高速公路路线三维地质建模研究——以雄信高速为例

胡飘野

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广州 510440）

1 引言

三维地质建模（3D Geological Modeling）是基于地质勘察原始数据，结合计算机技术对现有地质体实现三维可视化的一种表达[1]。三维地质建模技术在小范围，非带状区域工程，如城市地下空间规划、下沉隧道、高层建筑基坑、矿业矿产、水利工程等领域都有广阔的应用前景[2-4]。在带状地形的铁路、公路工程中应用较少。基于以上原因，本文以雄信高速公路项目为例，采用虚拟钻孔技术在带状地形的工程中完成三维地质的建模，可为其他类似工程的带状地形三维建模与可视化研究提供借鉴。

目前，常用的三维地质建模方法基于既有勘探资料，建模过程需要对钻孔原始数据进行预处理[5]，通过计算机拟合将同一属性的地层进行耦合、拼接，进而生成地质体模型，此种模型虽然建模简单便捷，对于小范围、非带状水平的简单地层效果明显，但是模型精度较低，对于带状工程，可能存在不合理的地层分布[6]。这时就需要人工干预，根据符合地质规律的实际情况调整与原始资料的差异。因此，笔者采用在特定边界位置增加虚拟钻孔，实现了地层边界的尖灭和闭合，可快速完成三维地质模型构建，并在粤北地区雄信高速的部分路段三维地质建模中得到了应用。

2 工程概况

本文以粤北地区雄信高速公路工程的地质模型为例，详述其在三维地质建模平台上的建模过程和模型应用。

雄信高速主要经过南雄盆地腹地，根据地质资料揭示，沿线地层出露较少，沿线主要通过地层有第四系、下第三系、白垩系、前寒武系、燕山期等地层。其中，下第三系和白垩系地层为红层区，分布范围约占线位的85%。集中在K7+770～终点段。前寒武系、燕山期侵入则分布于K7+700 之前。因此，本次建模为了更好地、有针对性地反映本项目地下三维空间地质模型，仅对K6+600～K9+000 包含本项目3 个地层年代的地质体进行了模型建立。

3 技术背景

在工程中三维地质建模是一个地质数据从无到有和数据解析的过程，是多元数据一体化耦合的结果。在三维地质系统中创建项目基本信息后，在图形端选择对应阶段，利用测绘专业提供的测绘数据建立地面模型（DTM），地面模型建立后，将线路设计图形参考进dgn 文件中，将桩号里程标计算Excel 表导入dgn 文件中，这个过程为勘察前期设计三维数据合并。

项目不同阶段的现场实际勘察数据或者实验数据可以直接录入地质数据库，也可以录入Excel 表中，后期再导入地质数据库中，覆盖层、岩层边界数据和断层等出露线数据从图形端绘制录入数据库，如果现场实际勘察和勘察布置设计位置不一致时，可以修改成与现场实际勘察位置一致，这部分工作为勘察布置设计完成后的现场勘察工作和勘察数据录入处理工作，历史勘察数据及剖面数据也可录入数据库。

由于不同阶段的勘察数据量不同，所以，可以在不同阶段创建不同精度的三维地质模型，同时，可以利用虚拟钻孔精准做好边界闭合和数据解析处理工作，最终将勘察数据形成三维地质模型。后期在三维空间或者编辑剖面进行地质模型修改、数据增加等工作，进而进一步优化模型，使之与实际更加符合，同时，完善后的模型格式可接入设计、施工的数据库，达到综合利用的目的。

三维模型主要包括地质年代分层、地层岩性分层、风化程度分层等信息，地质构造等所有地质内容。三维地质模型除了具有几何属性外，还具有相关地质内容的物理属性和工程所需要的过程属性。在三维模型中可以定位查询地质条件，并将地位查询地质条件属性保存输出，图形端可根据勘探数据和形成的三维地质模型出工程地质剖面图、钻孔柱状图、平切图等工程图纸。

4. 建模过程

4.1 完成工作量情况

本次建模主要针对K6+600～K9+000 段2.4 km 的地形、地表、地质进行模型建立。利用情况和建模工作量情况见表1。

表1 本文地质建模工作量利用情况一览表

4.2 三维地形建模

三维地质建模是一个由表及里，先地面后地下的模型建立过程。因此，第一步需开展地表模型建立工作。

三维地形建模是利用勘察的数据及实际地形地物情况（包括勘测点、等高线、高程点、地表水文、简单构造物等），采用相同的工程坐标系统及高程系统生成1∶1 比例的Mesh 地表模型。

