GMS三維地質(zhì)模型在鐵路地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

楊軍杰

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

GMS三維地質(zhì)模型在鐵路地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

楊軍杰

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

地質(zhì)體三維可視化是近年來(lái)鐵路工程地質(zhì)的發(fā)展方向。為了利用現(xiàn)有二維地質(zhì)勘察成果直接快速地建立三維地質(zhì)模型，以蒙西至華中地區(qū)運(yùn)煤通道鐵路裴莊隧道地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，針對(duì)GMS數(shù)據(jù)特點(diǎn)開發(fā)地質(zhì)資料自動(dòng)轉(zhuǎn)換程序，建立隧道周圍63.54 km2范圍內(nèi)的三維地質(zhì)模型。通過(guò)DEM和疊加遙感影像，真實(shí)再現(xiàn)裴莊隧道及周邊地區(qū)的地形地貌和地層分布情況，為隧道方案比選提供了可視化手段，有助于提高地質(zhì)工程師對(duì)場(chǎng)地復(fù)雜地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量也具有一定的意義。

鐵路工程；地質(zhì)勘察；GMS；三維地質(zhì)；地質(zhì)建模

新建鐵路工程地質(zhì)勘察踏勘、初測(cè)、定測(cè)階段通過(guò)地質(zhì)調(diào)查、鉆探、物探、遙感等手段形成了大量的地質(zhì)資料，包括地層巖性、斷層節(jié)理、地下水位、滑坡分布等等；但是這些信息都是離散不連續(xù)的，地質(zhì)工程師很難直接利用這些實(shí)測(cè)資料推斷研究區(qū)域內(nèi)的地層分布規(guī)律及地質(zhì)體的復(fù)雜空間關(guān)系；工程地質(zhì)報(bào)告局限于靜態(tài)的文字、統(tǒng)計(jì)表格和二維的柱狀圖、縱斷面，無(wú)法直觀描述空間地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)和起伏變化，不能充分揭示每個(gè)工點(diǎn)的地下地質(zhì)情況，更不能進(jìn)行地質(zhì)空間分析，難以使人們直接、完整、準(zhǔn)確地理解和感受地下的地質(zhì)情況，使設(shè)計(jì)人員不能充分利用地質(zhì)勘察成果資料，越來(lái)越不能滿足工程設(shè)計(jì)和分析的需求[1-3]。近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路迅速發(fā)展，京滬、京廣、哈大、津秦等客運(yùn)專線相繼通車運(yùn)營(yíng)，鐵路勘察設(shè)計(jì)技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)，地質(zhì)勘察成果也由傳統(tǒng)的鉆孔柱狀圖、二維剖面圖向三維可視化方向發(fā)展[4]。

三維地質(zhì)建模通過(guò)地質(zhì)信息的三維表達(dá)和數(shù)據(jù)管理，解決了上述問(wèn)題，同時(shí)也為巖土工程數(shù)值分析提供計(jì)算模型。三維地質(zhì)建模是指在原始的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，在地質(zhì)工程師的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下經(jīng)過(guò)一系列的解譯、修改后，以適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立地質(zhì)特征的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)實(shí)際地質(zhì)實(shí)體對(duì)象的幾何形態(tài)、拓?fù)湫畔?地質(zhì)對(duì)象間的關(guān)系)和物性3個(gè)方面的計(jì)算機(jī)模擬，由這些對(duì)象的各種信息綜合形成的一個(gè)復(fù)雜整體三維模型的過(guò)程[5-6]。

1 GMS簡(jiǎn)介

GMS(Groundwater Modeling System)是Aquaveo公司推出的一款在三維可視化環(huán)境下開發(fā)、描述地下水的軟件，目前的最新版本是9.2。GMS軟件是美國(guó)Brigham Young University環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)陸軍排水工程實(shí)驗(yàn)工作站在綜合MOFDFLOW、FFMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SFFP2D等已有地下水模型的基礎(chǔ)上開發(fā)的一個(gè)綜合性的用于地下水模擬的圖形界面軟件。經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，GMS軟件的功能越來(lái)越完善，并在各個(gè)領(lǐng)域中取得廣泛應(yīng)用。

