EVS耦合钻孔-标贯数据三维地质建模方法在市政道路勘察中的应用

刘先林 沈家品 甘力

基金项目：2019年度交通运输行业重点科技项目“水敏感性岩土体高陡公路边坡灾变智能监控预警及应急防治关键技术研究”（项目编号：2019-ZD5-026）

作者简介：刘先林（1982—），高级工程师，主要从事岩土勘察设计及管理相关工作。

文章基于钻孔与标贯数据难于耦合建模分析的问题，在总结EVS（Earth Volumetric Studio）程序模块、适用条件及三维建模方法的基础上，提出了地层建模、岩性建模、参数建模及耦合建模等4种常用方法，并以南宁市那况路人工填土路段为例，采用EVS平台进行地层-标贯数据耦合建模，开展了三维地质模型效果展示、土石方开挖方量计算、边坡开挖软弱土层分析等研究工作。研究表明：相对于传统二维勘察图件成果，三维地质模型可更清晰地展示各地质体的空间位置分布规律，可快速进行边坡三维开挖方量及土石成分比例计算，通过三维地层模型与标贯参数模型的开挖叠加分析，发现在边坡开挖区存在明显的软弱土层，易引起滑坡和不均匀沉降，避免遗漏人工填土层内的隐蔽软弱层，为确定开挖方量、边坡坡率与防护、路床换填区域及厚度等设计文件提供了可靠依据。

三维地质建模;EVS（Earth Volumetric Studio）;地层模型;岩性模型;参数模型;市政道路

0 引言

随着计算机技术的飞速发展，BIM和大数据技术不断进步，在岩土勘察行业中的三维地质建模也得到了良好的推广和应用。三维地质建模技术（3D Geological Modeling）是由加拿大学者Simon W.Houlding在1993年提出的。该技术是应用计算机知识将地质数据信息、空间分析与预测、地质统计、实体模型与可视化等综合工具，用于地球科学研究的新方法[6-7]。

三维地质模型是岩土BIM技术的核心，与桥梁、隧道、路基、场站等结构BIM建模相比较，三维地质模型更具复杂性，因为具有地质认识多解性、地质数据多样性、地层界面不规则、边界约束条件多等特点。目前常用的三维地质建模平台主要有Gocad、Itscad、GeoStation、Surpac、Micromine、3D mine、Petrel、EVS（Earth Volumetric Studio）等软件。在三维地质建模平台选择过程中，需要重点考虑能充分表达三维地质体的空间拓扑结构、几何特征及属性信息等，还需要具备融合物探、原位测试等多源数据，并支持地质模型可根据变化数据进行动态更新功能。

在三维地质建模中，常用的数据源主要有钻孔数据、剖面数据、物探数据、原位测试数据等，根据不同的数据源，可根据实际情况选用地层建模、岩性建模、属性建模等3种方式，也可选择2～3种方式进行耦合建模。针对市政道路勘察的特点，可用到的地质建模数据主要为钻孔数据和标贯原位测试数据。本文采用EVS软件对南宁市那况路典型人工填土段实施三维地质建模，利用三维地层模型和标贯参数模型进行开挖方量分析和软弱土层叠加分析。实践证明，三维地质模型可更直观地展示三维地质结构，利用多源数据耦合建模与叠加分析方法，更有利于发现常规勘察手段不易察觉的隐蔽性工程问题，值得在后续类似勘察项目中广泛推广应用。

1 EVS简介

EVS（Earth Volumetric Studio）由美国C Tech 公司推出，是国内外最为流行的地球科学领域的3D建模软件，可服务于地质工程、环境工程、地球化学、地球物理、采矿工程、土木工程及海洋工程等领域。该软件具有Estimation（估算）、Geology（地质）、Display（显示）、Analysis（分析）、Annotation（注释）、Subsetting（子集）、Proximity（鄰近）、Processing（处理）、Import（导入）、Export（导出）、Modeling（建模）、Geometry（几何）、Projection（投影）、Image（图像）、Time（时间）、Tools（工具）、Cell（单元）、View（查看）等模块，每个EVS模块都可以被视为软件应用程序，这些模块都有输入和输出端口以及用户界面。在使用过程中，可将各程序模块进行连线组装，形成可执行分析和可视化的高级定制应用程序，具有极强的操作灵活性和处理速度[1]。

