EVS三維地質建模技術在某地鐵工程中的應用

王宛玉

中船勘察設計研究院有限公司,上海 200063

0 引言

隨著城市化進程的加快和國民高效、綠色、安全出行需求的增長,城市軌道交通行業發展迅速。截至2022年底,我國已有55個城市擁有軌道交通,運營總里程約10 078 km[1],并有望在2035年達到15 000 km[2]。在此增長趨勢下,傳統軌道交通的二維選線設計方法的不足之處愈發明顯。

三維地質模型是定量研究地下空間地質信息的重要工具,融合了地質學、地理信息科學和計算機等多個學科,能夠直觀展示地層、復雜地質現象及其空間分布和相互關系,能夠最大程度提高工程分析的準確性,可以為軌道交通設計、建設和運營提供重要支持。最早在1994年,加拿大學者Houlding將三維地質建模技術應用于工程建設[3]。國內學者也依托EVS(earth volumetric studio)軟件對復雜地質建模技術展開了多項研究。雷赟 等[4]基于EVS平臺實現含水層及地下水漏斗的三維建模,為環渤海地區的污染物控制和地下水合理開采提供了模型支持。蘇學斌 等[5]提出一種地層/巖性混合建模方法,以北方某大型砂巖型鈾礦床含鈾砂體及其圍巖地質結構為例,采用EVS軟件建模,對比地層剖面,定量分析抽取的5%鉆孔,證實該方法能夠明顯提高建模精度。周念清 等[6]利用EVS軟件提出一種耦合地層-巖性三維建模技術,結合工程實例對比分析和交叉驗證計算,結果表明,該技術相比單獨地層建模和巖性建模更能反映實際情況,并應用于南寧市軌道交通建設中。劉順昌 等[7]借助EVS軟件運用地層/巖性混合建模的方法,對武漢市長江新城起步區的三維模型進行剖面對比和巖性概率模型分析,證明該方法可以適應復雜地質條件下的三維建模。

本文基于EVS三維地質建模技術,對地層建模做出優化分析,以期提高三維地質模型的適用性和精確度。

1 EVS技術概述

1.1 EVS技術原理

EVS軟件是由C Tech公司推出,應用于地球科學領域的三維可視化軟件。EVS三維建模技術基于地質統計學方法,通過建立屬性網格,將采集的地質點源數據,外推于網格節點或網格內的任意位置進行插值估算。另外,基礎地質模型還能夠耦合多元數據,例如物探數據、地下水污染、礦產體積等,可廣泛應用于地質勘探、礦產資源評估和環境監測等領域。

1.2 EVS建模方法

傳統地質勘察利用鉆孔數據獲取離散點沿z軸方向上的信息,只能加密布置鉆孔,才能得到高精度三維地質模型,工作量大且成本高。而EVS軟件可通過點源數據對空間上任意位置的信息進行插值估算,具備7種空間插值方法(最常用的有克里金法、自然鄰點法)和4種網格類型(有限差分網格、凸包網格、矩形線性網格、自適應網格),實現真三維的地質體建模[8]。EVS軟件操作靈活,可通過調取所需程序模塊,導入原始數據文件,連接輸入輸出端口,組成可視化及可分析的高級交互式應用程序,最典型的建模方法是地層建模、巖性建模和將兩者結合的混合建模。

地層建模適用于地層層序較為清晰、新老關系明確、鉆孔分層相對簡單的地質體建模,該方法建模效率高,邊界清晰平滑,但對分布較多透鏡體、溶洞及采空區的場地,建模效果較差。

巖性建模宜用于鉆孔分層復雜、不規則巖體、脈體、巖溶、采空區等場地建模,該建模方法優點是建模程序框架搭建完成后無需人工再次處理,缺點是建模速度慢,結果可能出現與地質常識不相符的情況。

