特长隧道隧址区三维地质模型构建方案

冉光炯，杨翘楚，王 健

1.长安大学公路学院，西安 710054 2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都 610041 3.成都理工大学地球科学学院，成都 610031

0 引言

随着数字化技术在国内交通建设领域的快速发展，道路、桥梁及隧道等构筑物的三维可视化方案得以普及，而工程地质作为各类构筑物设计、施工的重要基础，大量地质信息仍以二维图件及离散文字描述等形式存在。由于地质现象本质是三维的，因此需借助三维地质建模及可视化，才可能更加全面、深入地理解地下空间整体面貌并解决实际地质问题[1-2]。相较传统的二维图件，三维地质模型更有利于直观明确地表达地质结构的空间展布形态[3-4]，尤其当隧道等深埋于地下的构筑物穿越地质构造复杂区域时，透过三维地质模型可全方位地、细致地展示出隧道洞身与各地质体间的相对位置及接触关系[5]，对于后续的超前地质预报以及开挖施工等具有重要指导意义。

三维地学建模概念最早由Houlding[6]提出，本质上是基于各种原始地质数据建立能够反映地质体构造形态、构造关系及地质体内部属性变化规律的数字化模型[6-9]。Caumon等[10]详细介绍了地质建模的基础数据种类，并对地质结构模型的构建流程进行了总体概述；Lemon等[11]提出了一套基于钻孔及地质剖面的地质模型构建方法，强调了建模过程中通过地质剖面图来融入地质专家先验知识的重要性；Mallet[12]针对地质构造及地质体几何形态的复杂特征提出了离散光滑插值技术(DSI)，即通过建立全局粗糙度目标函数并使之最小化，实现复杂地质界面的光滑拟合。近年来，基于隐函数的构造建模方法逐渐成为地质建模领域的研究热点[13-14]；针对地质勘察中离散、稀疏地质点数据难以构建地质体模型等问题，邹艳红等[15]提出了一种基于杨赤中推估法的隐式建模方法；郭甲腾等[16]提出了一种基于机器学习的隐式三维地质建模方法，将三维地层建模问题转换为地下空间栅格单元的属性分类问题；此外，相关的岩土数字化技术及基于数学模型进行的分析研究也取得了一定进展[17-18]。

就目前来看，大部分地质建模研究仍集中于油气及固体矿产领域[19-21]，面向公路领域的精细化地质建模研究及实践成果相对较少。由于特长隧道隧址区地质构造普遍较为复杂，岩性种类繁多，地质模型构建相较其他种类工程而言难度更大；加之山区地形陡峻，地勘作业难度大，且某些隧道局部深埋于地下数百米，钻探成本高昂，导致隧道工程地勘数据的稀疏性问题相较其他工程而言更为突出。因此，建模过程中需要融入地质专家知识并开展大量人机交互，而目前尚缺乏一个高效可靠的面向隧址区的地质建模方案。针对上述问题，本研究首先基于前期大量隧道地质建模项目实践及经验累积，制定数据预处理规则，将数据名称与地质界面构建次序、构建方案等相关联；然后通过研发实现针对不同类型地质界面的构建方案。通过本次研究以期减少建模过程中的人机交互，以期在确保模型构建准确合理的同时实现建模效率的大幅提升。

1 建模流程及数据预处理

建模流程及数据处理方案基于隧址区地勘数据特征并结合工程实际需求制定。地层岩性及其物理力学性质是隧道设计施工过程中所关注的重点，因此基于岩性对模型进行分层，考虑到岩性的无序性特征，地质界面构建次序由建模者预先指定。此外，由于松散堆积层与基岩分界面、松散堆积层内部的地质界面、岩层与岩层的分界面(以下简称土-岩分界面、土-土分界面、岩-岩分界面)等所具备的工程意义以及界面构建方式有所不同，因此对某些不同的地质界面予以分类考虑。

1.1 模型构建流程

建模流程如图1所示。首先获取隧址区地勘资料、地表调绘数据及地质剖面等初始数据，圈定模型构建范围，隧址区地质模型边界一般为条带状；其次在数据预处理阶段，通过对初始数据进行三维转换、分类以及按既定规则命名，确保其满足后续地质界面构建算法的要求；然后完成数据处理，即可通过解析数据名称匹配其所对应的地质界面生成方案，实施地质界面的自动构建及交切处理；最后通过实现地质界面与模型外轮廓的批量互剪及缝合，快速生成地层体模型。建模完成后可将隧道模型与地质模型叠合在一起进行可视化分析。

