三维地质模型在隧道工程中的应用初探

焦晓东，李洋溢

(1.广西高速公路投资公司，广西 南宁 530021；2.广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

三维地质建模的概念最早是由加拿大人SimonWHoulding于1993年提出的。三维地质建模就是利用计算机技术将地质、测孔、地球物理资料和各种解释结果或者概念模型综合在一起生成具有可视化效果的三维定量随机模型，是用于地质研究的一门新技术。

模型汇总了各种信息和解释成果：(1)是地质状态的三维可视化，即可以由三维立体化的模型看到不同地质状态的空间分布和变化，也可以制作二维的图片；(2)为我们提供了各类型数据的融合体，因为建模过程即各种数据的融合过程；(3)是我们进行地层分析的平台，从地质模型可以得到岩层分布、属性等基础分析信息，大大提高我们对地层的认识，由定性逐渐向定量的方向过渡。利用地质领域的三维可视化建模软件快速精确地建立复杂地层面、地质体和网格模型，不仅方便将建立的地层面导入软件生成地质体，而且可将网格模型直接导出到数值分析软件计算分析。三维可视化建模软件具备强大的三维地质建模和网格剖分功能，能够有效地弥补数值软件之前处理有关地质基础信息建模困难的问题。

隧道结构设计的焦点是研究岩体的应力状态与隧道支护结构与岩体之间的相互作用，故量化的地质状态的空间分布以及地质体属性是隧道结构分析和设计的基础信息。因此本文利用三维地质建模技术进行隧道地质灾害原因分析、设计施工风险分区指导以及结构数值计算方面的探索。

1 三维建模软件GOCAD及建模方法

本文所采用的GOCAD地质建模软件是法国Nancy大学开发的主要应用于地质领域的三维建模软件。其采用三维矢量拓扑数据模型开发了针对地质建模特点的插值算法，即离散光滑插值算法(DSI)。DSI法利用相互连接具有空间实体几何、物理特性的空间坐标点模拟地质体，已知节点的空间几何与物理属性被转化为线形约束，引入到模型生成的全过程；DSI插值可将离散数据转化为连续曲面适用于自然物体，能够较准确地推算和模拟复杂的地形、地层、构造曲面的特征与形态。

GOCAD地质建模有两种类型：

(1)构造模型

通过建立构造模型能够模拟地层面、断层面的形态、位置和相互关系，得到反映地质体的各种属性模型的可视化图形。

(2)三维储层栅格模型

根据建立的构造模型，在3D Reservoir GridConstruction中可以建立实体模型；赋予地质体参数化的岩层物理特性，并对这些特性参数进行计算和解析，得到可用于数值模拟的地质体物理参数模型。

构造模型属于基础建模，主要采用线、面模型，重在模拟地质体的空间几何形态及其相互关系；栅格模型是在构造模型的基础上用三维网格(Sgrid)来模拟地质体和地质属性参数的分布，是构造模型的深入应用。

2 三维地质模型在隧道工程中的应用思路

2.1 构造模型的应用思路

隧道结构的设计、施工因为地质勘查手段的有限性和地质体状态的不确定性是动态的，故建设过程中存在的风险也随着地质体状态的清晰程度逐渐降低。因此，国标中明确规定公路隧道设计、施工过程中的风险评估以及在隧道施工过程中发生灾害时需进行地质灾害预测和成因分析成为隧道建设风险管控的重要内容，地质体中的构造信息成为控制隧道建设风险管控最重要的基础信息。

在地质勘查手段有限、地质信息不清晰的情况下，构造模型基于基础的地形、地层和断层的局部特征可相对准确推算出整个区域的构造分布形态、位置、相互关系以及与隧道结构的几何关系。通过可视化的构造模型，可以得到隧道设计、施工风险评估中的两个重要内容：(1)隧道结构风险分区，即不良地质体对隧道结构的影响范围。此内容对设计中根据不良地质状态下加强结构参数、针对性选用围岩改善方法，以及在施工中重点采用多种探测手段验证以及加强抗风险各项施工措施，增加隧道结构设计、施工安全系数，降低风险具有重要意义。(2)隧道地质灾害预测和原因分析。可视化的构造模型可以直观地展示构造自身的几何属性以及构造与隧道结构的相互关系，通过结合其物理属性以及其他如水文等信息，可以从不同的灾害机理中找到与之相符合或近似的特征，从而提前预测或者在灾害处理中较为准确地推断成因，有的放矢，选择合理的预测和处治方式。

