三維地質(zhì)模型在隧道工程中的應用初探

焦曉東，李洋溢

(1.廣西高速公路投資公司，廣西 南寧 530021；2.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

三維地質(zhì)建模的概念最早是由加拿大人SimonWHoulding于1993年提出的。三維地質(zhì)建模就是利用計算機技術將地質(zhì)、測孔、地球物理資料和各種解釋結(jié)果或者概念模型綜合在一起生成具有可視化效果的三維定量隨機模型，是用于地質(zhì)研究的一門新技術。

模型匯總了各種信息和解釋成果：(1)是地質(zhì)狀態(tài)的三維可視化，即可以由三維立體化的模型看到不同地質(zhì)狀態(tài)的空間分布和變化，也可以制作二維的圖片；(2)為我們提供了各類型數(shù)據(jù)的融合體，因為建模過程即各種數(shù)據(jù)的融合過程；(3)是我們進行地層分析的平臺，從地質(zhì)模型可以得到巖層分布、屬性等基礎分析信息，大大提高我們對地層的認識，由定性逐漸向定量的方向過渡。利用地質(zhì)領域的三維可視化建模軟件快速精確地建立復雜地層面、地質(zhì)體和網(wǎng)格模型，不僅方便將建立的地層面導入軟件生成地質(zhì)體，而且可將網(wǎng)格模型直接導出到數(shù)值分析軟件計算分析。三維可視化建模軟件具備強大的三維地質(zhì)建模和網(wǎng)格剖分功能，能夠有效地彌補數(shù)值軟件之前處理有關地質(zhì)基礎信息建模困難的問題。

隧道結(jié)構(gòu)設計的焦點是研究巖體的應力狀態(tài)與隧道支護結(jié)構(gòu)與巖體之間的相互作用，故量化的地質(zhì)狀態(tài)的空間分布以及地質(zhì)體屬性是隧道結(jié)構(gòu)分析和設計的基礎信息。因此本文利用三維地質(zhì)建模技術進行隧道地質(zhì)災害原因分析、設計施工風險分區(qū)指導以及結(jié)構(gòu)數(shù)值計算方面的探索。

1 三維建模軟件GOCAD及建模方法

本文所采用的GOCAD地質(zhì)建模軟件是法國Nancy大學開發(fā)的主要應用于地質(zhì)領域的三維建模軟件。其采用三維矢量拓撲數(shù)據(jù)模型開發(fā)了針對地質(zhì)建模特點的插值算法，即離散光滑插值算法(DSI)。DSI法利用相互連接具有空間實體幾何、物理特性的空間坐標點模擬地質(zhì)體，已知節(jié)點的空間幾何與物理屬性被轉(zhuǎn)化為線形約束，引入到模型生成的全過程；DSI插值可將離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)曲面適用于自然物體，能夠較準確地推算和模擬復雜的地形、地層、構(gòu)造曲面的特征與形態(tài)。

GOCAD地質(zhì)建模有兩種類型：

(1)構(gòu)造模型

通過建立構(gòu)造模型能夠模擬地層面、斷層面的形態(tài)、位置和相互關系，得到反映地質(zhì)體的各種屬性模型的可視化圖形。

(2)三維儲層柵格模型

根據(jù)建立的構(gòu)造模型，在3D Reservoir GridConstruction中可以建立實體模型；賦予地質(zhì)體參數(shù)化的巖層物理特性，并對這些特性參數(shù)進行計算和解析，得到可用于數(shù)值模擬的地質(zhì)體物理參數(shù)模型。

構(gòu)造模型屬于基礎建模，主要采用線、面模型，重在模擬地質(zhì)體的空間幾何形態(tài)及其相互關系；柵格模型是在構(gòu)造模型的基礎上用三維網(wǎng)格(Sgrid)來模擬地質(zhì)體和地質(zhì)屬性參數(shù)的分布，是構(gòu)造模型的深入應用。

