EVS耦合地层-岩性三维地质建模方法在南宁地铁工程中的应用

2020-03-13周念清杨浩博刘先林

隧道建设(中英文) 2020年2期

周念清，杨浩博，杨磊，刘先林

(1. 同济大学水利工程系，上海 200092； 2. 南宁轨道交通集团有限责任公司，广西南宁 530021； 3. 广西交通设计集团有限公司，广西南宁 530029)

0 引言

城市轨道交通因其绿色、安全、运量大和运效高等特点成为城市公共交通不可或缺的组成部分。截至2018年底，我国共有35个城市开通了轨道交通，运营线路总长5 766.6 km，城市地铁累计长度为4 544.3 km，占线路总长的78.8%[1]。到2035年，全国城市轨道交通运营里程有望达到15 000 km[2]。在此背景下，为了使我国城市轨道交通建设实现跨越式发展，研究不良地质环境、减少资金投入、优化城市轨道交通线路设计就显得尤为重要。

在轨道交通选线中，传统的二维选线设计方法已无法满足庞大的选线设计需求。三维地质模型作为一种能够直观反映地层、地质构造和岩性空间分布的地质工具，已被广泛应用到油藏、采矿、水利、交通等行业的地质勘探及地学研究工作当中[3-5]。它也可以为地铁工作选线提供新的解决方案，但由于地铁工程是线性工程，呈条带状分布，需要对建模方法进一步优化才能应用于复杂地质环境的实际选线工作中。

三维地质建模按照数据来源，可以分为基于钻孔数据、剖面数据、物探数据以及多源数据等的多种建模方式[6-9]。其中，基于钻孔数据的建模方式应用最为广泛。在研究过程中，许多学者发现在采用钻探资料进行地质体的三维可视化时，模型外推预测往往会与实际情况产生偏离。袁峰等[10]在煤层顶板岩性预测中发现，在钻孔数量有限的情况下，在孔间和外推区域钻探所得的煤层顶板岩性预测结果与实际情况存在较大误差，由此提出一种基于指示克里金的序贯指示模拟方法。李晓军等[11]在对上海长江隧道进行地层建模时，发现不连续地层厚度估计时只使用普通克里金并不能很好地判断出地层的缺失与存在情况，由此提出一种联合使用指示克里金(IK)和普通克里金(OK)的估计方法。因此，将基于钻孔数据的三维地质建模应用于地铁选线时，对建模方法进行优化就需要对外推或缺少钻孔资料的建模进行研究。

地层建模与岩性建模是基于钻孔数据建模方式的2种典型方法。在实际生产应用中，由于地层模型有良好的成层性且符合地质工作习惯，大体上可以满足工作需要，因此为广大地质工作者所采用。岩性建模是一种非传统的地质建模方法，采用地质统计学原理，按照数据预处理格式定义各岩性材料，将其赋予每个单元，对用钻孔揭露复杂地层岩性材料空间分布具有更合理的描述。张峰等[12]通过广义三棱柱建模原理，融合物探、化探、地调资料构建了相对准确的三维地层模型。刘爱群等[13]介绍了岩性建模的原理，并基于三维岩性模型建立了三维压力模型。

通过上述学者的研究成果可知，现今对三维地质建模的研究多停留在单一方式的原理及应用层面。对于同一区域内不同部分具有不同性质和特点的情况，如仅采用单一的建模方式已无法满足需求。本文借鉴前人的已有成果对该情形进行研究，拟将2种典型方式联合使用，并对其效果进行分析和检验。本文采用Earth Volumetric Studio软件(以下简称EVS)对南宁市轨道交通3号线青秀山站至博艺路站区间进行三维地质建模，利用钻孔数据分别对地层建模与岩性建模的模拟效果和特点进行分析比较，提出地层-岩性建模方法，以提高建模方法的适应性，满足城市轨道交通需求。

