王國光，魏志云，徐 震，卓勝豪，陳 詩

（1. 中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司（信息中心），浙江 杭州 311122；2. 浙江省工程數(shù)字化技術(shù)研究中心，浙江 杭州311122；3. 數(shù)字城市CIM技術(shù)浙江省工程研究中心，浙江 杭州 311122；4. 浙江華東工程數(shù)字技術(shù)有限公司，浙江 杭州 311122）

近年來，研究基于鉆孔數(shù)據(jù)自動生成地質(zhì)體方法的學(xué)者比較多?；谇捌谘芯?，本文提出一種適用于巖土勘察的地層三維模型自動建模技術(shù)，首次將地層模型區(qū)分為完整層實(shí)體和非完整層實(shí)體，以事先準(zhǔn)備的標(biāo)準(zhǔn)地層、鉆孔數(shù)據(jù)和地形體為自動建模的基礎(chǔ)，根據(jù)工程要求確定建模和數(shù)據(jù)提取的范圍，先從鉆孔數(shù)據(jù)中提取完整層數(shù)據(jù)和非完整層數(shù)據(jù)，然后利用這些數(shù)據(jù)建立完整層和非完整層界面，再利用三維面剪切體技術(shù)，按照從上至下、從新到老、從完整到非完整的順序，依次將地形體進(jìn)行切分，從而最終實(shí)現(xiàn)巖土體的地層三維模型的自動建模[1-18]。

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在進(jìn)行自動建模前，需要準(zhǔn)備好建模原始數(shù)據(jù)，包括標(biāo)準(zhǔn)地層、鉆孔數(shù)據(jù)以及地形體。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)地層

標(biāo)準(zhǔn)地層是地質(zhì)人員根據(jù)實(shí)際建模區(qū)域內(nèi)鉆孔所揭露的地層按照地層新老順序進(jìn)行綜合排序的結(jié)果，需事先在巖土數(shù)據(jù)庫[19]中定義好，其序號作為地層新老判斷的依據(jù)，如表1 所示，最左側(cè)即為相應(yīng)地層的地層序號。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地層表

1.2 鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理

從數(shù)據(jù)庫里讀取到的鉆孔數(shù)據(jù)比較粗糙，需要對其進(jìn)行抽象化處理。鉆孔地層數(shù)據(jù)是建模區(qū)域內(nèi)的所有鉆孔的地層單元分層數(shù)據(jù)，單個鉆孔是由若干按順序排列的鉆孔段組成，其中鉆孔段由鉆孔段序號、起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)、地層編號、地層序號、地層顏色（R、G、B）描述。而單個鉆孔由鉆孔編號、當(dāng)前鉆孔段地層序號、累計(jì)虛擬厚度、鉆孔段集合描述。對于單個鉆孔而言，當(dāng)前鉆孔段地層序號用于記錄該鉆孔當(dāng)前遍歷到的鉆孔段的地層序號；累計(jì)虛擬厚度用于計(jì)算虛擬揭露點(diǎn)的位置，當(dāng)鉆孔中缺失某一地層，累計(jì)虛擬厚度取當(dāng)前遍歷到的鉆孔段厚度的平均值，當(dāng)?shù)貙舆B續(xù)缺失的情況下需要累加虛擬厚度；鉆孔段集合由多個鉆孔段構(gòu)成，每個鉆孔段包括起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)、揭露的地層編號及其唯一的地層序號，還有用以區(qū)別不同地層巖性的顏色屬性。當(dāng)前鉆孔段序號初始值為0，累計(jì)虛擬厚度初始值為0.0 m。

若當(dāng)前鉆孔段序號為1，遍歷到某夾層①-1 的時候，就需要引入虛擬鉆孔點(diǎn)P，該點(diǎn)位于當(dāng)前鉆孔段起點(diǎn)的正上方，距離該鉆孔段起點(diǎn)累計(jì)虛擬厚度的位置，如圖1為某鉆孔的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 鉆孔拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

1.3 地形體創(chuàng)建

地形體約束了地層三維建模的空間范圍，也是進(jìn)行地層分層建模的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。地形體創(chuàng)建時，首先利用勘察范圍邊界裁切數(shù)字高程模型（DEM）生成地形面，然后根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔孔底最小高程確定地形體的深度范圍，最后將地形面豎直向下拉伸成體，使得地形體為一個封閉的實(shí)體模型。

