特長隧道隧址區(qū)三維地質(zhì)模型構建方案

冉光炯，楊翹楚，王 健

1.長安大學公路學院，西安 710054 2.四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，成都 610041 3.成都理工大學地球科學學院，成都 610031

0 引言

隨著數(shù)字化技術在國內(nèi)交通建設領域的快速發(fā)展，道路、橋梁及隧道等構筑物的三維可視化方案得以普及，而工程地質(zhì)作為各類構筑物設計、施工的重要基礎，大量地質(zhì)信息仍以二維圖件及離散文字描述等形式存在。由于地質(zhì)現(xiàn)象本質(zhì)是三維的，因此需借助三維地質(zhì)建模及可視化，才可能更加全面、深入地理解地下空間整體面貌并解決實際地質(zhì)問題[1-2]。相較傳統(tǒng)的二維圖件，三維地質(zhì)模型更有利于直觀明確地表達地質(zhì)結構的空間展布形態(tài)[3-4]，尤其當隧道等深埋于地下的構筑物穿越地質(zhì)構造復雜區(qū)域時，透過三維地質(zhì)模型可全方位地、細致地展示出隧道洞身與各地質(zhì)體間的相對位置及接觸關系[5]，對于后續(xù)的超前地質(zhì)預報以及開挖施工等具有重要指導意義。

三維地學建模概念最早由Houlding[6]提出，本質(zhì)上是基于各種原始地質(zhì)數(shù)據(jù)建立能夠反映地質(zhì)體構造形態(tài)、構造關系及地質(zhì)體內(nèi)部屬性變化規(guī)律的數(shù)字化模型[6-9]。Caumon等[10]詳細介紹了地質(zhì)建模的基礎數(shù)據(jù)種類，并對地質(zhì)結構模型的構建流程進行了總體概述；Lemon等[11]提出了一套基于鉆孔及地質(zhì)剖面的地質(zhì)模型構建方法，強調(diào)了建模過程中通過地質(zhì)剖面圖來融入地質(zhì)專家先驗知識的重要性；Mallet[12]針對地質(zhì)構造及地質(zhì)體幾何形態(tài)的復雜特征提出了離散光滑插值技術(DSI)，即通過建立全局粗糙度目標函數(shù)并使之最小化，實現(xiàn)復雜地質(zhì)界面的光滑擬合。近年來，基于隱函數(shù)的構造建模方法逐漸成為地質(zhì)建模領域的研究熱點[13-14]；針對地質(zhì)勘察中離散、稀疏地質(zhì)點數(shù)據(jù)難以構建地質(zhì)體模型等問題，鄒艷紅等[15]提出了一種基于楊赤中推估法的隱式建模方法；郭甲騰等[16]提出了一種基于機器學習的隱式三維地質(zhì)建模方法，將三維地層建模問題轉換為地下空間柵格單元的屬性分類問題；此外，相關的巖土數(shù)字化技術及基于數(shù)學模型進行的分析研究也取得了一定進展[17-18]。

就目前來看，大部分地質(zhì)建模研究仍集中于油氣及固體礦產(chǎn)領域[19-21]，面向公路領域的精細化地質(zhì)建模研究及實踐成果相對較少。由于特長隧道隧址區(qū)地質(zhì)構造普遍較為復雜，巖性種類繁多，地質(zhì)模型構建相較其他種類工程而言難度更大；加之山區(qū)地形陡峻，地勘作業(yè)難度大，且某些隧道局部深埋于地下數(shù)百米，鉆探成本高昂，導致隧道工程地勘數(shù)據(jù)的稀疏性問題相較其他工程而言更為突出。因此，建模過程中需要融入地質(zhì)專家知識并開展大量人機交互，而目前尚缺乏一個高效可靠的面向隧址區(qū)的地質(zhì)建模方案。針對上述問題，本研究首先基于前期大量隧道地質(zhì)建模項目實踐及經(jīng)驗累積，制定數(shù)據(jù)預處理規(guī)則，將數(shù)據(jù)名稱與地質(zhì)界面構建次序、構建方案等相關聯(lián)；然后通過研發(fā)實現(xiàn)針對不同類型地質(zhì)界面的構建方案。通過本次研究以期減少建模過程中的人機交互，以期在確保模型構建準確合理的同時實現(xiàn)建模效率的大幅提升。

