EVS耦合地層-巖性三維地質(zhì)建模方法在南寧地鐵工程中的應(yīng)用

周念清， 楊浩博， 楊 磊， 劉先林

(1. 同濟(jì)大學(xué)水利工程系， 上海 200092； 2. 南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司， 廣西 南寧 530021； 3. 廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 廣西 南寧 530029)

0 引言

城市軌道交通因其綠色、安全、運(yùn)量大和運(yùn)效高等特點(diǎn)成為城市公共交通不可或缺的組成部分。截至2018年底，我國(guó)共有35個(gè)城市開(kāi)通了軌道交通，運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路總長(zhǎng)5 766.6 km，城市地鐵累計(jì)長(zhǎng)度為4 544.3 km，占線(xiàn)路總長(zhǎng)的78.8%[1]。到2035年，全國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程有望達(dá)到15 000 km[2]。在此背景下，為了使我國(guó)城市軌道交通建設(shè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，研究不良地質(zhì)環(huán)境、減少資金投入、優(yōu)化城市軌道交通線(xiàn)路設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

在軌道交通選線(xiàn)中，傳統(tǒng)的二維選線(xiàn)設(shè)計(jì)方法已無(wú)法滿(mǎn)足龐大的選線(xiàn)設(shè)計(jì)需求。三維地質(zhì)模型作為一種能夠直觀反映地層、地質(zhì)構(gòu)造和巖性空間分布的地質(zhì)工具，已被廣泛應(yīng)用到油藏、采礦、水利、交通等行業(yè)的地質(zhì)勘探及地學(xué)研究工作當(dāng)中[3-5]。它也可以為地鐵工作選線(xiàn)提供新的解決方案，但由于地鐵工程是線(xiàn)性工程，呈條帶狀分布，需要對(duì)建模方法進(jìn)一步優(yōu)化才能應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的實(shí)際選線(xiàn)工作中。

三維地質(zhì)建模按照數(shù)據(jù)來(lái)源，可以分為基于鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)以及多源數(shù)據(jù)等的多種建模方式[6-9]。其中，基于鉆孔數(shù)據(jù)的建模方式應(yīng)用最為廣泛。在研究過(guò)程中，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)在采用鉆探資料進(jìn)行地質(zhì)體的三維可視化時(shí)，模型外推預(yù)測(cè)往往會(huì)與實(shí)際情況產(chǎn)生偏離。袁峰等[10]在煤層頂板巖性預(yù)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，在鉆孔數(shù)量有限的情況下，在孔間和外推區(qū)域鉆探所得的煤層頂板巖性預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況存在較大誤差，由此提出一種基于指示克里金的序貫指示模擬方法。李曉軍等[11]在對(duì)上海長(zhǎng)江隧道進(jìn)行地層建模時(shí)，發(fā)現(xiàn)不連續(xù)地層厚度估計(jì)時(shí)只使用普通克里金并不能很好地判斷出地層的缺失與存在情況，由此提出一種聯(lián)合使用指示克里金(IK)和普通克里金(OK)的估計(jì)方法。因此，將基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)建模應(yīng)用于地鐵選線(xiàn)時(shí)，對(duì)建模方法進(jìn)行優(yōu)化就需要對(duì)外推或缺少鉆孔資料的建模進(jìn)行研究。

地層建模與巖性建模是基于鉆孔數(shù)據(jù)建模方式的2種典型方法。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，由于地層模型有良好的成層性且符合地質(zhì)工作習(xí)慣，大體上可以滿(mǎn)足工作需要，因此為廣大地質(zhì)工作者所采用。巖性建模是一種非傳統(tǒng)的地質(zhì)建模方法，采用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，按照數(shù)據(jù)預(yù)處理格式定義各巖性材料，將其賦予每個(gè)單元，對(duì)用鉆孔揭露復(fù)雜地層巖性材料空間分布具有更合理的描述。張峰等[12]通過(guò)廣義三棱柱建模原理，融合物探、化探、地調(diào)資料構(gòu)建了相對(duì)準(zhǔn)確的三維地層模型。劉愛(ài)群等[13]介紹了巖性建模的原理，并基于三維巖性模型建立了三維壓力模型。