2 數(shù)據(jù)定義與提取

根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)，按標(biāo)準(zhǔn)地層中定義的地層新老順序遍歷查找出在所有鉆孔中均揭露的地層單元，將這些地層單元底部之間的地層單元集合定義為完整層。在完整層分段中搜索不在所有鉆孔中均揭露的地層單元，則定義這些地層單元為非完整層，其二維示意圖如圖2所示。

圖2 完整層與非完整層二維示意圖

地層自動建模前，通常應(yīng)根據(jù)工程設(shè)計(jì)和勘察精度要求，在建模軟件中設(shè)置地層建模范圍、鉆孔數(shù)據(jù)范圍和模型曲面擬合等參數(shù)。首先通過坐標(biāo)范圍確定要進(jìn)行三維地層建模的區(qū)域，通常地層建模范圍默認(rèn)為地形體范圍，參數(shù)設(shè)為minX、 maxX、minY、minY；然后通過勘察階段、工程區(qū)、勘探線、工程位置等條件篩選鉆孔，從篩選后的鉆孔數(shù)據(jù)中提取完整層數(shù)據(jù)和非完整層數(shù)據(jù)；最后根據(jù)地層建模精度和自動建模速度的要求，設(shè)定最佳的曲面擬合網(wǎng)格間距，可定義XY2個方向上的網(wǎng)格間距為dx、dy。

2.1 完整層數(shù)據(jù)提取

完整層數(shù)據(jù)提取是對所有鉆孔地層數(shù)據(jù)進(jìn)行遍歷，從第一個鉆孔段開始，統(tǒng)計(jì)所有鉆孔中首次出現(xiàn)與第一個鉆孔當(dāng)前鉆孔段的地層編號相同的鉆孔段的次數(shù)，若該次數(shù)與鉆孔個數(shù)相同，則認(rèn)為存在完整層數(shù)據(jù)。

完整層數(shù)據(jù)是由完整層的底部位置數(shù)據(jù)、最底層地層編號、起始鉆孔段序號集合、終止鉆孔段序號集合組成。其中完整層的底部位置數(shù)據(jù)是地層單元的完整層分段中每個鉆孔的最底部鉆孔段的終點(diǎn)坐標(biāo)；最底層地層編號記錄下的是地層單元的完整層分段中最下面地層的地層編號；起始鉆孔段序號集合是地層單元的完整層分段中每個鉆孔的最上面鉆孔段的序號；終止鉆孔段序號集合是地層單元的完整層分段中每個鉆孔的最底部鉆孔段的序號。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是為了方便對地層單元的完整層分段進(jìn)行非完整層數(shù)據(jù)提取。

2.2 非完整層數(shù)據(jù)提取

非完整層數(shù)據(jù)提取是對地層單元的完整層分段進(jìn)行遍歷，從地層單元的完整層分段中每一個鉆孔的起始鉆孔段開始，找出地層序號最小的鉆孔段，搜索所有鉆孔中與該地層序號最小的鉆孔段的地層編號相同的鉆孔段，將部分鉆孔當(dāng)前鉆孔段的終點(diǎn)坐標(biāo)和地層編號定義為非完整層數(shù)據(jù)。

3 地層三維模型的創(chuàng)建

通過以上數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)建模，就可以按照如下迭代邏輯進(jìn)行從地形體到地層實(shí)體的自動切分。

3.1 地層界面的創(chuàng)建

地層界面的創(chuàng)建是通過鉆孔地層數(shù)據(jù)，采用Kriging插值算法，以一定網(wǎng)格間距插值擬合生成較光滑的地質(zhì)曲面，包括完整層界面和非完整層界面。完整層界面指的是所有鉆孔中均揭露某地層的分界面，它基于完整層數(shù)據(jù)創(chuàng)建。非完整層界面指的是所有鉆孔中部分揭露的地層分界面，對于地層缺失的鉆孔引入虛擬揭露點(diǎn)，對非完整層數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。該虛擬揭露點(diǎn)定在鉆孔地層缺失點(diǎn)位的上方，且高出距離為累計(jì)虛擬厚度，能對非完整層界面的空間形態(tài)加以約束，使地層非完整層實(shí)體在鉆孔之間的合理位置尖滅。