混合建模是前面所述2種建模方法的集合,兼具兩者優點,對地質體具有較好的表現效果,但相比于地層建模時間久。

3種建模方法都需要對鉆孔數據預處理,由原始鉆孔數據整理出標準Excel表格,包含鉆孔編號、勘探點坐標、孔口高程、地層頂部底部深度等信息,導入EVS轉換格式為PGF文件,其中地層建模需要對地層層序進行劃分,可獲取地層層序信息(GEO文件、GMF文件)。主要應用的程序模塊有gridding and horizons(創建網格和地層面)、post samples(顯示鉆孔或空間數據)、create stratigraphic hierarchy(三維層序劃分)、surface from horizons(顯示多個層面)、horizons to 3D(由地層面得到三維模型)、lithologic modeling(巖性建模插值計算)、plume(按單一條件篩選顯示模型)、intersection(按多個條件篩選顯示模型)等。

2 應用實例

2.1 工程概況

以某地鐵工程為研究對象,場地位于沖積平原區,地形現狀較平坦,相對高差較小,地面高程一般為7.35～8.56 m,選取其中典型區段進行地質建模,共38個鉆孔數據。

地鐵區間段內鉆孔主要揭露地層為:①1雜填土、②1淤泥、②3淤泥質中粗砂、③2中粗砂、③3礫砂、④2粉質黏土、⑤1碎屑巖殘積土、⑥粉砂質泥巖、⑦2強風化粉砂質泥巖、⑦3強風化泥質粉砂巖、⑧2中風化粉砂質泥巖、⑧3中風化泥質粉砂巖。具體建模鉆孔示意圖如圖1所示。

圖1 鉆孔示意圖

2.2 EVS地層建模優化與分析

場地的特殊性巖土主要為人工填土、軟土、風化巖和殘積土,其中隧道上部覆蓋層為①1雜填土、②1淤泥、②3淤泥質中粗砂等松散、軟弱地層,易沉降變形,主要可液化地層為②3淤泥質中粗砂、③2中粗砂。③3礫砂層分布不均勻,與③2中粗砂層交替分布,厚度變化大,強度差異較大。為了優化該區段的淺部地質模型,重點選擇以上土層做對比分析。

具體的操作步驟如下。①整理鉆孔數據進行地層建模。②改變地層建模中Pinch Factor參數,對比Pinch Factor分別為0、50、100、150、500數值的淺部地層平面擬合效果,獲取較為符合實際工況的淺層地質模型。不同Pinch Factor值下的建模平面圖如圖2所示。

圖2 不同Pinch Factor值下的③3礫砂層地層建模平面圖

根據克里金算法建模成果,③3礫砂層俯視圖具有代表性,由圖2可知,Pinch Factor數值越大,地層的尖滅效果越明顯,建模出現的多余地層區域也會被不同程度消除。

圖2(a)中Pinch Factor值為0,場地北側鉆孔不存在③3礫砂層,但仍出現厚度大于0的地層區域。這與插值效果和鉆孔的密集程度有關。當鉆孔數據不夠密集時,克里金算法外插的地層會趨近于鉆孔的平均層厚,出現沿模型外邊界向內的不準確區域。此類問題可通過增大Pinch Factor數值解決。

如圖2(b)、(c)和(d)所示,③3礫砂層建模平面圖基本和實際情況相符。當Pinch Factor過大時,地層區域會出現另一種極端,一些鉆孔的地層會被過度尖滅,如圖2(e)所示,Pinch Factor值為500時,ZK-12在該層基本不顯示。

因此,在鉆孔分布不夠密集或建模區域表現不精確的情況下,可通過適當調整Pinch Factor數值的方法來改善模型,達到減小或消除區域的效果。同時,也應注意Pinch Factor數值對于模型的唯一性,建模時只能選擇唯一確定的Pinch Factor值,綜合考慮所有地層面。

除此之外,地層建模也可以在鉆孔數據預處理后,通過人工編輯層序劃分來優化地層建模。依據鉆孔三維模型信息,加入專業理論判斷,劃分出符合實際工況的地層面,優化原理見圖3～4。

