基于BIM的三维地质建模在沿江复杂地层的研究

　　摘要：为了解决传统的设计施工方案协同性不高，进度缓慢，容易反工，探讨了基于BIM的三维地质建模技术在工程中的应用的新方法。通过以克里金插值法为原理构建的三维地质模型提高了模型的精确度和可靠度。通过三维地质模型与实际工程中的物理力学参数相结合解决了因繁琐的查阅工程图纸而损失了时间的问题。通过三维地质模型与施工参数结合提高了工程设计人员决策效率。实现任意位置下的三维地质模型剖面出图。研究结果表明：运用克里金插值法建立的高精度三维地质模型不仅满足工程实际的要求，并依托于某防洪堤改造工程项目，三维地质模型与勘察、检测、施工的应用，方便为决策者提供多方面的地质信息，辅助决策人员及时有效采取安全措施。

　　關键词：可视化;三维地质建模;沿江复杂地层加固

　　《地球科学》(月刊)创刊于1990年，由中国地质大学主办，是中国自然科学核心期刊，以反映我国地球科学领域最新的高水平的基础地质、应用地质、资源与环境地质及地学工程技术科研成果为主要任务.

　　0 引言

　　我国某市城区防洪堤改造工程项目，已建堤防于本世纪50～80年代陆续建造，原设计防洪标准为20～30年一遇的洪水防洪标准，因年代久远，项目业主数次更换，虽在1999年和2002年大洪水期间已做过勘察设计和施工，但资料仍然缺失。无论是工程建设、管理还是运营方面，堤防加固工程极需要勘察资料、设计资料和施工资料，但若重新用勘察手段，会导致施工效率低下，浪费的时间过多，消耗的人力物力损失也较大，不符合当今时代的发展需求。

　　针对此项目对该重点区域进行三维地质建模，并进行模型在该工程中的应用分析，充分利用地勘报告和工程图纸收集所需的数据信息建立可实时更新的数据库，为研究人员提供一个可查询、分析的可视化环境。目前三维地质模型的工程应用还处于探索阶段，三维地质模型与工程物理力学参数相结合可避免地质勘探中需查阅纸质勘察报告的繁琐过程，使得勘探效率最大化;模型与施工参数的结合给地质专业与施工架起一道沟通的桥梁，为制定合理的施工方案提供方便。

　　1 三维地质建模实现框架

　　三维地质建模应用型方法主要是以原始勘探资料为基础，相应地建立地质数据库与钻孔数据库，耦合原始地质勘探数据(地质种类、钻孔坐标、钻孔深度等)和工程地勘报告以及CAD二维剖面等多种来源的地质数据，由计算机生成大量的二维地质剖面后，应用曲面构造法生成各层面从而构造三维地质模型，利用克里金插值对地质体模型更加精细化[11]。该体系的核心为几何建模，以地质对象建模为主线，人工对象建模所采用的关键技术采用克里金插值算法，利用已知的勘探数据，对地质界面的未知点进行插值。

　　由于原始的钻孔数据的获取非常繁琐，不仅浪费大量的时间，还需要很高的成本，而这些数据对三维地质建模是必不可少的。采用空间内插的方式能满足建模布点均匀和密度足够的要求，主要手段是利用已知勘测点的数据值来预测未知的空间数据值，这里选用坐标数据作为已知点数据值的预测[6]。

　　基于少量的原始勘探孔的数据来预测未勘探钻孔数据的参数，为各地层面模型的建立提供数据基础。在三维空间中设有x，y，z三维坐标，待估点x，y坐标已知，预估z坐标。设x1，x2，…，xn表示n个测量点的空间位置中的x，y坐标，现在设Zi=Z(xi)(i=1，2，…，n)表示i点空间位置的z坐标变数的测量值。

　　2 三维地质模型的可视化

　　三维地质模型可以直观的将纸质的地质勘察资料和二维的工程地质剖面图转换成三维可视化模式的功能，有效促进各方人员间的理解和交流，为对实际工程地质情况的了解带来方便，便于后续工程设计与施工的顺利进行，并可以在最大程度上避免工程潜在风险[8]。

　　在沿江复杂地层的灌浆加固过程中，设计和施工过程中难免会遇到大量的工程地质问题，需要提高对地质的认识和理解程度从而加强工程区域内地质分层的实用性和重要性。合理且准确的分析不同地质的分布情况，不仅可以对钻孔灌浆加固工程强度特性做出评价，而且通过对地质的判别评价，在合理确定布置钻孔位置以及控制灌浆量等方面都具有重要的实践价值[5]。

