精细化三维地质建模在城市地下空间开发中的应用

广东省环境地质勘查院 古锐开 陈伟

广东省水文地质大队 欧阳春飞

引言

随着国民经济和基础建设的高速发展和城市化进程的加速，城市地面上的可利用空间不断减少。城市发展空间呈现出明显的自上而下的开发态势，地下空间已经成为城市不断拓展的重要资源。

地下空间的开发利用与其所处的地质环境条件，如地质构造、地层岩性、水文地质条件、不良地质体等密切相关，由于地质环境条件往往具有较大的各向异性以及复杂性，缺乏对地质环境条件的深刻把控，极易出现地下（地面）空间建筑物及结构失稳的现象，而目前勘察测绘技术的数据成果，几乎都是以二维空间的形式来展示，这种二维空间的信息资料繁多，且缺乏整体性以及连续性，很难直观且科学地展示实际的地质环境条件，这给城市地下空间的规划、设计、建设以及后期维护带来了相当大的难度。与传统的二维数据相比，精细化三维地质建模技术在数据整理上更具全局性、相关连续性以及动态性，在展示效果上更具直观性、立体性以及细节性，可为国土、建设、水利水电、电力、交通、矿山等部门在地下空间开发利用工作中提供良好的技术支撑。

1.国内外研究现状

三维地质建模是矿山开发、岩土工程、水利水电、石油勘探、地理信息系统、以及科学计算可视化等领域中的研究热点。三维地质建模是在地质信息、地理信息、空间分析技术、实体分析技术以及图形可视化技术等工具的基础上，在三维环境展示并用于地质分析的技术。三维建模技术不仅可以精细地展示出从地表到设计深度范围内岩土体的物理力学性质、垂直向的层序、岩层相互沉积关系，地下水流向、地下水分布，岩层厚度、深度、高程、侧向扩展范围等详细数据，并且可以针对研究区域做整体或者切片分析，能够更为真实和精细地表达实际的地质环境条件。

三维地质建模技术国外起步较早，最初应用于矿山管理和采矿设计工作中[1]，经过多年的发展，国外在理论、程序开发以及实例应用等方面均取得了大量的成果，也开发出不少商业软件，如EarthVision三维建模软件。该三维可视化建模软件可用于建立三维油藏构造格架模型、参数模型形成三维数据体以及复杂断块的模型[2]；GOCAD是地质建模专业软件，优势在于突破了常规GIS工具的局限，实现了构建复杂地质构造包括褶皱、断裂（包括断层、节理）等的三维地质模型[3]；PETREL 是目前应用较广的一款地质建模软件，它是建立在地质分析的基础上，不仅可以构建储层的三维地质框架，还可以利用确定性建模技术组建储层物性模型对创建的属性模型进行网格抽稀处理，并进一步根据数值模拟结果进行调整，使其与实际的地质情况更加匹配[4]；GeoModeller对于复杂的三维地质模型，可以直接从固体三维地质进行正向和逆向建模，其功能较为强大，其中包括地质编辑器、钻孔和网格/网格管理、正向和反向地球物理模块，用来管理和解释整个地热或工程勘探项目[5]。

国内的三维地质建模技术研究起步较晚，但也做了大量的有益探索，并取得了一定的成果。中国地质大学国土资源信息系统研究所开发出了GeoView的可视化地学信息系统平台，该平台具有多“S” (DBS、GIS、RS、GPS、CADS 和 ES等)的 结合与集成特征，开发有三维动态模拟系统，可以实现对数字盆地、数字矿山、数字城市（地下部分）、数字煤田和水电工程等地质过程的真三维动态可视化模拟[6]。GeoEngine是我国自主研发水电工程地质三维信息系统，针对水利水电工程地形地质条件复杂和精度要求高等特点，提供了强大的三维建模、三维编辑、三维查询统计和三维空间分析功能。中国石油大学开发的 RDMS和南京大学开发的 SLGRAPH，均可以通过三维信息图形实现石油勘探数据的可视化[6-10]。

2.三维地质建模流程及方法

三维地质建模基本遵循由点到面、面拓扑成体的流程。第一，数据处理。首先通过勘察测绘工作获取钻孔、地形资料，进行数据解译与数据处理，建立钻孔数据属性库；第二，构建面状模型。利用一定的数学插值算法对离散型的原始钻孔数据进行数学插值、空间拟合，构建面状模型，最终生成覆盖全部钻孔位置的规则网络，地质上常用的数学插值算法包括泰森多边形法（最近邻法）、反距离加权法、离散光滑插值法、克里金插值法等；第三，层序建模。根据层序学方面的理论，以地质构造和地层作为边界条件，通过建立精度高的层序模型反映地层的剥蚀和尖灭等之间的不整合关系；第四，实体建模。根据层序拓扑关系，在面状模型的基础之上建立地质真三维几何模型；第五，属性建模。针对所建立的地质真三维几何模型进行内部的属性参数的建模，属性参数包括岩土体的物理力学参数、孔隙度、渗透率等，最终实现在真三维空间中对地质实体的几何形体和地质实体内部属性参数的建模。