本项目通过收集、提取、整理的K6+600～K9+000 区间（长度2.4 km，带宽0.4 km）内的所有完整的三维等高线数据，通过等高线和高程点的数据模拟计算，拟合出一般的地面模型，局部地形不匹配段则通过手动调节拟合，虚拟拟合点的方式优化地形数据。待拟合好地表模型后，通过谷歌影像图校正贴附地表影像，最后添加地表构筑物模型，并标识里程桩号。其中，本项目主要的地表构筑物模型为孔塘特大桥和深路堑的挖方路段，本项目通过数据模拟后地表模型如图1 所示。

图1 本项目通过数据拟合后的地表模型

5 三维地质建模

5.1 勘察数据库录入与管理

在地表模型的基础上，建立地质模型原始数据库。数据库需要录入钻孔工程数据（包括坐标、高程、里程桩号、与轴线的关系）、地质信息（包括地层岩性、风化程度、年代成因、岩芯描述、地下水位标高等）、简要的地质构造信息（褶曲、断层、岩层结构面等），必要时可以辅以录入物探信息等，为本项目展示直观，可对相关岩土层进行优化。

5.2 模型建立

三维地质模型主要由多个网格式（TIN 模型）地质分界模型组成，勘察数据库中的层位高程、年代成因、岩性、风化程度等不同的要素通过克里金算法[7]及幂函数加权算法拟合平顺的TIN 模型，从而描述不同的分层界面，建立从地表覆盖层开始直至勘探信息底部的多层次、立体化的TIN 模型。当遇到断层或倾斜岩层时，可以利用迹线、产状及地质勘察数据混合建模，因勘察工作量有限或部分路段实际地质条件复杂时，也可通过增加边界虚拟钻孔或调整网格点的方式实现模型与实际相符，提高模型精度。

6 模型合并及应用

三维地质和三维地表模型完成后，需进行模型合并，2 组模型在软件中的坐标为工程所在的原始坐标位置，模型合并使用Microstation 参考功能将模型按原坐标参考到一个文件中。2 组模型合并到1 个文件后需进行布尔运算，将三维地质模型桥梁桩基及边坡所占部分进行开挖，并去除掉开挖部分内容，最终表达模型模拟真实需要表达内容。

6.1 地表漫游

自身渲染软件可通过加载三维地质和三维地表模型实现360°全方位漫游演示，通过设计漫游视角、路径等视频信息录入，可实现地表构造物模型、地表地质模型的可视化。路堑边坡路段可通过设计断面与三维模型叠加相减实现边坡开挖面的可视化漫游如图2 所示。

图2 K6+900 和K7+100 两段高边坡地表漫游图

6.2 地下切坡和漫游

自身渲染软件通过加载三维地质模型实现360°全方位漫游演示，通过设计漫游视角、路径、坡切方法等进行视频信息录入，可实现地下地质模型的可视化。对于桥梁桩基设计，可通过地下漫游实现桩身与桩底地质信息如图3 所示的可视化。

图3 桥梁桩基地下地质模型坡切图

6.3 设计应用

地质模型建立具有相应的属性，如地质模型岩性属性，风化程度属性，断层属性及同时可以附加岩土力学计算所需要的力学参数属性，参数属性可以通过开发，将力学参数提取用于结构力学计算。

三维地表及地质模型可进行边坡开挖工程量统计，边坡开挖面的岩土分布情况；桥梁构造物可进行桩基的桩底标高计算，入岩深度，桩底岩土层分布情况。

7 结论及建议

7.1 结论

通过三维模型能真实地查看结构物所处地质条件，分析其相互关系，并可以通过查询功能具体定位里程位置查询结构物地质条件；结合虚拟钻孔技术能在一定程度上提高三维地质模型的精度；地质模型与构造物结合通过模型反应不同位置段地质条件，根据三维空间关系分析构造物所处地质复杂度、安全性等条件。结合三维地质模型可以反映边坡开挖面各个地层的关系，在后续过程中的补充数据可以更新模型，反映出更真实的三维地质条件，优化设计及施工方案。

7.2 建议

本次建模地质资料仅建立在初勘的基础上，地质钻孔数据量较少，模拟精度较低，随着项目的深入勘察，资料的增多，建模精度将会更高，更加符合真实情况。

现阶段三维地质建模在勘察、设计、施工三者之间的联系不够紧密，各个环节相对独立，参数未能较好运用。建议通过加强加密勘察工作，进一步完成项目区三维模型建立资料，为设计和施工提供更准确的依据。