1 建模流程及數(shù)據(jù)預處理

建模流程及數(shù)據(jù)處理方案基于隧址區(qū)地勘數(shù)據(jù)特征并結合工程實際需求制定。地層巖性及其物理力學性質(zhì)是隧道設計施工過程中所關注的重點，因此基于巖性對模型進行分層，考慮到巖性的無序性特征，地質(zhì)界面構建次序由建模者預先指定。此外，由于松散堆積層與基巖分界面、松散堆積層內(nèi)部的地質(zhì)界面、巖層與巖層的分界面(以下簡稱土-巖分界面、土-土分界面、巖-巖分界面)等所具備的工程意義以及界面構建方式有所不同，因此對某些不同的地質(zhì)界面予以分類考慮。

1.1 模型構建流程

建模流程如圖1所示。首先獲取隧址區(qū)地勘資料、地表調(diào)繪數(shù)據(jù)及地質(zhì)剖面等初始數(shù)據(jù)，圈定模型構建范圍，隧址區(qū)地質(zhì)模型邊界一般為條帶狀；其次在數(shù)據(jù)預處理階段，通過對初始數(shù)據(jù)進行三維轉換、分類以及按既定規(guī)則命名，確保其滿足后續(xù)地質(zhì)界面構建算法的要求；然后完成數(shù)據(jù)處理，即可通過解析數(shù)據(jù)名稱匹配其所對應的地質(zhì)界面生成方案，實施地質(zhì)界面的自動構建及交切處理；最后通過實現(xiàn)地質(zhì)界面與模型外輪廓的批量互剪及縫合，快速生成地層體模型。建模完成后可將隧道模型與地質(zhì)模型疊合在一起進行可視化分析。

圖1 隧址區(qū)工程地質(zhì)模型構建流程

1.2 建模數(shù)據(jù)及預處理

本研究所涉及的地質(zhì)建模數(shù)據(jù)如表1所示。其中，地形等高線的等高距過大會損失地形精度，過小則會導致地形網(wǎng)格過于密集，不利于后續(xù)的裁剪及切割運算，經(jīng)綜合考慮，本研究等高線采用2 m的等高距。實際工程中，隧址區(qū)鉆探及挖探數(shù)據(jù)普遍過于稀疏而不足以支撐地質(zhì)建模；因此，地表跡線和剖面圖中的地層分界線對模型精度起主要控制作用。為確保建模精度，地層分界線應由地質(zhì)專家在充分結合地表跡線、鉆探和挖探等數(shù)據(jù)的條件下進行繪制。首先，應確保隧道左右中線上至少各1條貫穿整個隧道洞身的地質(zhì)縱剖面。其次，由于隧道洞口處時常具有淺埋、偏壓和圍巖構造復雜等特征，施工中可能出現(xiàn)滑坡、坍塌等地質(zhì)災害；因此各隧道洞口處應確保5條以上的地質(zhì)剖面，用以實現(xiàn)精細化建模?？紤]到各個項目所面臨的地形地貌和地質(zhì)構造復雜程度各不相同，建模數(shù)據(jù)一般需根據(jù)實際情形進行補充和調(diào)整。

