三维地质建模及可视化技术在复杂隧道的应用研究

刘跃成、杨讯华、曾健、赵凯、鲁凯

（1.云南凤云高速公路有限公司,云南 临沧677000；2.云南航天工程物探检测股份有限公司，云南 昆明650000；（3.贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳550000）

0 引言

隧道施工过程中往往面临着较为复杂的地质条件，比如断层、溶洞、破碎岩体等不良地质体形成的隧道坍腔；在强风化作用下形成的软性围岩；富水环境下不稳定岩层形成的塌方隐患等，这些作为隧道施工中主要的灾害赋存源，在施工扰动下可能诱发突水突泥、塌方等严重地质灾害，给隧道施工带来损失。勘察和探测的数据一般都是二维地质图纸，很难获取地质体横向和纵向的情况，随着计算机技术的飞速发展，三维地质建模是必然趋势，三维地质可视化能够直观、精确还原真实地质病害隐患场景。本文综合利用已有原始地质资料、施工地质探测资料，借助CATIA、3DMAX、Globalmapper 和LocaSpaceViewer 软 件，研 究 二 维 断面数据建立三维地质体，以云南云凤高速安石复杂隧道工程为实例，建立三维地质与隧道模型，进行可视化系统应用。

1 二维剖面与CATIA 三维地质建模

为解决现有地质建模领域存在的问题，提出一种基于隧道左右幅沿线二维地质剖面和CATIA 的三维地质建模方法。该方法使用的原始资料为地质体的左右二维断面及左右幅的物探资料，断面信息包括岩性、断层、含水层，物探与断面信息在一张CAD 图中；此外还需要左右断面的地表位置信息，即kml 文件。该方法先下载高程与卫星图片，再用CATIA 建立三维零件实体，最后用3DMAX 进行模型贴图与导出，如图1 所示。

图1 建模方法的示意图

第一，下载地表高程与卫星图片：将隧道左右幅的kml 文件导入LocaSpaceViewer 中，选中区域下载地表高程与卫星影像数据。

第二，影像高程数据处理：将高程数据导入Globalmapper 中，投影转换后导出所需的xyz 高程数据。

第三，断面物探信息处理：在CAD 中将物探信息与断面信息分开，分别导出断面图与物探低阻区图，生成两个dxf 文件，分别对应左幅与右幅，如图2所示。

图2 物探与底层剖面图

第四，CATIA 三维地质建模：将导出的dxf 文件导入CATIA 中，在创成式外形设计模块中进行三维地质建模，同时建立隧道模型，最后将岩性与隧道模型分别导出。

第五，3DMAX 贴图：将导出的三维模型导入3DMAX 中，然后分别对不同的岩性进行贴图，最后将三维地质体输出为obj 格式，生成obj 三维模型提文件、mtl 材质信息文件以及贴图文件，如图3 所示。

图3 三维模型后期处理

2 三维地质模型可视化系统

Three.js 是JavaScript 编 写 的WebGL 第 三 方 库，提供非常多的3D 显示功能。Three.js 是一款运行在浏览器中的3D 引擎，可以用它创建各种三维场景，包括摄影机、光影、材质等各种对象。利用Three.js 技术构建隧道三维地质与实时监测可视化系统。导入CATIA 三维地质建模生成的obj 模型进行加载，隧道三维地质可视化系统包含隧道整体信息、隧道列表、地质三维整体预览、物探三维、地质勘查信息的可视化展示，如图4 所示。

如图4 所示，整体信息包括左侧隧道列表信息、对应隧道的地质三维模型及当前隧道所在位置的气候条件。

图4 隧道三维地质模型整体信息

隧道列表包含隧道项目的整体施工进度、施工监控量测的总数以及预警数量及累计投产时长。

单条隧道项目标注了左右幅、每个幅度的进出口施工进度（行业称掌子面）及地址勘察的不良地质情况。

在地质三维模块中，可以查看当前掌子面与全局超前预报的列表信息，在模型中标注当前掌子面的位置，通过切换隧道的幅度查看对应幅度的地质三维模型。

隧道地质三维模型视角切换兼容触摸屏，可以操作方向盘控制。

当前掌子面超前地质预报信息包括预报结论、风险提示、图像展示模块。

图像展示模块分为三维模型、超前地质预报模型、掌子面现场图及素描图，都可以点击放大查看更多信息。

可以点击全局或者隧道地质三维模型对应的里程段查看历史超前地质预报的信息，点击对应的里程段查看不良地质段的信息。

3 复杂隧道工程实际应用

3.1 工程概况

安石隧道是云南省交投下属子公司云南凤云高速公路有限公司在建重点工程，位于凤庆县凤山镇安石村，为分离式特长隧道，左线隧道起讫桩号ZK38+265～ZK43+603，全长5338m；右线隧道起讫桩号K38+330～K43+593，全长5263m。隧址区围岩岩性为第四系覆盖层，为全新统坡积成因（Q4dl）粉质黏土及全新统残积成因（Q4el）砂质黏性土，下伏基岩前半段为燕山期（γ52）侵入花岗岩，坚硬岩石易产生岩爆、极软岩易产生塑性变形,隧道施工难度高，挑战大,具有目前云南在建隧道典型的地质环境复杂的特点（云县至凤庆高速公路安石隧道不良地质综合物探勘察报告）。

安石隧道属低中山地貌，地形起伏较大，如图5 所示。隧道范围内，中线高程2276.2～1800.7m，最大高差约475.5m，山体自然坡度14～31，总体地势较缓。进、出口均处于山前斜坡地带，山坡处于基本稳定状态，隧址区仅有狭窄山路通过，通行条件差。依据现场地质勘察，线路附近植被较发育，以乔木、灌木丛、茶树地为主，基岩零星出露。

图5 安石隧道地质灾害专项勘察物探地质综合解释图

3.2 安石隧道地质三维模型与可视化应用

根据安石隧道的设计资料、地质勘查资料、加深勘察资料、物探检测数据的二维数据资料，利用CATIA 三维地质建模，并在隧道三维地质与实时监测可视化系统中进行展示应用，安石隧道的实时施工进度，安石隧道左、右线三维地质模型如图6 所示。

图6 安石隧道左幅地质三维模型

安石隧道勘察和物探检测的不良地质情况，在三维地质模型中准确地呈现出来，并以图例形式展示，不良地质包括：地下水分布、空隙分布、岩层状况分布、推测构造断裂带、正常地质段、较严重不良地质段、严重不良地质段等信息。

4 结语

研究与应用表明，根据隧道的走线以及左右幅的物探信息，以CATIA 为核心，多种地理信息软件相结合，构建出一种可视化程度较高的三维地质模型，将物探信息通过三维可视化体现出来。利用CATIA 的精细化建模的优势构建出精细化程度较高的三维地质模型，利用其可视性、精细性以及兼容性的特点，为隧道BIM 建设提供新思路，直观了解隧道掘进过程中地质体的变化，为三维地质建模提供新的思路。

三维地质模型使整个模型不但呈现出隧道的地形地貌特征，还能将各类地质数据（物探、岩性等）展现出来。隧道三维地质与实时监测可视化系统可以将安全预警总体状态和地质物探信息集成，后期结合视频+监测传感器技术，将GIS+三维可视化集成，全方位保障复杂隧道施工过程。