青島精細化城市地質模型構建設計與應用

翟月，何松，錢玉智

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266033； 2.青島巖土工程技術研究中心，山東 青島 266033)

1 引 言

隨著我國城市數字化、網絡化、智慧化轉型的升級進程加快，為更好地建成“城市大腦”，城市發展方式正發生劇烈的轉變，對各項行業數據成果的信息化程度也提出更高要求。作為城市規劃建設的重要基礎，地質勘察傳統二維圖件(縱橫剖面圖、鉆孔柱狀圖、等厚圖等)表達地質信息空間差異分布的成果形式，已無法滿足系統平臺式地上地下一體化空間信息提取和分析的需求[1，2]。勘察工作積極納入智能化管理的數字閉環賦能新體系中，構建三維可視化的地質模型，形成涵蓋結構、環境和資源等多源數據的信息化成果載體，有利于生產組織模式創新，高效提供地質信息服務與決策支持[3～6]。

經過近30年，空間數據模型與結構、數據庫的構建、數據的三維可視化表達等三維地質建模理論與方法已經集成化發展，三維地質建模技術得到廣泛運用并取得豐富的成果，如GOCAD、Petrel、Surpac、EVS、Geomodeller等專業建模軟件均在相關領域取得良好使用效果。創建工程建設領域應用的三維地質模型，則需要在建模數據整理、網格精度控制、算法優化選擇等環節，聚焦地質結構模糊度高、工程地質與水文地質條件復雜、安全風險突出的關鍵點[7～9]。

本文以青島市城市地質調查項目為基礎，緊跟青島國際郵輪母港區規劃設計建設推進步伐，采用EVS軟件先后構建啟動區初勘地質模型和商務樓詳勘地質模型，探索了不同勘察階段地質模型的構建重點，突出濱海基巖型城市的地質特點，為建設項目全周期的設計施工和風險管控提供有力的技術支撐。

2 研究區工程地質概況

2.1 研究區地理地貌

建模工作區位于膠州灣東岸，青島港片區內，東至杭鞍立交橋，南臨新冠高架，北接在建地鐵2號線國際郵輪港站，周邊高樓林立，如中聯自由港、青島港在建辦公樓等，環境復雜，區域總面積約 3 km2，如圖1所示。建模工作區地形總體起伏較小，屬于剝蝕斜坡～濱海淺灘地貌，場地西北側靠近膠州灣為濱海淺灘，東側靠近新疆路為剝蝕斜坡。本文先依據整體場區初勘工作構建地質模型，后依據啟動區商務樓詳勘工作構建其地質模型。

圖1 場區位置影像圖

2.2 巖土層分布及特點

本場區具典型的濱海基巖地質特點。即中生代燕山晚期以來，區域性構造活動強烈，發生大規模、區域性酸性巖漿侵入，以深成相似斑狀中粗粒黑云母花崗巖為主要組成巖石形成穩固的花崗巖巖基，隨海進海退作用，沖、海積平原和灘涂形成海陸交互相的沉積物。現將典型地層描述如下。

第②層、粉土～粉砂

褐色，稍濕，松散～稍密，塑性低，以粉土及粉砂為主，含多量粉細砂。

第④層、含淤泥細砂

灰黑色～灰褐色，松散～稍密，飽和，有腥臭味；以細～中砂為主，含有機質及腐爛植物體，夾有貝類殘骸，局部夾淤泥或淤泥質粉質黏土薄層。

第⑥層、含有機質粉質黏土

灰黑色，流塑～軟塑。顆粒均勻，手感細膩，含有機質、貝殼碎屑及腐爛植物體。有腥臭味，強度低，干強度中等，韌性中等，具有中等壓縮性，該層局部相變為淤泥質粉質黏土或淤泥。

第⑦層、粉質黏土

褐黃色～黃褐色，可塑，見有少量鐵錳氧化物，含少量砂粒，局部夾有粗砂薄層，具中等壓縮性，韌性高，切面較光滑，干強度中等。

第⑨層、粗砂

黃褐色～褐黃色，中密～密實，飽和，分選較差，磨圓一般，主要礦物為石英、長石，局部夾有小塊碎石，局部含黏土較多，呈砂混黏土狀。

黃褐色，可塑～硬塑，有鐵錳氧化物，含一定量砂，中等壓縮性，韌性高，切面較粗糙，干強度中等～高。

黃褐色～褐黃色，密實，飽和，主要礦物為石英、長石，為花崗巖質風化碎石，塊徑 2 cm～4 cm，分選較差，磨圓亞角狀，混有多量礫砂。

(4)巖體

場地出露的穩定基巖為花崗巖，可分為強、中等、微風化，各風化帶的物理力學性質有極大差異。其中煌斑巖和花崗斑巖作為巖脈，以高傾角(60°～80°)侵入花崗巖體中，走向與區域構造走向一致，以北東向為主，一般脈寬約 0.5 m～ 5.0 m，局部較寬。另受區域構造影響，局部穿插構造碎裂巖。