表1 主要建模數(shù)據(jù)及其用途

為減少建模過程中的人機交互，本研究制定了一種基于建模數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)命名方式(圖2)。數(shù)據(jù)名稱由該數(shù)據(jù)所對應的地質(zhì)界面的構建方案、分界面類型、數(shù)據(jù)位置及界面構建次序等信息的關鍵字組合而成。后續(xù)建模過程中，對數(shù)據(jù)名稱進行逐一解析：首先，根據(jù)解析得到的構建次序篩分屬于同一地質(zhì)界面的所有數(shù)據(jù)；然后，根據(jù)解析得到的數(shù)據(jù)位置判斷該數(shù)據(jù)在建模過程中所承擔的作用；最后，依據(jù)解析得到的分界面類型及其構建方案，對該數(shù)據(jù)實施相應的地質(zhì)界面構建方案。

2 地質(zhì)界面構建方案

2.1 DSI構建界面方案

本研究所實施的DSI構建方案主要包括待插值投影平面獲取及施加多條件約束兩個步驟。

圖2 建模數(shù)據(jù)命名規(guī)則

1)待插值投影平面獲取

以土-巖分界面構建(圖3)為例：首先通過工區(qū)邊界線生成工區(qū)平面三角網(wǎng)并對其進行加密及規(guī)則化處理，由于地表土層局部可能有基巖出露，因此需進行預判并將土層跡線劃分為內(nèi)外兩層；然后利用所有地表跡線垂直切割工區(qū)平面，形成若干網(wǎng)格面片(TFace)，對每一個TFace中的三角形進行遍歷求取其三角形形心坐標；最后判斷形心點與跡線在xy維度上的相對位置關系?？紤]如下4種情形：①形心點位于內(nèi)層跡線以內(nèi)；②形心點位于外層跡線以外；③外層跡線內(nèi)部無內(nèi)層跡線，形心點位于外層跡線內(nèi)；④外層跡線內(nèi)部有內(nèi)層跡線，形心點位于外層跡線內(nèi)，但不位于內(nèi)層跡線內(nèi)。

根據(jù)圖3情況分析可知，將內(nèi)部三角形符合情形③及情形④的TFace進行合并，即可獲取待建地質(zhì)界面在xy平面上的投影面。

2)施加多條件約束

獲得待插值投影平面后，通常需要對其施加地表邊界約束、地下控制點約束以及距離范圍約束等多種約束。

地表邊界約束的作用在于使地質(zhì)界面邊界與地表上的地表跡線軌跡相吻合。待插值投影平面的離散邊界線可分為兩種，一種為原先工區(qū)的邊界線，另一種是由地表跡線垂直切割而產(chǎn)生的邊界線，其在地表面的豎向投影即為真實的地質(zhì)界面邊界。因此，本研究首先獲取待插值投影平面的所有離散邊界線，然后遍歷判斷這些邊界線中是否有節(jié)點與工區(qū)邊界線中節(jié)點的xy坐標相同，以此篩分出所有由地表跡線切割而得的邊界線。在此基礎上，為這些邊界施加基于地表面的垂向約束，如圖4中綠色線段所示。值得注意的是，在施加該約束并完成第一次插值后，需將地質(zhì)界面邊界節(jié)點設置為固定控制點，以防止后續(xù)迭代插值過程中邊界位置發(fā)生擾動。

地下控制點約束以模糊控制點為主，控制點主要來源于鉆孔分界點和地質(zhì)剖面中的巖性分界線等。本研究采取對地下數(shù)據(jù)點施加模糊控制約束的方式，并根據(jù)實際情形對約束方向進行調(diào)控。

此外，由于數(shù)據(jù)稀疏性等問題，在完成迭代插值后某些地質(zhì)界面可能出現(xiàn)局部相互穿插，或地下界面穿出地表面等拓撲錯誤，此時應施加面與面間的距離范圍約束，將面間距離控制在合理范圍以內(nèi)。

