qū)域地層情況，劃分的標(biāo)準(zhǔn)地層，第四紀(jì)地層自上而下，有嚴(yán)格的沉積規(guī)律，老地層在下，新地層在上，地層一般按照地層成因和巖性分為兩級(jí)。

圖3 建模數(shù)據(jù)源之間的關(guān)系

4.3 地層分區(qū)圖的繪制

地質(zhì)圖顯示的則為出露地層，經(jīng)判定，若完全出露，則地質(zhì)圖上顯示范圍就是該層的分區(qū)圖；如果判定為隱伏地層或是部分出露，則需要根據(jù)實(shí)際情況利用系統(tǒng)提供的工具繪制那層地層分區(qū)圖，每一層的頂面都由出露在地表的部分與上一層的底面構(gòu)成。繪制地層分區(qū)圖的工具可以根據(jù)剖面數(shù)據(jù)、鉆孔提取地層界線，約束工作區(qū)邊界、空洞區(qū)，通過地質(zhì)專業(yè)人員人工篩選，生成可以編輯的地層分區(qū)圖(圖4)。

圖4 地表地層分區(qū)圖

4.4 數(shù)據(jù)源一致性處理

鉆孔的孔口標(biāo)高與地形的高程可能存在不吻合的情況。而三維地質(zhì)建模要求地質(zhì)面嚴(yán)格過地形等值線數(shù)據(jù)，也嚴(yán)格過鉆孔的地層分界點(diǎn)，因此先必須保證數(shù)據(jù)的一致性。系統(tǒng)開發(fā)了數(shù)據(jù)源一致性檢查的工具，使得專業(yè)人員可以快速檢查出數(shù)據(jù)存在的問題，并開發(fā)出一些針對(duì)廈門數(shù)據(jù)特征的統(tǒng)改工具，輔助進(jìn)行修改和調(diào)整，包括鉆孔與地層分區(qū)圖的一致性檢查、鉆孔與地質(zhì)圖的一致性檢查、人工填土分布的檢查、地層倒轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的處理、地質(zhì)圖的更新。共提供如下幾種數(shù)據(jù)檢查工具：

·地層倒轉(zhuǎn)統(tǒng)計(jì)工具

·鉆孔與地層分區(qū)圖檢查工具

·鉆孔與地質(zhì)圖檢查工具

·人工填土分布檢查工具：指定范圍內(nèi)的人工填土才考慮，其他均歸并到下一層，并將地質(zhì)圖做相應(yīng)的修改。人工填圖按一層建立，再將吹填土、其他類型填土等用不同的屬性和顏色區(qū)分。

4.5 構(gòu)建三維模型

地質(zhì)分區(qū)圖約束下的多源地質(zhì)數(shù)據(jù)耦合自動(dòng)建模技術(shù)的主要思路：獲得每一層頂面分區(qū)，利用“頂面邊界+鉆孔約束”構(gòu)建底面，最后形成塊體模型。根據(jù)開發(fā)的該建模工具，在本項(xiàng)目中，由系統(tǒng)根據(jù)提取出的4 000多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化后的建模鉆孔自動(dòng)生成各地層分區(qū)圖，經(jīng)過專業(yè)人員的校對(duì)和系統(tǒng)檢查工具的檢查與修改，再作為建模的約束數(shù)據(jù)參與建模。

為了更真實(shí)的反映廈門復(fù)雜的地層情況，研究區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)各個(gè)建模區(qū)的三維模型均基于該方法完成三維模型構(gòu)建工作，并首次建立松散層和基巖協(xié)調(diào)統(tǒng)一的地層結(jié)構(gòu)模型如圖5。

圖5 松散層和基巖協(xié)調(diào)統(tǒng)一的地層結(jié)構(gòu)一級(jí)成員模型

5 三維地質(zhì)建模工程實(shí)例應(yīng)用

三維城市地質(zhì)建模在城市地質(zhì)空間資源評(píng)價(jià)、在地鐵選線和站臺(tái)選址、地鐵地下工程建設(shè)等領(lǐng)域具有很強(qiáng)的實(shí)用性。利用三維地質(zhì)模型并疊加城市遙感影像，可直觀定位查詢地質(zhì)信息，實(shí)現(xiàn)選址自動(dòng)化，模擬鉆孔打鉆，節(jié)約成本，提高工作效率，更好的為城市規(guī)劃建設(shè)服務(wù)。

