基于GOCAD的成都地铁声波参数可视化应用研究

杨期祥，王森，牟迪，林刚，巫锡勇，廖昕

(1.西南交通大学 地质工程系，四川 成都 611756；2.中铁二院工程集团有限责任公司 地下铁道设计研究院，四川 成都 610031)



基于GOCAD的成都地铁声波参数可视化应用研究

杨期祥1，王森1，牟迪2，林刚2，巫锡勇1，廖昕1

(1.西南交通大学 地质工程系，四川 成都 611756；2.中铁二院工程集团有限责任公司 地下铁道设计研究院，四川 成都 610031)

摘要:利用GOCAD软件的参数建模功能，将成都地铁某段线路沿线声波测试法测得的各层岩土体的纵、横波传播速度作为区域化随机变量进行属性地质模型的构建，沿地铁走向建立的三维地质模型不仅可以体现沿线地层空间分布规律特征，而且可以直观展现出地质体的动弹性力学特性，实现了地质体空间结构展布与力学特征的结合和可视化，并且通过 GOCAD软件提供的地质统计分析方法来预测模型中任意点的参数值，更有助于观察声波参数在研究区域内的变化趋势，可简捷高效对地铁沿线建筑土类型及场地级别进行划分，从而方便工程设计人员更加便捷详细地获得直观、准确的工程地质信息。

关键词：GOCAD；参数建模；三维地质模型；空间分布；地质统计

随着城市地铁建设快速发展，对于工程地质勘察工作也提出了更高的要求。如何结合地质勘察为地铁的设计及施工提供详实的地质资料，如何准确有效地评价建设场地的工程地质条件，对于城市地铁建设意义重大。而对于传统的工程地质分析方法，一方面，工程地质资料的分析和解释多以文字、图表等二维、静态的形式展示，描述空间地质构造起伏变化的直观性差，不能充分揭示地层的空间分布规律；另一方面，传统勘察方法在实际工作中操作难度较高。尤其在城市地铁建设中，限于沿线高楼林立、地表建筑物及地下管线密集，实际工作中经常遇到无勘察工作面，无法按设计进行布点的情况出现。而随着现代计算机技术的发展及三维地质理论的逐渐成熟，三维地质建模软件GOCAD开始应用于辅助传统的地质勘查工作[1-3]。利用GOCAD可以将野外勘察工作中得到的地质资料经过整理归类后以数据库的形式保存并以立体的、与真实地质体具有同样属性的三维地质模型呈现；三维地质模型的建立还可以进一步指导野外勘查工作，辅助勘察人员进行合理的钻孔布置，使勘察工作在实际应用中操作性更强，甚至可以利用钻孔资料插值拟合出周围地层数据，直接在地质模型中获得部分控制孔的勘察信息，而无需实际钻孔；更重要的是利用GOCAD参数建模可以实现地质体物理力学参数的可视化、直观化[4-6]。建立的属性参数模型不仅能够用于地质信息的查询，而且可以通过多种地质统计分析方法对地质模型中任一点的物理力学参数值进行预测以及观察该参数在研究区域的变化趋势，从而为设计施工提供全面详实的地质数据，有利于设计人员对该区域工程地质条件进行综合分析评价。目前，国内将GOCAD应用于工程中的相关研究相对较少，大都用于建立简单的小范围三维立体模型[7-9]，基于GOCAD的大区域参数建模还鲜有研究，张聚兴等[10-11]将GOCAD 技术应用于城市环境地质评价取得了较好的效果，但对于参数模型的方法及原理并未作出明确解释。董慧超等[12-13]将GOCAD三维建模应用于城市地铁建设工程，但所建立的模型较粗糙，未能结合地铁走向对模型进行优化与改进。基于以上研究，结合地铁工程走向，选取有效参数将其应用于GOCAD进行空间参数立体化展示，是本文拟解决的关键问题。 在城市地铁施工中，尤其是对于成都这种典型的砂卵石地层，与岩土体的弹性波速有关的动弹性力学参数是设计、施工中一项十分重要的影响指标[14]。该指标不仅可以反映地层地质特征以及物理力学性质，实现对围岩体的工程地质分类及稳定性综合评价，测得动弹性指标后结合室内物理力学实验进行分析比较，还能保证测量方法的多样性以及测量数据的可靠性、正确性。目前常用的测量方法是原位声波测试法，即弹性波法，原位声波测试是利用脉冲震源激发弹性波,弹性波在岩体中传播时，其声学参数如速度、振幅、频谱等将受到介质体的岩性、结构、风化程度等影响而发生变化[15]。这些变化将直接反映出岩体的地质构造和物理力学性质。相较于静力法，原位动态法的优点是原位动态、测试面广、设备轻便、周期短、经济且易于掌握。目前，工程中对于将原位声波测试得出的动弹性力学参数大都只是作为静态的试验数据进行整理和分析，并未考虑将该参数与三维地质模型结合分析。通过GOCAD参数建模不仅可以实现动弹性力学参数在空间上的三维分布，及时提供信息指导现场施工，还可以结合地表实际情况进行建筑场地的稳定性评价，甚至能够结合地区抗震等级，对建筑场地进行抗震设计。本文收集整理成都地铁某段线路的勘察钻孔资料和室内土工试验数据，利用GOCAD软件建立三维地质模型，在此基础上，将地铁沿线声波测试法测得的各层岩土体的纵、横波传播速度作为区域化变量赋予地质体模型中并建立参数模型，实现了地质体的空间结构展布与物理力学性质有效结合，可为类似地铁工程地质建模提供借鉴。

