青岛精细化城市地质模型构建设计与应用

翟月，何松，钱玉智

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266033； 2.青岛岩土工程技术研究中心，山东 青岛 266033)

1 引 言

随着我国城市数字化、网络化、智慧化转型的升级进程加快，为更好地建成“城市大脑”，城市发展方式正发生剧烈的转变，对各项行业数据成果的信息化程度也提出更高要求。作为城市规划建设的重要基础，地质勘察传统二维图件(纵横剖面图、钻孔柱状图、等厚图等)表达地质信息空间差异分布的成果形式，已无法满足系统平台式地上地下一体化空间信息提取和分析的需求[1，2]。勘察工作积极纳入智能化管理的数字闭环赋能新体系中，构建三维可视化的地质模型，形成涵盖结构、环境和资源等多源数据的信息化成果载体，有利于生产组织模式创新，高效提供地质信息服务与决策支持[3～6]。

经过近30年，空间数据模型与结构、数据库的构建、数据的三维可视化表达等三维地质建模理论与方法已经集成化发展，三维地质建模技术得到广泛运用并取得丰富的成果，如GOCAD、Petrel、Surpac、EVS、Geomodeller等专业建模软件均在相关领域取得良好使用效果。创建工程建设领域应用的三维地质模型，则需要在建模数据整理、网格精度控制、算法优化选择等环节，聚焦地质结构模糊度高、工程地质与水文地质条件复杂、安全风险突出的关键点[7～9]。

本文以青岛市城市地质调查项目为基础，紧跟青岛国际邮轮母港区规划设计建设推进步伐，采用EVS软件先后构建启动区初勘地质模型和商务楼详勘地质模型，探索了不同勘察阶段地质模型的构建重点，突出滨海基岩型城市的地质特点，为建设项目全周期的设计施工和风险管控提供有力的技术支撑。

2 研究区工程地质概况

2.1 研究区地理地貌

建模工作区位于胶州湾东岸，青岛港片区内，东至杭鞍立交桥，南临新冠高架，北接在建地铁2号线国际邮轮港站，周边高楼林立，如中联自由港、青岛港在建办公楼等，环境复杂，区域总面积约 3 km2，如图1所示。建模工作区地形总体起伏较小，属于剥蚀斜坡～滨海浅滩地貌，场地西北侧靠近胶州湾为滨海浅滩，东侧靠近新疆路为剥蚀斜坡。本文先依据整体场区初勘工作构建地质模型，后依据启动区商务楼详勘工作构建其地质模型。

图1 场区位置影像图

2.2 岩土层分布及特点

本场区具典型的滨海基岩地质特点。即中生代燕山晚期以来，区域性构造活动强烈，发生大规模、区域性酸性岩浆侵入，以深成相似斑状中粗粒黑云母花岗岩为主要组成岩石形成稳固的花岗岩岩基，随海进海退作用，冲、海积平原和滩涂形成海陆交互相的沉积物。现将典型地层描述如下。

第②层、粉土～粉砂

褐色，稍湿，松散～稍密，塑性低，以粉土及粉砂为主，含多量粉细砂。

第④层、含淤泥细砂

灰黑色～灰褐色，松散～稍密，饱和，有腥臭味；以细～中砂为主，含有机质及腐烂植物体，夹有贝类残骸，局部夹淤泥或淤泥质粉质黏土薄层。

第⑥层、含有机质粉质黏土

灰黑色，流塑～软塑。颗粒均匀，手感细腻，含有机质、贝壳碎屑及腐烂植物体。有腥臭味，强度低，干强度中等，韧性中等，具有中等压缩性，该层局部相变为淤泥质粉质黏土或淤泥。