5.1 在地鐵選線和選址上的應(yīng)用

對(duì)地鐵線路比選及各車站選址，需要通過勘察手段和已有資料的收集來確定線路上的地質(zhì)情況、地下水分布特征等工程地質(zhì)信息來研究項(xiàng)目的可行性，并為地鐵的設(shè)計(jì)提供最基礎(chǔ)的一手資料。而剛建成的廈門三維城市地質(zhì)信息系統(tǒng)將為地鐵線路選線及各車站具體選址，提供較大的便利。

廈門三維城市地質(zhì)信息系統(tǒng)在地鐵線路選線及各站臺(tái)具體選址上的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

(1) 利用三維城市地質(zhì)信息系統(tǒng)提供的“切剖面”功能，規(guī)劃師在城市三維地質(zhì)模型上按初步選定的地鐵線路劃線，就可以清晰地得到具體線路地下的地質(zhì)信息，如圖6和圖7所示。這在城市地鐵等線型地下空間線路比選中能發(fā)揮很大的作用。而利用三維城市地質(zhì)信息系統(tǒng)提供的“隧道開挖模擬、隧道漫游”等功能，規(guī)劃設(shè)計(jì)師在模型平面圖內(nèi)按規(guī)劃設(shè)計(jì)的路線設(shè)定對(duì)應(yīng)漫游路徑，就可以清晰直觀地查看“沿途”的地質(zhì)構(gòu)造特征，見圖8所示。這在地鐵車站及周邊商業(yè)配套等塊型地下工程的選址及設(shè)計(jì)中作用巨大。通過城市地質(zhì)信息系統(tǒng)能省去用于地鐵項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)的可行性研究勘察和部分初步勘察工作所需的大量的時(shí)間和成本，能快速得到地鐵線路上的地層地質(zhì)情況、地下水情況、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)等情況，為地鐵選線和站臺(tái)選址高效地完成提供保證。

圖6 服務(wù)于軌道交通安全

圖7 模型沿地鐵線路切割

圖8 隧道開挖模擬、隧道漫游

(2) 及時(shí)發(fā)現(xiàn)和規(guī)避不良工程地質(zhì)、特殊地質(zhì)區(qū)域和不利的水文地質(zhì)條件范圍，為地鐵線路選線及站臺(tái)選址提供最優(yōu)的方案，為地鐵線路的初步設(shè)計(jì)、隧道支護(hù)及開挖方案提供最準(zhǔn)確的勘察資料，并為今后地鐵建設(shè)節(jié)約大量的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。

5.2 在地鐵項(xiàng)目施工建設(shè)中的應(yīng)用

在地鐵項(xiàng)目施工建設(shè)中，地鐵周邊的地質(zhì)構(gòu)造分布及其特征的準(zhǔn)確性和直觀性對(duì)項(xiàng)目施工建設(shè)至關(guān)重要。如果對(duì)地質(zhì)情況掌握不足或不到位的話，將會(huì)對(duì)施工質(zhì)量造成較多安全隱患和施工安全事故。三維城市地質(zhì)模型在城市地鐵等地下工程施工建設(shè)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)如下：

(1) 利用三維城市地質(zhì)模型，事先掌握地鐵及其周邊影響區(qū)域的地下水三維空間分布特征，可以提前做好降水、排水措施，可防止出現(xiàn)因地下水滲透所引發(fā)的安全事故，避免因地下水處理不當(dāng)而拖延工期、浪費(fèi)成本。

(2) 利用三維城市地質(zhì)模型，掌握地鐵及其周邊影響范圍的巖溶和土洞分布狀況，可以事前設(shè)計(jì)出巖溶區(qū)的開挖及支護(hù)措施，有效地避免出現(xiàn)巖溶塌陷等事故，極大地節(jié)約施工成本。

