EVS耦合鉆孔-標(biāo)貫數(shù)據(jù)三維地質(zhì)建模方法在市政道路勘察中的應(yīng)用

劉先林 沈家品 甘力

基金項(xiàng)目：2019年度交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)科技項(xiàng)目“水敏感性巖土體高陡公路邊坡災(zāi)變智能監(jiān)控預(yù)警及應(yīng)急防治關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2019-ZD5-026）

作者簡介：劉先林（1982—），高級(jí)工程師，主要從事巖土勘察設(shè)計(jì)及管理相關(guān)工作。

文章基于鉆孔與標(biāo)貫數(shù)據(jù)難于耦合建模分析的問題，在總結(jié)EVS（Earth Volumetric Studio）程序模塊、適用條件及三維建模方法的基礎(chǔ)上，提出了地層建模、巖性建模、參數(shù)建模及耦合建模等4種常用方法，并以南寧市那況路人工填土路段為例，采用EVS平臺(tái)進(jìn)行地層-標(biāo)貫數(shù)據(jù)耦合建模，開展了三維地質(zhì)模型效果展示、土石方開挖方量計(jì)算、邊坡開挖軟弱土層分析等研究工作。研究表明：相對(duì)于傳統(tǒng)二維勘察圖件成果，三維地質(zhì)模型可更清晰地展示各地質(zhì)體的空間位置分布規(guī)律，可快速進(jìn)行邊坡三維開挖方量及土石成分比例計(jì)算，通過三維地層模型與標(biāo)貫參數(shù)模型的開挖疊加分析，發(fā)現(xiàn)在邊坡開挖區(qū)存在明顯的軟弱土層，易引起滑坡和不均勻沉降，避免遺漏人工填土層內(nèi)的隱蔽軟弱層，為確定開挖方量、邊坡坡率與防護(hù)、路床換填區(qū)域及厚度等設(shè)計(jì)文件提供了可靠依據(jù)。

三維地質(zhì)建模;EVS（Earth Volumetric Studio）;地層模型;巖性模型;參數(shù)模型;市政道路

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，BIM和大數(shù)據(jù)技術(shù)不斷進(jìn)步，在巖土勘察行業(yè)中的三維地質(zhì)建模也得到了良好的推廣和應(yīng)用。三維地質(zhì)建模技術(shù)（3D Geological Modeling）是由加拿大學(xué)者Simon W.Houlding在1993年提出的。該技術(shù)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)知識(shí)將地質(zhì)數(shù)據(jù)信息、空間分析與預(yù)測、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體模型與可視化等綜合工具，用于地球科學(xué)研究的新方法[6-7]。

三維地質(zhì)模型是巖土BIM技術(shù)的核心，與橋梁、隧道、路基、場站等結(jié)構(gòu)BIM建模相比較，三維地質(zhì)模型更具復(fù)雜性，因?yàn)榫哂械刭|(zhì)認(rèn)識(shí)多解性、地質(zhì)數(shù)據(jù)多樣性、地層界面不規(guī)則、邊界約束條件多等特點(diǎn)。目前常用的三維地質(zhì)建模平臺(tái)主要有Gocad、Itscad、GeoStation、Surpac、Micromine、3D mine、Petrel、EVS（Earth Volumetric Studio）等軟件。在三維地質(zhì)建模平臺(tái)選擇過程中，需要重點(diǎn)考慮能充分表達(dá)三維地質(zhì)體的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何特征及屬性信息等，還需要具備融合物探、原位測試等多源數(shù)據(jù)，并支持地質(zhì)模型可根據(jù)變化數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新功能。

在三維地質(zhì)建模中，常用的數(shù)據(jù)源主要有鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)、原位測試數(shù)據(jù)等，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)源，可根據(jù)實(shí)際情況選用地層建模、巖性建模、屬性建模等3種方式，也可選擇2～3種方式進(jìn)行耦合建模。針對(duì)市政道路勘察的特點(diǎn)，可用到的地質(zhì)建模數(shù)據(jù)主要為鉆孔數(shù)據(jù)和標(biāo)貫原位測試數(shù)據(jù)。本文采用EVS軟件對(duì)南寧市那況路典型人工填土段實(shí)施三維地質(zhì)建模，利用三維地層模型和標(biāo)貫參數(shù)模型進(jìn)行開挖方量分析和軟弱土層疊加分析。實(shí)踐證明，三維地質(zhì)模型可更直觀地展示三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用多源數(shù)據(jù)耦合建模與疊加分析方法，更有利于發(fā)現(xiàn)常規(guī)勘察手段不易察覺的隱蔽性工程問題，值得在后續(xù)類似勘察項(xiàng)目中廣泛推廣應(yīng)用。