第⑦层、粉质黏土

褐黄色～黄褐色，可塑，见有少量铁锰氧化物，含少量砂粒，局部夹有粗砂薄层，具中等压缩性，韧性高，切面较光滑，干强度中等。

第⑨层、粗砂

黄褐色～褐黄色，中密～密实，饱和，分选较差，磨圆一般，主要矿物为石英、长石，局部夹有小块碎石，局部含黏土较多，呈砂混黏土状。

黄褐色，可塑～硬塑，有铁锰氧化物，含一定量砂，中等压缩性，韧性高，切面较粗糙，干强度中等～高。

黄褐色～褐黄色，密实，饱和，主要矿物为石英、长石，为花岗岩质风化碎石，块径 2 cm～4 cm，分选较差，磨圆亚角状，混有多量砾砂。

(4)岩体

场地出露的稳定基岩为花岗岩，可分为强、中等、微风化，各风化带的物理力学性质有极大差异。其中煌斑岩和花岗斑岩作为岩脉，以高倾角(60°～80°)侵入花岗岩体中，走向与区域构造走向一致，以北东向为主，一般脉宽约 0.5 m～ 5.0 m，局部较宽。另受区域构造影响，局部穿插构造碎裂岩。

岩体使用的地层编号采用青岛市建委推广的《青岛市区第四系层序划分》标准地层层序编号，概括来讲，主层为强风化岩层，为中等风化岩层，为微风化岩层。

黄褐色～肉红色，粗粒结构，块状构造，以长石、石英为主要矿物成分。

土黄色～黄绿色～灰绿色，斑状结构、块状构造，主要矿物成分为斜长石、角闪石等暗色矿物。强风化煌斑岩强度较高，但遇水及暴露后强度降低较大。

肉红色～紫红色，斑状结构、块状构造，主要矿物为钾长石、石英、斑晶粒径小于 5 mm。

④构造碎裂岩

构造岩属动力变质成因，主要分布于受构造挤压影响而形成的构造破碎带及不同岩性接触带，岩体根据岩性及破碎程度的强弱可分为砂土状碎裂岩、块状碎裂岩。场区内构造岩属动力变质成因，原岩为粗粒花岗岩，多呈碎裂状结构，矿物蚀变强烈，节理密集发育，长石部分高岭土化或绿帘石化，强度较低。

3 模型构建设计

为了实现地质资料的多样化服务以及辅助决策，本文建立包含结构和属性信息的真三维地质模型，即结合三维地质建模对数据精度和一致性的要求，按一定的规则对钻孔、剖面、地质图、测试资料等进行数据概化和融合处理，选择合理的建模方法，完成三维地质模型构建、校验和发布展示[10，11]。

3.1 技术路线

简之，三维地质模型构建工作一般流程为：数据采集→数据分析→数据预处理→模型构建→模型修正及发布。

数据采集工作主要包括初步勘察和详细勘察阶段的地质信息采集，如DEM数据、钻孔柱状图、原位测试和岩土水样测试、监测等数据及分析成果，应具备准确的空间坐标。数据分析及预处理是结合具体建模工作对数据精度和一致性的要求，进行范围截取、信息筛选、格式转换、数据概化和融合等处理，为构建模型提供基础。在模型完成后，需进行合理性、合规性的验证，还应参照相应的地理信息模型发布要求，补充模型相关属性。

模型构建的工作是不断完善、调整的，通过数据分析、预处理到模型初步构建等过程中发现的问题，可重复技术路线中相应工作并完成自身PDCA循环，直至完成模型修正，满足发布使用需求。

3.2 建模方法

本文中采用多源数据耦合的各向异性地质体建模方法创建层序岩性混合模型，即以结构模型作为边界约束叠加如水化学监测检测成果、水文场数据、岩土体参数模型，采取合适的插值算法和实体编辑工具创建精细化三维地质模型。

关于地质模型构建中的多源数据耦合方法，根据软件工具不同略有差异，以采用的EVS软件为例，主要体现在下述两个方面。

(1)数据前处理

根据已有勘察成果，将多来源数据形成的交叉剖面作为校验地质几何信息和属性信息一致性的基础，软件将剖面定位到模型三维空间，提取剖面的信息来对比分析不同岩土体层深、层厚、岩性、其他插值计算结果等信息，完成数据一致性、逻辑性的校正，如图2所示。

图2 利用剖面进行数据前处理

(2)结构场提取

属性参数一般是在三维空间中的离散采样数据，需要经过一定的算法进行插值，形成三维规则网格数据。软件以地质结构场数据为空间基础进行属性结果插值建模，如图3中，TOTHC在场地3个地质体结构场内进行插值，理论基础和工作流程与一般建模相类似，不再赘述。

