高速公路路線三維地質建模研究
——以雄信高速為例

胡飄野

（廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣州 510440）

1 引言

三維地質建模（3D Geological Modeling）是基于地質勘察原始數據，結合計算機技術對現有地質體實現三維可視化的一種表達[1]。三維地質建模技術在小范圍，非帶狀區域工程，如城市地下空間規劃、下沉隧道、高層建筑基坑、礦業礦產、水利工程等領域都有廣闊的應用前景[2-4]。在帶狀地形的鐵路、公路工程中應用較少。基于以上原因，本文以雄信高速公路項目為例，采用虛擬鉆孔技術在帶狀地形的工程中完成三維地質的建模，可為其他類似工程的帶狀地形三維建模與可視化研究提供借鑒。

目前，常用的三維地質建模方法基于既有勘探資料，建模過程需要對鉆孔原始數據進行預處理[5]，通過計算機擬合將同一屬性的地層進行耦合、拼接，進而生成地質體模型，此種模型雖然建模簡單便捷，對于小范圍、非帶狀水平的簡單地層效果明顯，但是模型精度較低，對于帶狀工程，可能存在不合理的地層分布[6]。這時就需要人工干預，根據符合地質規律的實際情況調整與原始資料的差異。因此，筆者采用在特定邊界位置增加虛擬鉆孔，實現了地層邊界的尖滅和閉合，可快速完成三維地質模型構建，并在粵北地區雄信高速的部分路段三維地質建模中得到了應用。

2 工程概況

本文以粵北地區雄信高速公路工程的地質模型為例，詳述其在三維地質建模平臺上的建模過程和模型應用。

雄信高速主要經過南雄盆地腹地，根據地質資料揭示，沿線地層出露較少，沿線主要通過地層有第四系、下第三系、白堊系、前寒武系、燕山期等地層。其中，下第三系和白堊系地層為紅層區，分布范圍約占線位的85%。集中在K7+770～終點段。前寒武系、燕山期侵入則分布于K7+700 之前。因此，本次建模為了更好地、有針對性地反映本項目地下三維空間地質模型，僅對K6+600～K9+000 包含本項目3 個地層年代的地質體進行了模型建立。

3 技術背景

在工程中三維地質建模是一個地質數據從無到有和數據解析的過程，是多元數據一體化耦合的結果。在三維地質系統中創建項目基本信息后，在圖形端選擇對應階段，利用測繪專業提供的測繪數據建立地面模型（DTM），地面模型建立后，將線路設計圖形參考進dgn 文件中，將樁號里程標計算Excel 表導入dgn 文件中，這個過程為勘察前期設計三維數據合并。

項目不同階段的現場實際勘察數據或者實驗數據可以直接錄入地質數據庫，也可以錄入Excel 表中，后期再導入地質數據庫中，覆蓋層、巖層邊界數據和斷層等出露線數據從圖形端繪制錄入數據庫，如果現場實際勘察和勘察布置設計位置不一致時，可以修改成與現場實際勘察位置一致，這部分工作為勘察布置設計完成后的現場勘察工作和勘察數據錄入處理工作，歷史勘察數據及剖面數據也可錄入數據庫。

由于不同階段的勘察數據量不同，所以，可以在不同階段創建不同精度的三維地質模型，同時，可以利用虛擬鉆孔精準做好邊界閉合和數據解析處理工作，最終將勘察數據形成三維地質模型。后期在三維空間或者編輯剖面進行地質模型修改、數據增加等工作，進而進一步優化模型，使之與實際更加符合，同時，完善后的模型格式可接入設計、施工的數據庫，達到綜合利用的目的。

三維模型主要包括地質年代分層、地層巖性分層、風化程度分層等信息，地質構造等所有地質內容。三維地質模型除了具有幾何屬性外，還具有相關地質內容的物理屬性和工程所需要的過程屬性。在三維模型中可以定位查詢地質條件，并將地位查詢地質條件屬性保存輸出，圖形端可根據勘探數據和形成的三維地質模型出工程地質剖面圖、鉆孔柱狀圖、平切圖等工程圖紙。

4. 建模過程

4.1 完成工作量情況

本次建模主要針對K6+600～K9+000 段2.4 km 的地形、地表、地質進行模型建立。利用情況和建模工作量情況見表1。

表1 本文地質建模工作量利用情況一覽表

4.2 三維地形建模

三維地質建模是一個由表及里，先地面后地下的模型建立過程。因此，第一步需開展地表模型建立工作。

三維地形建模是利用勘察的數據及實際地形地物情況（包括勘測點、等高線、高程點、地表水文、簡單構造物等），采用相同的工程坐標系統及高程系統生成1∶1 比例的Mesh 地表模型。