1 基于EVS的地质建模方法

1.1 EVS对地层层序的定义

地层层序是EVS创建地层模型、进行地质解释的必要前提。通常对地层信息的解释分为2种方式：一种是仅依靠钻孔揭露的地层信息；另一种是包含层序且进行地质解释的层序地层信息。EVS创建地层模型时，采用后者来表达钻孔揭露的地层信息。这种解释方法需要将模型中的所有地层按照从上至下的层级排序，但实际地层中存在尖灭或透镜体等现象，很难将地层按照特定层级排序。为解决这类问题，就需要用到层序划分方法。

实际地层层序如图1所示，0为砂土，1为黏土，2为砾石土。假设整个场地最左侧、最右侧和中间各有1个钻孔，两侧的钻孔都没有揭露黏土透镜体，因此，这2个钻孔中只有2种材料，即2个地层，而中间的钻孔中有3种材料、4个地层。EVS中层序划分的方法将研究区内的所有位置都视为具有完整的沉积岩层，通过调节尖灭层地层的厚度为0来产生地层结构。如图2所示，EVS层序划分将该地层看作4层，分别为上部砂土(0)、黏土(1)、下部砂土(2)和砾石土(3)。在输出模型时，只要保证层0和层2具有相同的颜色和纹理，那么层0和层2看上去只是一层，与实际地层结构一致[14]。

图1 实际的地层层序[14]

图2 EVS的地层层序[14]

1.2 地质统计学方法

对地层空间分布进行三维描述，就必须有能够将x,y,z三维域信息进行展示的手段。传统的方法是通过钻孔获取离散点在竖向上的地质信息。对于三维模型，若要对所有位置进行准确控制就需要布置更多的钻孔，显然成本过高且不切实际。因此，必须通过点源数据来对空间任意位置的信息进行插值估算。

法国统计学家Matheron根据南非采矿工程师Krige开发的一种新的矿藏评价方法，提出地质统计学概念。在地质建模中地质统计学相关理论主要是建立属性网格，将钻孔得到的离散数据进行插值，外推于网格节点或网格内的任意位置。在EVS中还可以将目标地块内的其他信息构建的模型，如三维物探数据模型、地下水水头模型等，叠加或合并于基础地质模型中。这为多元数据的耦合、验证插值或外推效果提供了技术手段。

克里金法是EVS中采用的最基础的地质统计学方法。设Z(x)是被定义在点上的区域化变量，且假定Z(x)服从二阶平稳假设。根据克里金法，可利用待估域V周围的一组信息值{Zα，α=1,2,…,n}，对中心位于x0的域V(x0)的平均值进行估计。

(1)

在二阶平稳下，待估域V的实际值Z的估计值Z*是这n个有效数据Zα(α=1,2,…,n)的线性组合。

1.3 典型建模方式

EVS提供了2种典型的建模方式，分别是地层建模和岩性建模。这2种建模方法具有各自的特点和适用条件，在构建地质模型时，需要对数据的特性进行分析，选择适合的建模方式。

1.3.1 地层建模

地层建模是通过对原始钻孔数据进行层序划分，得到包含地层层序的数据格式。地层建模采用的是不规则三角网模型(TIN)[15]，TIN是通过对有限点进行Delaunay三角剖分构建的。与传统方法不同的是，EVS采用了三维交互方式进行层序划分，通过各个岩性分界点所属的三维面确定各个钻孔中的层序，再通过该格式创建地层界面，最后采用克里金插值方法得到地层模型，见图3。

对于地层划分清晰、钻孔布置充足且均匀的情形，地层建模是最优的三维建模方式。因为通过该方式建模，每个地层都可以创建清晰平滑的边界，层与层之间还可以通过分层显示方式观察模型。除此之外，地层建模方法在划分好层序之后，具有极高的运行效率，可以快速地生成地层模型，且方便展示和查看。

(a) 层序划分

1.3.2 岩性建模

采用地层建模方式可以创建大部分的地质模型，但对于含有特殊地质构造(如侵入岩、岩溶、褶皱等)的情形，并不适合采用层序划分的地层建模。对于大尺度的地质模型，钻孔本身非常复杂，同种岩性反复出现，因此无法划分层序，也不适合采用地层建模，如图4所示。

