岩土地层三维模型自动建模方法研究

王国光，魏志云，徐 震，卓胜豪，陈 诗

（1. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司（信息中心），浙江 杭州 311122；2. 浙江省工程数字化技术研究中心，浙江 杭州311122；3. 数字城市CIM技术浙江省工程研究中心，浙江 杭州 311122；4. 浙江华东工程数字技术有限公司，浙江 杭州 311122）

近年来，研究基于钻孔数据自动生成地质体方法的学者比较多。基于前期研究，本文提出一种适用于岩土勘察的地层三维模型自动建模技术，首次将地层模型区分为完整层实体和非完整层实体，以事先准备的标准地层、钻孔数据和地形体为自动建模的基础，根据工程要求确定建模和数据提取的范围，先从钻孔数据中提取完整层数据和非完整层数据，然后利用这些数据建立完整层和非完整层界面，再利用三维面剪切体技术，按照从上至下、从新到老、从完整到非完整的顺序，依次将地形体进行切分，从而最终实现岩土体的地层三维模型的自动建模[1-18]。

1 数据准备

在进行自动建模前，需要准备好建模原始数据，包括标准地层、钻孔数据以及地形体。

1.1 标准地层

标准地层是地质人员根据实际建模区域内钻孔所揭露的地层按照地层新老顺序进行综合排序的结果，需事先在岩土数据库[19]中定义好，其序号作为地层新老判断的依据，如表1 所示，最左侧即为相应地层的地层序号。

表1 标准地层表

1.2 钻孔数据预处理

从数据库里读取到的钻孔数据比较粗糙，需要对其进行抽象化处理。钻孔地层数据是建模区域内的所有钻孔的地层单元分层数据，单个钻孔是由若干按顺序排列的钻孔段组成，其中钻孔段由钻孔段序号、起点坐标、终点坐标、地层编号、地层序号、地层颜色（R、G、B）描述。而单个钻孔由钻孔编号、当前钻孔段地层序号、累计虚拟厚度、钻孔段集合描述。对于单个钻孔而言，当前钻孔段地层序号用于记录该钻孔当前遍历到的钻孔段的地层序号；累计虚拟厚度用于计算虚拟揭露点的位置，当钻孔中缺失某一地层，累计虚拟厚度取当前遍历到的钻孔段厚度的平均值，当地层连续缺失的情况下需要累加虚拟厚度；钻孔段集合由多个钻孔段构成，每个钻孔段包括起点和终点坐标、揭露的地层编号及其唯一的地层序号，还有用以区别不同地层岩性的颜色属性。当前钻孔段序号初始值为0，累计虚拟厚度初始值为0.0 m。

若当前钻孔段序号为1，遍历到某夹层①-1 的时候，就需要引入虚拟钻孔点P，该点位于当前钻孔段起点的正上方，距离该钻孔段起点累计虚拟厚度的位置，如图1为某钻孔的拓扑结构示意图。

图1 钻孔拓扑结构示意图

1.3 地形体创建

地形体约束了地层三维建模的空间范围，也是进行地层分层建模的数据基础。地形体创建时，首先利用勘察范围边界裁切数字高程模型（DEM）生成地形面，然后根据区内钻孔孔底最小高程确定地形体的深度范围，最后将地形面竖直向下拉伸成体，使得地形体为一个封闭的实体模型。

2 数据定义与提取

根据钻孔数据，按标准地层中定义的地层新老顺序遍历查找出在所有钻孔中均揭露的地层单元，将这些地层单元底部之间的地层单元集合定义为完整层。在完整层分段中搜索不在所有钻孔中均揭露的地层单元，则定义这些地层单元为非完整层，其二维示意图如图2所示。

图2 完整层与非完整层二维示意图

地层自动建模前，通常应根据工程设计和勘察精度要求，在建模软件中设置地层建模范围、钻孔数据范围和模型曲面拟合等参数。首先通过坐标范围确定要进行三维地层建模的区域，通常地层建模范围默认为地形体范围，参数设为minX、 maxX、minY、minY；然后通过勘察阶段、工程区、勘探线、工程位置等条件筛选钻孔，从筛选后的钻孔数据中提取完整层数据和非完整层数据；最后根据地层建模精度和自动建模速度的要求，设定最佳的曲面拟合网格间距，可定义XY2个方向上的网格间距为dx、dy。

