基于GOCAD的成都地鐵聲波參數(shù)可視化應用研究

楊期祥，王森，牟迪，林剛，巫錫勇，廖昕

(1.西南交通大學 地質(zhì)工程系，四川 成都 611756；2.中鐵二院工程集團有限責任公司 地下鐵道設計研究院，四川 成都 610031)

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基于GOCAD的成都地鐵聲波參數(shù)可視化應用研究

楊期祥1，王森1，牟迪2，林剛2，巫錫勇1，廖昕1

(1.西南交通大學 地質(zhì)工程系，四川 成都 611756；2.中鐵二院工程集團有限責任公司 地下鐵道設計研究院，四川 成都 610031)

摘要:利用GOCAD軟件的參數(shù)建模功能，將成都地鐵某段線路沿線聲波測試法測得的各層巖土體的縱、橫波傳播速度作為區(qū)域化隨機變量進行屬性地質(zhì)模型的構(gòu)建，沿地鐵走向建立的三維地質(zhì)模型不僅可以體現(xiàn)沿線地層空間分布規(guī)律特征，而且可以直觀展現(xiàn)出地質(zhì)體的動彈性力學特性，實現(xiàn)了地質(zhì)體空間結(jié)構(gòu)展布與力學特征的結(jié)合和可視化，并且通過 GOCAD軟件提供的地質(zhì)統(tǒng)計分析方法來預測模型中任意點的參數(shù)值，更有助于觀察聲波參數(shù)在研究區(qū)域內(nèi)的變化趨勢，可簡捷高效對地鐵沿線建筑土類型及場地級別進行劃分，從而方便工程設計人員更加便捷詳細地獲得直觀、準確的工程地質(zhì)信息。