2 三維地質(zhì)模型在隧道工程中的應用思路

2.1 構(gòu)造模型的應用思路

隧道結(jié)構(gòu)的設計、施工因為地質(zhì)勘查手段的有限性和地質(zhì)體狀態(tài)的不確定性是動態(tài)的，故建設過程中存在的風險也隨著地質(zhì)體狀態(tài)的清晰程度逐漸降低。因此，國標中明確規(guī)定公路隧道設計、施工過程中的風險評估以及在隧道施工過程中發(fā)生災害時需進行地質(zhì)災害預測和成因分析成為隧道建設風險管控的重要內(nèi)容，地質(zhì)體中的構(gòu)造信息成為控制隧道建設風險管控最重要的基礎信息。

在地質(zhì)勘查手段有限、地質(zhì)信息不清晰的情況下，構(gòu)造模型基于基礎的地形、地層和斷層的局部特征可相對準確推算出整個區(qū)域的構(gòu)造分布形態(tài)、位置、相互關系以及與隧道結(jié)構(gòu)的幾何關系。通過可視化的構(gòu)造模型，可以得到隧道設計、施工風險評估中的兩個重要內(nèi)容：(1)隧道結(jié)構(gòu)風險分區(qū)，即不良地質(zhì)體對隧道結(jié)構(gòu)的影響范圍。此內(nèi)容對設計中根據(jù)不良地質(zhì)狀態(tài)下加強結(jié)構(gòu)參數(shù)、針對性選用圍巖改善方法，以及在施工中重點采用多種探測手段驗證以及加強抗風險各項施工措施，增加隧道結(jié)構(gòu)設計、施工安全系數(shù)，降低風險具有重要意義。(2)隧道地質(zhì)災害預測和原因分析?？梢暬臉?gòu)造模型可以直觀地展示構(gòu)造自身的幾何屬性以及構(gòu)造與隧道結(jié)構(gòu)的相互關系，通過結(jié)合其物理屬性以及其他如水文等信息，可以從不同的災害機理中找到與之相符合或近似的特征，從而提前預測或者在災害處理中較為準確地推斷成因，有的放矢，選擇合理的預測和處治方式。

2.2 柵格模型的應用思路

賦予巖層物理特性等各項參數(shù)的復雜地層面、地質(zhì)體和Sgrid網(wǎng)格模型，可將其局部的模型利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口將其轉(zhuǎn)換到如FLAC3D、Midas-gts或ABAQUS等數(shù)值分析軟件中進行隧道支護結(jié)構(gòu)受力計算。這樣既解決了在數(shù)值計算軟件中難于建立復雜地質(zhì)體的問題；也避免了三維地質(zhì)建模軟件不能進行數(shù)值運算的問題，可將定性的風險分析深入為定量的受力分析，從而具體指導選取隧道結(jié)構(gòu)設計參數(shù)。

雖然GOCAD軟件中生成的SGRID網(wǎng)格多為均勻網(wǎng)格，劃分簡便，但對形狀復雜的地質(zhì)體和結(jié)構(gòu)物生成的網(wǎng)格若直接應用到數(shù)值計算軟件中可能影響數(shù)值計算結(jié)果的精確性，如網(wǎng)格密度、網(wǎng)格畸變等因素，故直接轉(zhuǎn)換到數(shù)值計算軟件中一般適合于相對簡單的數(shù)值計算模型，因此在具體實施中也可采用一些圖形處理軟件如SURFER、CATIA等進一步編輯和優(yōu)化曲面、網(wǎng)格，然后導入到數(shù)值計算軟件中。

3 三維地質(zhì)模型在隧道工程中應用實例

3.1 隧道災害簡述

該隧道位于廣西岑溪市境內(nèi)，大致呈北南走向。隧道洞身從山體埡口的二級公路右側(cè)約60 m下方穿過，長度為790 m，最大埋深約136 m。2011年10月，隧道正在從出口往進口方向單向掘進，右洞掌子面進至EK18+215樁號處(所處位置埋深127 m，距二級路215 m)上臺階進行爆破開挖，起爆后發(fā)生大規(guī)模突泥地質(zhì)災害，突泥量共計數(shù)萬立方米。次日上午察看隧道頂部地表，隧道左線FK18+185處的山坡上出現(xiàn)漏斗狀塌陷坑，陷坑周邊區(qū)域山體出現(xiàn)沉降裂縫，同時陷坑附近二級路段落排水溝出現(xiàn)掏空和路面開裂、沉降現(xiàn)象。