完整層界面和非完整層界面的參數(shù)一致，其建模范圍均取minX-dx、maxX+dx、minY-dy、maxY+dy，網(wǎng)格間距在XY方向上分別取dx、dy。取此建模范圍是為了使地層界面貫穿地形體，能夠相互剪切。

3.2 地層實(shí)體的生成

地層三維模型的自動建模是通過創(chuàng)建的完整層界面和非完整層界面，對原始地形體先后進(jìn)行完整層實(shí)體切分和非完整層實(shí)體切分，并對切分后的地層單元實(shí)體賦予地質(zhì)屬性和圖形屬性（圖層、顏色、透明度等），最終完成地層三維模型的自動創(chuàng)建。完整層實(shí)體切分是利用完整層界面對原始地形體進(jìn)行切分，地形體被剪切后分成一個或多個完整層實(shí)體；非完整層實(shí)體切分是利用在完整層實(shí)體內(nèi)的非完整層界面對完整層實(shí)體進(jìn)行再剪切。

4 地鐵工程應(yīng)用

GeoStation for City軟件[20]是中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司基于MicroStation平臺自主開發(fā)的巖土版三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)，采用了本文闡述的巖土地層三維模型自動建模技術(shù)，應(yīng)用于寧波市地鐵4 號線翠柏里站地層三維模型創(chuàng)建及二三維分析，驗(yàn)證了技術(shù)方法的可靠性。

4.1 工程概況

寧波地鐵軌道交通4 號線是骨干線網(wǎng)西北至東南向的一條內(nèi)部填充線，翠柏里站位于寧波市海曙區(qū)翠柏路與通途路（永豐西路）交叉處，蔡江河以南，新芝賓館以西，沿翠柏路東側(cè)呈南北向布置，其具體位置及結(jié)構(gòu)平面圖如圖3、4 所示。車站長度為223 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度為16.3 m，采用明挖順作法施工，主體結(jié)構(gòu)圍護(hù)型式采用800 mm 地下連續(xù)墻，標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)深度為35 m，樁基型式為Φ800 鉆孔灌注樁，有效樁長約40 m。根據(jù)勘察報(bào)告，該地鐵站建模區(qū)共揭露雜填土、黏土、粉土、砂土等9 個大的地層，每一層又包含若干個小層，按小層計(jì)總共揭露24層。

圖3 翠柏里站地理位置圖

4.2 地層三維模型建立

該地鐵站若按常規(guī)方式進(jìn)行手動切分建模，是個非常大的工作量。利用地層三維模型自動建模技術(shù)，用戶只需導(dǎo)入鉆孔數(shù)據(jù)，即可一鍵生成三維地層模型。

在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段，將工程標(biāo)準(zhǔn)地層、鉆孔數(shù)據(jù)錄入到巖土數(shù)據(jù)庫里面，根據(jù)地鐵站勘察范圍建立好初始地形體。該站建模范圍取260×370 m 的矩形，方向沿標(biāo)準(zhǔn)段基坑的軸線方向，建模深度取100 m。

圖4 翠柏里站結(jié)構(gòu)平面圖及建模范圍

在本例中，整個建模過程耗時不到1 min，快速、高效地實(shí)現(xiàn)了翠柏里站地層三維模型的創(chuàng)建，建模成果按完整層和非完整層展示如圖5、6所示。由于采用了克里金插值算法和TIN三角網(wǎng)擬合技術(shù)，使圖中地層界面過渡平滑、自然。且引入虛擬揭露點(diǎn)，較好控制非完整層界面的走向，使得尖滅、透鏡體等特殊地層得到了的較好處理。