图1 隧址区工程地质模型构建流程

1.2 建模数据及预处理

本研究所涉及的地质建模数据如表1所示。其中，地形等高线的等高距过大会损失地形精度，过小则会导致地形网格过于密集，不利于后续的裁剪及切割运算，经综合考虑，本研究等高线采用2 m的等高距。实际工程中，隧址区钻探及挖探数据普遍过于稀疏而不足以支撑地质建模；因此，地表迹线和剖面图中的地层分界线对模型精度起主要控制作用。为确保建模精度，地层分界线应由地质专家在充分结合地表迹线、钻探和挖探等数据的条件下进行绘制。首先，应确保隧道左右中线上至少各1条贯穿整个隧道洞身的地质纵剖面。其次，由于隧道洞口处时常具有浅埋、偏压和围岩构造复杂等特征，施工中可能出现滑坡、坍塌等地质灾害；因此各隧道洞口处应确保5条以上的地质剖面，用以实现精细化建模。考虑到各个项目所面临的地形地貌和地质构造复杂程度各不相同，建模数据一般需根据实际情形进行补充和调整。

表1 主要建模数据及其用途

为减少建模过程中的人机交互，本研究制定了一种基于建模数据信息的数据命名方式(图2)。数据名称由该数据所对应的地质界面的构建方案、分界面类型、数据位置及界面构建次序等信息的关键字组合而成。后续建模过程中，对数据名称进行逐一解析：首先，根据解析得到的构建次序筛分属于同一地质界面的所有数据；然后，根据解析得到的数据位置判断该数据在建模过程中所承担的作用；最后，依据解析得到的分界面类型及其构建方案，对该数据实施相应的地质界面构建方案。

2 地质界面构建方案

2.1 DSI构建界面方案

本研究所实施的DSI构建方案主要包括待插值投影平面获取及施加多条件约束两个步骤。

图2 建模数据命名规则

1)待插值投影平面获取

以土-岩分界面构建(图3)为例：首先通过工区边界线生成工区平面三角网并对其进行加密及规则化处理，由于地表土层局部可能有基岩出露，因此需进行预判并将土层迹线划分为内外两层；然后利用所有地表迹线垂直切割工区平面，形成若干网格面片(TFace)，对每一个TFace中的三角形进行遍历求取其三角形形心坐标；最后判断形心点与迹线在xy维度上的相对位置关系。考虑如下4种情形：①形心点位于内层迹线以内；②形心点位于外层迹线以外；③外层迹线内部无内层迹线，形心点位于外层迹线内；④外层迹线内部有内层迹线，形心点位于外层迹线内，但不位于内层迹线内。

根据图3情况分析可知，将内部三角形符合情形③及情形④的TFace进行合并，即可获取待建地质界面在xy平面上的投影面。

2)施加多条件约束

获得待插值投影平面后，通常需要对其施加地表边界约束、地下控制点约束以及距离范围约束等多种约束。

地表边界约束的作用在于使地质界面边界与地表上的地表迹线轨迹相吻合。待插值投影平面的离散边界线可分为两种，一种为原先工区的边界线，另一种是由地表迹线垂直切割而产生的边界线，其在地表面的竖向投影即为真实的地质界面边界。因此，本研究首先获取待插值投影平面的所有离散边界线，然后遍历判断这些边界线中是否有节点与工区边界线中节点的xy坐标相同，以此筛分出所有由地表迹线切割而得的边界线。在此基础上，为这些边界施加基于地表面的垂向约束，如图4中绿色线段所示。值得注意的是，在施加该约束并完成第一次插值后，需将地质界面边界节点设置为固定控制点，以防止后续迭代插值过程中边界位置发生扰动。

地下控制点约束以模糊控制点为主，控制点主要来源于钻孔分界点和地质剖面中的岩性分界线等。本研究采取对地下数据点施加模糊控制约束的方式，并根据实际情形对约束方向进行调控。

此外，由于数据稀疏性等问题，在完成迭代插值后某些地质界面可能出现局部相互穿插，或地下界面穿出地表面等拓扑错误，此时应施加面与面间的距离范围约束，将面间距离控制在合理范围以内。

2.2 封闭地质界面构建方案

针对透镜体和溶洞等封闭式地质界面，本研究主要采用以下两种方案进行构建。

1)采用先分部构建再缝合成体的方案

以图5a透镜体构建为例，先通过三维空间预先圈定透镜体的边界线，基于边界线创建三角网格并实施网格加密、规则化处理；然后将该三角网边界点设为固定控制点；再基于透镜体的上顶面及下底面的控制点对两个相同的三角网格分别实施迭代插值；最后将两个三角网格进行缝合。

