EVS三维地质建模技术在某地铁工程中的应用

王宛玉

中船勘察设计研究院有限公司,上海 200063

0 引言

随着城市化进程的加快和国民高效、绿色、安全出行需求的增长,城市轨道交通行业发展迅速。截至2022年底,我国已有55个城市拥有轨道交通,运营总里程约10 078 km[1],并有望在2035年达到15 000 km[2]。在此增长趋势下,传统轨道交通的二维选线设计方法的不足之处愈发明显。

三维地质模型是定量研究地下空间地质信息的重要工具,融合了地质学、地理信息科学和计算机等多个学科,能够直观展示地层、复杂地质现象及其空间分布和相互关系,能够最大程度提高工程分析的准确性,可以为轨道交通设计、建设和运营提供重要支持。最早在1994年,加拿大学者Houlding将三维地质建模技术应用于工程建设[3]。国内学者也依托EVS(earth volumetric studio)软件对复杂地质建模技术展开了多项研究。雷赟 等[4]基于EVS平台实现含水层及地下水漏斗的三维建模,为环渤海地区的污染物控制和地下水合理开采提供了模型支持。苏学斌 等[5]提出一种地层/岩性混合建模方法,以北方某大型砂岩型铀矿床含铀砂体及其围岩地质结构为例,采用EVS软件建模,对比地层剖面,定量分析抽取的5%钻孔,证实该方法能够明显提高建模精度。周念清 等[6]利用EVS软件提出一种耦合地层-岩性三维建模技术,结合工程实例对比分析和交叉验证计算,结果表明,该技术相比单独地层建模和岩性建模更能反映实际情况,并应用于南宁市轨道交通建设中。刘顺昌 等[7]借助EVS软件运用地层/岩性混合建模的方法,对武汉市长江新城起步区的三维模型进行剖面对比和岩性概率模型分析,证明该方法可以适应复杂地质条件下的三维建模。

本文基于EVS三维地质建模技术,对地层建模做出优化分析,以期提高三维地质模型的适用性和精确度。

1 EVS技术概述

1.1 EVS技术原理

EVS软件是由C Tech公司推出,应用于地球科学领域的三维可视化软件。EVS三维建模技术基于地质统计学方法,通过建立属性网格,将采集的地质点源数据,外推于网格节点或网格内的任意位置进行插值估算。另外,基础地质模型还能够耦合多元数据,例如物探数据、地下水污染、矿产体积等,可广泛应用于地质勘探、矿产资源评估和环境监测等领域。

1.2 EVS建模方法

传统地质勘察利用钻孔数据获取离散点沿z轴方向上的信息,只能加密布置钻孔,才能得到高精度三维地质模型,工作量大且成本高。而EVS软件可通过点源数据对空间上任意位置的信息进行插值估算,具备7种空间插值方法(最常用的有克里金法、自然邻点法)和4种网格类型(有限差分网格、凸包网格、矩形线性网格、自适应网格),实现真三维的地质体建模[8]。EVS软件操作灵活,可通过调取所需程序模块,导入原始数据文件,连接输入输出端口,组成可视化及可分析的高级交互式应用程序,最典型的建模方法是地层建模、岩性建模和将两者结合的混合建模。

地层建模适用于地层层序较为清晰、新老关系明确、钻孔分层相对简单的地质体建模,该方法建模效率高,边界清晰平滑,但对分布较多透镜体、溶洞及采空区的场地,建模效果较差。

岩性建模宜用于钻孔分层复杂、不规则岩体、脉体、岩溶、采空区等场地建模,该建模方法优点是建模程序框架搭建完成后无需人工再次处理,缺点是建模速度慢,结果可能出现与地质常识不相符的情况。

混合建模是前面所述2种建模方法的集合,兼具两者优点,对地质体具有较好的表现效果,但相比于地层建模时间久。

3种建模方法都需要对钻孔数据预处理,由原始钻孔数据整理出标准Excel表格,包含钻孔编号、勘探点坐标、孔口高程、地层顶部底部深度等信息,导入EVS转换格式为PGF文件,其中地层建模需要对地层层序进行划分,可获取地层层序信息(GEO文件、GMF文件)。主要应用的程序模块有gridding and horizons(创建网格和地层面)、post samples(显示钻孔或空间数据)、create stratigraphic hierarchy(三维层序划分)、surface from horizons(显示多个层面)、horizons to 3D(由地层面得到三维模型)、lithologic modeling(岩性建模插值计算)、plume(按单一条件筛选显示模型)、intersection(按多个条件筛选显示模型)等。

2 应用实例

2.1 工程概况

以某地铁工程为研究对象,场地位于冲积平原区,地形现状较平坦,相对高差较小,地面高程一般为7.35～8.56 m,选取其中典型区段进行地质建模,共38个钻孔数据。

地铁区间段内钻孔主要揭露地层为:①1杂填土、②1淤泥、②3淤泥质中粗砂、③2中粗砂、③3砾砂、④2粉质黏土、⑤1碎屑岩残积土、⑥粉砂质泥岩、⑦2强风化粉砂质泥岩、⑦3强风化泥质粉砂岩、⑧2中风化粉砂质泥岩、⑧3中风化泥质粉砂岩。具体建模钻孔示意图如图1所示。

图1 钻孔示意图

2.2 EVS地层建模优化与分析

场地的特殊性岩土主要为人工填土、软土、风化岩和残积土,其中隧道上部覆盖层为①1杂填土、②1淤泥、②3淤泥质中粗砂等松散、软弱地层,易沉降变形,主要可液化地层为②3淤泥质中粗砂、③2中粗砂。③3砾砂层分布不均匀,与③2中粗砂层交替分布,厚度变化大,强度差异较大。为了优化该区段的浅部地质模型,重点选择以上土层做对比分析。

