特長隧道隧址區三維地質模型構建方案

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

隨著數字化技術在國內交通建設領域的快速發展，道路、橋梁及隧道等構筑物的三維可視化方案得以普及，而工程地質作為各類構筑物設計、施工的重要基礎，大量地質信息仍以二維圖件及離散文字描述等形式存在。由于地質現象本質是三維的，因此需借助三維地質建模及可視化，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問題[1-2]。相較傳統的二維圖件，三維地質模型更有利于直觀明確地表達地質結構的空間展布形態[3-4]，尤其當隧道等深埋于地下的構筑物穿越地質構造復雜區域時，透過三維地質模型可全方位地、細致地展示出隧道洞身與各地質體間的相對位置及接觸關系[5]，對于后續的超前地質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，本質上是基于各種原始地質數據建立能夠反映地質體構造形態、構造關系及地質體內部屬性變化規律的數字化模型[6-9]。Caumon等[10]詳細介紹了地質建模的基礎數據種類，并對地質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剖面的地質模型構建方法，強調了建模過程中通過地質剖面圖來融入地質專家先驗知識的重要性；Mallet[12]針對地質構造及地質體幾何形態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并使之最小化，實現復雜地質界面的光滑擬合。近年來，基于隱函數的構造建模方法逐漸成為地質建模領域的研究熱點[13-14]；針對地質勘察中離散、稀疏地質點數據難以構建地質體模型等問題，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，相關的巖土數字化技術及基于數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，大部分地質建模研究仍集中于油氣及固體礦產領域[19-21]，面向公路領域的精細化地質建模研究及實踐成果相對較少。由于特長隧道隧址區地質構造普遍較為復雜，巖性種類繁多，地質模型構建相較其他種類工程而言難度更大；加之山區地形陡峻，地勘作業難度大，且某些隧道局部深埋于地下數百米，鉆探成本高昂，導致隧道工程地勘數據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的地質建模方案。針對上述問題，本研究首先基于前期大量隧道地質建模項目實踐及經驗累積，制定數據預處理規則，將數據名稱與地質界面構建次序、構建方案等相關聯；然后通過研發實現針對不同類型地質界面的構建方案。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建模效率的大幅提升。

1 建模流程及數據預處理

建模流程及數據處理方案基于隧址區地勘數據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、松散堆積層內部的地質界面、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。首先獲取隧址區地勘資料、地表調繪數據及地質剖面等初始數據，圈定模型構建范圍，隧址區地質模型邊界一般為條帶狀；其次在數據預處理階段，通過對初始數據進行三維轉換、分類以及按既定規則命名，確保其滿足后續地質界面構建算法的要求；然后完成數據處理，即可通過解析數據名稱匹配其所對應的地質界面生成方案，實施地質界面的自動構建及交切處理；最后通過實現地質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模型疊合在一起進行可視化分析。

圖1 隧址區工程地質模型構建流程

1.2 建模數據及預處理

本研究所涉及的地質建模數據如表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格過于密集，不利于后續的裁剪及切割運算，經綜合考慮，本研究等高線采用2 m的等高距。實際工程中，隧址區鉆探及挖探數據普遍過于稀疏而不足以支撐地質建模；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專家在充分結合地表跡線、鉆探和挖探等數據的條件下進行繪制。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，施工中可能出現滑坡、坍塌等地質災害；因此各隧道洞口處應確保5條以上的地質剖面，用以實現精細化建模?？紤]到各個項目所面臨的地形地貌和地質構造復雜程度各不相同，建模數據一般需根據實際情形進行補充和調整。

表1 主要建模數據及其用途

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據信息的數據命名方式(圖2)。數據名稱由該數據所對應的地質界面的構建方案、分界面類型、數據位置及界面構建次序等信息的關鍵字組合而成。后續建模過程中，對數據名稱進行逐一解析：首先，根據解析得到的構建次序篩分屬于同一地質界面的所有數據；然后，根據解析得到的數據位置判斷該數據在建模過程中所承擔的作用；最后，依據解析得到的分界面類型及其構建方案，對該數據實施相應的地質界面構建方案。

2 地質界面構建方案

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 建模數據命名規則

1)待插值投影平面獲取

以土-巖分界面構建(圖3)為例：首先通過工區邊界線生成工區平面三角網并對其進行加密及規則化處理，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外兩層；然后利用所有地表跡線垂直切割工區平面，形成若干網格面片(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形心點位于內層跡線以內；②形心點位于外層跡線以外；③外層跡線內部無內層跡線，形心點位于外層跡線內；④外層跡線內部有內層跡線，形心點位于外層跡線內，但不位于內層跡線內。