图3 待插值投影平面获取的方式

图4 施加多条件约束(a)以及插值完成后(b)生成的地质界面

2)基于内部小球插值变形的方案

在地质体边界不明确的条件下，首先可基于所有控制点的xyz坐标，计算控制点集的几何中心点以及几何中心点距离所有控制点的最短距离；然后以几何中心为球心，以最短距离为半径，构建球形三角网并作网格加密处理；再基于控制点集对该小球施加方向垂直于球面的模糊点约束(图5b)；最后通过迭代插值，使球状网格变形为符合控制点分布特征的透镜体形态。

a. 分部构建再缝合成体的方案；b. 基于内部小球插值变形的方案。

2.3 其余构建方案

某些情况下建模数据过于稀疏而不足以支撑地质界面的插值构建，需建模者先基于地质知识、现有数据特征以及待建地质界面形态特征等补充虚拟数据，然后采用非插值主导的方式实现地质界面构建。此类方案主要包括轮廓线构建及迹线产状构建。

以褶皱构造为例，某些褶皱构造中岩层分界面可基于脊线和槽线等关键部位的轮廓线实现重构(图6a)。在建模数据稀疏的条件下，先由地质专家对褶皱岩层分界面的脊线和槽线位置进行推定，构建穿过轮廓线的折平面；再以轮廓线节点作为约束控制点，对折平面实施迭代插值及网格规则化处理，以此获得最大程度符合轮廓线形态的光滑地质界面。

此外，建模人员可能只能获取到岩层分界面的地表迹线及露头产状(图6b)，在此情况下一般是先根据露头产状获得岩层倾角线，然后沿地表迹线节点阵列设置与岩层倾角线平行的、长度适当的线段作为轮廓线，再借助这些轮廓线构建该地质界面。值得一提的是，在数据稀疏的条件下，地质专家的知识融入及相关决策对模型构建结果的准确度起着十分关键的作用。

2.4 地质界面交切处理

基于上述方案构建得到的地质界面可能会超出其真实范围，还需要基于模型外轮廓面及地质界面间的交切关系对地质界面实施切割以剪除多余部分。由于建模数据名称中包含拟建地质界面类型以及构建次序等关键字，切割处理阶段通过对数据名称中界面类型及构建次序关键字进行解析并排序，即可明确地质界面间的交切关系。

本研究的切割处理主要包括以下步骤：1)基于待剪地质界面的构建序号遍历获得在该界面构建前已被构建的所有地质界面，以这些界面以及模型外轮廓面作为“剪刀”对待剪界面实施切割。为确保切割的成功实施，剪刀界面的轮廓范围必须超出被剪界面，因此切割前需对曲面边界进行扩展，确保“剪刀”的边界范围超出被剪界面。2)对被剪地质界面实施切割，获得若干TFace并对这些TFace进行筛选以去除多余面片。本研究通过遍历当前TFace所属的地质界面的所有地下控制点，判断是否有控制点处于此TFace的xy投影范围以内，若存在则保留该TFace，此方法适用于绝大部分单z值(坐标轴方向)地质界面的切割处理。如图7所示，示例数据展示了基于上述切割方案所生成的地质结构面模型，模型中地质界面间的交切处理都取得了良好的效果。

获得地质结构模型后，依次用边界扩展后的地质界面对模型外轮廓面进行切割及缝合以获得地层体模型(图8)。为提升建模效率，本研究在地质界面与模型外轮廓面完成互剪后，先遍历地质界面中每个TFace的三角形形心，判断该形心是否在外轮廓面以内；然后将形心处于轮廓以内的三角形所对应的TFace与被剪后的外轮廓TFace进行缝合，以实现闭合地层体的快速生成。

图6 基于轮廓线(a)和基于迹线产状(b)构建的地质分界面

a. 地表处地质界面局部交切效果；b. 地下地质界面间局部交切效果；c. 整体交切效果。

图8 基于三角形形心位置的地层体自动缝合

3 实例验证

本研究基于Windows 10操作系统，采用Microsoft Visual Studio 2013及C++语言对SKUA-GOCAD 2017进行二次开发，完成上述地质模型构建方案相关代码的编写及编译，获得自研程序“隧址区工程地质模型快速构建程序V1.0”。以西南地区在建高速公路项目中的3条特长隧道为例，利用上文所提出的建模方案完成隧址区地质模型构建，3条隧道所属地理位置如图9所示。