EVS软件将体积网络、地质统计分析、3D和4D可视化工具等集成到一起，可更直观地进行统计分析和汇报展示。EVS除可满足分析地表水、地下水的数值模拟，也能满足多种分析物数据分析、土壤和地下水污染以及矿体的综合体积与质量计算等要求。在BIM技术和大数据不断发展的今天，该软件已成为地质工程师和岩土工程师不可缺少的工具之一，可用于三维可视化建模、土石方挖填量分析、地层可靠性分析等工程问题。

2 三维建模方法

传统地质勘察是通过钻孔获取离散点在竖向上的地质信息，若想获得高精度的三维模型，则需要布置更多的钻孔，这显然成本较高不宜实现，因此可利用勘察点源数据对空间任意位置的信息进行插值估算。EVS软件提供了多种模型网格类型和空间插值方法，在实施应用过程中，可根据数据类型及特点选择合适的网格和插值方法，以顺利实现地质建模、分析及显示等功能。

2.1 网格与插值方法

在EVS建模中，通常要先确定建模范围和网格类型，然后再利用空间多源数据在网格内进行插值计算。地质网络类型主要有矩形线性网（Rectilinear）、凸包网络（Convex Hull）、有限差分网格（Finite Difference）等类型。

空间数据插值方法主要有克里金（Kriging）插值方法、谢别德（Shepard）插值方法、改进谢别德（Franke/Shepard）插值方法、最近邻点（Nearest Neighbor）插值方法、径向基函数（FastRBF）插值方法等。在EVS中最常用的算法是克里金插值方法，该方法是以变异函数理论和结构分析为基础，在有限区域内对区域化变量进行无偏最优估计的一种方法，是地统计学的主要内容之一。南非矿产工程师D.R.Krige在寻找金矿时首次运用这种方法，法国著名统计学家G.Matheron随后将该方法理论化、系统化，并命名为克里金插值方法（Kriging）。设Z（x）是被定义在点上的区域变化量，且假定Z（x）服从二阶平稳假设。根据克里金插值方法，可得出推测区域V周围的一组信息{Za，a=1，2，…，n}，对中心位于xo的域V（xo）的平均值进行估计[2]，见式（1）。

Z=1V∫V（x）Z（x）dx（1）

在二阶平稳下，待估域V的实际值Z的估计值是这n个有效数据Za（a=1，2，…，n）的线性组合。

2.2 EVS建模方法

在EVS建模过程中，根据项目数据的特点及需求，可选择地层建模、岩性建模、参数建模及耦合建模等4种方式。

2.2.1 地层建模

地层建模前一般需要对地层层序进行划分（见图1），地层层序反映地层沉积时代，所有地层层序应贯穿研究区域，层序编号应自上而下排序。地层界面采用的是不规则三角TIN网格面，在EVS中采用交互方式进行地层三角TIN网格面构建，可以灵活控制地层三角面的范围。该方法一般适用于地层层序划分清晰、无多种岩性反复交替出现的情况，可构建地层、断层等地层构造，建模速度较快。

2.2.2 岩性建模

岩性建模主要适用于钻孔数量多且地层岩性复杂，同类岩性在钻孔中反复交替出现的地层。该类地层岩性规律性差，很难手动划分地层层序，无法采用地层建模方式构建完整三维地质模型。通常是先建立地层顶底面，再利用岩性建模插值方法在顶底界面范围内进行岩性数据插值，形成岩性模型。由于属性建模需要进行大量的插值计算，故建模速度相对于地层建模较慢。典型三维岩性模型如图2所示。

2.2.3 参数建模

参数建模常用于物探（电阻率、CT数据、声波等）、原位测试（标贯、动探、静力触探等）、岩土参数等数据的三维地质建模。利用该方法可划分出某地质属性的分布范围、等值面、体积等，为工程决策提供良好依据。由于参数建模也要进行大量的插值计算，故建模速度相对于地层建模较慢。典型三维参数模型如图3所示。