1 EVS簡介

EVS（Earth Volumetric Studio）由美國C Tech 公司推出，是國內(nèi)外最為流行的地球科學(xué)領(lǐng)域的3D建模軟件，可服務(wù)于地質(zhì)工程、環(huán)境工程、地球化學(xué)、地球物理、采礦工程、土木工程及海洋工程等領(lǐng)域。該軟件具有Estimation（估算）、Geology（地質(zhì)）、Display（顯示）、Analysis（分析）、Annotation（注釋）、Subsetting（子集）、Proximity（鄰近）、Processing（處理）、Import（導(dǎo)入）、Export（導(dǎo)出）、Modeling（建模）、Geometry（幾何）、Projection（投影）、Image（圖像）、Time（時(shí)間）、Tools（工具）、Cell（單元）、View（查看）等模塊，每個(gè)EVS模塊都可以被視為軟件應(yīng)用程序，這些模塊都有輸入和輸出端口以及用戶界面。在使用過程中，可將各程序模塊進(jìn)行連線組裝，形成可執(zhí)行分析和可視化的高級(jí)定制應(yīng)用程序，具有極強(qiáng)的操作靈活性和處理速度[1]。

EVS軟件將體積網(wǎng)絡(luò)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析、3D和4D可視化工具等集成到一起，可更直觀地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和匯報(bào)展示。EVS除可滿足分析地表水、地下水的數(shù)值模擬，也能滿足多種分析物數(shù)據(jù)分析、土壤和地下水污染以及礦體的綜合體積與質(zhì)量計(jì)算等要求。在BIM技術(shù)和大數(shù)據(jù)不斷發(fā)展的今天，該軟件已成為地質(zhì)工程師和巖土工程師不可缺少的工具之一，可用于三維可視化建模、土石方挖填量分析、地層可靠性分析等工程問題。

2 三維建模方法

傳統(tǒng)地質(zhì)勘察是通過鉆孔獲取離散點(diǎn)在豎向上的地質(zhì)信息，若想獲得高精度的三維模型，則需要布置更多的鉆孔，這顯然成本較高不宜實(shí)現(xiàn)，因此可利用勘察點(diǎn)源數(shù)據(jù)對(duì)空間任意位置的信息進(jìn)行插值估算。EVS軟件提供了多種模型網(wǎng)格類型和空間插值方法，在實(shí)施應(yīng)用過程中，可根據(jù)數(shù)據(jù)類型及特點(diǎn)選擇合適的網(wǎng)格和插值方法，以順利實(shí)現(xiàn)地質(zhì)建模、分析及顯示等功能。

2.1 網(wǎng)格與插值方法

在EVS建模中，通常要先確定建模范圍和網(wǎng)格類型，然后再利用空間多源數(shù)據(jù)在網(wǎng)格內(nèi)進(jìn)行插值計(jì)算。地質(zhì)網(wǎng)絡(luò)類型主要有矩形線性網(wǎng)（Rectilinear）、凸包網(wǎng)絡(luò)（Convex Hull）、有限差分網(wǎng)格（Finite Difference）等類型。

空間數(shù)據(jù)插值方法主要有克里金（Kriging）插值方法、謝別德（Shepard）插值方法、改進(jìn)謝別德（Franke/Shepard）插值方法、最近鄰點(diǎn)（Nearest Neighbor）插值方法、徑向基函數(shù)（FastRBF）插值方法等。在EVS中最常用的算法是克里金插值方法，該方法是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法，是地統(tǒng)計(jì)學(xué)的主要內(nèi)容之一。南非礦產(chǎn)工程師D.R.Krige在尋找金礦時(shí)首次運(yùn)用這種方法，法國著名統(tǒng)計(jì)學(xué)家G.Matheron隨后將該方法理論化、系統(tǒng)化，并命名為克里金插值方法（Kriging）。設(shè)Z（x）是被定義在點(diǎn)上的區(qū)域變化量，且假定Z（x）服從二階平穩(wěn)假設(shè)。根據(jù)克里金插值方法，可得出推測區(qū)域V周圍的一組信息{Za，a=1，2，…，n}，對(duì)中心位于xo的域V（xo）的平均值進(jìn)行估計(jì)[2]，見式（1）。