本項目通過收集、提取、整理的K6+600～K9+000 區間（長度2.4 km，帶寬0.4 km）內的所有完整的三維等高線數據，通過等高線和高程點的數據模擬計算，擬合出一般的地面模型，局部地形不匹配段則通過手動調節擬合，虛擬擬合點的方式優化地形數據。待擬合好地表模型后，通過谷歌影像圖校正貼附地表影像，最后添加地表構筑物模型，并標識里程樁號。其中，本項目主要的地表構筑物模型為孔塘特大橋和深路塹的挖方路段，本項目通過數據模擬后地表模型如圖1 所示。

圖1 本項目通過數據擬合后的地表模型

5 三維地質建模

5.1 勘察數據庫錄入與管理

在地表模型的基礎上，建立地質模型原始數據庫。數據庫需要錄入鉆孔工程數據（包括坐標、高程、里程樁號、與軸線的關系）、地質信息（包括地層巖性、風化程度、年代成因、巖芯描述、地下水位標高等）、簡要的地質構造信息（褶曲、斷層、巖層結構面等），必要時可以輔以錄入物探信息等，為本項目展示直觀，可對相關巖土層進行優化。

5.2 模型建立

三維地質模型主要由多個網格式（TIN 模型）地質分界模型組成，勘察數據庫中的層位高程、年代成因、巖性、風化程度等不同的要素通過克里金算法[7]及冪函數加權算法擬合平順的TIN 模型，從而描述不同的分層界面，建立從地表覆蓋層開始直至勘探信息底部的多層次、立體化的TIN 模型。當遇到斷層或傾斜巖層時，可以利用跡線、產狀及地質勘察數據混合建模，因勘察工作量有限或部分路段實際地質條件復雜時，也可通過增加邊界虛擬鉆孔或調整網格點的方式實現模型與實際相符，提高模型精度。

6 模型合并及應用

三維地質和三維地表模型完成后，需進行模型合并，2 組模型在軟件中的坐標為工程所在的原始坐標位置，模型合并使用Microstation 參考功能將模型按原坐標參考到一個文件中。2 組模型合并到1 個文件后需進行布爾運算，將三維地質模型橋梁樁基及邊坡所占部分進行開挖，并去除掉開挖部分內容，最終表達模型模擬真實需要表達內容。

6.1 地表漫游

自身渲染軟件可通過加載三維地質和三維地表模型實現360°全方位漫游演示，通過設計漫游視角、路徑等視頻信息錄入，可實現地表構造物模型、地表地質模型的可視化。路塹邊坡路段可通過設計斷面與三維模型疊加相減實現邊坡開挖面的可視化漫游如圖2 所示。

圖2 K6+900 和K7+100 兩段高邊坡地表漫游圖

6.2 地下切坡和漫游

自身渲染軟件通過加載三維地質模型實現360°全方位漫游演示，通過設計漫游視角、路徑、坡切方法等進行視頻信息錄入，可實現地下地質模型的可視化。對于橋梁樁基設計，可通過地下漫游實現樁身與樁底地質信息如圖3 所示的可視化。

圖3 橋梁樁基地下地質模型坡切圖

6.3 設計應用

地質模型建立具有相應的屬性，如地質模型巖性屬性，風化程度屬性，斷層屬性及同時可以附加巖土力學計算所需要的力學參數屬性，參數屬性可以通過開發，將力學參數提取用于結構力學計算。

三維地表及地質模型可進行邊坡開挖工程量統計，邊坡開挖面的巖土分布情況；橋梁構造物可進行樁基的樁底標高計算，入巖深度，樁底巖土層分布情況。

7 結論及建議

7.1 結論

通過三維模型能真實地查看結構物所處地質條件，分析其相互關系，并可以通過查詢功能具體定位里程位置查詢結構物地質條件；結合虛擬鉆孔技術能在一定程度上提高三維地質模型的精度；地質模型與構造物結合通過模型反應不同位置段地質條件，根據三維空間關系分析構造物所處地質復雜度、安全性等條件。結合三維地質模型可以反映邊坡開挖面各個地層的關系，在后續過程中的補充數據可以更新模型，反映出更真實的三維地質條件，優化設計及施工方案。

7.2 建議

本次建模地質資料僅建立在初勘的基礎上，地質鉆孔數據量較少，模擬精度較低，隨著項目的深入勘察，資料的增多，建模精度將會更高，更加符合真實情況。

現階段三維地質建模在勘察、設計、施工三者之間的聯系不夠緊密，各個環節相對獨立，參數未能較好運用。建議通過加強加密勘察工作，進一步完成項目區三維模型建立資料，為設計和施工提供更準確的依據。