(3) 利用廈門三維城市地質(zhì)信息系統(tǒng)的“隧道開挖模擬”功能，可直接對(duì)城市地鐵隧道等地下工程進(jìn)行模擬開挖。結(jié)合相應(yīng)模塊，系統(tǒng)能便捷地提供具體開挖支護(hù)方案、施工流水和所需工期的建議。

(4) 利用三維地質(zhì)建模系統(tǒng)的“虛擬鉆探”功能，人們就可以在地鐵項(xiàng)目施工過程中所對(duì)應(yīng)的具體任意位置實(shí)現(xiàn)“鉆孔”，從而得到相應(yīng)鉆孔的地質(zhì)分布情況。這種方法所需的成本幾可忽略，而且簡(jiǎn)便快速，極大地提高了效率。

5.3 集美新城規(guī)劃區(qū)上的應(yīng)用

利用城市三維地質(zhì)信息系統(tǒng)，建立規(guī)劃區(qū)的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型(圖9、圖10)。通過此模型可快速獲取規(guī)劃區(qū)范圍內(nèi)的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)分布特

圖9 廈門集美新城規(guī)劃區(qū)鉆孔分布

圖10 廈門集美新城規(guī)劃區(qū)三維模型

點(diǎn)，全方位、較便捷地分析不良地質(zhì)地層情況對(duì)地下基礎(chǔ)工程建設(shè)的影響，提前評(píng)估擬建工程的可行性和安全性。為城市規(guī)劃建設(shè)和重大工程選址提供基礎(chǔ)性工程地質(zhì)資料；為城市規(guī)劃、建設(shè)和管理工作提供地質(zhì)依據(jù)，避免重大工程建設(shè)的決策失誤；為土地利用規(guī)劃、城市規(guī)劃建設(shè)、政府管理決策等提供強(qiáng)有力的地質(zhì)支撐。

6 總結(jié)

三維地質(zhì)模型與傳統(tǒng)的二維圖件及地質(zhì)概念模型相比,在可視化及對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的精確表達(dá)上都有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)。它能更有效的幫助人們認(rèn)清地質(zhì)條件,方便交流,多方面地分析地質(zhì)情況對(duì)地下建設(shè)開發(fā)的影響，快速了解規(guī)劃工程的地質(zhì)情況，對(duì)工程可行性進(jìn)行評(píng)估，為城市規(guī)劃建設(shè)和重大工程選址提供基礎(chǔ)性工程地質(zhì)資料，為城市規(guī)劃、建設(shè)和管理工作提供地質(zhì)依據(jù)，避免重大工程建設(shè)的決策失誤。因此,開展三維地質(zhì)建模技術(shù)的研究有著重要的意義。

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作者簡(jiǎn)介：王麗芳(1985- )，女，漢族，工程師，2008年畢業(yè)于成都理工大學(xué)地質(zhì)學(xué)專業(yè)，工作于廈門地質(zhì)工程勘察院地環(huán)所，長(zhǎng)期從事水工環(huán)地質(zhì)、三維城市地質(zhì)研究等工作。E-mail：403848668@qq.com

RESEARCH ON 3D GEOLOGICAL MODELING METHOD IN XIAMEN AND ENGINEERING APPLICATION

WANG Li-fang
(Xiamen Institute of Geological Engineering,Xiamen 361008,China)

In this paper, according to the strategic needs of sustainable socio-economic development process in Xiamen, resources, environment and safety issues have been met. In base of fulling collection and integration and digitized the already existing geological investigation, survey and other data in Xiamen, the integrated use of geology, geophysics chemical, drilling methods, and computer information technology and other means, a comprehensive survey of urban geological hazards and geological formations environments, established geological information visualization management service system in Xiamen city, the city's geological data integrated multi-level management and 3D visualization have been implementation, for the planning of important urban projects, lines selection and sites selection, geological investigation, design and construction of the building and operations management providing the most basic geological information resources and decision-making platform.

urban geology； three-dimensional geological modeling； digital city； metro lines selection

1006-4362(2016)04-0084-07

2016-09-19改回日期： 2016-10-17

X3;P642

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