Z=1V∫V（x）Z（x）dx（1）

在二階平穩(wěn)下，待估域V的實(shí)際值Z的估計(jì)值是這n個(gè)有效數(shù)據(jù)Za（a=1，2，…，n）的線性組合。

2.2 EVS建模方法

在EVS建模過程中，根據(jù)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及需求，可選擇地層建模、巖性建模、參數(shù)建模及耦合建模等4種方式。

2.2.1 地層建模

地層建模前一般需要對(duì)地層層序進(jìn)行劃分（見圖1），地層層序反映地層沉積時(shí)代，所有地層層序應(yīng)貫穿研究區(qū)域，層序編號(hào)應(yīng)自上而下排序。地層界面采用的是不規(guī)則三角TIN網(wǎng)格面，在EVS中采用交互方式進(jìn)行地層三角TIN網(wǎng)格面構(gòu)建，可以靈活控制地層三角面的范圍。該方法一般適用于地層層序劃分清晰、無多種巖性反復(fù)交替出現(xiàn)的情況，可構(gòu)建地層、斷層等地層構(gòu)造，建模速度較快。

2.2.2 巖性建模

巖性建模主要適用于鉆孔數(shù)量多且地層巖性復(fù)雜，同類巖性在鉆孔中反復(fù)交替出現(xiàn)的地層。該類地層巖性規(guī)律性差，很難手動(dòng)劃分地層層序，無法采用地層建模方式構(gòu)建完整三維地質(zhì)模型。通常是先建立地層頂?shù)酌?，再利用巖性建模插值方法在頂?shù)捉缑娣秶鷥?nèi)進(jìn)行巖性數(shù)據(jù)插值，形成巖性模型。由于屬性建模需要進(jìn)行大量的插值計(jì)算，故建模速度相對(duì)于地層建模較慢。典型三維巖性模型如圖2所示。

2.2.3 參數(shù)建模

參數(shù)建模常用于物探（電阻率、CT數(shù)據(jù)、聲波等）、原位測試（標(biāo)貫、動(dòng)探、靜力觸探等）、巖土參數(shù)等數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模。利用該方法可劃分出某地質(zhì)屬性的分布范圍、等值面、體積等，為工程決策提供良好依據(jù)。由于參數(shù)建模也要進(jìn)行大量的插值計(jì)算，故建模速度相對(duì)于地層建模較慢。典型三維參數(shù)模型如圖3所示。

2.2.4 耦合建模

由于地層建模、巖性建模、參數(shù)建模各具特點(diǎn)及適用條件，為相互驗(yàn)證模型的精度和可靠性，可考慮利用地層層序、地層巖性和地質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合建模，以滿足三維地質(zhì)建模與分析需要，通常有以下3種建模方式。典型耦合模型如圖4所示。

（1）整體地層-屬性混合建模。首先利用地層建模方法建立各主要地層界面，再利用屬性建模插值方法在地層界面范圍內(nèi)進(jìn)行地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)插值，形成整體地層-屬性耦合模型。該方法既保留了地層界面的清晰，又保證了鉆孔各屬性數(shù)據(jù)空間插值效果，兩者模型可行進(jìn)分離顯示和交叉分析。

（2）上下部分混合建模。當(dāng)覆蓋層比較復(fù)雜而基巖地層巖性清晰，或者覆蓋層比較簡單，基巖巖性比較復(fù)雜時(shí)，可以把模型分成上下兩部分，上部為覆蓋層模型，下部為基巖模型，這樣就可利用基巖面作為分界面建立上覆蓋地層模型+下伏基巖巖性模型或參數(shù)模型，也可建立上覆蓋巖性模型或參數(shù)模型+下伏基巖地層模型。

（3）地層局部混合建模。當(dāng)?shù)貙訉有蛘w清晰，但局部區(qū)域地層巖性復(fù)雜或只有部分參數(shù)數(shù)據(jù)時(shí)，可在局部區(qū)域的地層模型內(nèi)進(jìn)行參數(shù)插值建模。該方法保留了兩種模型的特性，且互不干擾，適用于整體地層分布規(guī)律。