巖體使用的地層編號采用青島市建委推廣的《青島市區第四系層序劃分》標準地層層序編號，概括來講，主層為強風化巖層，為中等風化巖層，為微風化巖層。

黃褐色～肉紅色，粗粒結構，塊狀構造，以長石、石英為主要礦物成分。

土黃色～黃綠色～灰綠色，斑狀結構、塊狀構造，主要礦物成分為斜長石、角閃石等暗色礦物。強風化煌斑巖強度較高，但遇水及暴露后強度降低較大。

肉紅色～紫紅色，斑狀結構、塊狀構造，主要礦物為鉀長石、石英、斑晶粒徑小于 5 mm。

④構造碎裂巖

構造巖屬動力變質成因，主要分布于受構造擠壓影響而形成的構造破碎帶及不同巖性接觸帶，巖體根據巖性及破碎程度的強弱可分為砂土狀碎裂巖、塊狀碎裂巖。場區內構造巖屬動力變質成因，原巖為粗粒花崗巖，多呈碎裂狀結構，礦物蝕變強烈，節理密集發育，長石部分高嶺土化或綠簾石化，強度較低。

3 模型構建設計

為了實現地質資料的多樣化服務以及輔助決策，本文建立包含結構和屬性信息的真三維地質模型，即結合三維地質建模對數據精度和一致性的要求，按一定的規則對鉆孔、剖面、地質圖、測試資料等進行數據概化和融合處理，選擇合理的建模方法，完成三維地質模型構建、校驗和發布展示[10，11]。

3.1 技術路線

簡之，三維地質模型構建工作一般流程為：數據采集→數據分析→數據預處理→模型構建→模型修正及發布。

數據采集工作主要包括初步勘察和詳細勘察階段的地質信息采集，如DEM數據、鉆孔柱狀圖、原位測試和巖土水樣測試、監測等數據及分析成果，應具備準確的空間坐標。數據分析及預處理是結合具體建模工作對數據精度和一致性的要求，進行范圍截取、信息篩選、格式轉換、數據概化和融合等處理，為構建模型提供基礎。在模型完成后，需進行合理性、合規性的驗證，還應參照相應的地理信息模型發布要求，補充模型相關屬性。

模型構建的工作是不斷完善、調整的，通過數據分析、預處理到模型初步構建等過程中發現的問題，可重復技術路線中相應工作并完成自身PDCA循環，直至完成模型修正，滿足發布使用需求。

3.2 建模方法

本文中采用多源數據耦合的各向異性地質體建模方法創建層序巖性混合模型，即以結構模型作為邊界約束疊加如水化學監測檢測成果、水文場數據、巖土體參數模型，采取合適的插值算法和實體編輯工具創建精細化三維地質模型。

關于地質模型構建中的多源數據耦合方法，根據軟件工具不同略有差異，以采用的EVS軟件為例，主要體現在下述兩個方面。

(1)數據前處理

根據已有勘察成果，將多來源數據形成的交叉剖面作為校驗地質幾何信息和屬性信息一致性的基礎，軟件將剖面定位到模型三維空間，提取剖面的信息來對比分析不同巖土體層深、層厚、巖性、其他插值計算結果等信息，完成數據一致性、邏輯性的校正，如圖2所示。

圖2 利用剖面進行數據前處理

(2)結構場提取

屬性參數一般是在三維空間中的離散采樣數據，需要經過一定的算法進行插值，形成三維規則網格數據。軟件以地質結構場數據為空間基礎進行屬性結果插值建模，如圖3中，TOTHC在場地3個地質體結構場內進行插值，理論基礎和工作流程與一般建模相類似，不再贅述。