图4 复杂钻孔的情形

针对这类情况，EVS提供了一种行之有效的GIK(Geologic Indicator Kriging)岩性建模方法。它最大的特点就是采用原始钻孔数据建模，不需要人为干预或对钻孔数据进行解释，完全由计算机自动完成。因此，岩性建模适用于很难进行层序划分的钻孔数据。由于岩性建模是数据驱动型的建模方法，无需人为干预，因此对特殊地质构造(如透镜体)的描述更加客观准确。它采用的是方格网形式，这种模型对网格单元进行插值，如不加处理，得到的模型就会呈锯齿状。为此，EVS提供了一种平滑岩性建模方法，使生成的岩性模型具有平滑的界面，但这种方法建模比较耗时，无法快速得到地质模型。

2 EVS耦合地层-岩性三维地质建模方法

2.1 耦合建模方法

单独采用地层建模和岩性建模各有利弊，为了取得更精确且能够满足实际需要的模型，可考虑将二者相结合得到既能描述复杂岩性又能反映地层成层性的模型，以满足选线工程地质建模的需要。为此，提出了以下2种思路。

1)利用地层建模层序划分的方法界定出地质模型的各层边界，再利用岩性建模的地质统计学方法(GIK方法)在边界内部进行地层岩性的分配。

这种方法既保留了地层建模对层面的清晰划分，每层内部又是由指示克里金插值得到的结果，可以描述复杂的钻孔情况，既能进行层面间的分离显示功能，又能选择查看特定的岩性材料在空间的分布。该方法适用于地质条件复杂，特别是大尺度、大区域的三维地质模型。

2)对于整体地层分层清晰，但存在部分区域岩性复杂的情况，可以对性质不同的部分分别采用地层和岩性建模来构建模型，再将两者耦合叠加在一起。该方法保留了2种模型的特性，且互不干扰，适用于区域地质条件分层规律明显但伴随有岩溶等复杂地质体存在的情形。这种方法也可以清楚反映某种岩性材料在空间上的分布与相对位置。

本文采用第1种方法进行耦合建模研究。

2.2 EVS输入文件格式

为了创建满足各种需求的地质模型，EVS提供了5种标准输入文件格式。分别是PGF(Pre Geology File)文件、GEO(Boreh-ole Geology Stratigraphy)文件、GMF(Geology Multi-File)文件、APDV(Analyte Point file format)文件、AIDV(Analyte Interval Data File Format)文件。APDV和AIDV格式是用于创建属性模型的输入格式，这里主要介绍用于创建地质模型的输入格式PGF、GEO、GMF。

PGF即地质预处理格式，表达的是没有经过处理的钻孔数据，包含钻孔及岩性分界点的空间位置信息。GEO和GMF是对PGF进行层序划分后得到的包含地层层序的文件格式。

2.3 数据处理及程序模块

2.3.1 数据处理

为了得到三维地质建模所需要的各种数据文件，需将钻孔数据按照钻孔ID、地层顶板和底板埋深、地面标高、岩性名称等存储在EXCEL表格中，通过EVS自带的文件转换工具生成PGF，再通过应用模块make_geo_hierarchy，利用不规则三角网模型及地质经验自上而下地对地层进行划分，得到包含层序信息的GEO和GMF格式文件，如图3(a)所示。

2.3.2 程序模块与建模流程

EVS是一款功能强大且适用于地球科学领域的可视化3D建模分析软件，包括估计(Estimation)、地质(Geology)、显示(Display)等19类百余个应用程序模块。本文主要用到如下模块： krig_3d_geology、indicator_geology、explode_and_scale、select_cells、external_faces、post_samples、legend、viewer以及make_geo_hierarchy模块等。

图5示出第1种耦合建模方式(即地层-岩性建模)的应用模块流程。

图5 地层-岩性建模应用模块流程

EVS利用不同应用模块构建地层-岩性耦合模型的步骤如下：

1)将包含地层层序信息的GMF文件输入到krig_3d_geology模块中，该模块利用钻孔揭露的地表与地层等数据信息界定地质层的边界，生成进行三维地质建模和参数估计的框架模型，过程如图3所示。此框架模型包含有层序划分，且各分层与地层模型相一致但没有进行岩性插值的状态。