2.2 栅格模型的应用思路

赋予岩层物理特性等各项参数的复杂地层面、地质体和Sgrid网格模型，可将其局部的模型利用数据转换接口将其转换到如FLAC3D、Midas-gts或ABAQUS等数值分析软件中进行隧道支护结构受力计算。这样既解决了在数值计算软件中难于建立复杂地质体的问题；也避免了三维地质建模软件不能进行数值运算的问题，可将定性的风险分析深入为定量的受力分析，从而具体指导选取隧道结构设计参数。

虽然GOCAD软件中生成的SGRID网格多为均匀网格，划分简便，但对形状复杂的地质体和结构物生成的网格若直接应用到数值计算软件中可能影响数值计算结果的精确性，如网格密度、网格畸变等因素，故直接转换到数值计算软件中一般适合于相对简单的数值计算模型，因此在具体实施中也可采用一些图形处理软件如SURFER、CATIA等进一步编辑和优化曲面、网格，然后导入到数值计算软件中。

3 三维地质模型在隧道工程中应用实例

3.1 隧道灾害简述

该隧道位于广西岑溪市境内，大致呈北南走向。隧道洞身从山体垭口的二级公路右侧约60 m下方穿过，长度为790 m，最大埋深约136 m。2011年10月，隧道正在从出口往进口方向单向掘进，右洞掌子面进至EK18+215桩号处(所处位置埋深127 m，距二级路215 m)上台阶进行爆破开挖，起爆后发生大规模突泥地质灾害，突泥量共计数万立方米。次日上午察看隧道顶部地表，隧道左线FK18+185处的山坡上出现漏斗状塌陷坑，陷坑周边区域山体出现沉降裂缝，同时陷坑附近二级路段落排水沟出现掏空和路面开裂、沉降现象。

根据岑溪市区域地质图和现场踏勘、调查成果，发现隧址区南北和东西走向各发育一条区域性断层：大隆至水汶正断层(10NW48°)和西垌至岭脚正断层(80SE55°)。南北走向断层起点始于大隆镇附近，延伸至隧道进口所在山坳与南渡至水汶公路紧贴并线一段，继续向南扩展至水汶镇附近；东西走向断层起点始于西垌镇附近，沿南渡至水汶公路南侧黄华河，向东发展与隧道相交，在隧址区盘山公路坡顶附近与大隆至水汶正断层(10NW48°)交叉。

3.2 三维地质构造模型的建立

选取隧址区的地形图，在AutoCAD软件中将平面的等高线图转换为具有三维坐标数据的等高线图。首先使用UCS命令确定CAD原点，将绝对高程转化为相对高程；高程值修改完毕，修改其在AutoCAD中等高线所在图层的图层名为英文名称，并且使用purge命令删去不需要的图层保存为.DXF文件，同时将构造面和路线数据也保存为.DXF文件。

在对地形精度要求不高的情况下，也可通过Google earth影像资料提取点云数据或下载strm地形数据建立地表曲面模型。

根据断层构造产状参数、隧道线路数据以及隧址区1∶2 000地形图的.DXF文件，在GOCAD中主要建立了隧道区域的三维地质构造模型。

3.3 利用构造模型进行灾害原因分析

从三维构造模型上可清晰看出，大隆至水汶正断层为红色区域，西垌至岭脚正断层为桃红色区域，二者交汇的区域在模型中为黄色；灾害发生的掌子面EK18+215处正好位于黄色区域附近，即位于两个断层交汇处(如图1所示)。

图1 构造分布与隧道结构三维空间关系图

从模型中的山体走势可以看出突泥的出口端较进口端标高低了许多，而且隧道出口段中风化岩体完整性较好，形成了一个完整性较好的隔水板(绿色薄片)，地下水向低处流动并在隔水板前蓄积，在隧道开挖前形成一个相对稳定的水头差。

断层交汇处受两条断层错动影响，岩体在高温高压下受到挤压摩擦变得更加破碎；裂隙极为发育，经过久远地质时期的风化作用，岩石大部风化成矿物颗粒和团块，同时因为大气降水与风化后产生的矿物细粒混合为泥浆。