沿江高速——斯古溪隧道(Ⅰ)：拟建斯古溪隧道地处四川省凉山彝族自治州雷波县斯古溪乡和卡哈洛乡之间，距雷波县城直线距离约30 km，属金沙江中高山峡谷区，进口距金沙江约600 m，出口距金沙江约1 100 m。隧道左线长约8 118 m，右线长约8 102 m，最大埋深约1 086 m。该隧址区位于峨边—金阳断层与斯古溪断层、中坝断层汇聚处，隧道洞身穿越峨边—金阳断层、中坝断层，并穿越卡坪断层及硝滩断层。

乐西高速——大凉山二号隧道(Ⅱ)：拟建大凉山二号隧道隶属四川省凉山州美姑县，隧道进口位于佐戈依达乡北侧佐戈依达河流沟口附近，出口位于牛牛坝四比齐村西南侧山沟一带。隧道左线长约12 454 m，右线长约12 475 m，最大埋深约764 m。该隧址区主要构造包含由莫合背斜以及伴生于背斜东翼的尔马洛西断层和尼普莫断层组成的断层褶皱组合带，隧道洞身穿越尼普莫断层。

图9 3条隧道所属的地理位置图

乐西高速——大凉山一号隧道(Ⅲ)：拟建大凉山一号隧道进口隶属四川省雷波县大谷堆乡，进口附近有机耕道；出口隶属四川省美姑县，位于美姑河支流左岸。隧道左线长约15 366 m，右线长约15 333 m，最大埋深约1 037 m。该隧址区主要构造为斯依阿莫倒转背斜、黄果洛向斜、哈都洛背斜，以及两条与斯依阿莫倒转背斜为伴生关系的F1和F2断层，隧道洞身穿越F1和F2断层。

三维地质模型构建成果如图10所示。图10中对模型中相邻岩层单元赋以不同颜色以增强可视化效果，隧道主线洞身模型也被放入地质模型中，隧址区地质结构、隧道洞身与各岩层的接触关系得以清晰展示。透过透明的地质模型可以看出：基于“隧址区工程地质模型快速构建程序V1.0”所生成的地质分界面的几何形态均较为光滑流畅，与自然界中真实地质分界面的形态特征相符；所构建的隧道洞口的第四系覆盖层、洞身的局部断层以及被断层切割的岩层间的接触及交切关系都符合预期，地层的拓扑形态呈现出良好的效果，这说明自研程序可以解决大部分拓扑特征较复杂的地层构建问题。此外，本自研程序替代了传统建模方式中诸多需要手动进行的人机交互环节，依靠程序自动生成模型，无疑会比手动人机交互建模效率更高。

由于隧道地质模型涉及到较多的人工信息，如隧道开挖、洞门边坡开挖等，在完成天然地质模型构建后，尚需对人工信息进行表达。利用隧道断面及三维路线可构建隧道洞身的外轮廓面，将外轮廓面与地质模型进行互剪，去除地质模型中理应被挖除的局部界面后进行模型缝合，即可实现隧道开挖。此外，利用隧道洞口立面图及纵断面图中的边坡开挖设计线，可构建一个边坡开挖面，利用边坡开挖面与天然地质模型进行互剪及缝合，可实现隧道洞口的边坡开挖。以斯古溪隧道新市端洞口为例进行地质模型开挖，模型结果如图11所示。

完成地质模型构建后，将不同岩层的设计参数如围岩等级、围岩质量指标等作为属性值分别赋予各个岩层体。在此基础上，将地质模型和三维路线模型同时导入具备参数化设计功能的软件(如CATIA)中，首先确定隧道洞门类型、边坡开挖方案和隧道衬砌结构支护类型及参数等，然后通过创建各类隧道横断面模板及锚杆钢筋等单元，可实现隧道工程的正向设计。

图10 西南地区在建特长隧道隧址区三维地质模型构建成果

a. 设计开挖前的天然形态；b. 设计开挖后的形态；c. 叠加上隧道洞门和边坡锚杆的效果。

4 结论与展望

1)自研程序“隧址区工程地质模型快速构建程序V1.0”有助于建模者准确把控每一个地质分界面的构建方式以及地质界面间的接触及交切关系，可解决大部分拓扑特征较复杂地层的构建问题。

2)将不同地质界面予以分类并基于SKUA-GOCAD开发以实现其相应的自动构建方案，有利于定向构建出符合建模者预期形态的地质界面，同时大幅减少手动人机交互，提升建模效率。

3)本研究所提供的地质建模方案虽然可以较大程度地提升地质建模效率，但考虑到地质结构本身的复杂特征，单纯依靠任何建模方案都无法完美构建出所有情形下的地质结构模型。未来考虑在现有成果基础上，如何借助三维地质模型更好地支撑公路工程各项业务，探索地质模型在隧道超前地质预报以及BIM(建筑信息模型)正向设计等领域中的深入应用。