基于EVS的隧道工程三维地质建模应用

诸葛绪松，李遵豪，张 伟，李 诚

（1、珠海大横琴城市新中心发展有限公司 广东珠海 519031；2、中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063；3、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州 510500）

自20 世纪80 年代以来，国内外推出多种代表性的三维地质建模软件，逐渐广泛应用于石油和矿山领域，如Surpac、Micromine、GOCAD、Petrel、Earth Volumetric Studio（EVS）等，其中EVS 软件的应用范畴包含水文地质、工程地质、环境地质方面，相较其他软件不局限于石油和矿山领域，随着计算机技术的发展，以三维地质模型的形式存储、处理、展示建筑工程领域的地层信息，受到越来越多的关注与研究。

目前国内学者针对建筑工程领域的三维地质建模已经做了较多的研究，董梅等人［1-2］利用GOCAD 使用克里金插值（Kriging）、离散光滑插值（DSI）等方法建立工程建筑三维地质模型，包括地质界面、地层面和地层实体。雷赟等人［3-4］利用EVS 实现水文地质建模、地层结构及属性建模。刘礼领等人［5-6］基于Itas-CAD 平台，使用离散光滑插值方法，实现水利水电工程三维地质建模并进行工程地质条件分析。李晓军等人［7-8］通过克里金插值技术估计地层厚度，生成地层顶底面并映射出地质实体。乔世范等人［9-10］利用CATIA进行三维地质建模，将模型单元、节点信息转化为数值计算模型并导入有限元软件中。刘远亮等人［11］利用有限元三维数值模拟软件对边坡复杂地质结构进行三维建模。陈少祥等人［12］提出一种将三维地质模型与无人机建模、狭义BIM 及工程数据融合的全工程分析模型概念。

通过调研对比各建模软件，EVS 软件建模功能模块化，使用各模块搭建各类应用程序的操作灵活，建模速度较快，模型精度较高且模型动态更新，模型可视化展示效果优秀。故本文采用EVS 软件对横琴杧洲隧道工程场地进行三维地层建模。

1 建模数据处理

1.1 钻孔数据预处理

本文建模采用横琴杧洲隧道工程地质钻探数据，共52 个钻孔，根据勘察报告对场地地层的划分，地层共划分为9层，如表1所示，为获得为EVS 所用的数据文件，采用VBA 编程自动处理勘察数据库文件，得到PGF文件和GEO 文件，建模者对于地层分布和层序的认知在此步骤中体现，在编程中具体实现，程序内容和文件格式限于篇幅不作介绍，其中PGF 文件包含每个钻孔中揭露地层的层顶底深度、高程信息，此信息是钻孔揭露的实际信息，是固定不变的，GEO 文件包含每个地层在每个钻孔中的分布信息，此信息根据建模者对于场地地质条件、地层间切割关系的认识不同而不同。根据勘察报告关于各土层成因的描述，本文规定地层面的建模优先级如表1 所示，地层模型建模过程中优先级小的地层面切割先级大的地层面。

表1 地层分层Tab.1 Stratum Tratification

1.2 数据处理程序

本文使用EVS 采用搭建地层模型和属性模型的建模应用程序（Application），其由多种功能模块及数据传输路径组成，属性建模核心模块为indicator_geology，该模块输入上述PGF 文件，主要功能为将实际钻孔段数据离散为点数据后计算未知点各岩土类型的概率。地层建模核心模块为krig_3d_geology 和3d_geology_map，前者输入上述GEO 文件，主要功能为生成不规则三角网，即地层面，后者根据前者生成的三角网，生成填充于其中的三维实体，即地层，网格类型可选择矩形线性网格（Rectilinear）、有限差分网格（Finite Difference）及凸包网格（Convex Hull），本文采用凸包网格生成模型并使用area_cut模块裁剪出隧道盾构结构外边线外扩20 m范围内的模型。

建模完成后模型的可视化展示及数据筛选主要依靠plume、intersection、slice、viewer等模块。

2 建模结果及分析

由前述建模应用程序生成了横琴杧洲隧道工程场地地层三维模型，地层模型如图1所示，属性模型如图2所示，两种模型地层炸开后的对比如图3所示，人为对比可见两种模型对于各地层的位置、体积描述相差不大。最明显差别为地层模型中的地层较属性模型中的地层具有更好的空间连续性，原因在于两种建模方法原理上的不同，一般来说，地层建模更适合成层性较好的沉积地层，属性建模适合复杂地层，如基岩不均匀分化地层。

图1 地层模型Fig.1 Stratigraphic Model

图2 属性模型Fig.2 Attribute Model

图3 模型对比（正西方向立面）Fig.3 Model Comparison（Profile in Due West Direction）

2.1 模型应用

隧道工程是呈条带状分布的线性工程，在实际选线工作和隧道结构计算工作中，需获得沿隧道走向的纵剖面和垂直隧道走向的横断面，根据地层模型获得纵剖面和横剖面，如图4、图5⒜所示，根据属性模型获得纵剖面和横剖面，如图6、图5⒝所示。