圖3 利用剖面進行數據前處理

4 地質模型成果

4.1 初勘工作模型成果

根據業主“把握巖面線”的要求，初勘模型制作在調用項目區內34個特征鉆孔后(圖4)，為輔助地層分析理解和向業主介紹基本地質情況，合并強～中等～微風化基巖地層進行概化，適當延伸建模深度，同時結合水文監測成果制作。

圖4 初勘建模所用鉆孔疊加地表信息

分析地質模型可知，場區地形總體起伏較小，第四系厚度由東向西增大(圖5)。根據場區初步規劃，建議在場區內擬建物可采用樁基礎或者天然地基，其中在第四系較厚地區的高層建筑、地下車庫及商業網點采用樁基礎，以花崗巖中等～微風化帶作為樁端基礎持力層；在場區內基巖面出露較淺的地段，可采用天然地基，獨立基礎，以花崗巖中等～微風化帶作為基礎持力層。

圖5 地質體剖面信息

結合漲潮落潮的信息(圖6)，場區地下水與海水有一定的水力聯系，地下水位變化與海水潮位呈同相，根據距離海水的遠近不同與潮位變化呈不同幅、不同步的特征。在后期工程施工開挖過程中，不排除因施工原因海水潮汐影響范圍擴大。

圖6 漲潮落潮的水面變化和速度等線圖

在場區靠近膠州灣一側，受海潮影響明顯，且勘察區域第四系有一定的厚度，多為松散填土，砂土，下部為飽和海相砂土，自然放坡開挖時坡體自身穩定性較差，且易受海水影響，因此靠近膠州灣坡岸一側第四系較厚地段基坑支護可初步考慮支護開挖的模式。模型中結合基坑初步設計的成果(圖7)，展示了商務樓地塊開挖后采用樁錨支護形式的方案，并研究了對2號線郵輪母港站的基坑施工活動影響，具有很好的指導意義。

圖7 場區基坑支護初步設計

4.2 詳勘工作模型成果

隨著商務樓詳勘工作開展，利用鉆孔地層信息和相關試驗測試結果信息，構建地質結構和屬性三維模型(圖8～圖12)。由圖9和圖10可清晰了解場區第2層粉土～粉砂的休止角試驗結果，水上休止角約為38°～39°，水下休止角約為25°～26°，北側取樣測試結果略大于南側。巖石點荷載結果顯示，微風化花崗斑巖的強度(61 MPa～ 92 MPa)普遍高于微風化花崗巖(40 MPa～78 MPa)，兩種巖體局部因有節理發育帶而強度略有降低。通過模型中海相地層的三維分布展示，較準確地勾勒出濱海淺灘和剝蝕堆積緩坡兩種地貌，并通過調整變差函數主方向的角度來表達高傾角巖脈和破碎帶的走向、傾向，合理選擇各軸向比例較好地指示了特殊性地質體脈狀較扁長的空間形態。模型表達出構造破碎帶發育的地段，可有針對性地指導設計和施工。

圖8 商務樓鉆孔和地層分布

圖9 商務樓海相砂、淤泥、粉質黏土地層分布

圖10 巖脈和碎裂巖高角度異性分布

圖11 第2層粗砂的休止角試驗成果

圖12 第18-2-10和18-3-10層巖體的點荷載試驗成果

4.3 模型成果轉化應用

相較于二維成果，三維地質模型在直觀性、全面性展示地質信息方面有獨到的優勢，且由于地質成果模型可進行剖挖切等工程分析，在項目推進過程中，轉出成其他通用格式也實際應用于BIM技術中，配合基坑設計方案優化工作，如圖13所示，根據集散中心地質水文條件特點，將初步設計擬采用的雙排樁+錨索支護體系進行優化。具體調整為：分次開挖，首先采用坡率法開挖至基底，二次開挖采用灌注樁+支撐的支護形式，同時止水方式由咬合樁調整為水泥土連續墻，達到了縮短工期、降低支護成本且提高安全可靠性的目的，可見地質模型成果積極參與建設項目全生命周期管理，實用性較好。

圖13 地質模型參與BIM技術輔助項目全生命周期管理(左圖為地質模型右圖為支護體系模型)

5 結 語

對于地質模型概而言之，細致的勘探測試工作可獲取更加有效的信息，越有利于精細模型要求的構建及表達。本文利用郵輪母港啟動區初勘、詳勘的工程地質勘察成果，依據不同工作時期的具體項目要求和對地質信息的解析深度，構建地質結構和屬性混合模型，較好地指導和服務實際工程建設活動。