基于GMS 的城市地下空间三维工程地质地层建模

黄静莉，王 清

（1.吉林大学建设工程学院，长春130026；2.长春工程学院勘查与测绘学院，长春130021）

0 引言

城市地下空间是指在城市规划范围内，所有可以利用的地表以下的岩土体地质空间［1］。城市地下空间的规划与建设程度能够反映科技生产力的先进程度。目前国外地下空间建设较为成熟的城市有东京、巴黎、蒙特利尔、波士顿、波茨坦等。我国的地下空间规划与建设尚处于起步阶段，目前已经开展了总体规划工作的主要城市有北京、上海、杭州、广州、深圳、重庆。在发展过程中，规划对地下空间的影响是非常显著的。后期建设的多次拆除、重复建筑、地铁绕行、施工塌方，或者在不良土质上施工而增加的经济预算等问题，都可以通过合理的规划加以避免。一般地下空间不同深度处适宜建设的工程种类不同，在地表以下0～10m的浅层区域内，人类活动频繁，主要的建筑为娱乐设施、基础设施和交通设施；10～50m的中层区域主要用于建设运输系统；50m以下的深层区域，从远期规划的角度考虑，可以建设自动化运输系统［2－4］。

通过深入调查城市地下空间中岩土层的分布状态及地质结构，建立三维工程地质地层模型，能够帮助了解不同深度空间内岩土体的工程特性，为工程决策、设计及施工提供更为直观和系统的分析。

目前三维建模可视化技术在各个学科领域均有广泛的应用，在地学领域方面，主要针对地球物理、石油矿产、水文地质而开发的应用软件有Gocad、Earth Vision、Surpac Vision、MicroLYNX、Gemcom、GMS等。这类软件可以系统地描述复杂的地质构造以及区域内的地层特征，辅助工作人员进行地质分析，在估计石油储量，确定矿藏分布及水文地质调查等方面均起到了很好的作用。

目前在城市规划与建设方面，并没有专门开发的相关软件，考虑到GMS软件具有可视化表达能力较强且操作界面简单的特点，论文选用了该软件来建立三维工程地质地层模型。

1 GMS软件介绍

GMS（Groundwater Modeling Systems）地下水模型系统，是美国Brigham Young University环境模型研究实验室和美国陆军排水工程实验工作站开发的用于地下水模拟的图形界面软件［5］。

GMS属于真三维构模软件，以地球表面及以下实体地质空间为研究对象，具有良好的三维地质结构可视化功能，能够随意切割、旋转，显示任意地层、任何高程的展布形态，从而了解某一深度空间内的地层分布特性。

GMS空间构摸方法既可以构造面元模型，又可以构造非规则体元模型，能够完成从钻孔数据到地层结构、从平面到空间、从单元到系统的良好过渡。GMS软件还具有支持电子表格和文本录入、界面友好、制图过程简便、信息更新快捷等特点。

关于地层属性赋值的问题，GMS还是延续了MODFLOW一贯的做法，采用单一的手动赋值，对于钻孔资料不足的情况，GMS可以做到概化分区。

采用GMS软件建立确定性模型有3种方法：网格法、概念模型法 和Solids方法。其中概念模型法除了采用常用的网格化方式外，还可以先采用特征体（包括点、曲线和多边形）来表示模型的边界或不同的参数区域生成网格，再通过模型转换将特征体上的所有数据一次性转换到网格相应的单元和结点上。相对于要求对每个单元进行编辑的网格化方式，概念化方式可以对实体直接编辑，并且以文件形式来输入、处理大部分数据更为简单快捷［5］。

GMS中的Solids模块是用于建立三维地层模型的。相比前2种方法，Solid建模方法能够更准确地描述地质层面的复杂内部结构。在处理尖灭地层的时候，与MODFLOW一样，GMS并不能够完全仿真，只是近似地把尖灭层的厚度设置成最小值，如0.1mm。

类似于其他三维建模软件，GMS建模的精度和可靠度是建立在丰富的勘察资料基础上的。随着工程建设的开展，勘察数据不断丰富完善，有必要对模型进行扩充和局部细化。由于GMS建立的是静态的模型，且几乎没有基于拓扑关系的调整，因此数据更新工作需要借助于大量的人机互动的调整［6］。

2 长春市地下空间三维工程地质地层模型的建立

研究区范围的确定主要从2个方面考虑：一方面，城市地下空间的建设与地面建筑息息相关，大部分地下建筑如地铁、地下商场、地下停车场等主要集中在市区范围以内，这是由于市中心区土地相对稀缺，人口流动频繁且交通不畅，需要拓展地下空间来改善地面的交通及环境；另一方面，由于城市建设的需要，城市地质调查的历史资料相对集中在市区范围内，而城市周边的钻孔资料相对稀缺，且主要以公路勘察资料为主。因此，确定研究区在长春市五环绕城高速范围以内，如图1所示。将底图与搜集到的钻孔数据的孔位一一对应，整理后建立钻孔实体数据。考虑到长春市地表以下30m深度范围以外主要分布着基岩，且该深度外涉及到的工程建设较少，因此，研究区重点考虑30m深度范围内地层空间的分布状态。

