岩土三维勘察设计系统在地铁工程中的应用

文｜魏志云 王国光

BIM技术是创建并利用数字模型对工程项目进行设计、建造、运营管理的协同工作过程。BIM的实施避免了信息孤岛的存在，有效提高效率、节省资源、降低成本，实现绿色科技与建筑融合的目标。2015年6月，国家住房和城乡建设部发布了《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》，将BIM应用提升到了国家层面。BIM在建筑行业的发展已蔚然成风，同时也深刻影响着工程界的其他行业。

近年来，岩土勘察项目大幅增多，尤其大型的岩土勘察项目不断涌现，如大型桥梁、地铁、隧道、大型化工厂等，这对岩土工程勘察三维成图和计算分析的要求越来越高。目前国内外已出现多种三维地质建模软件，比较有影响的有GoCAD、GeoEngine、GeoMo3D，但针对岩土工程领域而建立的地质三维软件并不多，对岩土勘察项目中岩土层多且薄以及尖灭、透镜等地质体发育现象不能很好支持。如何开发利用现有BIM技术实现岩土体与工程对象的空间耦合，加强岩土工程勘察成果的表达能力，并将岩土工程勘察融入工程全生命周期管理进程中，是值得研究的课题。

华东勘测设计研究院（以下简称“华东院”）业务范围涵盖水利水电、新能源、市政、交通、工民建等领域，目前开发了地质三维勘察设计系统GeoStation，该系统已在水利水电行业取得广泛应用。随着华东院岩土项目的不断增多，对岩土三维勘察设计软件有极大的内在需求。基于华东院三维设计主平台MicroStation提供工程各类数据的三维可视化、动态展示、空间属性计算、超限预警等分析手段，以及开发GeoStation的成功经验，2013年启动了系统研发，经过长期调研和开发，研制出岩土三维勘察设计系统——GeoStation for City。该系统主要由数据管理、三维建模与分析、辅助绘图、查询统计、计算分析等模块构成，组成框架如图1所示。

城市地铁建设是当前城市建设的热点，大量工程实践表明，地质条件分析结果的准确性是决定城市地铁规划与建设成败的重要因素之一。为了更好地将GeoStation for City服务城市地铁，对杭州地铁4号线南星桥站台进行三维地层建模，并将三维剖面与二维钻孔剖面结果连线进行对比分析，得出二者地层划分基本趋于一致，三维地层延展性更好等结论。该研究成果可为地铁站三维可视化研究提供一种借鉴。

系统关键技术

图1 GeoStation for City系统组成框架

图2 尖灭示意图

图3 透镜体示意图

图4 钻孔二维智能连线线框效果图

图5 钻孔二维智能连线填充效果图

图6 南星桥站地理位置图

图7 南星桥站结构平面图

钻孔三维地层自动建模技术。对于根据钻孔数据生成地层面进而生成地质体的方法研究的学者比较多，并且大多数都是对钻孔土层分界面的高程进行处理，得到各个土层面，再通过面与面的剪切、缝合运算得到最终的地质体。

为了使地层建模过程更加简单，应用更加方便，本文提出一种新的建模思路，没有用到面与面的剪切和缝合运算，而是先建立钻孔区地层实体，然后利用钻孔数据建立地层网格面，直接利用三维面剪切体技术，从上至下依次将地层实体切分，从而最终实现钻孔三维地层有序建模。该技术能较好处理尖灭、透镜体等特殊地层，基本满足实际工程需要。图2、3分别是尖灭、透镜体示意图。

钻孔二维智能连线技术。为了实现钻孔之间地层界线的自动连接，从各种地层结构中抽象出地层连续分布、地层透镜体、地层间断缺失和地层尖灭等四种地层空间分布类型，分别用不同的连线规则进行连接处理。

钻孔地层连线时，可根据MicroStation软件提供的B样条绘制方法对地层连线进行圆滑处理，效果更美观，其连线效果如图4所示。连线完成后，把相邻钻孔之间，上下相邻地层界线之间具有相同属性的地层区域使用MicroStation软件提供的泛填充方法填充为地层面，并在面的中心位置标注地层编号，其填充效果如图5所示。至此，完成了二维剖面钻孔地层智能连线。

三维应用实例

南星桥站是杭州地铁4号线一期工程与远期5号线的换乘站，位于杭州市上城区钱江路与飞云江路交叉路口，4号线沿钱江路东西向敷设，5号线沿飞云江路南北向敷设，地理位置以及结构平面图分别如图6以及图7所示。

车站西北侧为新建凤凰城小区，西南侧为赞成太和广场高层公建，东南侧为太和广场的旧售楼中心，东北侧为2层左右的临时建筑以及年代较为久远的凤凰南苑多层建筑群。

地质条件分析。经地层勘测研究，结果表明工程区沿线地貌属于冲海积沉积平原，地势开阔较平坦，第四纪地层发育，厚度较大，且层位较稳定，从上更新世至全新世地层发育齐全。主要成因类型有河流相、冲海相及海相等，从老到新是由一套陆相堆积～海陆交替堆积～海相堆积地层组成。因此不存在滑坡、危岩和崩塌、泥石流、采空区等不良地质作用。