1三维地质模型的构建

为建立参数模型，首先应当实现三维地质体模型的构建，三维地质模型可以分为构造模型(structural modeling)和三维储层栅格结构模型(3D Reservoir Grid Construction)，构造模型主要用来模拟地层面、断层面的形态和相互位置关系，可以用于地质构造分析以及地震勘探中地震反演的重要手段；三维储层栅格结构建模则可以将地质体的岩层特性和资源分布等特性参数导入，生成地质体参数模型。因此，本次建模采用的是三维储层栅格结构模型。通常三维地质建模主要有以下几个步骤：点模型的构建，面模型的构建和体模型的构建。而点模型及面模型的构建通常包括数据分析整理及离散数据插值拟合2步。

根据勘察钻探揭露分析，依据该场地岩土层特性，可将地铁沿线土层主要分为4层，如表1所示。

表1　地铁沿线地层岩性

通过收集和整理沿地铁走向总共8个站的112个钻孔资料，并按照如下步骤依次进行GOCAD三维地质建模。

1)建立点模型。首先根据钻孔分层资料提取各个钻孔分层点的(X，Y，Z)数据导入sufer软件进行 Kriging 插值，以点的形式(pointset)导入 GOCAD 中，这时GOCAD生成的是一些三维的坐标点。为直观清晰地反映导入的坐标点与实际线路的关系，根据点的分布绘制出一条拟合曲线。如图1～2所示分别为成都地铁某段线路走向示意图和导入的原钻孔布置点拟合曲线 ，对比可知，地铁走向与原钻孔控制点拟合曲线十分吻合，证明收集和整理的钻孔点数据是有效和准确的。

图1　地铁线路走向示意图(上为平面图，下为纵断面图)Fig.1 Stretch figure of the subway line(the above is plane figure, the below is longitudinal profile)

图2　钻孔控制点拟合曲线Fig.2 Fitting curveof borehole control points

2)建立面模型。以各个钻孔分层点作为控制点，形成 Delaunay 三角网格化的曲面，并利用 GOCAD 软件里的 DSI 插值算法优化各层初始曲面；在地层尖灭或者缺失区域获得其交线，然后利用交线约束修改原尖灭、缺失地层曲面从而最终建立各地层的层面，由于第5层卵石土厚度较大，钻孔最底部揭露地层即为该层，因此本次建模将该层添加为底面，且所有的Z坐标都统一定为钻孔揭露的该层最大深度。如图3～4所示。

为了直观地呈现沿地铁走向的三维地质模型，需要对已建立的各层初始曲面沿地铁走向线进行切割，即先将地铁走向线的Z方向进行延伸，生成侧面作为切割面，然后沿交线对各层初始曲面进行切割，得到切割后的各层曲面，如图5～6所示。

