三維地質(zhì)建模在油氣管道隧道工程勘察中的應(yīng)用

摘" 要：三維地質(zhì)建?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)領(lǐng)域，為直觀形象地展現(xiàn)地質(zhì)體及地質(zhì)信息的三維空間展布特征，利用地質(zhì)調(diào)查、地球物理探測(cè)、鉆探等方法手段獲取可靠的地質(zhì)數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地質(zhì)模型。該文基于勘察獲得的精確地質(zhì)信息，優(yōu)化三維地質(zhì)建模流程，通過油氣管道隧道工程實(shí)例，構(gòu)建隧道工程三維地質(zhì)模型，展現(xiàn)三維地質(zhì)空間特征，提高勘察行業(yè)的效率和精確性。

關(guān)鍵詞：三維地質(zhì)建模；油氣管道；隧道地質(zhì)模型；地質(zhì)信息；勘察行業(yè)

中圖分類號(hào)：TU4" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）21-0178-04

Abstract： 3D geological modeling has been widely used in the geological field. In order to intuitively and vividly display the 3D spatial distribution characteristics of geological body and geological information， reliable geological data are obtained by geological survey， geophysical exploration， drilling and other methods to build a 3D geological model. Based on the accurate geological information obtained from the survey， this paper optimizes the 3D geological modeling process， constructs the 3D geological model of the tunnel engineering through the example of the oil and gas pipeline tunnel engineering， displays the 3D geological spatial characteristics， and improves the efficiency and accuracy of the survey industry.

Keywords： 3D geological modeling; oil and gas pipeline; tunnel geological model; geological information; survey industry

隨著油氣管道建設(shè)的不斷發(fā)展，在管道穿越山區(qū)時(shí)為縮短線路、節(jié)約土地資源、保護(hù)環(huán)境，許多管道鋪設(shè)都將采用隧道穿越方式。隧道工程的開挖與其所處的地質(zhì)環(huán)境條件，如地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、不良地質(zhì)等密切相關(guān)。同時(shí)，由于地質(zhì)環(huán)境條件具有各向異性和復(fù)雜性的特征，地下空間的開發(fā)利用對(duì)地質(zhì)環(huán)境條件的勘察具有較高的要求。因此，針對(duì)地質(zhì)信息情況開展詳細(xì)的分析，再現(xiàn)三維地質(zhì)信息，可直觀有效地對(duì)工程進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避[1-4]。

三維地質(zhì)建模是以地質(zhì)勘察獲取的各種成果和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過三維建模軟件，使用空間插值、幾何重建、空間分析等技術(shù)，在“真”三維空間上對(duì)地表、地質(zhì)體及地下一定深度范圍內(nèi)的地質(zhì)體的空間幾何形態(tài)、邊界、性質(zhì)及相互關(guān)系等地質(zhì)信息進(jìn)行表達(dá)，并快速構(gòu)建三維地質(zhì)模型，進(jìn)一步反映地質(zhì)體空間分布規(guī)律、地質(zhì)體構(gòu)造形態(tài)、構(gòu)造關(guān)系及地質(zhì)體內(nèi)部屬性變化規(guī)律，通過適當(dāng)?shù)目梢暬绞秸宫F(xiàn)真實(shí)的地質(zhì)環(huán)境[5-10]。

1" 三維地質(zhì)模型的構(gòu)建

1.1" 三維地質(zhì)建模數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

三維地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)主要來源于工程測(cè)繪、工程鉆探和工程物探等技術(shù)所得的地表、地層、斷層等信息，可生成具有空間三維坐標(biāo)的各類點(diǎn)、線、面、體要素構(gòu)建形成三維地質(zhì)模型，見表1。

1.2" 三維地質(zhì)建模方法

為實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型的精細(xì)化，本文綜合工程物探和工程鉆探成果信息建立鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)，以此為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)建立三維地質(zhì)模型。但由于鉆孔數(shù)據(jù)數(shù)量有限且具有局限性，空間分布不均勻無法滿足全區(qū)域建模，因而補(bǔ)充加入局部輔助剖面圖和地質(zhì)剖面圖進(jìn)行模型的修正，提高模型的精細(xì)化，如圖1所示。

1.3" 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是將數(shù)據(jù)成果優(yōu)化，得以構(gòu)建精細(xì)化模型并避免繁瑣工作。數(shù)據(jù)預(yù)處理工作主要為以下2部分。

1）平面圖的數(shù)據(jù)提取。工程測(cè)繪所得平面圖相對(duì)于建模要求而言，常見高程點(diǎn)和等高線過于密集的情況，過密將導(dǎo)致地形面網(wǎng)格構(gòu)建過于密集，模型數(shù)據(jù)量大且不利于模型的切割運(yùn)算。因此，將對(duì)高程點(diǎn)和等高線進(jìn)行抽稀工作，根據(jù)地形地貌情況選擇合適的間距設(shè)定。

2）鉆孔信息的整合。通過工程鉆探揭露的鉆孔巖層信息和工程物探所得鉆孔電視和波速試驗(yàn)鉆孔信息綜合形成鉆孔信息庫(kù)，其中包括地層分界點(diǎn)、構(gòu)造發(fā)育段和裂隙發(fā)育情況，使得鉆孔揭露信息更加精確。

2" 三維地質(zhì)建模在隧道工程中的應(yīng)用

2.1" 工程區(qū)概況

該隧道穿越工程全長(zhǎng)約1 240 m，位于重慶市合川區(qū)和北碚區(qū)交接處的壁山向斜西翼，為嘉陵江河谷地貌，兩岸地形較平緩，第四系地層分布廣泛，主要有第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Q4el+dl）、第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4el+dl），下伏基巖為侏羅系珍珠沖組（J1Z）泥巖夾砂巖，巖層傾角40～66°。