通過(guò)上述學(xué)者的研究成果可知，現(xiàn)今對(duì)三維地質(zhì)建模的研究多停留在單一方式的原理及應(yīng)用層面。對(duì)于同一區(qū)域內(nèi)不同部分具有不同性質(zhì)和特點(diǎn)的情況，如僅采用單一的建模方式已無(wú)法滿(mǎn)足需求。本文借鑒前人的已有成果對(duì)該情形進(jìn)行研究，擬將2種典型方式聯(lián)合使用，并對(duì)其效果進(jìn)行分析和檢驗(yàn)。本文采用Earth Volumetric Studio軟件(以下簡(jiǎn)稱(chēng)EVS)對(duì)南寧市軌道交通3號(hào)線(xiàn)青秀山站至博藝路站區(qū)間進(jìn)行三維地質(zhì)建模，利用鉆孔數(shù)據(jù)分別對(duì)地層建模與巖性建模的模擬效果和特點(diǎn)進(jìn)行分析比較，提出地層-巖性建模方法，以提高建模方法的適應(yīng)性，滿(mǎn)足城市軌道交通需求。

1 基于EVS的地質(zhì)建模方法

1.1 EVS對(duì)地層層序的定義

地層層序是EVS創(chuàng)建地層模型、進(jìn)行地質(zhì)解釋的必要前提。通常對(duì)地層信息的解釋分為2種方式： 一種是僅依靠鉆孔揭露的地層信息；另一種是包含層序且進(jìn)行地質(zhì)解釋的層序地層信息。EVS創(chuàng)建地層模型時(shí)，采用后者來(lái)表達(dá)鉆孔揭露的地層信息。這種解釋方法需要將模型中的所有地層按照從上至下的層級(jí)排序，但實(shí)際地層中存在尖滅或透鏡體等現(xiàn)象，很難將地層按照特定層級(jí)排序。為解決這類(lèi)問(wèn)題，就需要用到層序劃分方法。

實(shí)際地層層序如圖1所示，0為砂土，1為黏土，2為礫石土。假設(shè)整個(gè)場(chǎng)地最左側(cè)、最右側(cè)和中間各有1個(gè)鉆孔，兩側(cè)的鉆孔都沒(méi)有揭露黏土透鏡體，因此，這2個(gè)鉆孔中只有2種材料，即2個(gè)地層，而中間的鉆孔中有3種材料、4個(gè)地層。EVS中層序劃分的方法將研究區(qū)內(nèi)的所有位置都視為具有完整的沉積巖層，通過(guò)調(diào)節(jié)尖滅層地層的厚度為0來(lái)產(chǎn)生地層結(jié)構(gòu)。如圖2所示，EVS層序劃分將該地層看作4層，分別為上部砂土(0)、黏土(1)、下部砂土(2)和礫石土(3)。在輸出模型時(shí)，只要保證層0和層2具有相同的顏色和紋理，那么層0和層2看上去只是一層，與實(shí)際地層結(jié)構(gòu)一致[14]。

圖1 實(shí)際的地層層序[14]

圖2 EVS的地層層序[14]

1.2 地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

對(duì)地層空間分布進(jìn)行三維描述，就必須有能夠?qū),y,z三維域信息進(jìn)行展示的手段。傳統(tǒng)的方法是通過(guò)鉆孔獲取離散點(diǎn)在豎向上的地質(zhì)信息。對(duì)于三維模型，若要對(duì)所有位置進(jìn)行準(zhǔn)確控制就需要布置更多的鉆孔，顯然成本過(guò)高且不切實(shí)際。因此，必須通過(guò)點(diǎn)源數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)空間任意位置的信息進(jìn)行插值估算。