圖3 地層剖面示意圖

當出現如圖3所示的地層分布時,地層1重復交錯出現,且在同一深度有2處出露點,如圖4平面示意圖所示。此時,在層序劃分中先選擇地層1,所有屬于地層1的鉆孔則變成實心圓,然后鎖定圖4虛線框選的鉆孔區域,對非虛線框選區的實心鉆孔優先進行層序劃分,接著依次對地層2、地層3、下部地層1劃分層序。

圖4 地層平面示意圖

另外,層序劃分步驟中也可以拖動Geologic Hiearchy Options(地質層級選項)的Layer Thickness(層厚)滑條,在到達人工判斷位置時進行深度鎖定,以此來控制該地層的尖滅走向。

2.3 模型驗證

為驗證上述地層建模優化操作的可靠性,需要對模型結果進行驗證,驗證步驟如下。①從38個鉆孔數據中抽取3個作為預留驗證樣本,用剩余的35個鉆孔建模,采用克里金插值算法估算層厚。②提取未優化模型和人工干預的優化模型在驗證樣本點的地層面高程數據,換算得到層厚數據。③與驗證樣本的層厚進行比對,分別計算各層的平均相對誤差(MRE)和均方根誤差(RRMSE),對模型精度做出驗證[6]。評估指標公式為:

(1)

(2)

式中:P為模型估算厚度(m);O為驗證樣本點實際厚度(m);n為驗證鉆孔總數。

模型驗證情況如表1所示。由表1可知,優化模型的MRE值和RRMSE值相對原模型較低,分別降低了2.40%～21.20%、0.10～0.72 m。總體來講,地層建模經過優化后,能夠更好地擬合實測數據,模型精度較高。

表1 模型驗證

2.4 工程應用

場地隧道基本位于強、中風化基巖范圍內,基巖破碎、裂隙發育,隧道施工需要注意可能引起的坍塌、土體變形,可能存在的風險為工程施工誘發地面沉降、隧道坍塌和特殊性巖土問題,且隧道上覆有砂層,水量豐富,在工點設計、施工中均需要特別重視控制地下水,防止開挖施工中出現涌水、坍塌,以影響隧道及周邊建(構)筑物的安全。

實際施工過程中,可借助EVS軟件構建三維地質模型,重點關注不良地質體區域和分布情況,為地鐵線路選線設計提供數據支持。具體可采用地層建模調整Pinch Factor和層序優化的方法,結合上部地層建模、下部巖性建模的混合建模模型,分層查看區段內各個地層的分布,還可以對三維地質模型進行任意深度的平面剖切,獲取所需深度的地層信息,規避不良地質體,確保地鐵線路位于工程條件良好區域。

3 結束語

本文基于某地鐵工程鉆孔數據對EVS地層建模進行優化,采用平面對比分析和模型精度驗證的方式,證實了模型優化方法的可靠性,并得出如下結論。

1)建模插值效果和鉆孔密集度有關,當克里金插值算法出現不準確區域時,可以通過適當增大Pinch Factor值來減小范圍或消除。

2)層序劃分優化方法具備可靠性,可以加入人工專業判斷進行優化,與原始模型相比,平均相對誤差和均方根誤差分別降低了2.40%～21.20%、0.10～0.72 m。

3)優化后的淺部地層建模結合下部巖性建模,組成混合模型,能夠為地鐵選線、軟土處理、施工運營等提供有效的數據支持。

與國外三維地質建模軟件相比,國內的研究與實際工程結合的還不夠緊密,產出較少。所以在優化建模效果的同時,還需進一步加強對三維地質模型的應用,提高建模成果的適用性和實用性。隨著軌道交通行業的發展,地下工程建設必不可少,應加大三維地質建模的研究應用,為提高設計、施工和運營的安全效率提供有力的技術支持。