根據圖3情況分析可知，將內部三角形符合情形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，一種為原先工區的邊界線，另一種是由地表跡線垂直切割而產生的邊界線，其在地表面的豎向投影即為真實的地質界面邊界。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點與工區邊界線中節點的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，需將地質界面邊界節點設置為固定控制點，以防止后續迭代插值過程中邊界位置發生擾動。

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剖面中的巖性分界線等。本研究采取對地下數據點施加模糊控制約束的方式，并根據實際情形對約束方向進行調控。

此外，由于數據稀疏性等問題，在完成迭代插值后某些地質界面可能出現局部相互穿插，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。

2.2 封閉地質界面構建方案

針對透鏡體和溶洞等封閉式地質界面，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，基于邊界線創建三角網格并實施網格加密、規則化處理；然后將該三角網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格分別實施迭代插值；最后將兩個三角網格進行縫合。

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)生成的地質界面

2)基于內部小球插值變形的方案

在地質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，構建球形三角網并作網格加密處理；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，使球狀網格變形為符合控制點分布特征的透鏡體形態。

a. 分部構建再縫合成體的方案；b. 基于內部小球插值變形的方案。

2.3 其余構建方案

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

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重構(圖6a)。在建模數據稀疏的條件下，先由地質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；再以輪廓線節點作為約束控制點，對折平面實施迭代插值及網格規則化處理，以此獲得最大程度符合輪廓線形態的光滑地質界面。

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狀(圖6b)，在此情況下一般是先根據露頭產狀獲得巖層傾角線，然后沿地表跡線節點陣列設置與巖層傾角線平行的、長度適當的線段作為輪廓線，再借助這些輪廓線構建該地質界面。值得一提的是，在數據稀疏的條件下，地質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 地質界面交切處理

基于上述方案構建得到的地質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界面間的交切關系對地質界面實施切割以剪除多余部分。由于建模數據名稱中包含擬建地質界面類型以及構建次序等關鍵字，切割處理階段通過對數據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，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)地質界面的切割處理。如圖7所示，示例數據展示了基于上述切割方案所生成的地質結構面模型，模型中地質界面間的交切處理都取得了良好的效果。

獲得地質結構模型后，依次用邊界擴展后的地質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，本研究在地質界面與模型外輪廓面完成互剪后，先遍歷地質界面中每個TFace的三角形形心，判斷該形心是否在外輪廓面以內；然后將形心處于輪廓以內的三角形所對應的TFace與被剪后的外輪廓TFace進行縫合，以實現閉合地層體的快速生成。

圖6 基于輪廓線(a)和基于跡線產狀(b)構建的地質分界面

a. 地表處地質界面局部交切效果；b. 地下地質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，采用Microsoft Visual Studio 2013及C++語言對SKUA-GOCAD 2017進行二次開發，完成上述地質模型構建方案相關代碼的編寫及編譯，獲得自研程序“隧址區工程地質模型快速構建程序V1.0”。以西南地區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地質模型構建，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和卡哈洛鄉之間，距雷波縣城直線距離約30 km，屬金沙江中高山峽谷區，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，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模型中，隧址區地質結構、隧道洞身與各巖層的接觸關系得以清晰展示。透過透明的地質模型可以看出：基于“隧址區工程地質模型快速構建程序V1.0”所生成的地質分界面的幾何形態均較為光滑流暢，與自然界中真實地質分界面的形態特征相符；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，地層的拓撲形態呈現出良好的效果，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建模方式中諸多需要手動進行的人機交互環節，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，將外輪廓面與地質模型進行互剪，去除地質模型中理應被挖除的局部界面后進行模型縫合，即可實現隧道開挖。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模型進行互剪及縫合，可實現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模型開挖，模型結果如圖11所示。

完成地質模型構建后，將不同巖層的設計參數如圍巖等級、圍巖質量指標等作為屬性值分別賦予各個巖層體。在此基礎上，將地質模型和三維路線模型同時導入具備參數化設計功能的軟件(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等，然后通過創建各類隧道橫斷面模板及錨桿鋼筋等單元，可實現隧道工程的正向設計。

圖10 西南地區在建特長隧道隧址區三維地質模型構建成果

a. 設計開挖前的天然形態；b. 設計開挖后的形態；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“隧址區工程地質模型快速構建程序V1.0”有助于建模者準確把控每一個地質分界面的構建方式以及地質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)將不同地質界面予以分類并基于SKUA-GOCAD開發以實現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的地質界面，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建模方案雖然可以較大程度地提升地質建模效率，但考慮到地質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結構模型。未來考慮在現有成果基礎上，如何借助三維地質模型更好地支撐公路工程各項業務，探索地質模型在隧道超前地質預報以及BIM(建筑信息模型)正向設計等領域中的深入應用。