法國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家Matheron根據(jù)南非采礦工程師Krige開(kāi)發(fā)的一種新的礦藏評(píng)價(jià)方法，提出地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)概念。在地質(zhì)建模中地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)理論主要是建立屬性網(wǎng)格，將鉆孔得到的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，外推于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)格內(nèi)的任意位置。在EVS中還可以將目標(biāo)地塊內(nèi)的其他信息構(gòu)建的模型，如三維物探數(shù)據(jù)模型、地下水水頭模型等，疊加或合并于基礎(chǔ)地質(zhì)模型中。這為多元數(shù)據(jù)的耦合、驗(yàn)證插值或外推效果提供了技術(shù)手段。

克里金法是EVS中采用的最基礎(chǔ)的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。設(shè)Z(x)是被定義在點(diǎn)上的區(qū)域化變量，且假定Z(x)服從二階平穩(wěn)假設(shè)。根據(jù)克里金法，可利用待估域V周?chē)囊唤M信息值{Zα，α=1,2,…,n}，對(duì)中心位于x0的域V(x0)的平均值進(jìn)行估計(jì)。

(1)

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

1.3 典型建模方式

EVS提供了2種典型的建模方式，分別是地層建模和巖性建模。這2種建模方法具有各自的特點(diǎn)和適用條件，在構(gòu)建地質(zhì)模型時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)的特性進(jìn)行分析，選擇適合的建模方式。

1.3.1 地層建模

地層建模是通過(guò)對(duì)原始鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行層序劃分，得到包含地層層序的數(shù)據(jù)格式。地層建模采用的是不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN)[15]，TIN是通過(guò)對(duì)有限點(diǎn)進(jìn)行Delaunay三角剖分構(gòu)建的。與傳統(tǒng)方法不同的是，EVS采用了三維交互方式進(jìn)行層序劃分，通過(guò)各個(gè)巖性分界點(diǎn)所屬的三維面確定各個(gè)鉆孔中的層序，再通過(guò)該格式創(chuàng)建地層界面，最后采用克里金插值方法得到地層模型，見(jiàn)圖3。

對(duì)于地層劃分清晰、鉆孔布置充足且均勻的情形，地層建模是最優(yōu)的三維建模方式。因?yàn)橥ㄟ^(guò)該方式建模，每個(gè)地層都可以創(chuàng)建清晰平滑的邊界，層與層之間還可以通過(guò)分層顯示方式觀察模型。除此之外，地層建模方法在劃分好層序之后，具有極高的運(yùn)行效率，可以快速地生成地層模型，且方便展示和查看。

(a) 層序劃分

1.3.2 巖性建模

采用地層建模方式可以創(chuàng)建大部分的地質(zhì)模型，但對(duì)于含有特殊地質(zhì)構(gòu)造(如侵入巖、巖溶、褶皺等)的情形，并不適合采用層序劃分的地層建模。對(duì)于大尺度的地質(zhì)模型，鉆孔本身非常復(fù)雜，同種巖性反復(fù)出現(xiàn)，因此無(wú)法劃分層序，也不適合采用地層建模，如圖4所示。

圖4 復(fù)雜鉆孔的情形

針對(duì)這類(lèi)情況，EVS提供了一種行之有效的GIK(Geologic Indicator Kriging)巖性建模方法。它最大的特點(diǎn)就是采用原始鉆孔數(shù)據(jù)建模，不需要人為干預(yù)或?qū)︺@孔數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋?zhuān)耆捎?jì)算機(jī)自動(dòng)完成。因此，巖性建模適用于很難進(jìn)行層序劃分的鉆孔數(shù)據(jù)。由于巖性建模是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型的建模方法，無(wú)需人為干預(yù)，因此對(duì)特殊地質(zhì)構(gòu)造(如透鏡體)的描述更加客觀準(zhǔn)確。它采用的是方格網(wǎng)形式，這種模型對(duì)網(wǎng)格單元進(jìn)行插值，如不加處理，得到的模型就會(huì)呈鋸齒狀。為此，EVS提供了一種平滑巖性建模方法，使生成的巖性模型具有平滑的界面，但這種方法建模比較耗時(shí)，無(wú)法快速得到地質(zhì)模型。