關鍵詞：GOCAD；參數(shù)建模；三維地質(zhì)模型；空間分布；地質(zhì)統(tǒng)計

隨著城市地鐵建設快速發(fā)展，對于工程地質(zhì)勘察工作也提出了更高的要求。如何結(jié)合地質(zhì)勘察為地鐵的設計及施工提供詳實的地質(zhì)資料，如何準確有效地評價建設場地的工程地質(zhì)條件，對于城市地鐵建設意義重大。而對于傳統(tǒng)的工程地質(zhì)分析方法，一方面，工程地質(zhì)資料的分析和解釋多以文字、圖表等二維、靜態(tài)的形式展示，描述空間地質(zhì)構(gòu)造起伏變化的直觀性差，不能充分揭示地層的空間分布規(guī)律；另一方面，傳統(tǒng)勘察方法在實際工作中操作難度較高。尤其在城市地鐵建設中，限于沿線高樓林立、地表建筑物及地下管線密集，實際工作中經(jīng)常遇到無勘察工作面，無法按設計進行布點的情況出現(xiàn)。而隨著現(xiàn)代計算機技術的發(fā)展及三維地質(zhì)理論的逐漸成熟，三維地質(zhì)建模軟件GOCAD開始應用于輔助傳統(tǒng)的地質(zhì)勘查工作[1-3]。利用GOCAD可以將野外勘察工作中得到的地質(zhì)資料經(jīng)過整理歸類后以數(shù)據(jù)庫的形式保存并以立體的、與真實地質(zhì)體具有同樣屬性的三維地質(zhì)模型呈現(xiàn)；三維地質(zhì)模型的建立還可以進一步指導野外勘查工作，輔助勘察人員進行合理的鉆孔布置，使勘察工作在實際應用中操作性更強，甚至可以利用鉆孔資料插值擬合出周圍地層數(shù)據(jù)，直接在地質(zhì)模型中獲得部分控制孔的勘察信息，而無需實際鉆孔；更重要的是利用GOCAD參數(shù)建模可以實現(xiàn)地質(zhì)體物理力學參數(shù)的可視化、直觀化[4-6]。建立的屬性參數(shù)模型不僅能夠用于地質(zhì)信息的查詢，而且可以通過多種地質(zhì)統(tǒng)計分析方法對地質(zhì)模型中任一點的物理力學參數(shù)值進行預測以及觀察該參數(shù)在研究區(qū)域的變化趨勢，從而為設計施工提供全面詳實的地質(zhì)數(shù)據(jù)，有利于設計人員對該區(qū)域工程地質(zhì)條件進行綜合分析評價。目前，國內(nèi)將GOCAD應用于工程中的相關研究相對較少，大都用于建立簡單的小范圍三維立體模型[7-9]，基于GOCAD的大區(qū)域參數(shù)建模還鮮有研究，張聚興等[10-11]將GOCAD 技術應用于城市環(huán)境地質(zhì)評價取得了較好的效果，但對于參數(shù)模型的方法及原理并未作出明確解釋。董慧超等[12-13]將GOCAD三維建模應用于城市地鐵建設工程，但所建立的模型較粗糙，未能結(jié)合地鐵走向?qū)δＰ瓦M行優(yōu)化與改進?；谝陨涎芯?，結(jié)合地鐵工程走向，選取有效參數(shù)將其應用于GOCAD進行空間參數(shù)立體化展示，是本文擬解決的關鍵問題。 在城市地鐵施工中，尤其是對于成都這種典型的砂卵石地層，與巖土體的彈性波速有關的動彈性力學參數(shù)是設計、施工中一項十分重要的影響指標[14]。該指標不僅可以反映地層地質(zhì)特征以及物理力學性質(zhì)，實現(xiàn)對圍巖體的工程地質(zhì)分類及穩(wěn)定性綜合評價，測得動彈性指標后結(jié)合室內(nèi)物理力學實驗進行分析比較，還能保證測量方法的多樣性以及測量數(shù)據(jù)的可靠性、正確性。目前常用的測量方法是原位聲波測試法，即彈性波法，原位聲波測試是利用脈沖震源激發(fā)彈性波,彈性波在巖體中傳播時，其聲學參數(shù)如速度、振幅、頻譜等將受到介質(zhì)體的巖性、結(jié)構(gòu)、風化程度等影響而發(fā)生變化[15]。這些變化將直接反映出巖體的地質(zhì)構(gòu)造和物理力學性質(zhì)。相較于靜力法，原位動態(tài)法的優(yōu)點是原位動態(tài)、測試面廣、設備輕便、周期短、經(jīng)濟且易于掌握。目前，工程中對于將原位聲波測試得出的動彈性力學參數(shù)大都只是作為靜態(tài)的試驗數(shù)據(jù)進行整理和分析，并未考慮將該參數(shù)與三維地質(zhì)模型結(jié)合分析。通過GOCAD參數(shù)建模不僅可以實現(xiàn)動彈性力學參數(shù)在空間上的三維分布，及時提供信息指導現(xiàn)場施工，還可以結(jié)合地表實際情況進行建筑場地的穩(wěn)定性評價，甚至能夠結(jié)合地區(qū)抗震等級，對建筑場地進行抗震設計。本文收集整理成都地鐵某段線路的勘察鉆孔資料和室內(nèi)土工試驗數(shù)據(jù)，利用GOCAD軟件建立三維地質(zhì)模型，在此基礎上，將地鐵沿線聲波測試法測得的各層巖土體的縱、橫波傳播速度作為區(qū)域化變量賦予地質(zhì)體模型中并建立參數(shù)模型，實現(xiàn)了地質(zhì)體的空間結(jié)構(gòu)展布與物理力學性質(zhì)有效結(jié)合，可為類似地鐵工程地質(zhì)建模提供借鑒。

1三維地質(zhì)模型的構(gòu)建

為建立參數(shù)模型，首先應當實現(xiàn)三維地質(zhì)體模型的構(gòu)建，三維地質(zhì)模型可以分為構(gòu)造模型(structural modeling)和三維儲層柵格結(jié)構(gòu)模型(3D Reservoir Grid Construction)，構(gòu)造模型主要用來模擬地層面、斷層面的形態(tài)和相互位置關系，可以用于地質(zhì)構(gòu)造分析以及地震勘探中地震反演的重要手段；三維儲層柵格結(jié)構(gòu)建模則可以將地質(zhì)體的巖層特性和資源分布等特性參數(shù)導入，生成地質(zhì)體參數(shù)模型。因此，本次建模采用的是三維儲層柵格結(jié)構(gòu)模型。通常三維地質(zhì)建模主要有以下幾個步驟：點模型的構(gòu)建，面模型的構(gòu)建和體模型的構(gòu)建。而點模型及面模型的構(gòu)建通常包括數(shù)據(jù)分析整理及離散數(shù)據(jù)插值擬合2步。