根據(jù)岑溪市區(qū)域地質(zhì)圖和現(xiàn)場踏勘、調(diào)查成果，發(fā)現(xiàn)隧址區(qū)南北和東西走向各發(fā)育一條區(qū)域性斷層：大隆至水汶正斷層(10NW48°)和西垌至嶺腳正斷層(80SE55°)。南北走向斷層起點始于大隆鎮(zhèn)附近，延伸至隧道進口所在山坳與南渡至水汶公路緊貼并線一段，繼續(xù)向南擴展至水汶鎮(zhèn)附近；東西走向斷層起點始于西垌鎮(zhèn)附近，沿南渡至水汶公路南側(cè)黃華河，向東發(fā)展與隧道相交，在隧址區(qū)盤山公路坡頂附近與大隆至水汶正斷層(10NW48°)交叉。

3.2 三維地質(zhì)構(gòu)造模型的建立

選取隧址區(qū)的地形圖，在AutoCAD軟件中將平面的等高線圖轉(zhuǎn)換為具有三維坐標數(shù)據(jù)的等高線圖。首先使用UCS命令確定CAD原點，將絕對高程轉(zhuǎn)化為相對高程；高程值修改完畢，修改其在AutoCAD中等高線所在圖層的圖層名為英文名稱，并且使用purge命令刪去不需要的圖層保存為.DXF文件，同時將構(gòu)造面和路線數(shù)據(jù)也保存為.DXF文件。

在對地形精度要求不高的情況下，也可通過Google earth影像資料提取點云數(shù)據(jù)或下載strm地形數(shù)據(jù)建立地表曲面模型。

根據(jù)斷層構(gòu)造產(chǎn)狀參數(shù)、隧道線路數(shù)據(jù)以及隧址區(qū)1∶2 000地形圖的.DXF文件，在GOCAD中主要建立了隧道區(qū)域的三維地質(zhì)構(gòu)造模型。

3.3 利用構(gòu)造模型進行災害原因分析

從三維構(gòu)造模型上可清晰看出，大隆至水汶正斷層為紅色區(qū)域，西垌至嶺腳正斷層為桃紅色區(qū)域，二者交匯的區(qū)域在模型中為黃色；災害發(fā)生的掌子面EK18+215處正好位于黃色區(qū)域附近，即位于兩個斷層交匯處(如圖1所示)。

圖1 構(gòu)造分布與隧道結(jié)構(gòu)三維空間關系圖

從模型中的山體走勢可以看出突泥的出口端較進口端標高低了許多，而且隧道出口段中風化巖體完整性較好，形成了一個完整性較好的隔水板(綠色薄片)，地下水向低處流動并在隔水板前蓄積，在隧道開挖前形成一個相對穩(wěn)定的水頭差。

斷層交匯處受兩條斷層錯動影響，巖體在高溫高壓下受到擠壓摩擦變得更加破碎；裂隙極為發(fā)育，經(jīng)過久遠地質(zhì)時期的風化作用，巖石大部風化成礦物顆粒和團塊，同時因為大氣降水與風化后產(chǎn)生的礦物細?；旌蠟槟酀{。

當隧道從出口端開挖至EK18+215掌子面時，爆破導致隔水層巖體破壞，壓力水頭和爆破振動作用致使隔水層突然間被壓裂，地下水攜帶被風化黏土礦物傾瀉而出如同決堤一般，形成突泥災害。因大隆至水汶正斷層向西傾斜約48°(即向隧道側(cè)山體傾斜)，西垌至嶺腳正斷層向南(即向隧道岑溪端傾斜)約55°，交匯區(qū)在隧道頂部地表位置恰好指向隧道左線與二級路中間的區(qū)域(見圖2)。

涌水突泥發(fā)生后，掌子面上部的斷層交匯區(qū)形成局部空腔，在巖體自重和突泥負壓的影響下，交匯區(qū)上部的破碎巖體崩落填充空腔，最終沿著交匯區(qū)的空間傾斜角聯(lián)通地表，在掌子面EK18+215前方約30 m，右側(cè)約51 m位置，形成一個塌陷漏斗。同時周邊巖土向空腔區(qū)松弛以及與地下水位急劇下降的共同作用下，塌陷區(qū)周圍山體出現(xiàn)錯臺和后緣張拉裂縫，出現(xiàn)不穩(wěn)定的滑動趨勢。