图1 长春市研究区范围示意图

将钻孔数据导入到GMS中进行定位，建立坐标系（图2）。从图中可以看出，钻孔缺失主要集中在伊通河附近区域内。对于这种缺失情况，解决方法一是进行补充勘察，二是通过插值的方法虚拟出钻孔，再通过经验的调整使之尽量符合实际地层分布情况。

图2 钻孔平面位置图

根据定位底图，在MAP模块中绘制出工作区边界，确定插值计算的空间步长，应用TINs模块建立实体表面（图3）。

导入Boreholes数据，显示导入的钻孔模型，根据孔名可以分辨屏幕中的相邻孔，用以修改、增加或删除钻孔。适当地调整竖向比例，形成较符合实际且细微变化较明显的钻孔模型。根据钻孔数据在实体层面之间创建一系列的TINs，这些插值多边形用来定义地层及模型的弧形边界，用绘图网格观察插值多边形并予以调整，得到三维网格实体模型。

图3 三维网格平面效果图

3 三维工程地质地层模型可视化分析

将建立好的三维工程地质地层模型表面的网格隐藏，从而可以直观地观察模型（图4）。

图4 三维工程地质地层模型

长春市位于松辽沉积平原凹陷的东部边缘上，地貌形态属于波状台地和一级台地，从图4可以看出，长春市整体地形相对平坦，从西往东的地势逐渐降低。

通过旋转、切割模型，可以查看任意部位的地层分布（图5）。

从图5中可以看出，长春市的地层从上到下主要分布有薄层杂填土、可塑或软塑的黄褐色粉质黏土、硬塑的黏土、紫红色白垩纪泥岩，另外，某些局部地区泥岩与灰绿色、灰色泥质砂岩互层。从剖面图中可以看出，台地的覆盖层为10～30m左右厚的黏性土层，分布较为均匀，主要是中压缩性，少部分土层呈现高压缩性，工程性质良好，适宜进行工程建设。对于浅层或中层深度区域的工程，如地铁、基坑、地下建筑等工程较适宜直接开挖或者简单支护，经济投入量相对较少。东部为伊通河一级阶地，上部为含少量有机质的黏性土，下部为中、粗砂、砾砂层。该区域土层分布相对复杂，地下水位较高，土层承载力较小，在洪水期还有浸没的可能。因此在该区域进行工程建设，应该更多地考虑地下水的影响，必要时可以进行适当的地基处理，或者采用其他有效手段施工。下层由白垩纪泥岩和砂岩构成基底，底部为厚度不等的砾砂层。其中泥岩的工程性质良好，但是钻进不易。砂岩的分布很不规律，而且相对很薄，对工程没有太大的影响。深度区域内的岩土体总体性质良好，适宜建设。

图5 三维工程地质地层模型纵剖面图

通过截取任意深度的横切面，可以观察土层在区域上的分布状况（图6）。

图6 三维工程地质地层模型横剖面图

分别截取该三维工程地质地层模型0m，3m，10m，15m，30m及50m处的横剖面图，通过对比观察可以看出，长春市的不良岩土体主要集中在地表以下0～3m处大部分区域，由于季节性冻土的广泛分布，浅层基础施工或者道路施工建设容易受到影响。地表以下3～15m深度范围内土质主要以黏性土分布为主，东部区域土层工程性质不良，而30m及以下深度范围内，基岩相对分布均匀，工程地质性质良好，适宜进行工程建设。

4 结语

（1）GMS具有制图简便快捷，可视化效果良好，便于从不同角度观察和检验模型是否符合实际的特点。在长春市多年勘察资料的基础上，应用GMS软件建立了三维工程地质地层模型。通过模型检查，所建三维工程地质地层模型能够较真实地反映实际情况。

（2）分析了0～3m浅层深度区域、3～15m中层深度区域、15～30m深层深度区域内的岩土体空间展布特征。从建立的三维工程地质地层模型中可以看出，长春市地层总体表现良好，软弱地层主要集中在浅层广泛区域及东部中层区域，少部分区域存在不适宜进行工程建设，或者经济上需要大量投入的场地。通过后期对岩土体工程特性的统计分析，结合三维地层模型展示的岩土体分布特点，可以分别对长春市浅层、中层、深层地下空间岩土体的可利用性进行定量评价。

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