图3　面层插值数据Fig.3 Surface interpolation data

图4　各层初始曲面Fig.4 Initial surface of each layer

图5　各层初始曲面切割图Fig.5 Cutting figure of initial surface

图6　切割后的各层曲面Fig.6 Each surface after cutting

3)建立体模型。GOCAD中提供了2种体模型的建立方法，一种是实体模型对象(Solid)，另一种是网格模型对象(SGrid)。Solid模型相对简单，主要是对地质体几何特征和空间结构的模拟，不能赋予模型任何物理力学参数信息，因此在实际工程中应用较少。而SGrid模型却能弥补上述缺点，不仅可以建立三维模型，还能导入地质体物理力学参数信息，并且SGrid模型的栅格节点信息和拓扑关系还可以导入到FLAC以及ANSYS等数值软件中进行后处理分析，因为这些优势SGrid模型应用相对广泛。因此，本次参数建模采用了SGrid模型建立体模型。SGrid模型的建立步骤可以简单分为以下几步：1)选择顶底面，分别设置顶、底面；2)设置顶底面之间的连接；3)设置平面网格方向；4)设置纵向上网格方向；5)创建中间层单元；6)定义纵向上网格数；7)定义平面上网格数；8)创建三维地质网格模型，参照上述步骤建立的三维地质网格体模型如图7所示。

图7　由SGrid法做出的三维地质模型Fig.7 Three-dimensional geological modeling generated by the method of SGrid

2三维参数模型的构建

2.1区域化随机变量的确定

区域化随机变量也称为区域化变量(Regionalized Variable)，当一个变量呈现空间分布时，就称之为区域化变量。它是一个以空间点的三维坐标(x，y，z)为自变量的随机场，它的显著特征是变量的随机性以及结构性。假设空间中任一区域化随机变量F(u)为空间点u(x，y，z)的函数，其中(x，y，z)为点u的三维坐标，则任一点m处的区域化随机变量即可表示为F(m)，这就是区域化变量的随机性体现；而空间中任2点a和b的区域化随机变量F(a)和F(b)通常具有某种相关性，即空间中同种属性的区域化随机变量具有一定的联系，这就是区域化随机变量的结构性体现，例如同种土层的同种物理力学特征在空间上呈相似性分布。基于GOCAD的参数建模所采用的参数必须是区域化随机变量，本次参数建模采用的参数是通过原位声波测试法得出的动弹性力学参数如横波传播速度，纵波传播速度，以及动剪切波速等。这些参数既具有随机性又具有结构性，所以可以被看作是区域化随机变量。根据前人的研究分析可知[14]，横波传播速度只与介质密度和剪切模量有关，反映了岩体抗剪切的能力；纵波传播速度不仅与压缩模量和介质密度有关，而且也与剪切模量有关，反映了岩体压缩与抗拉伸的能力。

2.2建立参数模型

通过对地铁沿线每个车站区间选取2～3个代表性钻孔中不同深度的土层进行原位声波测试，确定每个土层的动弹性力学参数，并把直接量测得出的横波传播速度、纵波传播速度值经过整理后作为取样点的一个属性值进行导入，即利用软件的Reservoir Properties 功能选择已建立好的SGrid模型，建立1个或多个属性参数值将其添加到该网格模型中，根据该参数点类型选择离散性或连续性，利用软件中的DSI插值算法进行属性多维网格插值，根据实际需要选择一种赋值到网格体的方法(最近原则，算术平均，几何平均，谐和平均，反距离平均，加权平均)，然后利用 GOCAD 中的地质统计Kriging插值法(简单克里金，普通克里金，外部漂移克里金，贝叶斯克里金，协克里金，趋势克里金) 进行地质统计模拟估算参数的分布，使这些参数分布以三维体表现出来形成参数模型，可以形象直观地得到某参数在整个地质体中的变化情况。下面以横波传播速度，纵波传播速度建立的参数模型为例，见图8～9。

图8　横波速度参数模型Fig.8 Parameter model of shear velocity

图9　纵波速度参数模型Fig.9 Parameter model of p-wave velocity

由图8～9对比可看出，在空间分布上，横波速度与纵波速度大小成正相关，即横波速度大的地段纵波速度相应也较大。由色标示值还可以看出二者均随地层深度增大，颜色趋于速度大的色区，即波速逐渐增大，地层愈密实愈坚硬。而同一地层的波速基本上保持同一色区，即保持在一个相同的波速范围之内。为验证所建模型与实际情况是否相符，以横波速度参数模型为例，统计了现场所测得的各试验点的横波传播速度值，与建立的横波速度模型进行对比分析，并依据《建筑抗震设计规范》[16](GB50011—2010)中第4.1.3条规定，将场地土类型划分见表2。