GMS主要組件及功能如下。

(1)GMS整合了MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、RT3D、SEEP2D、SEAM3D、UTCHEM、PEST、UCODE等模型和程序包，可進(jìn)行地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬。

(2)GMS基本功能主要由11個(gè)組件構(gòu)成，包括TIN Module、Borehole、Solid、2D Mesh、2D Grid、2D Scatter Point、3D Mesh、3D Grid、3D Scatter Point、Map and GIS。綜合運(yùn)用這11個(gè)組件可以建立三維地層實(shí)體，進(jìn)行鉆孔數(shù)據(jù)管理、二維(三維)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)、分析，為鐵路工程地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)服務(wù)。

(3)Map和GIS模塊支持ARCGIS的shp文件以及AutoCAD數(shù)據(jù)，因而可以處理地質(zhì)勘察收集的地質(zhì)圖、水文地質(zhì)圖、地形圖、地質(zhì)調(diào)繪等基礎(chǔ)資料；可以與GIS和AutoCAD無(wú)縫銜接，減少了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和信息損失。

(4)鐵路地質(zhì)勘察定測(cè)階段對(duì)全線路基、隧道尤其是橋梁主要采用鉆探獲得地層信息和巖土物理力學(xué)指標(biāo)，Borehole模塊支持鉆孔數(shù)據(jù)的輸入處理，可以直觀顯示二維、三維鉆孔地層信息，繪制剖面圖，為三維建模提供數(shù)據(jù)源。

(5)TIN模型用來(lái)擬合各類地質(zhì)對(duì)象的幾何結(jié)構(gòu)面，如地層分界面、斷層面等。

2 研究區(qū)概況

2.1 地形地貌

裴莊隧道位于山西省運(yùn)城市萬(wàn)榮縣，隧道總長(zhǎng)7.135 km，隧道最大埋深87.5 m，穿越峨嵋臺(tái)地。峨嵋臺(tái)地為黃土塬，為第四系黃土覆蓋，臺(tái)地頂部地形平緩，地表大多已辟為耕地及果園，臺(tái)地邊緣地形起伏較大，橫向黃土沖溝發(fā)育，以緩斜坡與汾河三級(jí)階地相接，相對(duì)高差約130 m。隧道進(jìn)口位于臺(tái)地斜坡中下部，山坡自然坡度為5°～8°，出口處地形平坦。

隧道洞身穿越粉細(xì)砂層和黃土層，全部為Ⅴ級(jí)圍巖，隧道洞身穩(wěn)定性較差，如果獲得隧道范圍內(nèi)詳細(xì)的地層信息和粉細(xì)砂的具體分布，對(duì)于隧道方案比選和后期施工開挖安全意義重大。

2.2 工程地質(zhì)勘察方法及工作量

在充分分析、研究1∶20萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)圖的基礎(chǔ)上，以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪為主，選取局部典型地段鉆探揭示地層，初步查明洞身工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件。共完成鉆孔10個(gè)，鉆孔深度35.4～116.5 m，這些鉆孔均布設(shè)在隧道中線20 m范圍內(nèi)。

2.3 地層巖性

隧道所在范圍內(nèi)地層為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積層(Q3eol)新黃土，第四系上更新統(tǒng)沖積層(Q3al)新黃土、粉砂、細(xì)砂，第四系中更新統(tǒng)洪積層(Q2pl)老黃土。

2.4 水文地質(zhì)

隧址區(qū)無(wú)地表水，勘察深度內(nèi)未見(jiàn)地下水。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查訪問(wèn)地下水位埋深較深，埋深約在300 m左右。地表淺層受大氣降水及人工灌溉影響，雨季有少量第四系孔隙水，排泄方式主要為蒸發(fā)。