2 EVS耦合地層-巖性三維地質(zhì)建模方法

2.1 耦合建模方法

單獨(dú)采用地層建模和巖性建模各有利弊，為了取得更精確且能夠滿(mǎn)足實(shí)際需要的模型，可考慮將二者相結(jié)合得到既能描述復(fù)雜巖性又能反映地層成層性的模型，以滿(mǎn)足選線(xiàn)工程地質(zhì)建模的需要。為此，提出了以下2種思路。

1)利用地層建模層序劃分的方法界定出地質(zhì)模型的各層邊界，再利用巖性建模的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法(GIK方法)在邊界內(nèi)部進(jìn)行地層巖性的分配。

這種方法既保留了地層建模對(duì)層面的清晰劃分，每層內(nèi)部又是由指示克里金插值得到的結(jié)果，可以描述復(fù)雜的鉆孔情況，既能進(jìn)行層面間的分離顯示功能，又能選擇查看特定的巖性材料在空間的分布。該方法適用于地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是大尺度、大區(qū)域的三維地質(zhì)模型。

2)對(duì)于整體地層分層清晰，但存在部分區(qū)域巖性復(fù)雜的情況，可以對(duì)性質(zhì)不同的部分分別采用地層和巖性建模來(lái)構(gòu)建模型，再將兩者耦合疊加在一起。該方法保留了2種模型的特性，且互不干擾，適用于區(qū)域地質(zhì)條件分層規(guī)律明顯但伴隨有巖溶等復(fù)雜地質(zhì)體存在的情形。這種方法也可以清楚反映某種巖性材料在空間上的分布與相對(duì)位置。

本文采用第1種方法進(jìn)行耦合建模研究。

2.2 EVS輸入文件格式

為了創(chuàng)建滿(mǎn)足各種需求的地質(zhì)模型，EVS提供了5種標(biāo)準(zhǔn)輸入文件格式。分別是PGF(Pre Geology File)文件、GEO(Boreh-ole Geology Stratigraphy)文件、GMF(Geology Multi-File)文件、APDV(Analyte Point file format)文件、AIDV(Analyte Interval Data File Format)文件。APDV和AIDV格式是用于創(chuàng)建屬性模型的輸入格式，這里主要介紹用于創(chuàng)建地質(zhì)模型的輸入格式PGF、GEO、GMF。

PGF即地質(zhì)預(yù)處理格式，表達(dá)的是沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的鉆孔數(shù)據(jù)，包含鉆孔及巖性分界點(diǎn)的空間位置信息。GEO和GMF是對(duì)PGF進(jìn)行層序劃分后得到的包含地層層序的文件格式。

2.3 數(shù)據(jù)處理及程序模塊

2.3.1 數(shù)據(jù)處理

為了得到三維地質(zhì)建模所需要的各種數(shù)據(jù)文件，需將鉆孔數(shù)據(jù)按照鉆孔ID、地層頂板和底板埋深、地面標(biāo)高、巖性名稱(chēng)等存儲(chǔ)在EXCEL表格中，通過(guò)EVS自帶的文件轉(zhuǎn)換工具生成PGF，再通過(guò)應(yīng)用模塊make_geo_hierarchy，利用不規(guī)則三角網(wǎng)模型及地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)自上而下地對(duì)地層進(jìn)行劃分，得到包含層序信息的GEO和GMF格式文件，如圖3(a)所示。

2.3.2 程序模塊與建模流程

EVS是一款功能強(qiáng)大且適用于地球科學(xué)領(lǐng)域的可視化3D建模分析軟件，包括估計(jì)(Estimation)、地質(zhì)(Geology)、顯示(Display)等19類(lèi)百余個(gè)應(yīng)用程序模塊。本文主要用到如下模塊： krig_3d_geology、indicator_geology、explode_and_scale、select_cells、external_faces、post_samples、legend、viewer以及make_geo_hierarchy模塊等。