地震地质调查与资料研究结果表明，拟建场区大地构造隶属扬子准地台钱塘江台褶带的余杭～嘉兴台陷东北端，浙西北大复向斜的翼部，区内以断裂构造为主，褶皱不明显。综合上述，工程区地属较稳定场地，适宜建造本工程地铁车站建（构）筑物。

三维建模。基于GeoStation for City岩土三维勘察设计平台钻孔三维地层自动建模技术，并结合勘测得到的大量钻孔数据形成了钻孔数据模型，所建模型如图8所示。并在钻孔数据基础上，最终快速、高效的实现了南星桥站附近钻孔三维地层有序模型的创建，地层模型如图9所示。在地层模型图中，不同地层用不同色块表示，两色块交界面即为地层界面。在形成地层界面过程中，由于软件采用的是克里金插值算法，并借助TIN三角网技术拟合而成，因此地层界面过渡平滑、自然，尖灭、透镜体等特殊地层得到了较好处理。

二维出图。在GeoStation for City岩土三维勘察设计平台上，对创建的地铁站地层三维模型进行了切片处理，最终得到了该切面三维垂直勘探剖面图，剖面图效果如图10所示。图中，程序自动对不同地层进行了编号标注，同时还做了填充渲染，形成了直观、生动、逼真的地层剖面效果图。图11则为直接利用钻孔数据形成的二维垂直勘探剖面图，与三维垂直勘探剖面图形成了对比验证。从图中可以看出，两者形成的剖面图在层序、层顶底面形态以及尖灭位置大致上相当，只有少部分存在微小差异，这一现象验证了岩土三维勘察设计平台所创建的地质模型准确、可靠。此外，观察三维垂直勘探剖面图，可以发现其地层具有更好的连续性，层与层之间过渡平滑，没有突变现象的发生，更加接近于真实的地层岩土数据。

图8 钻孔模型

图9 南星桥站三维地层模型

图10 Ⅳ-Ⅳ’ 三维垂直勘探剖面图

图11 Ⅳ-Ⅳ’ 二维垂直勘探剖面图

数据统计分析。相对于水电项目而言，岩土项目建设周期较短，因此岩土项目具有工期紧、工序精细等特点。这直接带给设计人员的挑战就是要在最短时间内完成数据的录入、处理以及出图工作，而大量数据的手工录入以及处理过程相当繁琐，并且容易出错。

表1 南星桥站参数建议值表

为解决上述岩土项目上碰到的困局，减轻设计人员工作量，提高数据处理效率，减少错误出现的机率，GeoStation for City在数据入库和数据导出接口上增加了更多的便捷工具，导出统计报表功能就是其中一项重要内容。

导出统计报表功能将数据库当中的数据按照指定要求，以一定的格式导出到Excel表格中，成倍的提高了数据录入以及输出的效率。统计报表包括地层统计表、静力触探表、标准统计表、动力触探表、扁铲试验表等，这些成果统计可为设计人员提供参数建议值。通过以上成果统计得出参数建议值表，如表1所示。

三维综合场景。对南星桥站的地铁结构、地面建筑和地质三维模型进行合成，得到综合展示图，如图12所示。通过综合展示，各个建筑物、地铁结构和地质体的位置关系清晰可见，并且可以通过局部放大、剖切等功能，了解地铁路线路穿透的地层性质，便于工程师及时处理软弱地层等特殊地层，为工程设计提供有力支撑。

基于MicroStation平台，华东院研究开发了岩土三维勘察设计系统GeoStation for City，重点阐述了系统框架、关键技术和地铁应用。目前GeoStation for City遵循“一个平台、一个模型、一个数据架构”的理念，在实际工程中大大提高了岩土勘察三维协同设计效率。

首先，GeoStation for City数据库中包含岩土勘察、土工试验、地球物理勘探、现场试验监测数据、施工地质等工程综合信息，使项目领导和各专业团队都能远程获取和共享最新工程数据，帮助各方工程参与人员及早发现和快速分析工程施工技术与安全问题，为工程动态设计、消除工程风险提供可信的决策依据。

其次，GeoStation for City在数据综合、钻孔三维地层建模和钻孔二维智能连线等关键技术上的突破，使得该软件具有实用性强、真三维、操作便捷的特点。利用三维地层建模技术得到地层数据所具有的优点在于研究者能在不用部署大量钻孔情况下，就能获取任意感兴趣地层剖面数据，达到了解地层的目的。即能从多方位、多角度、多途径获取多层次、大批量关键工程数据，为工程决策提供了科学、专业以及强有力的数据支撑。

第三，GeoStation for City在杭州地铁4号线上的成功应用，进一步检验软件的适用性。通过三维建模剖切面与二维钻孔连线比对，发现二者基本趋于一致，说明三维地层建模技术能将空间地层进行合理划分，对于尖灭、透镜体等特殊复杂地层也能进行有效处理。

尽管岩土三维勘察设计系统在三维地层建模上取得重大突破，但是在城市三维场景应用、BIM技术结合等方面有待进一步研究。下一步将从岩土高级计算、地铁保护、城市地质等领域拓展，实现城市地下空间合理利用。

图12 三维模型综合展示图