表2　横波传播速度统计对比及场地土类型划分

由表2可知，参数模型与实测数据吻合度较高，说明所建模型能较好地预测横波传播速度在地铁沿线上的空间分布情况，并可以根据模型色标识别场地土类型，大大提高了勘察效率。同理，还可以根据各层土的横波速度得出等效剪切波速，参照规范判别标准对沿线地铁区间进行建筑场地类别划分。

另外，参数模型建立之后，GOCAD还具有强大的属性建模后期处理功能，包括地质统计(计算平均值、中值，最小值、最大值、比例等)、概率计算(计算属性不同范围内的实现概率)、统计计算三维属性，在二维图上显示等功能。通过对建立的声波波速参数模型进行分析，不仅可直接用于参数信息统计与查询，还能结合室内试验进行建筑场地的稳定性分级，也可间接将建立的SGrid模型导入FLAC(3D)和Midas/GTS等软件中进行数值计算，还可以方便地导入到MPGIS等地理信息系统软件中，建立区域化的数据库，对于工程地质工作而言，具有十分重要的应用价值。

3结论

1)利用有限数量的钻孔控制点通过Kriging插值生成扩大范围的曲面后，针对地层尖灭或者缺失区域，可先在交错面上生成交线，然后利用交线约束修改原尖灭、缺失地层曲面，从而最终建立各地层的层面。

2)对于已建立的地层层面，若需要按照实际情况进行切割，可先生成一条沿切割方向的曲线，并通过Z向延伸得到侧面，将该侧面作为切割面使之与初始层面相交，然后沿交线对各层初始曲面进行切割，得到切割后的各层曲面。

3)对于符合区域化随机变量的参数可以导入GOCAD进行参数建模，本文选取了纵、横波传播速度导入GOCAD建立了三维地质参数模型。通过模型参数与实测数据的对比分析，证明该参数模型能较好地反映纵、横波速度在空间上的分布情况，表达效果较理想，能有效预测岩土体性质分布趋势，进行场地土类别划分及场地等级评价等工作。

4)在构建好波速参数模型的基础上，若能与室内实测的各类型岩性波速试验进行比较，则可以使模型参数实现量化与可视化，对于今后成都地铁数据库的建立与完善将发挥重要的辅助作用。

5)本次所建三维地质模型，限于钻孔数量有限和地质分层较粗略，未能呈现出砂卵石层中透镜体性质以及空间分布情况，有待进一步细化与加强；而在结合地质构造进行地质解释等方面也有待进一步改进。

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(编辑阳丽霞)

Study on GOCAD-based visualization of acoustic parameters applied to the subway project in Chengdu

YANG Qixiang1, WANG Sen1, MOU Di2, LIN Gang2, WU Xiyong1, LIAO Xin1

(1.Department of Geological Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756,China;2.Metro Design and Research Institute, China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd, Chengdu 610031, China)

Abstract:Based on the parametric modeling capabilities of GOCAD, this paper gets the data of the shear wave velocity and the longitudinal wave velocity which were measured by acoustic test method on each stratum along the subway in Chengdu .They were used as the regionalized random variables to build attributive geologic model. The established 3D geological model can not only reflect the characteristics of stratum spatial distribution but also intuitively show the dynamic elastic mechanics characteristics of geologic body.It achieved combination and visualization of the distribution of spatial structure and mechanical properties. In addition, the use of kinds of geological statistical analysis methods provided by GOCAD software canpredict any parameter values of arbitrary point in the model and well observe the change trend of acoustic parameters in the study area, which can be simple and efficient to evaluate the soil type and site level along the subway, assisting designers in achieving intuitive and accurate engineering geological information conveniently.

Key words：GOCAD; parametric modeling; 3D geological model; spatial distribution; geological statistics

中图分类号：TU443

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)03-0523-06

通讯作者：廖昕(1986-)，男，湖南衡阳人，博士，从事特殊岩土体工程特性研究；E-mail:xinliao@swjtu.edu.cn

基金项目：国家自然基金科学基金资助项目(41172261)

收稿日期：2015-06-19