圖5示出第1種耦合建模方式(即地層-巖性建模)的應(yīng)用模塊流程。

圖5 地層-巖性建模應(yīng)用模塊流程

EVS利用不同應(yīng)用模塊構(gòu)建地層-巖性耦合模型的步驟如下：

1)將包含地層層序信息的GMF文件輸入到krig_3d_geology模塊中，該模塊利用鉆孔揭露的地表與地層等數(shù)據(jù)信息界定地質(zhì)層的邊界，生成進(jìn)行三維地質(zhì)建模和參數(shù)估計(jì)的框架模型，過(guò)程如圖3所示。此框架模型包含有層序劃分，且各分層與地層模型相一致但沒(méi)有進(jìn)行巖性插值的狀態(tài)。

2)將上一步生成的框架導(dǎo)入indicator_geology模塊中，并輸入原始的PGF文件。該模塊利用指示克里金方法在框架模型內(nèi)部進(jìn)行巖性插值，將土層的巖性分配到各個(gè)網(wǎng)格單元中，完成2種模型特性的耦合。

3)將得到的模型依次連接到explode_and_scale、select_cells、external_faces以及viewer等顯示功能模塊，這些模塊分別對(duì)應(yīng)的是按不同巖性分層顯示功能、選擇特定巖性材料顯示功能、對(duì)模型進(jìn)行3D渲染功能以及總的顯示功能。post_samples和legend則是顯示三維鉆孔和圖例的模塊。利用這些顯示模塊對(duì)模型進(jìn)行最終的三維展示。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

南寧市軌道交通3號(hào)線(xiàn)地鐵工程青秀山站至博藝路站區(qū)間(以下稱(chēng)青博區(qū)間)橫跨邕江位于南寧市青秀區(qū)和邕寧區(qū)兩區(qū)交界處，里程范圍ZDK20+255.879c～ZDK22+293.000，均為地下線(xiàn)路，如圖6所示。

圖6 工程線(xiàn)路示意圖

青博區(qū)間段地勢(shì)整體上北高南低，地形變化較大，地面高程(黃海高程)從81.07 m到121.48 m，高差達(dá)40.41 m，平均坡度4.7%。該區(qū)間地形較為復(fù)雜，地層分布有軟弱土、膨脹土及半成巖等特殊巖土。

地鐵區(qū)間段勘探鉆孔揭露的地層主要是：①2素填土、②1淤泥、⑦1泥巖和粉砂質(zhì)泥巖、⑦2粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖、⑦3粉砂質(zhì)泥巖和⑦4炭質(zhì)泥巖。該區(qū)間鉆孔示意圖如圖7所示。

圖7 青博區(qū)間鉆孔示意圖

3.2 EVS建模與分析

為了探明研究區(qū)段地質(zhì)體的分布情況，首先，利用勘探鉆孔數(shù)據(jù)分別構(gòu)建地層模型及巖性模型； 然后，將地層-巖性耦合建模方法構(gòu)建地層-巖性模型，并將3種地質(zhì)建模方法進(jìn)行比較以闡明建模效果。建模數(shù)據(jù)選自南寧市軌道交通3號(hào)線(xiàn)工程青秀山站至博藝路站區(qū)間段113個(gè)鉆孔的1 127條巖性數(shù)據(jù)。

1)巖性模型。如圖8所示，該方法與鉆孔揭示的地層巖性信息擬合較好，能夠清晰直觀地反映模型內(nèi)部透鏡體與地層尖滅位置的分布，且能直接生成水平的模型底面。模型整體能夠與地質(zhì)剖面圖保持一致，但在連接鄰近鉆孔巖性分界點(diǎn)時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)階梯狀的異變，對(duì)于層面間關(guān)系的描述不夠清晰，不能將模型沿層面分層展示。

圖8 巖性模型

2)地層模型。在同種巖土層反復(fù)交替出現(xiàn)、存在大量透鏡體的情況下，如圖8左下部所示的⑦2、⑦3地層，很難根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行層序劃分構(gòu)建地層模型。只能通過(guò)觀察巖性模型對(duì)整體的地層構(gòu)造做出判斷，忽略透鏡體，只對(duì)厚度大的地層進(jìn)行描述。如圖9所示，該地層模型中各地層層間光滑且連續(xù)、層面關(guān)系表達(dá)較為清晰。