图3 利用剖面进行数据前处理

4 地质模型成果

4.1 初勘工作模型成果

根据业主“把握岩面线”的要求，初勘模型制作在调用项目区内34个特征钻孔后(图4)，为辅助地层分析理解和向业主介绍基本地质情况，合并强～中等～微风化基岩地层进行概化，适当延伸建模深度，同时结合水文监测成果制作。

图4 初勘建模所用钻孔叠加地表信息

分析地质模型可知，场区地形总体起伏较小，第四系厚度由东向西增大(图5)。根据场区初步规划，建议在场区内拟建物可采用桩基础或者天然地基，其中在第四系较厚地区的高层建筑、地下车库及商业网点采用桩基础，以花岗岩中等～微风化带作为桩端基础持力层；在场区内基岩面出露较浅的地段，可采用天然地基，独立基础，以花岗岩中等～微风化带作为基础持力层。

图5 地质体剖面信息

结合涨潮落潮的信息(图6)，场区地下水与海水有一定的水力联系，地下水位变化与海水潮位呈同相，根据距离海水的远近不同与潮位变化呈不同幅、不同步的特征。在后期工程施工开挖过程中，不排除因施工原因海水潮汐影响范围扩大。

图6 涨潮落潮的水面变化和速度等线图

在场区靠近胶州湾一侧，受海潮影响明显，且勘察区域第四系有一定的厚度，多为松散填土，砂土，下部为饱和海相砂土，自然放坡开挖时坡体自身稳定性较差，且易受海水影响，因此靠近胶州湾坡岸一侧第四系较厚地段基坑支护可初步考虑支护开挖的模式。模型中结合基坑初步设计的成果(图7)，展示了商务楼地块开挖后采用桩锚支护形式的方案，并研究了对2号线邮轮母港站的基坑施工活动影响，具有很好的指导意义。

图7 场区基坑支护初步设计

4.2 详勘工作模型成果

随着商务楼详勘工作开展，利用钻孔地层信息和相关试验测试结果信息，构建地质结构和属性三维模型(图8～图12)。由图9和图10可清晰了解场区第2层粉土～粉砂的休止角试验结果，水上休止角约为38°～39°，水下休止角约为25°～26°，北侧取样测试结果略大于南侧。岩石点荷载结果显示，微风化花岗斑岩的强度(61 MPa～ 92 MPa)普遍高于微风化花岗岩(40 MPa～78 MPa)，两种岩体局部因有节理发育带而强度略有降低。通过模型中海相地层的三维分布展示，较准确地勾勒出滨海浅滩和剥蚀堆积缓坡两种地貌，并通过调整变差函数主方向的角度来表达高倾角岩脉和破碎带的走向、倾向，合理选择各轴向比例较好地指示了特殊性地质体脉状较扁长的空间形态。模型表达出构造破碎带发育的地段，可有针对性地指导设计和施工。

图8 商务楼钻孔和地层分布

图9 商务楼海相砂、淤泥、粉质黏土地层分布

图10 岩脉和碎裂岩高角度异性分布

图11 第2层粗砂的休止角试验成果

图12 第18-2-10和18-3-10层岩体的点荷载试验成果

4.3 模型成果转化应用

相较于二维成果，三维地质模型在直观性、全面性展示地质信息方面有独到的优势，且由于地质成果模型可进行剖挖切等工程分析，在项目推进过程中，转出成其他通用格式也实际应用于BIM技术中，配合基坑设计方案优化工作，如图13所示，根据集散中心地质水文条件特点，将初步设计拟采用的双排桩+锚索支护体系进行优化。具体调整为：分次开挖，首先采用坡率法开挖至基底，二次开挖采用灌注桩+支撑的支护形式，同时止水方式由咬合桩调整为水泥土连续墙，达到了缩短工期、降低支护成本且提高安全可靠性的目的，可见地质模型成果积极参与建设项目全生命周期管理，实用性较好。

图13 地质模型参与BIM技术辅助项目全生命周期管理(左图为地质模型右图为支护体系模型)

5 结 语

对于地质模型概而言之，细致的勘探测试工作可获取更加有效的信息，越有利于精细模型要求的构建及表达。本文利用邮轮母港启动区初勘、详勘的工程地质勘察成果，依据不同工作时期的具体项目要求和对地质信息的解析深度，构建地质结构和属性混合模型，较好地指导和服务实际工程建设活动。