3 數(shù)據(jù)處理流程

將收集到的基礎(chǔ)地質(zhì)資料依次導(dǎo)入到GMS中，綜合使用TIN Module、Borehole、Solid、Map 和GIS模塊完成模型的構(gòu)建，數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程

4 地質(zhì)建模過(guò)程

工程鉆探法是獲取地下三維空間信息的重要方法，通過(guò)鉆孔取樣可以直接獲取詳細(xì)的巖層分布狀況。鉆孔巖心數(shù)據(jù)包含了地質(zhì)工程、巖土工程中涉及到的絕大部分信息，如巖層巖性、斷層特征、孔隙率、含水率、容重、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量、剪切模量等。這些特征反映了巖層的原始狀況，或者說(shuō)天然狀況，是進(jìn)行巖層可視化、模擬分析的主要數(shù)據(jù)。因此，鉆孔數(shù)據(jù)是進(jìn)行三維地質(zhì)建模的主要數(shù)據(jù)來(lái)源，前人在這方面進(jìn)行了較為深入的探討和研究[7-12]。

4.1 格式轉(zhuǎn)換

鐵路工程地質(zhì)鉆探獲得的鉆孔信息一般使用理正工程地質(zhì)勘察CAD輸入處理， 首先從理正數(shù)據(jù)庫(kù)中提取鉆孔地質(zhì)信息，將這些信息處理后導(dǎo)入GMS，然后建立工點(diǎn)的三維地質(zhì)模型。由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式不一樣以及鉆孔地層的表示方法不同，理正采用的是層底高程，GMS采用的是層頂高程，理正數(shù)據(jù)庫(kù)鉆孔信息不能直接利用，通過(guò)編制理正數(shù)據(jù)庫(kù)與GMS的自動(dòng)轉(zhuǎn)換程序解決了這一問(wèn)題(圖2)。

圖2 理正數(shù)據(jù)庫(kù)鉆孔信息轉(zhuǎn)換

4.2 生成三維鉆孔

將鉆孔地層數(shù)據(jù)導(dǎo)入到GMS，效果見(jiàn)圖3(紅線代表不同的隧道比選方案，黃色代表新黃土，粉色代表粉砂，橘黃色代表細(xì)砂，橘紅色代表老黃土)。

圖3 三維鉆孔及地層

4.3 繪制三維地質(zhì)縱斷面

工程地質(zhì)剖面圖是各類工程勘察實(shí)驗(yàn)和專家經(jīng)驗(yàn)解釋結(jié)果的綜合，能夠較好地反映研究區(qū)域典型的和特殊的地質(zhì)現(xiàn)象，直觀地表現(xiàn)地層分布和構(gòu)造特征。二維地質(zhì)縱斷面是鉆孔地層沿線位軸線的投影，而三維地質(zhì)縱斷面是現(xiàn)實(shí)世界地質(zhì)的真實(shí)反映，比二維縱斷面更形象、更具體[13-15]。在建模過(guò)程中將已有的工程地質(zhì)剖面圖蘊(yùn)涵的信息加入三維地層模型中，根據(jù)相鄰鉆孔繪制一系列新的剖面圖，然后將這些剖面圖與鉆孔數(shù)據(jù)結(jié)合在一起進(jìn)行建模，大大提高了三維地層模型的精度與表現(xiàn)能力(圖4)。

圖4 三維地質(zhì)縱斷面

4.4 建立裴莊隧道三維模型

將連接好的Horizons轉(zhuǎn)成Solids，生成三維地質(zhì)模型(圖5)，疊加遙感影像后可以清晰地看到地表的河流水系、道路居民地、地形地貌和地下的地質(zhì)地層分布、走向以及線位與地層的空間關(guān)系。