根據(jù)勘察鉆探揭露分析，依據(jù)該場地巖土層特性，可將地鐵沿線土層主要分為4層，如表1所示。

表1　地鐵沿線地層巖性

通過收集和整理沿地鐵走向總共8個站的112個鉆孔資料，并按照如下步驟依次進行GOCAD三維地質(zhì)建模。

1)建立點模型。首先根據(jù)鉆孔分層資料提取各個鉆孔分層點的(X，Y，Z)數(shù)據(jù)導入sufer軟件進行 Kriging 插值，以點的形式(pointset)導入 GOCAD 中，這時GOCAD生成的是一些三維的坐標點。為直觀清晰地反映導入的坐標點與實際線路的關系，根據(jù)點的分布繪制出一條擬合曲線。如圖1～2所示分別為成都地鐵某段線路走向示意圖和導入的原鉆孔布置點擬合曲線 ，對比可知，地鐵走向與原鉆孔控制點擬合曲線十分吻合，證明收集和整理的鉆孔點數(shù)據(jù)是有效和準確的。

圖1　地鐵線路走向示意圖(上為平面圖，下為縱斷面圖)Fig.1 Stretch figure of the subway line(the above is plane figure, the below is longitudinal profile)

圖2　鉆孔控制點擬合曲線Fig.2 Fitting curveof borehole control points

2)建立面模型。以各個鉆孔分層點作為控制點，形成 Delaunay 三角網(wǎng)格化的曲面，并利用 GOCAD 軟件里的 DSI 插值算法優(yōu)化各層初始曲面；在地層尖滅或者缺失區(qū)域獲得其交線，然后利用交線約束修改原尖滅、缺失地層曲面從而最終建立各地層的層面，由于第5層卵石土厚度較大，鉆孔最底部揭露地層即為該層，因此本次建模將該層添加為底面，且所有的Z坐標都統(tǒng)一定為鉆孔揭露的該層最大深度。如圖3～4所示。

為了直觀地呈現(xiàn)沿地鐵走向的三維地質(zhì)模型，需要對已建立的各層初始曲面沿地鐵走向線進行切割，即先將地鐵走向線的Z方向進行延伸，生成側(cè)面作為切割面，然后沿交線對各層初始曲面進行切割，得到切割后的各層曲面，如圖5～6所示。

圖3　面層插值數(shù)據(jù)Fig.3 Surface interpolation data

圖4　各層初始曲面Fig.4 Initial surface of each layer

圖5　各層初始曲面切割圖Fig.5 Cutting figure of initial surface

圖6　切割后的各層曲面Fig.6 Each surface after cutting

3)建立體模型。GOCAD中提供了2種體模型的建立方法，一種是實體模型對象(Solid)，另一種是網(wǎng)格模型對象(SGrid)。Solid模型相對簡單，主要是對地質(zhì)體幾何特征和空間結(jié)構(gòu)的模擬，不能賦予模型任何物理力學參數(shù)信息，因此在實際工程中應用較少。而SGrid模型卻能彌補上述缺點，不僅可以建立三維模型，還能導入地質(zhì)體物理力學參數(shù)信息，并且SGrid模型的柵格節(jié)點信息和拓撲關系還可以導入到FLAC以及ANSYS等數(shù)值軟件中進行后處理分析，因為這些優(yōu)勢SGrid模型應用相對廣泛。因此，本次參數(shù)建模采用了SGrid模型建立體模型。SGrid模型的建立步驟可以簡單分為以下幾步：1)選擇頂?shù)酌妫謩e設置頂、底面；2)設置頂?shù)酌嬷g的連接；3)設置平面網(wǎng)格方向；4)設置縱向上網(wǎng)格方向；5)創(chuàng)建中間層單元；6)定義縱向上網(wǎng)格數(shù)；7)定義平面上網(wǎng)格數(shù)；8)創(chuàng)建三維地質(zhì)網(wǎng)格模型，參照上述步驟建立的三維地質(zhì)網(wǎng)格體模型如圖7所示。

圖7　由SGrid法做出的三維地質(zhì)模型Fig.7 Three-dimensional geological modeling generated by the method of SGrid

