三维地质模型在水运工程中的应用

李家华，陈良志，杨彪，唐正浩

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

三维地质建模（3D Geo-science Modeling）技术是在虚拟三维环境下，利用空间信息管理、地质解译、空间分析与预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具用于地质分析的技术[1]。三维地质模型在实际工程的运用中具有十分重要的意义[2]，得益于BIM技术的快速发展，包含地勘数据的三维地质模型开始受到越来越多的重视和研究。目前主流的三维地质建模软件多是在理论上具备一定的建模能力，但在实际项目应用中仍存在诸多问题，如建模软件缺乏针对性、BIM技术与三维地质的结合、地质夹层建模理论等[3]，制约着三维地质技术真正的普及和推广。

在水运工程行业，三维地质模型研究起步较晚，发展相对滞后，而传统的地质勘察成果通常采用二维方式来表示，如平面图、剖面图、钻孔柱状图等，其可视化和联动性较差。当地质结构层级复杂、软弱土层区域分布差异大、各钻孔间连续性难以判断时，会给设计和施工带来很多不可预测性，在工程中留下安全隐患。三维地质建模技术的出现能有效改变这一现状，通过对地质勘察数据进行整合，建立三维的地质模型，利用可视化技术便可在计算机上实现对勘察场地地质情况的模拟，从而做出真实生动的三维效果图。并且在三维地质模型的基础上，设计人员可以进行场地开挖、结构比选等工作，为工程的设计和施工提供参考。本文结合某海堤工程案例，对大场地下的三维地质模型建模要点及关键技术进行了研究和总结。

1 三维地质模型的创建

AutoCAD Civil 3D是土木工程中最重要的BIM软件之一，尤其是其扩展应用地质岩土模块Geotechnical Module，能够快速准确地进行三维地质模型的创建。如图1所示，地质岩土模块可分为地质数据管理、三维地质模型样式管理、剖面出图管理等，具有操作简单、数据动态关联、出图方便等特点。Civil 3D的曲面类型分为三角网曲面，栅格曲面和体量曲面，其中三角网曲面可以较精确地模拟真实的地形和地层面。利用钻孔数据直接建立三维地质模型一直是国内外研究的基本方向，钻孔资料对建立三维地质至关重要[4-6]。Civil 3D建立地质模型主要是通过地质岩土模块导入钻孔数据来生成三维地层曲面，再通过地层曲面模型提取三维实体模型。

图1 AutoCAD Civil 3D地质岩土模块Fig.1 Geotechnical module of AutoCAD Civil 3D software

1.1 数据的导入及处理

导入的地勘数据文件支持AGS和CSV格式。通过地质勘察软件gINT导出钻孔位置信息和钻孔地层信息，制作成2个CSV格式文件（Location Details.csv和 Field Geological Descriptions.csv），并将其导入到Civil 3D地质岩土模块的数据库中，便可自动生成带有地理位置信息和地层信息的三维钻孔柱状图用于创建地质模型。同时，地质模型可以根据数据库的更新而更新。

当地质模型存在夹层时，需对导入的钻孔数据进行处理。如当某个钻孔存在地层X，而其周围钻孔都不存在X时，地层X就相当于一个透镜体，Civil 3D的地质岩土模块自动建模无法识别透镜体，需要对地层数据进行批量处理，这也是制约三维地质快速建模的关键因素之一。具体解决方法可通过在原始地层的CSV数据上添加0厚度的虚拟地层，使透镜体或夹层尖灭在临近钻孔。再如当同种地层在1个钻孔中出现多次时，需根据标高位置，将该地层分为X-1，X-2，X-3等不同的亚层来处理，不同亚层可生成不同的曲面和实体，并将不同亚层的实体模型赋予相同的属性信息。该思路适用于夹层较多的地质模型，且可实现快速批量处理，需要根据三维地层的实际分布情况批量删除不合理的连接，实现勘察数据与三维地质模型的无缝对接转换。

通过对原始地勘数据的经验性处理，可有效提高地质模型的创建速度和精度。但当地层分布较复杂时，地质模型的创建具有一定的主观性，不同建模人员创建的模型可能存在差别，这时需要具有丰富地质工程经验的人员加以判断，以求创建出最合理最接近实际情况的地质模型。

1.2 创建管理曲面及实体模型

三维地质模型包含三维曲面模型和三维实体模型，在项目设计中具有重要的应用价值。通过剖切三维地质曲面即可得到地质剖面图，且包含地层名称、标高、钻孔等相关信息，满足设计需要，提高生产效率。同时，三维地质实体模型可以起到精确算量的作用，特别是按土质分类开挖，通过将开挖实体模型与三维地质实体模型进行布尔运算，直接得到不同土质的三维模型并获取体积数据，减少算量误差，带来直接经济效益。

将处理后的钻孔数据导入到数据库后，地质岩土模块支持一键生成三维曲面模型，并可根据需要选择显示或隐藏曲面对象，如图2所示。考虑滨海沉积地层平缓分布的基本规律，自动分层算法按层号构建三维地质模型，将不同钻孔的同一地层连接在一起，构成相同地质的曲面模型。Civil 3D软件支持从两个曲面提取实体，将同一地层的上层曲面与下层表面耦合，即可得到三维实体，模型的属性信息需根据实际情况进行补充和修改。生成的实体模型建议根据土体信息分别放在不同的图层中，方便管理和查看。