圖9 地層模型

地層模型對(duì)巖性材料的描述在空間分布上與實(shí)際情況存在出入，有時(shí)模型與鉆孔數(shù)據(jù)揭露的信息不相匹配。該工程區(qū)間中部為邕江河道段，表層土以②1淤泥層為主，區(qū)間段模型的俯視圖如圖10所示。由圖10(a)可知，模型表層均為①2素填土，而河道內(nèi)表層為②1，與事實(shí)不符。

圖10 模型俯視圖

在地層模型中，出現(xiàn)表層均為①2素填土的情形，主要與巖性材料賦值規(guī)律、二維插值方式以及人工層序劃分等有關(guān)。

根據(jù)地鐵線(xiàn)路沿線(xiàn)布設(shè)的鉆孔采集的地層及巖性資料，采用地層建模方式構(gòu)建的地質(zhì)模型，在缺少鉆孔數(shù)據(jù)處存在一定的缺陷，需要采取人為干預(yù)的辦法才能使其與實(shí)際情況相符。

3)地層-巖性模型。2種建模方式在水平方向、空間分布和成層性上各有利弊。為了同時(shí)反映地層的成層性和地層的不連續(xù)性，將上述2種方法結(jié)合，先通過(guò)地層建模方法對(duì)地層進(jìn)行劃分，再在劃分的地層內(nèi)部進(jìn)行巖性建模，即地層-巖性建模。這樣既能夠?qū)?fù)雜的透鏡體有清晰的描述，又能在地層間形成清晰的界面，如圖11所示。

圖11 地層-巖性模型

由圖11可知，在水平展布上地層-巖性模型較地層模型更符合實(shí)際。其對(duì)巖性分布的描述均以鉆孔數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，采用克里金方法進(jìn)行插值，所得結(jié)果沒(méi)有出現(xiàn)明顯的突變或與經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知不符的情形。如圖10(b)所示，模型俯視圖中段清晰地顯示了邕江河道段表層的巖性，主要分布有②1淤泥層和少量③3粉土層、④1-2粉砂層。與地層建模和巖性建模相比，地層-巖性建模的顯示效果對(duì)于線(xiàn)狀的地鐵線(xiàn)路工程具有更好的適應(yīng)性。

4)2種模型的耦合效果。由于這2種模型均是基于空間上三維鉆孔數(shù)據(jù)，從模型輪廓和模型巖性與三維鉆孔表達(dá)的一致性方面來(lái)看，擬合程度良好，不存在明顯不相符的情況。地層模型的層序劃分與巖性模型中不同材料的分界處基本吻合。

3.3 交叉驗(yàn)證

為了驗(yàn)證地層-巖性建模方法的有效性，需要對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行交叉驗(yàn)證[16]。驗(yàn)證按照如下方式進(jìn)行： 1)從所有鉆孔中抽取1個(gè)鉆孔作為驗(yàn)證樣本，利用剩余鉆孔構(gòu)建模型，采取指示克里金方法對(duì)層厚進(jìn)行估計(jì)； 2)將抽取的鉆孔依次替換剩余鉆孔中的其他樣本，每次替換后都用剩余的鉆孔進(jìn)行層厚估計(jì)； 3)選取平均相對(duì)誤差和均方根誤差對(duì)建模精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用的公式如下:

(2)

(3)

式(2)—(3)中：O為驗(yàn)證數(shù)據(jù)；P為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)；n為驗(yàn)證數(shù)據(jù)的數(shù)目。

青博區(qū)間段鉆孔揭露的主要地層有①2、②1、⑦2、⑦3、⑦4，地鐵隧道穿越⑦2、⑦3地層及其層間界面。進(jìn)行模型檢驗(yàn)時(shí)，在112個(gè)鉆孔中選取5個(gè)有代表性的鉆孔對(duì)①2、⑦2、⑦3地層分別進(jìn)行交叉驗(yàn)證。根據(jù)式(2)—(3)計(jì)算得到的驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