2.2" 工程區(qū)數(shù)據(jù)處理

將地形數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)等勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行建模前預(yù)處理。

1）地表模型建立。該工程區(qū)地形較平緩，偶修建有堤壩等人工建構(gòu)筑物，因此采用“高程點(diǎn)+局部等高線”數(shù)據(jù)結(jié)合建模，在地形相差較大時(shí)加以等高線約束（如圖2所示），生成TIN模型，真實(shí)反映建構(gòu)筑物、堤壩等，地表模型如圖3所示。

2）地層模型建立。根據(jù)工程測(cè)繪和鉆孔揭露的地層數(shù)據(jù)，確定地層出露情況及新老地層關(guān)系。本次鉆孔數(shù)據(jù)共14個(gè)，沿隧道軸線兩側(cè)20 m交錯(cuò)布置，并在管道進(jìn)出口部位各布置一個(gè)鉆孔，穿過隧道底板不超過20 m。首先，將鉆孔坐標(biāo)、孔深和分層等地質(zhì)信息數(shù)字化形成鉆孔分布圖。因隧道埋深10～130 m，因此對(duì)地面高程至層底高程0 m深度的地層進(jìn)行三維地質(zhì)建模?；阢@孔地層數(shù)據(jù)插值生成地層面，因鉆孔沿隧道軸線兩側(cè)20 m交錯(cuò)布置，對(duì)于模型范圍邊緣的地層存在不準(zhǔn)確性，同時(shí)，由于該工程區(qū)位于壁山向斜西翼，巖層傾角40～66°，因此，地質(zhì)夾層的存在經(jīng)過鉆孔與隧道軸線垂直的剖面剖切，生成二維剖面。在生成的二維剖面中進(jìn)行人工干預(yù)并導(dǎo)入隧道軸線人工推演二維剖面，進(jìn)行剖面的預(yù)處理工作，優(yōu)化調(diào)整地質(zhì)體界線，如圖4所示。

以鉆孔揭露地層為主要數(shù)據(jù)來源，引入剖面圖的地層線和工程地質(zhì)圖的地質(zhì)界線與鉆孔揭露地層共同約束擬合生成地層三維模型，建立地層模型，如圖5所示。

3）三維地質(zhì)模型建立。該隧道工程區(qū)巖層中存在局部地層夾層和透鏡體，因此，通過優(yōu)化建模方法開展地層建模后，實(shí)現(xiàn)透鏡體的構(gòu)建及開挖，形成三維地質(zhì)模型。隧道工程實(shí)例三維地質(zhì)模型如圖6所示，模型真實(shí)地反映了隧道工程區(qū)的地表及巖土體相關(guān)信息，如地形、地表水體、巖層厚度、巖層產(chǎn)狀、地質(zhì)夾層和透鏡體等。

3" 三維地質(zhì)模型的應(yīng)用

三維地質(zhì)模型的建立主要是為了更加快速精確地進(jìn)行工程地質(zhì)分析，進(jìn)而為隧道工程的設(shè)計(jì)和施工建設(shè)服務(wù)。三維地質(zhì)模型可提供全方位的動(dòng)態(tài)展示，并采用選擇的形式顯示單一地質(zhì)體，表達(dá)地質(zhì)體與建構(gòu)筑物的空間關(guān)系等。在三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)以下工程地質(zhì)分析。

1）巖體質(zhì)量分級(jí)建模。巖體質(zhì)量分級(jí)作為評(píng)價(jià)工程地質(zhì)條件的重要方式，可有助于查明建構(gòu)筑物所在地下空間的巖體工程特性，為工程設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)指標(biāo)依據(jù)。

2）三維地質(zhì)模型的剖切分析。通過對(duì)三維地質(zhì)模型進(jìn)行任意剖切，可實(shí)現(xiàn)橫向、縱向、平切及斜切等剖面切割，有助于直觀地展示三維地質(zhì)模型的內(nèi)部地質(zhì)情況。

3）地下建構(gòu)筑物的開挖模擬。根據(jù)構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)方案建立三維幾何模型，進(jìn)行地下建筑物的開挖模擬，可得到開挖出來的地質(zhì)模型，根據(jù)地質(zhì)模型可進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí)。

4）數(shù)值模擬分析。三維地質(zhì)模型可實(shí)現(xiàn)與數(shù)值模擬軟件的耦合分析。目前數(shù)值模擬軟件在模擬前期的建模功能方面較薄弱，三維地質(zhì)模型與真實(shí)地質(zhì)情況存在較大差異，通過三維地質(zhì)建模軟件實(shí)現(xiàn)精細(xì)化建模后，導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

4" 結(jié)論

1）本文通過優(yōu)化建模流程提高三維地質(zhì)模型的精細(xì)化，其中包括地表模型、鉆孔模型、地層模型和構(gòu)造模型等，直觀地展現(xiàn)工程區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件，可有效提高勘察成果的質(zhì)量。

2）三維地質(zhì)模型使地質(zhì)特征從二維層面轉(zhuǎn)換成三維空間，使地質(zhì)現(xiàn)象更形象、更具體、更直觀，拓寬勘察成果的應(yīng)用。通過三維地質(zhì)模型的建立，使地質(zhì)體的空間分布可視化，對(duì)隧道工程的設(shè)計(jì)和施工具有指導(dǎo)意義。

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