巖土地層三維模型自動建模方法研究

王國光，魏志云，徐 震，卓勝豪，陳 詩

（1. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司（信息中心），浙江 杭州 311122；2. 浙江省工程數(shù)字化技術研究中心，浙江 杭州311122；3. 數(shù)字城市CIM技術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)自動生成地質體方法的學者比較多?；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，首次將地層模型區(qū)分為完整層實體和非完整層實體，以事先準備的標準地層、鉆孔數(shù)據(jù)和地形體為自動建模的基礎，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，按照從上至下、從新到老、從完整到非完整的順序，依次將地形體進行切分，從而最終實現(xiàn)巖土體的地層三維模型的自動建模[1-18]。

1 數(shù)據(jù)準備

在進行自動建模前，需要準備好建模原始數(shù)據(jù)，包括標準地層、鉆孔數(shù)據(jù)以及地形體。

1.1 標準地層

標準地層是地質人員根據(jù)實際建模區(qū)域內鉆孔所揭露的地層按照地層新老順序進行綜合排序的結果，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，最左側即為相應地層的地層序號。

表1 標準地層表

1.2 鉆孔數(shù)據(jù)預處理

從數(shù)據(jù)庫里讀取到的鉆孔數(shù)據(jù)比較粗糙，需要對其進行抽象化處理。鉆孔地層數(shù)據(jù)是建模區(qū)域內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、起點坐標、終點坐標、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、當前鉆孔段地層序號、累計虛擬厚度、鉆孔段集合描述。對于單個鉆孔而言，當前鉆孔段地層序號用于記錄該鉆孔當前遍歷到的鉆孔段的地層序號；累計虛擬厚度用于計算虛擬揭露點的位置，當鉆孔中缺失某一地層，累計虛擬厚度取當前遍歷到的鉆孔段厚度的平均值，當?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成，每個鉆孔段包括起點和終點坐標、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。當前鉆孔段序號初始值為0，累計虛擬厚度初始值為0.0 m。

若當前鉆孔段序號為1，遍歷到某夾層①-1 的時候，就需要引入虛擬鉆孔點P，該點位于當前鉆孔段起點的正上方，距離該鉆孔段起點累計虛擬厚度的位置，如圖1為某鉆孔的拓撲結構示意圖。

圖1 鉆孔拓撲結構示意圖

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，也是進行地層分層建模的數(shù)據(jù)基礎。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體模型。

2 數(shù)據(jù)定義與提取

根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)，按標準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，通常應根據(jù)工程設計和勘察精度要求，在建模軟件中設置地層建模范圍、鉆孔數(shù)據(jù)范圍和模型曲面擬合等參數(shù)。首先通過坐標范圍確定要進行三維地層建模的區(qū)域，通常地層建模范圍默認為地形體范圍，參數(shù)設為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，設定最佳的曲面擬合網格間距，可定義XY2個方向上的網格間距為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)進行遍歷，從第一個鉆孔段開始，統(tǒng)計所有鉆孔中首次出現(xiàn)與第一個鉆孔當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坐標；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)結構是為了方便對地層單元的完整層分段進行非完整層數(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，將部分鉆孔當前鉆孔段的終點坐標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)準備和數(shù)據(jù)建模，就可以按照如下迭代邏輯進行從地形體到地層實體的自動切分。

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，以一定網格間距插值擬合生成較光滑的地質曲面，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，對非完整層數(shù)據(jù)進行補充。該虛擬揭露點定在鉆孔地層缺失點位的上方，且高出距離為累計虛擬厚度，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行完整層實體切分和非完整層實體切分，并對切分后的地層單元實體賦予地質屬性和圖形屬性（圖層、顏色、透明度等），最終完成地層三維模型的自動創(chuàng)建。完整層實體切分是利用完整層界面對原始地形體進行切分，地形體被剪切后分成一個或多個完整層實體；非完整層實體切分是利用在完整層實體內的非完整層界面對完整層實體進行再剪切。

4 地鐵工程應用

GeoStation for City軟件[20]是中國電建集團華東勘測設計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計系統(tǒng)，采用了本文闡述的巖土地層三維模型自動建模技術，應用于寧波市地鐵4 號線翠柏里站地層三維模型創(chuàng)建及二三維分析，驗證了技術方法的可靠性。

4.1 工程概況

寧波地鐵軌道交通4 號線是骨干線網西北至東南向的一條內部填充線，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，沿翠柏路東側呈南北向布置，其具體位置及結構平面圖如圖3、4 所示。車站長度為223 m，標準段基坑深度為16.3 m，采用明挖順作法施工，主體結構圍護型式采用800 mm 地下連續(xù)墻，標準段圍護深度為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，用戶只需導入鉆孔數(shù)據(jù)，即可一鍵生成三維地層模型。

在數(shù)據(jù)準備階段，將工程標準地層、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，方向沿標準段基坑的軸線方向，建模深度取100 m。

圖4 翠柏里站結構平面圖及建模范圍

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三角網擬合技術，使圖中地層界面過渡平滑、自然。且引入虛擬揭露點，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 完整層實體切分

圖6 非完整層實體切分

4.3 二維剖面分析與出圖應用

為了驗證地層三維模型的準確性，對圖5、6中的地鐵站三維地層模型進行了剖面分析，沿著某一勘探線剖切輸出工程地質剖面圖，如圖7、8 所示。圖中，程序自動對不同地層進行了編號標注，同時包括鉆孔信息、地層信息，設計人員可以實時準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系清晰，地層界線嚴格經過鉆孔揭露的地層分界點，且地層界線表現(xiàn)得順滑，沒有局部突變現(xiàn)象的發(fā)生。這一結果充分驗證了地層三維模型自動建模技術準確、可靠，生成的地層三維模型更加接近于真實的巖土地層。

圖7 完整層實體切分后在勘探剖面圖上的效果

圖8 非完整層實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用

利用翠柏里地鐵站巖土地層三維模型，可以進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、精確的方量對土石方造價計算和施工計劃都有重要作用。經量測，翠柏里站主體結構開挖方總量是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模型進行施工模擬，不僅可精準地模擬土方開挖的時空效應“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，將地質模型與場區(qū)規(guī)劃模型相結合，可多角度的審查圍護體系與各地層的相對位置關系，輔助決策基坑圍護設計方案的合理性。對于不良地質、特殊巖土等問題做待處理的重點標志，幫助工程人員有針對性的制定相對應的施工方案，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方案模擬

5 結 論

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

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，并詳細說明了地層三維模型自動建模技術方法的條件、步驟、程序，能夠適應夾層、尖滅、透鏡體等特殊地層結構的自動建模處理，無需過程中的人工干預，滿足當前三維協(xié)同勘察設計趨勢下的動態(tài)設計工作要求，關鍵的模型成果可隨時在線獲得，為方案設計提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2）該技術方法具有很強的可編程實現(xiàn)性，程序邏輯簡單實用。

3）該技術方法在寧波地鐵4號線翠柏里站成功應用，獲得地層界面、地層實體等成果。

綜上所述，該技術方法簡單、可靠、準確、實用，在地鐵工程實例中取得較好應用，同時在工民建、水利、市政、港口、機場等巖土工程中具有推廣價值。需要特別指出，該技術方法研究成果只能滿足單點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。