2.2.4 耦合建模

由于地層建模、岩性建模、参数建模各具特点及适用条件，为相互验证模型的精度和可靠性，可考虑利用地层层序、地层岩性和地质参数数据进行耦合建模，以满足三维地质建模与分析需要，通常有以下3种建模方式。典型耦合模型如图4所示。

（1）整体地层-属性混合建模。首先利用地层建模方法建立各主要地层界面，再利用属性建模插值方法在地层界面范围内进行地质属性数据插值，形成整体地层-属性耦合模型。该方法既保留了地层界面的清晰，又保证了钻孔各属性数据空间插值效果，两者模型可行进分离显示和交叉分析。

（2）上下部分混合建模。当覆盖层比较复杂而基岩地层岩性清晰，或者覆盖层比较简单，基岩岩性比较复杂时，可以把模型分成上下两部分，上部为覆盖层模型，下部为基岩模型，这样就可利用基岩面作为分界面建立上覆盖地层模型+下伏基岩岩性模型或参数模型，也可建立上覆盖岩性模型或参数模型+下伏基岩地层模型。

（3）地层局部混合建模。当地层层序整体清晰，但局部区域地层岩性复杂或只有部分参数数据时，可在局部区域的地层模型内进行参数插值建模。该方法保留了两种模型的特性，且互不干扰，适用于整体地层分布规律。

3 工程案例

3.1 项目概况

南宁市那况路位于南宁市兴宁区三塘镇金桥片区，金桥客运站处于昆仑大道与快速环路交叉口附近，道路等级为城市主干路，项目西起金仑路，东至规划4路。项目里程为K0+131.282～K4+210.492，路线全长4 210.492 m，设计速度为50 km/h，道路红线宽度为45 m，沥青混凝土路面，双向六车道。路线范围内多为城市弃土场和旧水塘填平地段，属新近堆填，填筑年限为1～3年。典型人工填土路段平面如下页图5所示。

该段填土成分复杂，主要为褐黄、褐灰色，松散～稍密、软～可塑状黏性土、强风化泥岩或黏性土混砾石、局部混块石，砾石粒径一般为2～30 mm，含量约占10%～20%，填土物理力学性质差异极大。传统二维勘察图件难以直观表达复杂地层和物理力学特性的空间分布，本文采用EVS耦合地层-标贯原位测试数据进行三维地质建模，可直观地表达复杂填土层性状的分布规律，为边坡开挖、防护及地基处理等提供依据。

3.2 建模流程

3.2.1 数据格式及处理

在EVS建模中，经常用到的地质数据有PGF、GEO、GMF、APDV、AIDV等格式文件。其中PGF是一种钻孔数据地层信息;GEO和GMF是根据钻孔数据进行地质解释的地层界面信息;APDV和AIDV主要用于建立物探、原位测试等参数模型的数据格式。

为了快速得到三维地质模型所需的各种数据格式文件，采用开发数据接口程序可将理正勘察数据库文件直接转化为EVS建模所需的EXCEL格式文件，再利用EVS自带的文件转换工具即可生成PGF和APDV格式文件，之后利用make_geo_hierarchy进行程序划分得到GEO和GMF层面文件。

3.2.2 建模流程

在EVS建模过程中，一般主要利用地层建模中的make_geo_hierarchy、krig_3d_geology、3d_geology_map、explode_and_scale、plume_shell，岩性建模中的krig_3d_geology、indicator_geology、select_cells，以及属性建模中的krig_3d_geology、krig_3d、plume_shell或intersection_shell等程序模块。

本文主要耦合了地层建模和参数建模两种方式，并进行了开挖分析，具体建模流程如图6所示。

EVS利用不同应用程序模块构建地层-参数耦合模型的步骤如下：

（1）首先将钻孔数据和标贯数据处理成EVS可读取的PGF和APDV数据格式，利用make_geo_hierarchy生成GEO和GMF层面文件。

（2）利用krig_3d_geology、3d_geology_map、plume_shell等模块建立三维地层模型，利用krig_3d_geology、krig_3d、intersection_shell等模块建立三维标贯参数模型。