2.1 完整层数据提取

完整层数据提取是对所有钻孔地层数据进行遍历，从第一个钻孔段开始，统计所有钻孔中首次出现与第一个钻孔当前钻孔段的地层编号相同的钻孔段的次数，若该次数与钻孔个数相同，则认为存在完整层数据。

完整层数据是由完整层的底部位置数据、最底层地层编号、起始钻孔段序号集合、终止钻孔段序号集合组成。其中完整层的底部位置数据是地层单元的完整层分段中每个钻孔的最底部钻孔段的终点坐标；最底层地层编号记录下的是地层单元的完整层分段中最下面地层的地层编号；起始钻孔段序号集合是地层单元的完整层分段中每个钻孔的最上面钻孔段的序号；终止钻孔段序号集合是地层单元的完整层分段中每个钻孔的最底部钻孔段的序号。该数据结构是为了方便对地层单元的完整层分段进行非完整层数据提取。

2.2 非完整层数据提取

非完整层数据提取是对地层单元的完整层分段进行遍历，从地层单元的完整层分段中每一个钻孔的起始钻孔段开始，找出地层序号最小的钻孔段，搜索所有钻孔中与该地层序号最小的钻孔段的地层编号相同的钻孔段，将部分钻孔当前钻孔段的终点坐标和地层编号定义为非完整层数据。

3 地层三维模型的创建

通过以上数据准备和数据建模，就可以按照如下迭代逻辑进行从地形体到地层实体的自动切分。

3.1 地层界面的创建

地层界面的创建是通过钻孔地层数据，采用Kriging插值算法，以一定网格间距插值拟合生成较光滑的地质曲面，包括完整层界面和非完整层界面。完整层界面指的是所有钻孔中均揭露某地层的分界面，它基于完整层数据创建。非完整层界面指的是所有钻孔中部分揭露的地层分界面，对于地层缺失的钻孔引入虚拟揭露点，对非完整层数据进行补充。该虚拟揭露点定在钻孔地层缺失点位的上方，且高出距离为累计虚拟厚度，能对非完整层界面的空间形态加以约束，使地层非完整层实体在钻孔之间的合理位置尖灭。

完整层界面和非完整层界面的参数一致，其建模范围均取minX-dx、maxX+dx、minY-dy、maxY+dy，网格间距在XY方向上分别取dx、dy。取此建模范围是为了使地层界面贯穿地形体，能够相互剪切。

3.2 地层实体的生成

地层三维模型的自动建模是通过创建的完整层界面和非完整层界面，对原始地形体先后进行完整层实体切分和非完整层实体切分，并对切分后的地层单元实体赋予地质属性和图形属性（图层、颜色、透明度等），最终完成地层三维模型的自动创建。完整层实体切分是利用完整层界面对原始地形体进行切分，地形体被剪切后分成一个或多个完整层实体；非完整层实体切分是利用在完整层实体内的非完整层界面对完整层实体进行再剪切。

4 地铁工程应用

GeoStation for City软件[20]是中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司基于MicroStation平台自主开发的岩土版三维勘察设计系统，采用了本文阐述的岩土地层三维模型自动建模技术，应用于宁波市地铁4 号线翠柏里站地层三维模型创建及二三维分析，验证了技术方法的可靠性。

4.1 工程概况

宁波地铁轨道交通4 号线是骨干线网西北至东南向的一条内部填充线，翠柏里站位于宁波市海曙区翠柏路与通途路（永丰西路）交叉处，蔡江河以南，新芝宾馆以西，沿翠柏路东侧呈南北向布置，其具体位置及结构平面图如图3、4 所示。车站长度为223 m，标准段基坑深度为16.3 m，采用明挖顺作法施工，主体结构围护型式采用800 mm 地下连续墙，标准段围护深度为35 m，桩基型式为Φ800 钻孔灌注桩，有效桩长约40 m。根据勘察报告，该地铁站建模区共揭露杂填土、黏土、粉土、砂土等9 个大的地层，每一层又包含若干个小层，按小层计总共揭露24层。