圖2 地表塌陷、二級路與隧道平面位置關系圖

3.4 利用構(gòu)造模型指導隧道施工風險分區(qū)

建立三維地質(zhì)模型之后，將其與隧道結(jié)構(gòu)進行三維剖切，通過不同地質(zhì)體被賦予的色塊可以非常清晰地在隧道結(jié)構(gòu)上進行分區(qū)；斷層交匯段屬于施工風險最高的區(qū)域；隧道分別處于南北和東西斷層，根據(jù)所屬斷層的不同屬性也可基本確定為風險較高段落；相應的較完整隔水巖體和斷層影響區(qū)域段落的風險較低(見圖3)。

在后期的施工中，根據(jù)此模型提供的樁號位置，明確了隧道施工的風險段落以及風險程度，確定在施工中對最高風險段落采取陸地聲吶和瞬變電磁物探，然后根據(jù)物探結(jié)果，在掌子面采取超前水平鉆探、超前泄水以及超前注漿措施；施工中超前鉆探以及后期施工所揭露的掌子面狀態(tài)顯示，三維地質(zhì)模型所預測的高風險區(qū)和較高風險的誤差約為10 m左右，達到了相對準確的結(jié)果，有力地指導了后續(xù)施工處治，也有效提示了施工技術人員，避免人員、設備安全事故的發(fā)生，最終在6個月內(nèi)實現(xiàn)了隧道結(jié)構(gòu)對復雜地質(zhì)段落的穿越。

圖3 基于三維構(gòu)造模型的風險分區(qū)示意圖

3.5 利用網(wǎng)格模型應用于數(shù)值分析的嘗試

本文嘗試在構(gòu)造模型的基礎上建立三維網(wǎng)格模型并導入數(shù)值計算軟件進行受力計算分析，但結(jié)果不盡如人意?？偨Y(jié)下來有以下因素：(1)對于整條隧道的三維地質(zhì)模型而言，本模型的數(shù)據(jù)導入數(shù)值計算軟件有些龐大，導致后期數(shù)值計算較為困難且精度存在問題；(2)對于深埋段的隧道支護而言，支護周圍一定范圍內(nèi)的地質(zhì)體、構(gòu)造面與支護的相互作用是關鍵，因此若需要較好的計算結(jié)果，通過簡化的選取局部的三維網(wǎng)格模型并對網(wǎng)格進行加密并加載合適的邊界條件似乎更重要；(3)就計算結(jié)果而言，因為地質(zhì)體參數(shù)以及巖土本構(gòu)的原因，隧道支護應力應變狀態(tài)可以用于支護受力特征研究，以及支護參數(shù)、開挖方式等的參考，但不能直接用于設計。因此，如何更好地將網(wǎng)格模型應用于隧道受力數(shù)值分析還有待于更進一步的探索和驗證。

4 結(jié)語

通過三維地質(zhì)模型在隧道工程中應用的初探，可得出以下幾點思路：

(1)三維地質(zhì)模型在隧道工程中的應用具有良好的可視化效果，能夠較清晰地反映地質(zhì)狀態(tài)的特點。三維地質(zhì)構(gòu)造模型的應用具有顯著的效果，尤其是在定性工作即隧道風險評估和地質(zhì)災害預測與分析方面具有明顯的優(yōu)點。

(2)三維地質(zhì)網(wǎng)格模型的應用與構(gòu)造模型應用的側(cè)重點應有所區(qū)別，受限于模型大小等各種因素的影響，適宜用于局部地質(zhì)體、構(gòu)造面與隧道結(jié)構(gòu)的相互作用的計算，即其結(jié)果可作為不良地質(zhì)體段落隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)設計的參考。

(3)把前期建立三維地質(zhì)模型設置風險分區(qū)以及預警機制與后期的超前地質(zhì)預報工作、動態(tài)設計、施工措施結(jié)合起來才能在隧道建設風險管控中充分發(fā)揮其作用。

(4)其他更為復雜的有關三維地質(zhì)建模以及如何將網(wǎng)格模型更好地應用于隧道工程等問題還有待以后更深入研究。

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