3.实例分析

本文在精细化三维地质建模理论的基础上，选取了广东省广州市南沙区某地块作为研究对象，对其地下空间开发进行精细化三维地质建模分析。

3.1 地理位置

该地块总用地面积约16505m2，位于珠江三角洲入海口的广州市南沙区南沙街道大涌村，西北方向距离南沙区政府5.6km，西南侧为蕉门河流域。该地块岩土体类型较多，埋深及厚度变化大，岩层层面起伏较大，地质环境条件较复杂。

3.1.1 地形地貌条件

该地块地势平坦、开阔，地形起伏小，场地现状为荒地，正在平整。地面标高在7.10m～7.60m之间，地面平坦，设计标高为7.80m。

3.1.2 岩土体分类及工程地质特征

根据收集的48个勘察钻孔资料，该地块岩土体类型较多，按成因类型可划分为人工填土层()、海陆交互相沉积层()、残积层()和燕山三期花岗岩(γ52（3）)等4大成因层，可细分为11个亚层，如表1所示：

3.2 精细化三维地质建模实例研究

在上述精细化三维地质建模流程及方法的基础上，采用三维地质建模软件，对该场地进行实例研究，场地共布置了51个钻孔，其位置如图1所示。

（1）层序面状模型的建立

本研究利用克里金插值法算法对离散型的原始钻孔数据进行数学插值，根据层序学方面的理论，空间拟合构建出层序面状模型，可以较好地反映出地层的剥蚀和尖灭等不整合的关系，如图2所示。

（2）实体模型的建立

在岩土层分布图的基础上，根据层序拓扑关系，建立地质真三维几何模型，并通过“剥离”技术，可以针对单独的展示和分析，衍生出相关的系列图件，包括：①岩土层层位的厚度分布图（图3），最大的岩层厚度约22m，为淤泥层，由于场地分布了多层淤泥，且厚度较大，因此，我们可以单独抽取淤泥层进行研究（图4）；②岩土层深度分布图（图5），通过该图件可以清晰明了地掌握每个层位所分布的深度信息；③岩层层位所处高程分布图（图6），受岩层起伏影响，因为每个岩土层分布的高程均不一样，通过该图件可以对每个层位所分布的高程信息有更为细致的了解，并且可以单独考察某岩土层（持力层）的分布高程，为后期设计提供相关可靠的数据（图7）。

表1 岩土体分类及工程地质特征

（3）精细化三维地质模型的分析

当精细化三维地质模型建立以后，我们可以根据地下工程的建筑类型以及方向等要求，根据特定的建筑工程（管道工程、地下洞室、地铁线路等）展布的确切方向，针对建立的精细化三维地质模型进行切片分析，得出下覆岩土体的各项参数（深度、高程、厚度等），如图8、图9所示。

除了对三维地质模型进行切片分析外，针对开挖基坑这一目前在城市地下空间开发最广泛的应用，也可以通过精细化三维地质模型进行基坑开挖后的模拟，对基坑的坑壁、坑底所涉及的岩土体进行分析，为基坑支护以及工程建设提供科学的有利依据，建立的基坑开挖模型，如图10所示。

图1 钻孔位置图

图2 岩土层分布图

图3 岩土层层位厚度分布图

图4 淤泥层厚度分布图

从图10可以看出，在基坑开挖后，基坑侧壁从上至下分别为：<1> 人工填土、<2-1>淤泥以及<2-2>粉砂层，基坑底部大部分为<2-2>粉砂层，<2-1>淤泥层局部分布。

图5 岩土层深度分布图

图6 岩土层层位所处高程分布图

图7 中风化持力层层位所处高程分布图

4.结论

本研究在精细化三维地质建模流程及方法的基础上，选取了广东省广州市南沙区某地块作为研究对象，建立精细化的三维地质模型，对各岩土层的厚度、深度、分布高程等因子进行了精细刻画，并采用“切片”及“开挖”的形式，对三维地质模型进行了分析，为后期工程建设提供科学的依据；同时，本研究根据野外调查情况，并结合三维地质建模研究，证明了精细化三维地质建模可以很好地刻画城市地下空间开发中所涉及的地质环境条件，并具有较高的准确性。本研究同时发现：与传统的二维地质成果相比，三维模型突破了用二维图形描述三维岩土体的局限性，从三维空间上定量地表征了岩土体的非均质性，从而有利于城市地下空间开发工作者进行合理的评价与开发管理，对城市地下空间开发有着重要的意义。

图8 任意方向的岩土层层厚切片分析图

图9 岩土层层位所处深度切片分析图

图10 基坑开挖模型