2三維參數(shù)模型的構(gòu)建

2.1區(qū)域化隨機變量的確定

區(qū)域化隨機變量也稱為區(qū)域化變量(Regionalized Variable)，當一個變量呈現(xiàn)空間分布時，就稱之為區(qū)域化變量。它是一個以空間點的三維坐標(x，y，z)為自變量的隨機場，它的顯著特征是變量的隨機性以及結(jié)構(gòu)性。假設空間中任一區(qū)域化隨機變量F(u)為空間點u(x，y，z)的函數(shù)，其中(x，y，z)為點u的三維坐標，則任一點m處的區(qū)域化隨機變量即可表示為F(m)，這就是區(qū)域化變量的隨機性體現(xiàn)；而空間中任2點a和b的區(qū)域化隨機變量F(a)和F(b)通常具有某種相關性，即空間中同種屬性的區(qū)域化隨機變量具有一定的聯(lián)系，這就是區(qū)域化隨機變量的結(jié)構(gòu)性體現(xiàn)，例如同種土層的同種物理力學特征在空間上呈相似性分布。基于GOCAD的參數(shù)建模所采用的參數(shù)必須是區(qū)域化隨機變量，本次參數(shù)建模采用的參數(shù)是通過原位聲波測試法得出的動彈性力學參數(shù)如橫波傳播速度，縱波傳播速度，以及動剪切波速等。這些參數(shù)既具有隨機性又具有結(jié)構(gòu)性，所以可以被看作是區(qū)域化隨機變量。根據(jù)前人的研究分析可知[14]，橫波傳播速度只與介質(zhì)密度和剪切模量有關，反映了巖體抗剪切的能力；縱波傳播速度不僅與壓縮模量和介質(zhì)密度有關，而且也與剪切模量有關，反映了巖體壓縮與抗拉伸的能力。

2.2建立參數(shù)模型

通過對地鐵沿線每個車站區(qū)間選取2～3個代表性鉆孔中不同深度的土層進行原位聲波測試，確定每個土層的動彈性力學參數(shù)，并把直接量測得出的橫波傳播速度、縱波傳播速度值經(jīng)過整理后作為取樣點的一個屬性值進行導入，即利用軟件的Reservoir Properties 功能選擇已建立好的SGrid模型，建立1個或多個屬性參數(shù)值將其添加到該網(wǎng)格模型中，根據(jù)該參數(shù)點類型選擇離散性或連續(xù)性，利用軟件中的DSI插值算法進行屬性多維網(wǎng)格插值，根據(jù)實際需要選擇一種賦值到網(wǎng)格體的方法(最近原則，算術平均，幾何平均，諧和平均，反距離平均，加權(quán)平均)，然后利用 GOCAD 中的地質(zhì)統(tǒng)計Kriging插值法(簡單克里金，普通克里金，外部漂移克里金，貝葉斯克里金，協(xié)克里金，趨勢克里金) 進行地質(zhì)統(tǒng)計模擬估算參數(shù)的分布，使這些參數(shù)分布以三維體表現(xiàn)出來形成參數(shù)模型，可以形象直觀地得到某參數(shù)在整個地質(zhì)體中的變化情況。下面以橫波傳播速度，縱波傳播速度建立的參數(shù)模型為例，見圖8～9。

圖8　橫波速度參數(shù)模型Fig.8 Parameter model of shear velocity

圖9　縱波速度參數(shù)模型Fig.9 Parameter model of p-wave velocity

由圖8～9對比可看出，在空間分布上，橫波速度與縱波速度大小成正相關，即橫波速度大的地段縱波速度相應也較大。由色標示值還可以看出二者均隨地層深度增大，顏色趨于速度大的色區(qū)，即波速逐漸增大，地層愈密實愈堅硬。而同一地層的波速基本上保持同一色區(qū)，即保持在一個相同的波速范圍之內(nèi)。為驗證所建模型與實際情況是否相符，以橫波速度參數(shù)模型為例，統(tǒng)計了現(xiàn)場所測得的各試驗點的橫波傳播速度值，與建立的橫波速度模型進行對比分析，并依據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》[16](GB50011—2010)中第4.1.3條規(guī)定，將場地土類型劃分見表2。

表2　橫波傳播速度統(tǒng)計對比及場地土類型劃分

由表2可知，參數(shù)模型與實測數(shù)據(jù)吻合度較高，說明所建模型能較好地預測橫波傳播速度在地鐵沿線上的空間分布情況，并可以根據(jù)模型色標識別場地土類型，大大提高了勘察效率。同理，還可以根據(jù)各層土的橫波速度得出等效剪切波速，參照規(guī)范判別標準對沿線地鐵區(qū)間進行建筑場地類別劃分。

