GMS三维地质模型在铁路地质勘察中的应用

杨军杰

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

GMS三维地质模型在铁路地质勘察中的应用

杨军杰

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

地质体三维可视化是近年来铁路工程地质的发展方向。为了利用现有二维地质勘察成果直接快速地建立三维地质模型，以蒙西至华中地区运煤通道铁路裴庄隧道地质资料为基础，针对GMS数据特点开发地质资料自动转换程序，建立隧道周围63.54 km2范围内的三维地质模型。通过DEM和叠加遥感影像，真实再现裴庄隧道及周边地区的地形地貌和地层分布情况，为隧道方案比选提供了可视化手段，有助于提高地质工程师对场地复杂地质条件的认识和评价，同时对提高设计质量也具有一定的意义。

铁路工程；地质勘察；GMS；三维地质；地质建模

新建铁路工程地质勘察踏勘、初测、定测阶段通过地质调查、钻探、物探、遥感等手段形成了大量的地质资料，包括地层岩性、断层节理、地下水位、滑坡分布等等；但是这些信息都是离散不连续的，地质工程师很难直接利用这些实测资料推断研究区域内的地层分布规律及地质体的复杂空间关系；工程地质报告局限于静态的文字、统计表格和二维的柱状图、纵断面，无法直观描述空间地质构造的形态和起伏变化，不能充分揭示每个工点的地下地质情况，更不能进行地质空间分析，难以使人们直接、完整、准确地理解和感受地下的地质情况，使设计人员不能充分利用地质勘察成果资料，越来越不能满足工程设计和分析的需求[1-3]。近年来，我国高速铁路迅速发展，京沪、京广、哈大、津秦等客运专线相继通车运营，铁路勘察设计技术也越来越先进，地质勘察成果也由传统的钻孔柱状图、二维剖面图向三维可视化方向发展[4]。

三维地质建模通过地质信息的三维表达和数据管理，解决了上述问题，同时也为岩土工程数值分析提供计算模型。三维地质建模是指在原始的地质勘探数据基础上，在地质工程师的专业知识和经验指导下经过一系列的解译、修改后，以适当的数据结构建立地质特征的数学模型，通过对实际地质实体对象的几何形态、拓扑信息(地质对象间的关系)和物性3个方面的计算机模拟，由这些对象的各种信息综合形成的一个复杂整体三维模型的过程[5-6]。

1 GMS简介

GMS(Groundwater Modeling System)是Aquaveo公司推出的一款在三维可视化环境下开发、描述地下水的软件，目前的最新版本是9.2。GMS软件是美国Brigham Young University环境模型研究实验室和美国陆军排水工程实验工作站在综合MOFDFLOW、FFMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SFFP2D等已有地下水模型的基础上开发的一个综合性的用于地下水模拟的图形界面软件。经过10多年的发展，GMS软件的功能越来越完善，并在各个领域中取得广泛应用。

GMS主要组件及功能如下。

(1)GMS整合了MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、RT3D、SEEP2D、SEAM3D、UTCHEM、PEST、UCODE等模型和程序包，可进行地下水流和溶质运移模拟。

(2)GMS基本功能主要由11个组件构成，包括TIN Module、Borehole、Solid、2D Mesh、2D Grid、2D Scatter Point、3D Mesh、3D Grid、3D Scatter Point、Map and GIS。综合运用这11个组件可以建立三维地层实体，进行钻孔数据管理、二维(三维)地质统计、分析，为铁路工程地质勘察设计服务。

(3)Map和GIS模块支持ARCGIS的shp文件以及AutoCAD数据，因而可以处理地质勘察收集的地质图、水文地质图、地形图、地质调绘等基础资料；可以与GIS和AutoCAD无缝衔接，减少了数据转换和信息损失。

(4)铁路地质勘察定测阶段对全线路基、隧道尤其是桥梁主要采用钻探获得地层信息和岩土物理力学指标，Borehole模块支持钻孔数据的输入处理，可以直观显示二维、三维钻孔地层信息，绘制剖面图，为三维建模提供数据源。

(5)TIN模型用来拟合各类地质对象的几何结构面，如地层分界面、断层面等。

2 研究区概况

2.1 地形地貌

裴庄隧道位于山西省运城市万荣县，隧道总长7.135 km，隧道最大埋深87.5 m，穿越峨嵋台地。峨嵋台地为黄土塬，为第四系黄土覆盖，台地顶部地形平缓，地表大多已辟为耕地及果园，台地边缘地形起伏较大，横向黄土冲沟发育，以缓斜坡与汾河三级阶地相接，相对高差约130 m。隧道进口位于台地斜坡中下部，山坡自然坡度为5°～8°，出口处地形平坦。

隧道洞身穿越粉细砂层和黄土层，全部为Ⅴ级围岩，隧道洞身稳定性较差，如果获得隧道范围内详细的地层信息和粉细砂的具体分布，对于隧道方案比选和后期施工开挖安全意义重大。

2.2 工程地质勘察方法及工作量

在充分分析、研究1∶20万区域地质图的基础上，以现场调绘为主，选取局部典型地段钻探揭示地层，初步查明洞身工程地质及水文地质条件。共完成钻孔10个，钻孔深度35.4～116.5 m，这些钻孔均布设在隧道中线20 m范围内。

2.3 地层岩性

隧道所在范围内地层为第四系上更新统风积层(Q3eol)新黄土，第四系上更新统冲积层(Q3al)新黄土、粉砂、细砂，第四系中更新统洪积层(Q2pl)老黄土。

2.4 水文地质

隧址区无地表水，勘察深度内未见地下水。据现场调查访问地下水位埋深较深，埋深约在300 m左右。地表浅层受大气降水及人工灌溉影响，雨季有少量第四系孔隙水，排泄方式主要为蒸发。