2)将上一步生成的框架导入indicator_geology模块中，并输入原始的PGF文件。该模块利用指示克里金方法在框架模型内部进行岩性插值，将土层的岩性分配到各个网格单元中，完成2种模型特性的耦合。

3)将得到的模型依次连接到explode_and_scale、select_cells、external_faces以及viewer等显示功能模块，这些模块分别对应的是按不同岩性分层显示功能、选择特定岩性材料显示功能、对模型进行3D渲染功能以及总的显示功能。post_samples和legend则是显示三维钻孔和图例的模块。利用这些显示模块对模型进行最终的三维展示。

3 应用实例

3.1 工程概况

南宁市轨道交通3号线地铁工程青秀山站至博艺路站区间(以下称青博区间)横跨邕江位于南宁市青秀区和邕宁区两区交界处，里程范围ZDK20+255.879c～ZDK22+293.000，均为地下线路，如图6所示。

图6 工程线路示意图

青博区间段地势整体上北高南低，地形变化较大，地面高程(黄海高程)从81.07 m到121.48 m，高差达40.41 m，平均坡度4.7%。该区间地形较为复杂，地层分布有软弱土、膨胀土及半成岩等特殊岩土。

地铁区间段勘探钻孔揭露的地层主要是：①2素填土、②1淤泥、⑦1泥岩和粉砂质泥岩、⑦2粉砂岩及泥质粉砂岩、⑦3粉砂质泥岩和⑦4炭质泥岩。该区间钻孔示意图如图7所示。

图7 青博区间钻孔示意图

3.2 EVS建模与分析

为了探明研究区段地质体的分布情况，首先，利用勘探钻孔数据分别构建地层模型及岩性模型；然后，将地层-岩性耦合建模方法构建地层-岩性模型，并将3种地质建模方法进行比较以阐明建模效果。建模数据选自南宁市轨道交通3号线工程青秀山站至博艺路站区间段113个钻孔的1 127条岩性数据。

1)岩性模型。如图8所示，该方法与钻孔揭示的地层岩性信息拟合较好，能够清晰直观地反映模型内部透镜体与地层尖灭位置的分布，且能直接生成水平的模型底面。模型整体能够与地质剖面图保持一致，但在连接邻近钻孔岩性分界点时，有时会出现阶梯状的异变，对于层面间关系的描述不够清晰，不能将模型沿层面分层展示。

图8 岩性模型

2)地层模型。在同种岩土层反复交替出现、存在大量透镜体的情况下，如图8左下部所示的⑦2、⑦3地层，很难根据钻孔数据进行层序划分构建地层模型。只能通过观察岩性模型对整体的地层构造做出判断，忽略透镜体，只对厚度大的地层进行描述。如图9所示，该地层模型中各地层层间光滑且连续、层面关系表达较为清晰。

图9 地层模型

地层模型对岩性材料的描述在空间分布上与实际情况存在出入，有时模型与钻孔数据揭露的信息不相匹配。该工程区间中部为邕江河道段，表层土以②1淤泥层为主，区间段模型的俯视图如图10所示。由图10(a)可知，模型表层均为①2素填土，而河道内表层为②1，与事实不符。

图10 模型俯视图

在地层模型中，出现表层均为①2素填土的情形，主要与岩性材料赋值规律、二维插值方式以及人工层序划分等有关。

根据地铁线路沿线布设的钻孔采集的地层及岩性资料，采用地层建模方式构建的地质模型，在缺少钻孔数据处存在一定的缺陷，需要采取人为干预的办法才能使其与实际情况相符。

3)地层-岩性模型。2种建模方式在水平方向、空间分布和成层性上各有利弊。为了同时反映地层的成层性和地层的不连续性，将上述2种方法结合，先通过地层建模方法对地层进行划分，再在划分的地层内部进行岩性建模，即地层-岩性建模。这样既能够对复杂的透镜体有清晰的描述，又能在地层间形成清晰的界面，如图11所示。