（3）绘制和读取道路设计路线、边坡开挖横断面等文件到EVS中，采用sur_cut、explode_and_scale、intersection_shell、transform_group等模块进行路基施工开挖分析。

3.3 模型应用分析

3.3.1 地层展示

通过EVS三维地质模型，可形象直观地展示勘察场地中素填土、杂填土、粉质黏土、砾石、强风化泥岩、中风化泥岩的空间分布规律。具体三维模型及二维剖面如图7和图8所示。

3.3.2 开挖方量计算

利用真三维地质模型，按设计路线及放坡坡率即可进行边坡三维模型开挖及方量计算。该人工填土段边坡的开挖总方量约899 995 m3，其中素填土方量为592 634 m3、杂填土为7 144 m3、粉质黏土为154 161 m3、砾石为882 m3、强风化泥岩为122 043 m3、中风化泥岩为23 131 m3。通过与断面计量法对比分析，采用三维模型开挖计算的工程量及土石成分比例更为精确可靠。三维模型开挖显示及土石成分比例统计如图9～11所示。

3.3.3 软弱土层分析

利用地层模型与标贯击数参数模型的三维开挖叠加分析，从图8中可发现，在路基开挖区内存在标贯击数3～8击的边坡软弱土区域和地层软弱土区域。开挖边坡中的软弱区极易引起滑坡，地基软弱土區若处治不当易引起不均匀沉降，由于这些软弱土层呈不均匀分布，具有一定的离散性和隐蔽性，在常规二维勘察成图中极易遗漏。

3.3.4 措施与建议

针对三维地层及标贯叠加模型所发现的问题，在勘察报告中明确提出了相关的措施及建议。

（1）挖方路堑填土边坡中存在标贯击数3～8击的软弱夹层时，坡体易沿软弱夹层发生滑塌，建议K0+131.282～K0+780段挖方路堑边坡整体坡率不宜陡于1∶2，应对存在软弱夹层的断面进行针对性的稳定性计算分析。

（2）由于里程K0+131.282～K0+780段填土边坡具中等胀缩性特征，边坡防护可以考虑采取拱形骨架、加筋土柔性反压、挡墙防护等措施，各支挡结构验算时需考虑胀缩荷载，加强边坡地表截排水、深层泄水设施及坡面绿化工作，并对不合格的挖方料进行

改良或废弃处理。

（3）当路床范围内存在标贯击数3～8击的软弱层时，由于填土尚未完成自重固结，属高压缩性土，承载力低，需要对路面以下的软弱土层进行换填处理，换填材料应满足相关规范要求。

4 结语

EVS是一款比较适用的三维地质建模分析软件，支持钻探、物探、原位测试等多源数据录入格式，根据数据特点，可选择合适的网格类型和空间插值方法，建立符合实际需求的地层模型、岩性模型、参数模型或耦合模型。另外，在介绍EVS建模方法的基础上，通过对南宁市那况路人工填土段的三维地质建模分析，得到以下结论：

（1）相对于传统二维勘察图件，三维地质模型可更清晰地展示各地层的空间分布规律，可快速进行三维模型炸开、剖切、开挖等操作，更直观地观察和理解三维地质体。

（2）通过三维地质模型、路线走向及开挖断面形状等进行真三维开挖计算，相对于常规二维断面法计算结果，三维开挖计算得到的成果更为精确，且便于各岩土层方量和比例的统计分析。

（3）通过三维地层与标贯参数模型的开挖叠加分析，可清晰地发现开挖区存在明显的软弱层，这些软弱层极易引起边坡滑塌和地基不均匀沉降，避免了隐蔽软弱层的遗漏。

（4）利用三维开挖计算及软弱层分析成果，为确定开挖方量、边坡坡率设置与防护、路床换填区域及厚度等设计文件提供了可靠依据。

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