3 数据处理流程

将收集到的基础地质资料依次导入到GMS中，综合使用TIN Module、Borehole、Solid、Map 和GIS模块完成模型的构建，数据处理流程如图1所示。

图1 数据处理流程

4 地质建模过程

工程钻探法是获取地下三维空间信息的重要方法，通过钻孔取样可以直接获取详细的岩层分布状况。钻孔岩心数据包含了地质工程、岩土工程中涉及到的绝大部分信息，如岩层岩性、断层特征、孔隙率、含水率、容重、抗压强度、抗剪强度、弹性模量、剪切模量等。这些特征反映了岩层的原始状况，或者说天然状况，是进行岩层可视化、模拟分析的主要数据。因此，钻孔数据是进行三维地质建模的主要数据来源，前人在这方面进行了较为深入的探讨和研究[7-12]。

4.1 格式转换

铁路工程地质钻探获得的钻孔信息一般使用理正工程地质勘察CAD输入处理， 首先从理正数据库中提取钻孔地质信息，将这些信息处理后导入GMS，然后建立工点的三维地质模型。由于数据存储形式不一样以及钻孔地层的表示方法不同，理正采用的是层底高程，GMS采用的是层顶高程，理正数据库钻孔信息不能直接利用，通过编制理正数据库与GMS的自动转换程序解决了这一问题(图2)。

图2 理正数据库钻孔信息转换

4.2 生成三维钻孔

将钻孔地层数据导入到GMS，效果见图3(红线代表不同的隧道比选方案，黄色代表新黄土，粉色代表粉砂，橘黄色代表细砂，橘红色代表老黄土)。

图3 三维钻孔及地层

4.3 绘制三维地质纵断面

工程地质剖面图是各类工程勘察实验和专家经验解释结果的综合，能够较好地反映研究区域典型的和特殊的地质现象，直观地表现地层分布和构造特征。二维地质纵断面是钻孔地层沿线位轴线的投影，而三维地质纵断面是现实世界地质的真实反映，比二维纵断面更形象、更具体[13-15]。在建模过程中将已有的工程地质剖面图蕴涵的信息加入三维地层模型中，根据相邻钻孔绘制一系列新的剖面图，然后将这些剖面图与钻孔数据结合在一起进行建模，大大提高了三维地层模型的精度与表现能力(图4)。

图4 三维地质纵断面

4.4 建立裴庄隧道三维模型

将连接好的Horizons转成Solids，生成三维地质模型(图5)，叠加遥感影像后可以清晰地看到地表的河流水系、道路居民地、地形地貌和地下的地质地层分布、走向以及线位与地层的空间关系。

图5 裴庄隧道三维地质模型

4.5 空间地质分析

根据建立的地层结构模型， 可以查看三维模型任意位置的地层情况，结合线路走向进行空间分析。使用Cross Section沿着各个方案的隧道中线进行切割模型(图6)，分析隧道洞身范围内粉细砂的分布，选线的时候尽量避让，选择地质条件有利的方案通过。

图6 隧道中线三维栅栏图

5 存在的问题

本模型主要利用钻探和遥感影像资料建立，数据源较为单一，由于钻孔的数量和密度直接影响建模精度，因此建立的三维地质模型还存在一定的误差，距离隧道越远，建模精度越低，但基本可以代表隧道中线范围内的地层分布情况，如果将地质横断面加入到模型中，将提高模型的精度和可靠度。

6 结论

(1)GMS建立的三维地质模型可以真实再现研究区域地层、地质构造分布和形态，即使不熟悉地质的设计人员也能对设计工点的地层和地质构造有一个十分直观的认识，大大提高了设计的精度和质量。

(2)GMS具有强大的三维可视化功能，将难以想象的复杂地质关系具体化，可以完成钻孔优化布置、勘察地质报告编写、任意横剖面切分出图等工作；不仅丰富了地质勘察报告的内容和形式，也为地质工程师推断研究区域内不良地质构造提供了可视化平台。通过本文的实例可以使这一世界先进技术更好地在工程地质领域发挥作用，为提高铁路工程勘察设计信息化水平、推广应用BIM技术奠定了基础。

(3)由于该方法建立的地质模型受到钻孔数量和密度的制约，针对这种情况可以通过模型反馈回来的信息及时发现已有勘察数据中的不足， 通过及时修改或添加勘察资料(如增加钻孔、充分利用地质横断面等)，不断提高模型精度。

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The Application of 3D Geological Model with GMS in Railway Geological Survey

Yang Junjie

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300251, China)

In recent years， the 3D visualization of geological body has dominated the development of railway engineering geology. In order to build three-dimensional geological model directly and quickly by using the existing 2D geological investigation results， this paper， based on the geological data of Pei Zhuang tunnel on the coal transport rail corridor from Mengxi to central China， establishes a geological data automatic conversion program based on the characteristics of GMS data. Finally a 3D geological model is established around the tunnel within the scope of 63.54 square kilometers. With DEM and the overlay of remote sensing images， the surface conditions and stratum distributions in and around Pei Zhuang tunnel are represented， which provides a visualized method for tunnel program selection， helps the geological engineer to understand and evaluate complex geological conditions on site， and also improves the design．

Railway engineering; Geological survey; GMS；3D geology; Geological modeling

2013-12-24；

：2014-03-17

杨军杰(1982—)，男，工程师，毕业于中国地质大学(武汉)，工学硕士，E-mail:yjj23088@126.com。

1004-2954(2014)11-0024-04

U212.22

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.006