圖5 裴莊隧道三維地質(zhì)模型

4.5 空間地質(zhì)分析

根據(jù)建立的地層結(jié)構(gòu)模型， 可以查看三維模型任意位置的地層情況，結(jié)合線路走向進(jìn)行空間分析。使用Cross Section沿著各個(gè)方案的隧道中線進(jìn)行切割模型(圖6)，分析隧道洞身范圍內(nèi)粉細(xì)砂的分布，選線的時(shí)候盡量避讓，選擇地質(zhì)條件有利的方案通過(guò)。

圖6 隧道中線三維柵欄圖

5 存在的問(wèn)題

本模型主要利用鉆探和遙感影像資料建立，數(shù)據(jù)源較為單一，由于鉆孔的數(shù)量和密度直接影響建模精度，因此建立的三維地質(zhì)模型還存在一定的誤差，距離隧道越遠(yuǎn)，建模精度越低，但基本可以代表隧道中線范圍內(nèi)的地層分布情況，如果將地質(zhì)橫斷面加入到模型中，將提高模型的精度和可靠度。

6 結(jié)論

(1)GMS建立的三維地質(zhì)模型可以真實(shí)再現(xiàn)研究區(qū)域地層、地質(zhì)構(gòu)造分布和形態(tài)，即使不熟悉地質(zhì)的設(shè)計(jì)人員也能對(duì)設(shè)計(jì)工點(diǎn)的地層和地質(zhì)構(gòu)造有一個(gè)十分直觀的認(rèn)識(shí)，大大提高了設(shè)計(jì)的精度和質(zhì)量。

(2)GMS具有強(qiáng)大的三維可視化功能，將難以想象的復(fù)雜地質(zhì)關(guān)系具體化，可以完成鉆孔優(yōu)化布置、勘察地質(zhì)報(bào)告編寫、任意橫剖面切分出圖等工作；不僅豐富了地質(zhì)勘察報(bào)告的內(nèi)容和形式，也為地質(zhì)工程師推斷研究區(qū)域內(nèi)不良地質(zhì)構(gòu)造提供了可視化平臺(tái)。通過(guò)本文的實(shí)例可以使這一世界先進(jìn)技術(shù)更好地在工程地質(zhì)領(lǐng)域發(fā)揮作用，為提高鐵路工程勘察設(shè)計(jì)信息化水平、推廣應(yīng)用BIM技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

(3)由于該方法建立的地質(zhì)模型受到鉆孔數(shù)量和密度的制約，針對(duì)這種情況可以通過(guò)模型反饋回來(lái)的信息及時(shí)發(fā)現(xiàn)已有勘察數(shù)據(jù)中的不足， 通過(guò)及時(shí)修改或添加勘察資料(如增加鉆孔、充分利用地質(zhì)橫斷面等)，不斷提高模型精度。

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The Application of 3D Geological Model with GMS in Railway Geological Survey

Yang Junjie

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300251, China)

In recent years， the 3D visualization of geological body has dominated the development of railway engineering geology. In order to build three-dimensional geological model directly and quickly by using the existing 2D geological investigation results， this paper， based on the geological data of Pei Zhuang tunnel on the coal transport rail corridor from Mengxi to central China， establishes a geological data automatic conversion program based on the characteristics of GMS data. Finally a 3D geological model is established around the tunnel within the scope of 63.54 square kilometers. With DEM and the overlay of remote sensing images， the surface conditions and stratum distributions in and around Pei Zhuang tunnel are represented， which provides a visualized method for tunnel program selection， helps the geological engineer to understand and evaluate complex geological conditions on site， and also improves the design．

Railway engineering; Geological survey; GMS；3D geology; Geological modeling

2013-12-24；

：2014-03-17

楊軍杰(1982—)，男，工程師，畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，工學(xué)碩士，E-mail:yjj23088@126.com。

1004-2954(2014)11-0024-04

U212.22

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.006