当隧道从出口端开挖至EK18+215掌子面时，爆破导致隔水层岩体破坏，压力水头和爆破振动作用致使隔水层突然间被压裂，地下水携带被风化黏土矿物倾泻而出如同决堤一般，形成突泥灾害。因大隆至水汶正断层向西倾斜约48°(即向隧道侧山体倾斜)，西垌至岭脚正断层向南(即向隧道岑溪端倾斜)约55°，交汇区在隧道顶部地表位置恰好指向隧道左线与二级路中间的区域(见图2)。

涌水突泥发生后，掌子面上部的断层交汇区形成局部空腔，在岩体自重和突泥负压的影响下，交汇区上部的破碎岩体崩落填充空腔，最终沿着交汇区的空间倾斜角联通地表，在掌子面EK18+215前方约30 m，右侧约51 m位置，形成一个塌陷漏斗。同时周边岩土向空腔区松弛以及与地下水位急剧下降的共同作用下，塌陷区周围山体出现错台和后缘张拉裂缝，出现不稳定的滑动趋势。

图2 地表塌陷、二级路与隧道平面位置关系图

3.4 利用构造模型指导隧道施工风险分区

建立三维地质模型之后，将其与隧道结构进行三维剖切，通过不同地质体被赋予的色块可以非常清晰地在隧道结构上进行分区；断层交汇段属于施工风险最高的区域；隧道分别处于南北和东西断层，根据所属断层的不同属性也可基本确定为风险较高段落；相应的较完整隔水岩体和断层影响区域段落的风险较低(见图3)。

在后期的施工中，根据此模型提供的桩号位置，明确了隧道施工的风险段落以及风险程度，确定在施工中对最高风险段落采取陆地声呐和瞬变电磁物探，然后根据物探结果，在掌子面采取超前水平钻探、超前泄水以及超前注浆措施；施工中超前钻探以及后期施工所揭露的掌子面状态显示，三维地质模型所预测的高风险区和较高风险的误差约为10 m左右，达到了相对准确的结果，有力地指导了后续施工处治，也有效提示了施工技术人员，避免人员、设备安全事故的发生，最终在6个月内实现了隧道结构对复杂地质段落的穿越。

图3 基于三维构造模型的风险分区示意图

3.5 利用网格模型应用于数值分析的尝试

本文尝试在构造模型的基础上建立三维网格模型并导入数值计算软件进行受力计算分析，但结果不尽如人意。总结下来有以下因素：(1)对于整条隧道的三维地质模型而言，本模型的数据导入数值计算软件有些庞大，导致后期数值计算较为困难且精度存在问题；(2)对于深埋段的隧道支护而言，支护周围一定范围内的地质体、构造面与支护的相互作用是关键，因此若需要较好的计算结果，通过简化的选取局部的三维网格模型并对网格进行加密并加载合适的边界条件似乎更重要；(3)就计算结果而言，因为地质体参数以及岩土本构的原因，隧道支护应力应变状态可以用于支护受力特征研究，以及支护参数、开挖方式等的参考，但不能直接用于设计。因此，如何更好地将网格模型应用于隧道受力数值分析还有待于更进一步的探索和验证。

4 结语

通过三维地质模型在隧道工程中应用的初探，可得出以下几点思路：

(1)三维地质模型在隧道工程中的应用具有良好的可视化效果，能够较清晰地反映地质状态的特点。三维地质构造模型的应用具有显著的效果，尤其是在定性工作即隧道风险评估和地质灾害预测与分析方面具有明显的优点。

(2)三维地质网格模型的应用与构造模型应用的侧重点应有所区别，受限于模型大小等各种因素的影响，适宜用于局部地质体、构造面与隧道结构的相互作用的计算，即其结果可作为不良地质体段落隧道结构参数设计的参考。

(3)把前期建立三维地质模型设置风险分区以及预警机制与后期的超前地质预报工作、动态设计、施工措施结合起来才能在隧道建设风险管控中充分发挥其作用。

(4)其他更为复杂的有关三维地质建模以及如何将网格模型更好地应用于隧道工程等问题还有待以后更深入研究。

[1]邵国波，郭 艳，蔡 冰.GOCAD软件在三维地质建模中的应用[J].山东交通科技，2010(5)：25-27.

[2]张聚兴.三维地质建模在工程地质环境质量评价中的应用研究[D].北京：中国地质大学，2006.

[3]李敦仁.GOCAD三维地质建模技术基础应用教程[M].成都：西南交通大学出版社，2012.

[4]刘先林，唐正辉.三维地质建模与数值模拟关键技术研究[J].西部交通科技，2016(5)：1-5，9.