3 工程案例

3.1 項(xiàng)目概況

南寧市那況路位于南寧市興寧區(qū)三塘鎮(zhèn)金橋片區(qū)，金橋客運(yùn)站處于昆侖大道與快速環(huán)路交叉口附近，道路等級(jí)為城市主干路，項(xiàng)目西起金侖路，東至規(guī)劃4路。項(xiàng)目里程為K0+131.282～K4+210.492，路線全長4 210.492 m，設(shè)計(jì)速度為50 km/h，道路紅線寬度為45 m，瀝青混凝土路面，雙向六車道。路線范圍內(nèi)多為城市棄土場和舊水塘填平地段，屬新近堆填，填筑年限為1～3年。典型人工填土路段平面如下頁圖5所示。

該段填土成分復(fù)雜，主要為褐黃、褐灰色，松散～稍密、軟～可塑狀黏性土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖或黏性土混礫石、局部混塊石，礫石粒徑一般為2～30 mm，含量約占10%～20%，填土物理力學(xué)性質(zhì)差異極大。傳統(tǒng)二維勘察圖件難以直觀表達(dá)復(fù)雜地層和物理力學(xué)特性的空間分布，本文采用EVS耦合地層-標(biāo)貫原位測試數(shù)據(jù)進(jìn)行三維地質(zhì)建模，可直觀地表達(dá)復(fù)雜填土層性狀的分布規(guī)律，為邊坡開挖、防護(hù)及地基處理等提供依據(jù)。

3.2 建模流程

3.2.1 數(shù)據(jù)格式及處理

在EVS建模中，經(jīng)常用到的地質(zhì)數(shù)據(jù)有PGF、GEO、GMF、APDV、AIDV等格式文件。其中PGF是一種鉆孔數(shù)據(jù)地層信息;GEO和GMF是根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)解釋的地層界面信息;APDV和AIDV主要用于建立物探、原位測試等參數(shù)模型的數(shù)據(jù)格式。

為了快速得到三維地質(zhì)模型所需的各種數(shù)據(jù)格式文件，采用開發(fā)數(shù)據(jù)接口程序可將理正勘察數(shù)據(jù)庫文件直接轉(zhuǎn)化為EVS建模所需的EXCEL格式文件，再利用EVS自帶的文件轉(zhuǎn)換工具即可生成PGF和APDV格式文件，之后利用make_geo_hierarchy進(jìn)行程序劃分得到GEO和GMF層面文件。

3.2.2 建模流程

在EVS建模過程中，一般主要利用地層建模中的make_geo_hierarchy、krig_3d_geology、3d_geology_map、explode_and_scale、plume_shell，巖性建模中的krig_3d_geology、indicator_geology、select_cells，以及屬性建模中的krig_3d_geology、krig_3d、plume_shell或intersection_shell等程序模塊。

本文主要耦合了地層建模和參數(shù)建模兩種方式，并進(jìn)行了開挖分析，具體建模流程如圖6所示。

EVS利用不同應(yīng)用程序模塊構(gòu)建地層-參數(shù)耦合模型的步驟如下：

（1）首先將鉆孔數(shù)據(jù)和標(biāo)貫數(shù)據(jù)處理成EVS可讀取的PGF和APDV數(shù)據(jù)格式，利用make_geo_hierarchy生成GEO和GMF層面文件。

（2）利用krig_3d_geology、3d_geology_map、plume_shell等模塊建立三維地層模型，利用krig_3d_geology、krig_3d、intersection_shell等模塊建立三維標(biāo)貫參數(shù)模型。

（3）繪制和讀取道路設(shè)計(jì)路線、邊坡開挖橫斷面等文件到EVS中，采用sur_cut、explode_and_scale、intersection_shell、transform_group等模塊進(jìn)行路基施工開挖分析。

3.3 模型應(yīng)用分析

3.3.1 地層展示

通過EVS三維地質(zhì)模型，可形象直觀地展示勘察場地中素填土、雜填土、粉質(zhì)黏土、礫石、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖的空間分布規(guī)律。具體三維模型及二維剖面如圖7和圖8所示。