2.2 封閉地質(zhì)界面構建方案

針對透鏡體和溶洞等封閉式地質(zhì)界面，本研究主要采用以下兩種方案進行構建。

1)采用先分部構建再縫合成體的方案

以圖5a透鏡體構建為例，先通過三維空間預先圈定透鏡體的邊界線，基于邊界線創(chuàng)建三角網(wǎng)格并實施網(wǎng)格加密、規(guī)則化處理；然后將該三角網(wǎng)邊界點設為固定控制點；再基于透鏡體的上頂面及下底面的控制點對兩個相同的三角網(wǎng)格分別實施迭代插值；最后將兩個三角網(wǎng)格進行縫合。

圖3 待插值投影平面獲取的方式

圖4 施加多條件約束(a)以及插值完成后(b)生成的地質(zhì)界面

2)基于內(nèi)部小球插值變形的方案

在地質(zhì)體邊界不明確的條件下，首先可基于所有控制點的xyz坐標，計算控制點集的幾何中心點以及幾何中心點距離所有控制點的最短距離；然后以幾何中心為球心，以最短距離為半徑，構建球形三角網(wǎng)并作網(wǎng)格加密處理；再基于控制點集對該小球施加方向垂直于球面的模糊點約束(圖5b)；最后通過迭代插值，使球狀網(wǎng)格變形為符合控制點分布特征的透鏡體形態(tài)。

a. 分部構建再縫合成體的方案；b. 基于內(nèi)部小球插值變形的方案。

2.3 其余構建方案

某些情況下建模數(shù)據(jù)過于稀疏而不足以支撐地質(zhì)界面的插值構建，需建模者先基于地質(zhì)知識、現(xiàn)有數(shù)據(jù)特征以及待建地質(zhì)界面形態(tài)特征等補充虛擬數(shù)據(jù)，然后采用非插值主導的方式實現(xiàn)地質(zhì)界面構建。此類方案主要包括輪廓線構建及跡線產(chǎn)狀構建。

以褶皺構造為例，某些褶皺構造中巖層分界面可基于脊線和槽線等關鍵部位的輪廓線實現(xiàn)重構(圖6a)。在建模數(shù)據(jù)稀疏的條件下，先由地質(zhì)專家對褶皺巖層分界面的脊線和槽線位置進行推定，構建穿過輪廓線的折平面；再以輪廓線節(jié)點作為約束控制點，對折平面實施迭代插值及網(wǎng)格規(guī)則化處理，以此獲得最大程度符合輪廓線形態(tài)的光滑地質(zhì)界面。

此外，建模人員可能只能獲取到巖層分界面的地表跡線及露頭產(chǎn)狀(圖6b)，在此情況下一般是先根據(jù)露頭產(chǎn)狀獲得巖層傾角線，然后沿地表跡線節(jié)點陣列設置與巖層傾角線平行的、長度適當?shù)木€段作為輪廓線，再借助這些輪廓線構建該地質(zhì)界面。值得一提的是，在數(shù)據(jù)稀疏的條件下，地質(zhì)專家的知識融入及相關決策對模型構建結果的準確度起著十分關鍵的作用。

2.4 地質(zhì)界面交切處理

基于上述方案構建得到的地質(zhì)界面可能會超出其真實范圍，還需要基于模型外輪廓面及地質(zhì)界面間的交切關系對地質(zhì)界面實施切割以剪除多余部分。由于建模數(shù)據(jù)名稱中包含擬建地質(zhì)界面類型以及構建次序等關鍵字，切割處理階段通過對數(shù)據(jù)名稱中界面類型及構建次序關鍵字進行解析并排序，即可明確地質(zhì)界面間的交切關系。

本研究的切割處理主要包括以下步驟：1)基于待剪地質(zhì)界面的構建序號遍歷獲得在該界面構建前已被構建的所有地質(zhì)界面，以這些界面以及模型外輪廓面作為“剪刀”對待剪界面實施切割。為確保切割的成功實施，剪刀界面的輪廓范圍必須超出被剪界面，因此切割前需對曲面邊界進行擴展，確保“剪刀”的邊界范圍超出被剪界面。2)對被剪地質(zhì)界面實施切割，獲得若干TFace并對這些TFace進行篩選以去除多余面片。本研究通過遍歷當前TFace所屬的地質(zhì)界面的所有地下控制點，判斷是否有控制點處于此TFace的xy投影范圍以內(nèi)，若存在則保留該TFace，此方法適用于絕大部分單z值(坐標軸方向)地質(zhì)界面的切割處理。如圖7所示，示例數(shù)據(jù)展示了基于上述切割方案所生成的地質(zhì)結構面模型，模型中地質(zhì)界面間的交切處理都取得了良好的效果。