图2 创建地层曲面模型Fig.2 Create stratigraphic surface models

1.3 三维地质模型出图

在生成三维地质曲面模型后，地质岩土模块可以快速创建地质剖面图，并可实现模型的任意剖切。先选择剖切路线，再根据命令提示选中曲面和钻孔后，即可调用地质信息数据库里的相关信息，根据出图需要创建与地质模型动态关联的地层剖面，土层编号及标高信息自动标注，地层信息与地质剖面图一一对应。剖面图出图样式可以提前设定，通过调整全局比例，保证字体样式的统一性。另外，在地质岩土模块的剖面出图样式管理选项中，可以定制地层的填充样式，使地质模型在柱状图和剖面图中的显示样式符合相关规范要求。通过地质剖面图，可清晰地反映各钻孔之间的连接规律及夹层情况，为后续的断面设计和地基处理提供更加准确的地质资料，提高工程设计的安全性和可靠性。此外，当道路模型和地质模型同步出图时，可以采用Civil 3D软件的创建横断面图功能来实现。

2 某海堤工程应用实例

该工程案例为大型填海工程，勘察成果包含600多个钻孔，工程区域范围较大，地质情况较复杂，南北土层淤泥分布差异较大。由于工程主体结构建模范围超出钻孔覆盖范围，而软件本身不具备将地质模型自动向外扩展延伸的功能，考虑到滨海沉积地层具有良好的连续性，本次建模采用复制临近钻孔资料的方法来实现对地质模型区域的扩展，最终数据库钻孔个数达到800多个，如图3所示。

图3 三维钻孔布置图Fig.3 3D drilling layout

软弱夹层的处理通常是海堤设计中需要重点考虑的问题，传统的二维勘察结果对地质情况的表达存在诸多不便，无法考虑地质在三维空间中的扩展延伸情况，三维地质模型的应用可以增强可视化效果，有效改善设计和施工中在地质三维空间内的盲区。由于本项目地质夹层较多，数据导入前需按照本文描述方法分析钻孔数据，对透镜体进行批量处理，形成合理的地层连接顺序。然后通过Civil 3D地质岩土模块导入数据，快速生成地层曲面，检查各曲面准确性，确认无误后提取相应土层的三维地质实体模型，三维地质实体模型剖面如图4所示。

图4 三维地质实体模型剖面细节展示Fig.4 Detailed profile of 3D geological solid model

本项目位于沿海滩涂地带，表面具有较厚的淤泥层，根据海堤结构的稳定性计算，部分区域需要进行基槽开挖换填处理。由于二维设计的局限性，在传统的基槽开挖设计中通常对真实地质情况进行简化处理，采用标高进行土质控制，这样更加方便出图和统计工程量。但对于实际项目来说是不利的，存在一定的安全隐患，同时无法精确统计不同土质的开挖量。通过建立三维地质模型，基槽开挖设计实现了从传统的标高控制到土质控制的转变，该过程不仅提高了设计精度，同时可以实现自动出图，减少工作量。另外，通过将基槽开挖实体模型与三维地质实体模型进行布尔运算，可以获得不同土层的开挖模型，进而精确统计各土层的开挖量。

在本项目的施工图设计过程中，设计团队应用了三维地质建模技术，发现了较多二维初步设计成果的不合理性，并不断进行海堤结构方案优化，最终形成了满足设计要求的最优方案。特别是在地层差异较大区域，传统二维设计不易获悉地质在三维空间的变化规律，进而使得海堤结构设计时考虑不够周全，而三维地质模型在空间上具有较强的可视性，能有效提高设计的合理性和准确性。绘制传统二维断面图时，经常需要将处理好的钻孔柱状图及地层信息拷贝到断面图的相应位置，工作较为繁琐，而Civil 3D软件可以实现海堤断面和地质剖面的同步、快速、批量出图，且可以在任意里程位置进行剖切。三维海堤模型可以采用软件的道路功能创建，而横断面图的样式及标注信息等，可以预先在Civil 3D模板文件中设置好，以保证后期一键出图的规范性，如图5所示。

图5 剖切模型生成横断面图Fig.5 Create cross-section drawing by model cutting

3 探讨

三维地质模型的应用将是水运行业BIM发展的必然趋势，通过Civil 3D软件的地质岩土模块可以初步实现满足行业要求的三维地质建模，但在实际应用过程中仍然存在几点问题：

1）三维地质透镜体的处理缺乏客观性，实际地层情况难以把握，通过夹层尖灭到相邻钻孔进行近似模拟，只能在一定程度上反映夹层的三维空间特性，并非完全准确，真实情况只能通过补充钻孔来完善；

2）三维地质建模工作量繁重，当钻孔数量较多时，对计算机硬件及建模人员都是不小的考验，若地层曲面的连接存在错误，则较难发现，往往需要在出图过程中再进行调整，而模型的更新响应速度较慢。

3）传统的出图模式仍然是大家容易接受的方式，采用三维地质模型进行出图时，在出图样式和习惯上与传统模式存在较多不同，或许随着BIM技术的发展，出图要求和观念应该与时俱进。

4 结语

在水运工程BIM设计中，三维地质建模技术是不可缺少的关键技术之一，特别是在地质条件复杂的项目中具有更加重要的应用意义。通过Civil 3D软件及其地质岩土模块，可以实现三维地质的建模，并应用于设计过程的方案优化和必选，有效避免了二维设计中容易发生的错误。通过对三维地质模型的剖切可以实现快速出图，并使模型和图纸具有动态关联的特性，同时可以实现自动标注，包括填充样式、土层和标高信息等。此外，三维地质模型在分土层统计开挖量方面具有明显优势，通过三维实体模型的布尔运算功能，快速实现开挖土体的分类统计，提高了工作效率和工程量的准确性。实践证明，利用Civil 3D软件创建三维地质模型，可以满足水运工程BIM应用的需求，其独特的建模理念和技术优势可以有效促进三维地质建模技术在水运行业的普及和推广。