图4 地层模型隧道地层纵剖面Fig.4 Stratum Longitudinal Section of Stratigraphic Model

图5 地层横剖面Fig.5 Stratum Cross Section

图6 属性模型隧道地层纵剖面Fig.6 Stratum Longitudinal Section of Attribute Model

工程实践中一般根据沿线勘察钻孔得到横纵断面，一旦隧道路线变更，往往只能参考原钻孔对地层的揭露情况，这种参考的可靠性随着路线变更距离的增大而降低，且非常依赖勘察设计人员对于地层分布趋势的把握，由于地层空间分布的复杂性，通常上述把握的可靠度较低。根据已知勘察数据、地质统计算法、专家经验得到的三维地层模型结合了数据驱动和知识驱动，在勘察场地内外的地层分布预测具有较高的可靠性，一般来说，场地内的地层预测置信度高于场地外。另外，基于EVS 平台所建真三维地层模型的可视化效果优秀、数据交互操作便捷，为耦合GIS 和BIM 平台、进行有限元分析、地下空间规划、城市地质调查等方面提供了技术支撑。

2.2 模型分析

⑴为了定量区别两类模型的建模效果，统计两类模型中各地层的体积并分析差别，如表2所示，结果显示粗砂层和中风化砂岩层的体积误差较大，体积误差最小的为淤泥层，因为揭露粗砂和中风化砂岩的钻孔较少，数量分别为8 个、7 个，约为钻孔总数量的15%，而全部52个钻孔均揭露淤泥层。其它地层的体积误差均小于8%，两种模型中各地层质心位置相差亦较小，初步说明了地层模型与属性模型在空间位置上具有较好的对应关系。

⑵仅从地层体积和质心的对比不能完全说明地层模型与属性模型的空间关系，即使体积和质心相同，地层空间分布依然具有多种可能性，为了进一步说明地层模型与属性模型的空间关系，通过统计地层模型中各地层顶底面包含的各种类地层的概率平均值，如表3所示，结果显示地层模型中各地层区域内具有较高的相应地层的预测概率，达到60.91%～91.34%，概率最大的为淤泥层，粗砂层、中风化砂岩层的概率并不低，说明了此研究的必要性。研究表明了本文所建的地层模型与属性模型在地层空间分布上具有较高的一致性。在模型的各类应用中，对于淤泥层的空间分布可持较高的信任度。

表3 各地层区域内各地层的预测概率Tab.3 Prediction Probability of Each Stratum in Each Stratum Area（%）

⑶属性模型中每个单元具有各地层的预测概率，最大概率的地层默认为预测地层，其分布如图7所示，对比钻孔位置及其揭露的层位信息，可见表示较高最大概率的冷色主要分布在钻孔密度较高和地层层位缓变的地方，钻孔稀疏和地层层位突变的地方为表示较低最大概率的暖色。为了定量说明所建模型的可靠度，统计了大于最大概率的单元体积与模型总体积的比值，如图8 所示，结果显示概率大于0.8的单元体积占总体积为65%，概率大于0.6 的单元体积占总体积为85%，表明属性模型、与属性模型具有较好对应关系的地层模型具有较高的置信度。

图7 属性模型最大概率分布Fig.7 Maximum Probability Distribution of Attribute Model

图8 大于最大概率的单元体积占比曲线Fig.8 Unit Volume Ratio Curve

⑷基于面的建模方法所建立的地层模型，与基于地质统计的建模方法所建立的属性模型在空间分布上具有较高的一致性，考虑属性建模耗时较长（本文地层建模耗时5.0 min，属性建模耗时2.5 min），且属性模型占用较大内存，可能影响对模型操作的交互效果，针对地质条件相似的其它场地的三维地层建模可直接基于面的建模方法，以提高建模效率。

3 结论

⑴本文所建横琴杧洲隧道工程场地地层模型与属性模型具有较好的空间位置对应关系，模型具有较高的置信度，淤泥层的建模效果最好。

⑵本文通过EVS 软件建立的隧道工程三维地质模型可视化效果直观、精细化程度高、可靠度高，能直观反映横琴杧洲隧道穿越地层的分布情况，为隧道选线、软土处理、盾构管线设计等方面提供基础资料。

⑶本文属性建模仅选取了岩土类别作为预测指标，根据土工试验得到的其它岩土物理力学指标（如含水率、压缩模量等）亦可进行属性建模，用于研究各指标之间的空间关系。

⑷EVS 软件与GIS 软件、BIM 软件、有限元计算软件的数据交互还需进一步研究，以期实现地下地上一体化模型，实现三维地质模型不仅能“看”，还能“算”，更好地服务于工程设计。