獲得地質(zhì)結構模型后，依次用邊界擴展后的地質(zhì)界面對模型外輪廓面進行切割及縫合以獲得地層體模型(圖8)。為提升建模效率，本研究在地質(zhì)界面與模型外輪廓面完成互剪后，先遍歷地質(zhì)界面中每個TFace的三角形形心，判斷該形心是否在外輪廓面以內(nèi)；然后將形心處于輪廓以內(nèi)的三角形所對應的TFace與被剪后的外輪廓TFace進行縫合，以實現(xiàn)閉合地層體的快速生成。

圖6 基于輪廓線(a)和基于跡線產(chǎn)狀(b)構建的地質(zhì)分界面

a. 地表處地質(zhì)界面局部交切效果；b. 地下地質(zhì)界面間局部交切效果；c. 整體交切效果。

圖8 基于三角形形心位置的地層體自動縫合

3 實例驗證

本研究基于Windows 10操作系統(tǒng)，采用Microsoft Visual Studio 2013及C++語言對SKUA-GOCAD 2017進行二次開發(fā)，完成上述地質(zhì)模型構建方案相關代碼的編寫及編譯，獲得自研程序“隧址區(qū)工程地質(zhì)模型快速構建程序V1.0”。以西南地區(qū)在建高速公路項目中的3條特長隧道為例，利用上文所提出的建模方案完成隧址區(qū)地質(zhì)模型構建，3條隧道所屬地理位置如圖9所示。

沿江高速——斯古溪隧道(Ⅰ)：擬建斯古溪隧道地處四川省涼山彝族自治州雷波縣斯古溪鄉(xiāng)和卡哈洛鄉(xiāng)之間，距雷波縣城直線距離約30 km，屬金沙江中高山峽谷區(qū)，進口距金沙江約600 m，出口距金沙江約1 100 m。隧道左線長約8 118 m，右線長約8 102 m，最大埋深約1 086 m。該隧址區(qū)位于峨邊—金陽斷層與斯古溪斷層、中壩斷層匯聚處，隧道洞身穿越峨邊—金陽斷層、中壩斷層，并穿越卡坪斷層及硝灘斷層。

樂西高速——大涼山二號隧道(Ⅱ)：擬建大涼山二號隧道隸屬四川省涼山州美姑縣，隧道進口位于佐戈依達鄉(xiāng)北側佐戈依達河流溝口附近，出口位于牛牛壩四比齊村西南側山溝一帶。隧道左線長約12 454 m，右線長約12 475 m，最大埋深約764 m。該隧址區(qū)主要構造包含由莫合背斜以及伴生于背斜東翼的爾馬洛西斷層和尼普莫斷層組成的斷層褶皺組合帶，隧道洞身穿越尼普莫斷層。

圖9 3條隧道所屬的地理位置圖

樂西高速——大涼山一號隧道(Ⅲ)：擬建大涼山一號隧道進口隸屬四川省雷波縣大谷堆鄉(xiāng)，進口附近有機耕道；出口隸屬四川省美姑縣，位于美姑河支流左岸。隧道左線長約15 366 m，右線長約15 333 m，最大埋深約1 037 m。該隧址區(qū)主要構造為斯依阿莫倒轉背斜、黃果洛向斜、哈都洛背斜，以及兩條與斯依阿莫倒轉背斜為伴生關系的F1和F2斷層，隧道洞身穿越F1和F2斷層。