3.3.2 開挖方量計(jì)算

利用真三維地質(zhì)模型，按設(shè)計(jì)路線及放坡坡率即可進(jìn)行邊坡三維模型開挖及方量計(jì)算。該人工填土段邊坡的開挖總方量約899 995 m3，其中素填土方量為592 634 m3、雜填土為7 144 m3、粉質(zhì)黏土為154 161 m3、礫石為882 m3、強(qiáng)風(fēng)化泥巖為122 043 m3、中風(fēng)化泥巖為23 131 m3。通過與斷面計(jì)量法對(duì)比分析，采用三維模型開挖計(jì)算的工程量及土石成分比例更為精確可靠。三維模型開挖顯示及土石成分比例統(tǒng)計(jì)如圖9～11所示。

3.3.3 軟弱土層分析

利用地層模型與標(biāo)貫擊數(shù)參數(shù)模型的三維開挖疊加分析，從圖8中可發(fā)現(xiàn)，在路基開挖區(qū)內(nèi)存在標(biāo)貫擊數(shù)3～8擊的邊坡軟弱土區(qū)域和地層軟弱土區(qū)域。開挖邊坡中的軟弱區(qū)極易引起滑坡，地基軟弱土區(qū)若處治不當(dāng)易引起不均勻沉降，由于這些軟弱土層呈不均勻分布，具有一定的離散性和隱蔽性，在常規(guī)二維勘察成圖中極易遺漏。

3.3.4 措施與建議

針對(duì)三維地層及標(biāo)貫疊加模型所發(fā)現(xiàn)的問題，在勘察報(bào)告中明確提出了相關(guān)的措施及建議。

（1）挖方路塹填土邊坡中存在標(biāo)貫擊數(shù)3～8擊的軟弱夾層時(shí)，坡體易沿軟弱夾層發(fā)生滑塌，建議K0+131.282～K0+780段挖方路塹邊坡整體坡率不宜陡于1∶2，應(yīng)對(duì)存在軟弱夾層的斷面進(jìn)行針對(duì)性的穩(wěn)定性計(jì)算分析。

（2）由于里程K0+131.282～K0+780段填土邊坡具中等脹縮性特征，邊坡防護(hù)可以考慮采取拱形骨架、加筋土柔性反壓、擋墻防護(hù)等措施，各支擋結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)需考慮脹縮荷載，加強(qiáng)邊坡地表截排水、深層泄水設(shè)施及坡面綠化工作，并對(duì)不合格的挖方料進(jìn)行

改良或廢棄處理。

（3）當(dāng)路床范圍內(nèi)存在標(biāo)貫擊數(shù)3～8擊的軟弱層時(shí)，由于填土尚未完成自重固結(jié)，屬高壓縮性土，承載力低，需要對(duì)路面以下的軟弱土層進(jìn)行換填處理，換填材料應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4 結(jié)語

EVS是一款比較適用的三維地質(zhì)建模分析軟件，支持鉆探、物探、原位測試等多源數(shù)據(jù)錄入格式，根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，可選擇合適的網(wǎng)格類型和空間插值方法，建立符合實(shí)際需求的地層模型、巖性模型、參數(shù)模型或耦合模型。另外，在介紹EVS建模方法的基礎(chǔ)上，通過對(duì)南寧市那況路人工填土段的三維地質(zhì)建模分析，得到以下結(jié)論：

（1）相對(duì)于傳統(tǒng)二維勘察圖件，三維地質(zhì)模型可更清晰地展示各地層的空間分布規(guī)律，可快速進(jìn)行三維模型炸開、剖切、開挖等操作，更直觀地觀察和理解三維地質(zhì)體。

（2）通過三維地質(zhì)模型、路線走向及開挖斷面形狀等進(jìn)行真三維開挖計(jì)算，相對(duì)于常規(guī)二維斷面法計(jì)算結(jié)果，三維開挖計(jì)算得到的成果更為精確，且便于各巖土層方量和比例的統(tǒng)計(jì)分析。

（3）通過三維地層與標(biāo)貫參數(shù)模型的開挖疊加分析，可清晰地發(fā)現(xiàn)開挖區(qū)存在明顯的軟弱層，這些軟弱層極易引起邊坡滑塌和地基不均勻沉降，避免了隱蔽軟弱層的遺漏。

（4）利用三維開挖計(jì)算及軟弱層分析成果，為確定開挖方量、邊坡坡率設(shè)置與防護(hù)、路床換填區(qū)域及厚度等設(shè)計(jì)文件提供了可靠依據(jù)。

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