图3 翠柏里站地理位置图

4.2 地层三维模型建立

该地铁站若按常规方式进行手动切分建模，是个非常大的工作量。利用地层三维模型自动建模技术，用户只需导入钻孔数据，即可一键生成三维地层模型。

在数据准备阶段，将工程标准地层、钻孔数据录入到岩土数据库里面，根据地铁站勘察范围建立好初始地形体。该站建模范围取260×370 m 的矩形，方向沿标准段基坑的轴线方向，建模深度取100 m。

图4 翠柏里站结构平面图及建模范围

在本例中，整个建模过程耗时不到1 min，快速、高效地实现了翠柏里站地层三维模型的创建，建模成果按完整层和非完整层展示如图5、6所示。由于采用了克里金插值算法和TIN三角网拟合技术，使图中地层界面过渡平滑、自然。且引入虚拟揭露点，较好控制非完整层界面的走向，使得尖灭、透镜体等特殊地层得到了的较好处理。

图5 完整层实体切分

图6 非完整层实体切分

4.3 二维剖面分析与出图应用

为了验证地层三维模型的准确性，对图5、6中的地铁站三维地层模型进行了剖面分析，沿着某一勘探线剖切输出工程地质剖面图，如图7、8 所示。图中，程序自动对不同地层进行了编号标注，同时包括钻孔信息、地层信息，设计人员可以实时准确地了解地层的分布状况。从图中可以看出，完整层和非完整层关系清晰，地层界线严格经过钻孔揭露的地层分界点，且地层界线表现得顺滑，没有局部突变现象的发生。这一结果充分验证了地层三维模型自动建模技术准确、可靠，生成的地层三维模型更加接近于真实的岩土地层。

图7 完整层实体切分后在勘探剖面图上的效果

图8 非完整层实体切分后在勘探剖面图上的效果

4.4 三维空间分析与模拟应用

利用翠柏里地铁站岩土地层三维模型，可以进行土方开挖等三维分析，开挖模型如图9 所示。由于每个地层都带有详细的属性信息，其中最重要的是岩性属性和体积属性。根据深基坑的施工范围，对地层三维模型进行逐层模拟开挖剪切，得到不同岩性层的开挖土石方量，详细、精确的方量对土石方造价计算和施工计划都有重要作用。经量测，翠柏里站主体结构开挖方总量是109 173.982 m3。

图9 翠柏里地铁站模拟开挖地层三维模型

基于开挖后的三维地质模型进行施工模拟，不仅可精准地模拟土方开挖的时空效应“纵向分段、竖向分层、限时、对称、由上而下、先支撑后开挖”，形成直观形象的进度管控和施工交底资料，还可帮助工程师快速了解和掌握场区地形、土层、地下水现状，将地质模型与场区规划模型相结合，可多角度的审查围护体系与各地层的相对位置关系，辅助决策基坑围护设计方案的合理性。对于不良地质、特殊岩土等问题做待处理的重点标志，帮助工程人员有针对性的制定相对应的施工方案，及时采取有效的施工措施。图10是基于翠柏里地铁站地层三维模型的施工开挖与支护方案模拟。

图10 基于翠柏里地铁站地层模型的施工开挖与支护方案模拟

5 结 论

本文阐述了岩土地层三维模型自动建模技术，重点介绍了实现该技术的方法、步骤、程序，以及通过地铁工程应用验证了该技术的性能和可靠性。通过以上研究与应用，得出以下结论：

1）本文首次提出了地层三维模型的完整层与非完整层概念，并详细说明了地层三维模型自动建模技术方法的条件、步骤、程序，能够适应夹层、尖灭、透镜体等特殊地层结构的自动建模处理，无需过程中的人工干预，满足当前三维协同勘察设计趋势下的动态设计工作要求，关键的模型成果可随时在线获得，为方案设计提供了可靠的数据支撑。

2）该技术方法具有很强的可编程实现性，程序逻辑简单实用。

3）该技术方法在宁波地铁4号线翠柏里站成功应用，获得地层界面、地层实体等成果。

综上所述，该技术方法简单、可靠、准确、实用，在地铁工程实例中取得较好应用，同时在工民建、水利、市政、港口、机场等岩土工程中具有推广价值。需要特别指出，该技术方法研究成果只能满足单点工程地层三维建模的要求，存在数据量越大建模时间较长的弊端，还不能完全满足线路工程、城市片区的整体地层三维模型自动建模需求。