图11 地层-岩性模型

由图11可知，在水平展布上地层-岩性模型较地层模型更符合实际。其对岩性分布的描述均以钻孔数据为基准，采用克里金方法进行插值，所得结果没有出现明显的突变或与经验认知不符的情形。如图10(b)所示，模型俯视图中段清晰地显示了邕江河道段表层的岩性，主要分布有②1淤泥层和少量③3粉土层、④1-2粉砂层。与地层建模和岩性建模相比，地层-岩性建模的显示效果对于线状的地铁线路工程具有更好的适应性。

4)2种模型的耦合效果。由于这2种模型均是基于空间上三维钻孔数据，从模型轮廓和模型岩性与三维钻孔表达的一致性方面来看，拟合程度良好，不存在明显不相符的情况。地层模型的层序划分与岩性模型中不同材料的分界处基本吻合。

3.3 交叉验证

为了验证地层-岩性建模方法的有效性，需要对模型结果进行交叉验证[16]。验证按照如下方式进行： 1)从所有钻孔中抽取1个钻孔作为验证样本，利用剩余钻孔构建模型，采取指示克里金方法对层厚进行估计； 2)将抽取的钻孔依次替换剩余钻孔中的其他样本，每次替换后都用剩余的钻孔进行层厚估计； 3)选取平均相对误差和均方根误差对建模精度进行评价。采用的公式如下:

(2)

(3)

式(2)—(3)中：O为验证数据；P为预测数据；n为验证数据的数目。

青博区间段钻孔揭露的主要地层有①2、②1、⑦2、⑦3、⑦4，地铁隧道穿越⑦2、⑦3地层及其层间界面。进行模型检验时，在112个钻孔中选取5个有代表性的钻孔对①2、⑦2、⑦3地层分别进行交叉验证。根据式(2)—(3)计算得到的验证结果如表1所示。

表1 精度验证

由表1可知，地层-岩性建模对层厚的估计明显好于地层建模，具有较低的MRE值和RRMSE值，较地层建模分别降低了2.18%～9.87%、0.39 ～ 2.78 m。地层建模在缺少钻孔处的估计会引起较大误差。结果表明，地层-岩性建模能更好地拟合实测数据，所建模型更加可靠。

3.4 模型应用

青博区间段因横跨邕江，且跨江段地质条件比较复杂，隧道施工面临巨大风险。为了使地铁隧道穿越的地层避开不良地质体，可以根据三维地质模型展示结果，探讨地铁隧道通过不同标高时遇到不良地质体的可能性及由此可能产生的影响，以此确定隧道穿越工程地质条件良好的高程范围。分别对47.6、45.0、39.3 m 3个标高段三维地质模型进行平剖，如图12所示。

图12 模型平剖图

1)标高为47.6 m时，地铁隧道主要穿越的地层岩性材料有②1淤泥，⑦1泥岩、粉砂质泥岩，⑦2粉砂岩、泥质粉砂岩，⑦3粉砂质泥岩，⑦4炭质泥岩。其中，②1淤泥为灰色-深灰色，呈流塑状，具高压缩性，工程力学性质极差；⑦4炭质泥岩属半成岩地层，工程性质较差。

2)标高为45.0 m时，地铁隧道主要穿越的地层岩性材料与标高为47.6 m时相同，但②1淤泥和⑦4炭质泥岩揭露的面积更小，对工程影响不大。

3)标高为39.3 m时，地铁隧道主要穿越的地层岩性为⑦1泥岩、粉砂质泥岩，⑦2粉砂岩、泥质粉砂岩，⑦3粉砂质泥岩，而工程性质较差的②1淤泥、⑦4炭质泥岩等地层未出现。

根据三维地质建模结果分析，从邕江底至标高39.3 m处分布了大量工程性质较差的岩土体，隧道施工应尽可能避开。标高39.3 m以下的岩土材料相对稳定，地铁隧道从此穿过相对适宜，具体地铁线路选线设计可参考两端地铁车站标高及区间隧道地质条件确定选线设计穿越的标高，在考虑技术可行的前提下以节省工程造价为目标，达到安全合理的目的。