三維地質(zhì)模型構建成果如圖10所示。圖10中對模型中相鄰巖層單元賦以不同顏色以增強可視化效果，隧道主線洞身模型也被放入地質(zhì)模型中，隧址區(qū)地質(zhì)結構、隧道洞身與各巖層的接觸關系得以清晰展示。透過透明的地質(zhì)模型可以看出：基于“隧址區(qū)工程地質(zhì)模型快速構建程序V1.0”所生成的地質(zhì)分界面的幾何形態(tài)均較為光滑流暢，與自然界中真實地質(zhì)分界面的形態(tài)特征相符；所構建的隧道洞口的第四系覆蓋層、洞身的局部斷層以及被斷層切割的巖層間的接觸及交切關系都符合預期，地層的拓撲形態(tài)呈現(xiàn)出良好的效果，這說明自研程序可以解決大部分拓撲特征較復雜的地層構建問題。此外，本自研程序替代了傳統(tǒng)建模方式中諸多需要手動進行的人機交互環(huán)節(jié)，依靠程序自動生成模型，無疑會比手動人機交互建模效率更高。

由于隧道地質(zhì)模型涉及到較多的人工信息，如隧道開挖、洞門邊坡開挖等，在完成天然地質(zhì)模型構建后，尚需對人工信息進行表達。利用隧道斷面及三維路線可構建隧道洞身的外輪廓面，將外輪廓面與地質(zhì)模型進行互剪，去除地質(zhì)模型中理應被挖除的局部界面后進行模型縫合，即可實現(xiàn)隧道開挖。此外，利用隧道洞口立面圖及縱斷面圖中的邊坡開挖設計線，可構建一個邊坡開挖面，利用邊坡開挖面與天然地質(zhì)模型進行互剪及縫合，可實現(xiàn)隧道洞口的邊坡開挖。以斯古溪隧道新市端洞口為例進行地質(zhì)模型開挖，模型結果如圖11所示。

完成地質(zhì)模型構建后，將不同巖層的設計參數(shù)如圍巖等級、圍巖質(zhì)量指標等作為屬性值分別賦予各個巖層體。在此基礎上，將地質(zhì)模型和三維路線模型同時導入具備參數(shù)化設計功能的軟件(如CATIA)中，首先確定隧道洞門類型、邊坡開挖方案和隧道襯砌結構支護類型及參數(shù)等，然后通過創(chuàng)建各類隧道橫斷面模板及錨桿鋼筋等單元，可實現(xiàn)隧道工程的正向設計。

圖10 西南地區(qū)在建特長隧道隧址區(qū)三維地質(zhì)模型構建成果

a. 設計開挖前的天然形態(tài)；b. 設計開挖后的形態(tài)；c. 疊加上隧道洞門和邊坡錨桿的效果。

4 結論與展望

1)自研程序“隧址區(qū)工程地質(zhì)模型快速構建程序V1.0”有助于建模者準確把控每一個地質(zhì)分界面的構建方式以及地質(zhì)界面間的接觸及交切關系，可解決大部分拓撲特征較復雜地層的構建問題。

2)將不同地質(zhì)界面予以分類并基于SKUA-GOCAD開發(fā)以實現(xiàn)其相應的自動構建方案，有利于定向構建出符合建模者預期形態(tài)的地質(zhì)界面，同時大幅減少手動人機交互，提升建模效率。

3)本研究所提供的地質(zhì)建模方案雖然可以較大程度地提升地質(zhì)建模效率，但考慮到地質(zhì)結構本身的復雜特征，單純依靠任何建模方案都無法完美構建出所有情形下的地質(zhì)結構模型。未來考慮在現(xiàn)有成果基礎上，如何借助三維地質(zhì)模型更好地支撐公路工程各項業(yè)務，探索地質(zhì)模型在隧道超前地質(zhì)預報以及BIM(建筑信息模型)正向設計等領域中的深入應用。