具体的操作步骤如下。①整理钻孔数据进行地层建模。②改变地层建模中Pinch Factor参数,对比Pinch Factor分别为0、50、100、150、500数值的浅部地层平面拟合效果,获取较为符合实际工况的浅层地质模型。不同Pinch Factor值下的建模平面图如图2所示。

图2 不同Pinch Factor值下的③3砾砂层地层建模平面图

根据克里金算法建模成果,③3砾砂层俯视图具有代表性,由图2可知,Pinch Factor数值越大,地层的尖灭效果越明显,建模出现的多余地层区域也会被不同程度消除。

图2(a)中Pinch Factor值为0,场地北侧钻孔不存在③3砾砂层,但仍出现厚度大于0的地层区域。这与插值效果和钻孔的密集程度有关。当钻孔数据不够密集时,克里金算法外插的地层会趋近于钻孔的平均层厚,出现沿模型外边界向内的不准确区域。此类问题可通过增大Pinch Factor数值解决。

如图2(b)、(c)和(d)所示,③3砾砂层建模平面图基本和实际情况相符。当Pinch Factor过大时,地层区域会出现另一种极端,一些钻孔的地层会被过度尖灭,如图2(e)所示,Pinch Factor值为500时,ZK-12在该层基本不显示。

因此,在钻孔分布不够密集或建模区域表现不精确的情况下,可通过适当调整Pinch Factor数值的方法来改善模型,达到减小或消除区域的效果。同时,也应注意Pinch Factor数值对于模型的唯一性,建模时只能选择唯一确定的Pinch Factor值,综合考虑所有地层面。

除此之外,地层建模也可以在钻孔数据预处理后,通过人工编辑层序划分来优化地层建模。依据钻孔三维模型信息,加入专业理论判断,划分出符合实际工况的地层面,优化原理见图3～4。

图3 地层剖面示意图

当出现如图3所示的地层分布时,地层1重复交错出现,且在同一深度有2处出露点,如图4平面示意图所示。此时,在层序划分中先选择地层1,所有属于地层1的钻孔则变成实心圆,然后锁定图4虚线框选的钻孔区域,对非虚线框选区的实心钻孔优先进行层序划分,接着依次对地层2、地层3、下部地层1划分层序。

图4 地层平面示意图

另外,层序划分步骤中也可以拖动Geologic Hiearchy Options(地质层级选项)的Layer Thickness(层厚)滑条,在到达人工判断位置时进行深度锁定,以此来控制该地层的尖灭走向。

2.3 模型验证

为验证上述地层建模优化操作的可靠性,需要对模型结果进行验证,验证步骤如下。①从38个钻孔数据中抽取3个作为预留验证样本,用剩余的35个钻孔建模,采用克里金插值算法估算层厚。②提取未优化模型和人工干预的优化模型在验证样本点的地层面高程数据,换算得到层厚数据。③与验证样本的层厚进行比对,分别计算各层的平均相对误差(MRE)和均方根误差(RRMSE),对模型精度做出验证[6]。评估指标公式为:

(1)

(2)

式中:P为模型估算厚度(m);O为验证样本点实际厚度(m);n为验证钻孔总数。

模型验证情况如表1所示。由表1可知,优化模型的MRE值和RRMSE值相对原模型较低,分别降低了2.40%～21.20%、0.10～0.72 m。总体来讲,地层建模经过优化后,能够更好地拟合实测数据,模型精度较高。

表1 模型验证

2.4 工程应用

场地隧道基本位于强、中风化基岩范围内,基岩破碎、裂隙发育,隧道施工需要注意可能引起的坍塌、土体变形,可能存在的风险为工程施工诱发地面沉降、隧道坍塌和特殊性岩土问题,且隧道上覆有砂层,水量丰富,在工点设计、施工中均需要特别重视控制地下水,防止开挖施工中出现涌水、坍塌,以影响隧道及周边建(构)筑物的安全。

实际施工过程中,可借助EVS软件构建三维地质模型,重点关注不良地质体区域和分布情况,为地铁线路选线设计提供数据支持。具体可采用地层建模调整Pinch Factor和层序优化的方法,结合上部地层建模、下部岩性建模的混合建模模型,分层查看区段内各个地层的分布,还可以对三维地质模型进行任意深度的平面剖切,获取所需深度的地层信息,规避不良地质体,确保地铁线路位于工程条件良好区域。

3 结束语

本文基于某地铁工程钻孔数据对EVS地层建模进行优化,采用平面对比分析和模型精度验证的方式,证实了模型优化方法的可靠性,并得出如下结论。

1)建模插值效果和钻孔密集度有关,当克里金插值算法出现不准确区域时,可以通过适当增大Pinch Factor值来减小范围或消除。

2)层序划分优化方法具备可靠性,可以加入人工专业判断进行优化,与原始模型相比,平均相对误差和均方根误差分别降低了2.40%～21.20%、0.10～0.72 m。

3)优化后的浅部地层建模结合下部岩性建模,组成混合模型,能够为地铁选线、软土处理、施工运营等提供有效的数据支持。

与国外三维地质建模软件相比,国内的研究与实际工程结合的还不够紧密,产出较少。所以在优化建模效果的同时,还需进一步加强对三维地质模型的应用,提高建模成果的适用性和实用性。随着轨道交通行业的发展,地下工程建设必不可少,应加大三维地质建模的研究应用,为提高设计、施工和运营的安全效率提供有力的技术支持。