　　3 三维地质模型的应用

　　3.1 三维地质模型在勘查中的应用

　　随着BIM技术的不断发展，其在工程勘察阶段的应用逐渐被重视。三维地质模型在勘察项目中的应用领域不仅可以体现在提高制图效果等方面，更重要的是，可以对工程地质问题提供正确判断及成因分析，为合理制定工程规划、选取钻孔点奠定基础。一方面，勘察项目中为了能较准确的反映总体空间分布特征，需要确定不同地层在各条剖面上的倾视角及空间延展方向，结合钻探、物探及以往勘察资料确定所需添加的钻孔点的范围;另一方面，地质勘察工作需要统计数量众多的表格，不同地层需要分别统计对应的物理力学参数，而基于BIM的三维地质建模技术可以将数据收集整理完成后，实现在三维模型中对所需要的物理力学参数的直观展示，避免了繁琐的翻阅纸质的工程地勘资料，为工程人员快速的查看所需地层的相关参数提供了极大的便利。

　　3.2 三维地质模型在施工阶段中的应用

　　沿江地层灌浆加固施工过程中往往需要实时统计相当数量的施工参数，面对不断加入的地质资料，各专业人员会需重复劳动处理新的数据，并且对不同专业之间的数据进行协调的难度较大，导致降低了工程设计的水平和效率。为能最大化的给决策者提供方便的评价手段和多方面的地质信息，提高参考价值，将不断变动的施工参数实时反映在三维模型上能够有效辅助决策人员及时采取安全措施。

　　3.3 三维地质模型在检测中的应用

　　为保证工程质量，施工质量的检测必不可少。施工前原始记录、钻孔深度、灌浆长度、工艺参数、桩孔变差等等都是无返浆高压旋喷复合灌浆施工的主要质量控制内容，不仅如此，在第五章也提到过不同土体的喷射方式所形成的固结体大小不同，所以强度和渗透试验的结果也不同。高压旋喷桩地基施工质量的检测离不开载荷试验，需要标准贯入和重型动力触探等现场试验统计地基承载力，试验对象的种类繁多、分组量多，得到的承载力数据信息量不仅庞大，而且在横向和纵向对比之后还可能随时对结果进行修正。如何对检测承载力是否达标正是对检测系统开发与完善的重要工作。

　　为统计施工质检信息，提出以三维地质模型为基础的检测系统，在已统计的钻孔数据的基础上，以三维地质模型中的钻孔为基准点，各钻孔编号也可表示成桩编号，对各钻孔点进行工程检测查询得到需要的检测数据的信息，对当前位置对应的不同土体和不同桩号对应的承载力大小、c值、?准值等需要的检测数据进行直观展示。检测系统的开发大大便利了检测人员对数据的复核和进一步开发计算，提高施工检测的工作效率。

　　4 工程案例分析

　　4.1 工程概况

　　4.1.1 工程背景

　　本次建模依托于我国某市城区防洪提加固工程实例。主体结构为浆砌石防洪墙结构，2017年洪峰水位高达39.51m，已超已建堤防的最高水位线3.51m，当地市委市府极为重视，及时组织相关职能部门采取强力有效的措施，调集大量人力物力，迅即堆筑子堤抵御超标准洪水，才使此次超标准洪水顺利通过河道且未致淹及内部主干道。

　　4.1.2 工程地质条件

　　工程区主要地貌单元有：红层剥蚀丘岗地貌和河流冲积平原地貌。沿岸主要为Ⅰ级阶地，由第四纪白水江组冲积物组成。地貌上成为掩埋阶地，部分地段为嵌入阶地。阶面高程一般31m～39m，一般高差6m～8m，河漫滩向河床中心倾斜。初设阶段钻孔为24个，在此基础上，本次建模将再增加10个钻孔点，以观察钻孔分层情况。

　　4.1.3 地质分层情况

　　地层的分层情况如表1所示。

　　4.2 三维地质模型的应用

　　4.2.1 三维地质模型任意剖切

　　利用PowerGEO三维地质建模系统建立三维地质模型，并对模型的内部结构具体的分析。不同剖面位置可看出地層走向，部分位置全风化层有断层现象，如图1所示。

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文章名称： 基于BIM的三维地质建模在沿江复杂地层的研究

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