圖5 完整層實(shí)體切分

圖6 非完整層實(shí)體切分

4.3 二維剖面分析與出圖應(yīng)用

為了驗(yàn)證地層三維模型的準(zhǔn)確性，對圖5、6中的地鐵站三維地層模型進(jìn)行了剖面分析，沿著某一勘探線剖切輸出工程地質(zhì)剖面圖，如圖7、8 所示。圖中，程序自動對不同地層進(jìn)行了編號標(biāo)注，同時包括鉆孔信息、地層信息，設(shè)計(jì)人員可以實(shí)時準(zhǔn)確地了解地層的分布狀況。從圖中可以看出，完整層和非完整層關(guān)系清晰，地層界線嚴(yán)格經(jīng)過鉆孔揭露的地層分界點(diǎn)，且地層界線表現(xiàn)得順滑，沒有局部突變現(xiàn)象的發(fā)生。這一結(jié)果充分驗(yàn)證了地層三維模型自動建模技術(shù)準(zhǔn)確、可靠，生成的地層三維模型更加接近于真實(shí)的巖土地層。

圖7 完整層實(shí)體切分后在勘探剖面圖上的效果

圖8 非完整層實(shí)體切分后在勘探剖面圖上的效果

4.4 三維空間分析與模擬應(yīng)用

利用翠柏里地鐵站巖土地層三維模型，可以進(jìn)行土方開挖等三維分析，開挖模型如圖9 所示。由于每個地層都帶有詳細(xì)的屬性信息，其中最重要的是巖性屬性和體積屬性。根據(jù)深基坑的施工范圍，對地層三維模型進(jìn)行逐層模擬開挖剪切，得到不同巖性層的開挖土石方量，詳細(xì)、精確的方量對土石方造價計(jì)算和施工計(jì)劃都有重要作用。經(jīng)量測，翠柏里站主體結(jié)構(gòu)開挖方總量是109 173.982 m3。

圖9 翠柏里地鐵站模擬開挖地層三維模型

基于開挖后的三維地質(zhì)模型進(jìn)行施工模擬，不僅可精準(zhǔn)地模擬土方開挖的時空效應(yīng)“縱向分段、豎向分層、限時、對稱、由上而下、先支撐后開挖”，形成直觀形象的進(jìn)度管控和施工交底資料，還可幫助工程師快速了解和掌握場區(qū)地形、土層、地下水現(xiàn)狀，將地質(zhì)模型與場區(qū)規(guī)劃模型相結(jié)合，可多角度的審查圍護(hù)體系與各地層的相對位置關(guān)系，輔助決策基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案的合理性。對于不良地質(zhì)、特殊巖土等問題做待處理的重點(diǎn)標(biāo)志，幫助工程人員有針對性的制定相對應(yīng)的施工方案，及時采取有效的施工措施。圖10是基于翠柏里地鐵站地層三維模型的施工開挖與支護(hù)方案模擬。

圖10 基于翠柏里地鐵站地層模型的施工開挖與支護(hù)方案模擬

5 結(jié) 論

本文闡述了巖土地層三維模型自動建模技術(shù)，重點(diǎn)介紹了實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的方法、步驟、程序，以及通過地鐵工程應(yīng)用驗(yàn)證了該技術(shù)的性能和可靠性。通過以上研究與應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

1）本文首次提出了地層三維模型的完整層與非完整層概念，并詳細(xì)說明了地層三維模型自動建模技術(shù)方法的條件、步驟、程序，能夠適應(yīng)夾層、尖滅、透鏡體等特殊地層結(jié)構(gòu)的自動建模處理，無需過程中的人工干預(yù)，滿足當(dāng)前三維協(xié)同勘察設(shè)計(jì)趨勢下的動態(tài)設(shè)計(jì)工作要求，關(guān)鍵的模型成果可隨時在線獲得，為方案設(shè)計(jì)提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2）該技術(shù)方法具有很強(qiáng)的可編程實(shí)現(xiàn)性，程序邏輯簡單實(shí)用。

3）該技術(shù)方法在寧波地鐵4號線翠柏里站成功應(yīng)用，獲得地層界面、地層實(shí)體等成果。

綜上所述，該技術(shù)方法簡單、可靠、準(zhǔn)確、實(shí)用，在地鐵工程實(shí)例中取得較好應(yīng)用，同時在工民建、水利、市政、港口、機(jī)場等巖土工程中具有推廣價值。需要特別指出，該技術(shù)方法研究成果只能滿足單點(diǎn)工程地層三維建模的要求，存在數(shù)據(jù)量越大建模時間較長的弊端，還不能完全滿足線路工程、城市片區(qū)的整體地層三維模型自動建模需求。