另外，參數(shù)模型建立之后，GOCAD還具有強大的屬性建模后期處理功能，包括地質(zhì)統(tǒng)計(計算平均值、中值，最小值、最大值、比例等)、概率計算(計算屬性不同范圍內(nèi)的實現(xiàn)概率)、統(tǒng)計計算三維屬性，在二維圖上顯示等功能。通過對建立的聲波波速參數(shù)模型進行分析，不僅可直接用于參數(shù)信息統(tǒng)計與查詢，還能結(jié)合室內(nèi)試驗進行建筑場地的穩(wěn)定性分級，也可間接將建立的SGrid模型導入FLAC(3D)和Midas/GTS等軟件中進行數(shù)值計算，還可以方便地導入到MPGIS等地理信息系統(tǒng)軟件中，建立區(qū)域化的數(shù)據(jù)庫，對于工程地質(zhì)工作而言，具有十分重要的應用價值。

3結(jié)論

1)利用有限數(shù)量的鉆孔控制點通過Kriging插值生成擴大范圍的曲面后，針對地層尖滅或者缺失區(qū)域，可先在交錯面上生成交線，然后利用交線約束修改原尖滅、缺失地層曲面，從而最終建立各地層的層面。

2)對于已建立的地層層面，若需要按照實際情況進行切割，可先生成一條沿切割方向的曲線，并通過Z向延伸得到側(cè)面，將該側(cè)面作為切割面使之與初始層面相交，然后沿交線對各層初始曲面進行切割，得到切割后的各層曲面。

3)對于符合區(qū)域化隨機變量的參數(shù)可以導入GOCAD進行參數(shù)建模，本文選取了縱、橫波傳播速度導入GOCAD建立了三維地質(zhì)參數(shù)模型。通過模型參數(shù)與實測數(shù)據(jù)的對比分析，證明該參數(shù)模型能較好地反映縱、橫波速度在空間上的分布情況，表達效果較理想，能有效預測巖土體性質(zhì)分布趨勢，進行場地土類別劃分及場地等級評價等工作。

4)在構(gòu)建好波速參數(shù)模型的基礎上，若能與室內(nèi)實測的各類型巖性波速試驗進行比較，則可以使模型參數(shù)實現(xiàn)量化與可視化，對于今后成都地鐵數(shù)據(jù)庫的建立與完善將發(fā)揮重要的輔助作用。

5)本次所建三維地質(zhì)模型，限于鉆孔數(shù)量有限和地質(zhì)分層較粗略，未能呈現(xiàn)出砂卵石層中透鏡體性質(zhì)以及空間分布情況，有待進一步細化與加強；而在結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造進行地質(zhì)解釋等方面也有待進一步改進。

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(編輯陽麗霞)

Study on GOCAD-based visualization of acoustic parameters applied to the subway project in Chengdu

YANG Qixiang1, WANG Sen1, MOU Di2, LIN Gang2, WU Xiyong1, LIAO Xin1

(1.Department of Geological Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756,China;2.Metro Design and Research Institute, China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd, Chengdu 610031, China)

Abstract:Based on the parametric modeling capabilities of GOCAD, this paper gets the data of the shear wave velocity and the longitudinal wave velocity which were measured by acoustic test method on each stratum along the subway in Chengdu .They were used as the regionalized random variables to build attributive geologic model. The established 3D geological model can not only reflect the characteristics of stratum spatial distribution but also intuitively show the dynamic elastic mechanics characteristics of geologic body.It achieved combination and visualization of the distribution of spatial structure and mechanical properties. In addition, the use of kinds of geological statistical analysis methods provided by GOCAD software canpredict any parameter values of arbitrary point in the model and well observe the change trend of acoustic parameters in the study area, which can be simple and efficient to evaluate the soil type and site level along the subway, assisting designers in achieving intuitive and accurate engineering geological information conveniently.

Key words：GOCAD; parametric modeling; 3D geological model; spatial distribution; geological statistics

中圖分類號：TU443

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)03-0523-06

通訊作者：廖昕(1986-)，男，湖南衡陽人，博士，從事特殊巖土體工程特性研究；E-mail:xinliao@swjtu.edu.cn

基金項目：國家自然基金科學基金資助項目(41172261)

收稿日期：2015-06-19