表1 精度驗(yàn)證

由表1可知，地層-巖性建模對(duì)層厚的估計(jì)明顯好于地層建模，具有較低的MRE值和RRMSE值，較地層建模分別降低了2.18%～9.87%、0.39 ～ 2.78 m。地層建模在缺少鉆孔處的估計(jì)會(huì)引起較大誤差。結(jié)果表明，地層-巖性建模能更好地?cái)M合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，所建模型更加可靠。

3.4 模型應(yīng)用

青博區(qū)間段因橫跨邕江，且跨江段地質(zhì)條件比較復(fù)雜，隧道施工面臨巨大風(fēng)險(xiǎn)。為了使地鐵隧道穿越的地層避開(kāi)不良地質(zhì)體，可以根據(jù)三維地質(zhì)模型展示結(jié)果，探討地鐵隧道通過(guò)不同標(biāo)高時(shí)遇到不良地質(zhì)體的可能性及由此可能產(chǎn)生的影響，以此確定隧道穿越工程地質(zhì)條件良好的高程范圍。分別對(duì)47.6、45.0、39.3 m 3個(gè)標(biāo)高段三維地質(zhì)模型進(jìn)行平剖，如圖12所示。

圖12 模型平剖圖

1)標(biāo)高為47.6 m時(shí)，地鐵隧道主要穿越的地層巖性材料有②1淤泥，⑦1泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，⑦2粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，⑦3粉砂質(zhì)泥巖，⑦4炭質(zhì)泥巖。其中，②1淤泥為灰色-深灰色，呈流塑狀，具高壓縮性，工程力學(xué)性質(zhì)極差；⑦4炭質(zhì)泥巖屬半成巖地層，工程性質(zhì)較差。

2)標(biāo)高為45.0 m時(shí)，地鐵隧道主要穿越的地層巖性材料與標(biāo)高為47.6 m時(shí)相同，但②1淤泥和⑦4炭質(zhì)泥巖揭露的面積更小，對(duì)工程影響不大。

3)標(biāo)高為39.3 m時(shí)，地鐵隧道主要穿越的地層巖性為⑦1泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，⑦2粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，⑦3粉砂質(zhì)泥巖，而工程性質(zhì)較差的②1淤泥、⑦4炭質(zhì)泥巖等地層未出現(xiàn)。

根據(jù)三維地質(zhì)建模結(jié)果分析，從邕江底至標(biāo)高39.3 m處分布了大量工程性質(zhì)較差的巖土體，隧道施工應(yīng)盡可能避開(kāi)。標(biāo)高39.3 m以下的巖土材料相對(duì)穩(wěn)定，地鐵隧道從此穿過(guò)相對(duì)適宜，具體地鐵線(xiàn)路選線(xiàn)設(shè)計(jì)可參考兩端地鐵車(chē)站標(biāo)高及區(qū)間隧道地質(zhì)條件確定選線(xiàn)設(shè)計(jì)穿越的標(biāo)高，在考慮技術(shù)可行的前提下以節(jié)省工程造價(jià)為目標(biāo)，達(dá)到安全合理的目的。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)南寧軌道交通3號(hào)線(xiàn)青博區(qū)間段三維地質(zhì)建模方法以及地鐵線(xiàn)路選線(xiàn)時(shí)地質(zhì)條件的研究，得到以下結(jié)論：

1)利用EVS構(gòu)建的三維地質(zhì)模型可以清晰地展示地鐵線(xiàn)路所穿越地層及周邊的巖性材料和不良地質(zhì)體的具體位置，為地鐵線(xiàn)路優(yōu)化、優(yōu)選地質(zhì)條件提供技術(shù)依據(jù)。

2)通過(guò)對(duì)地層建模和巖性建模2種方法的對(duì)比分析，提出了一種基于地層-巖性的耦合建模方法，該方法可以同時(shí)具有展示復(fù)雜透鏡體和清晰地質(zhì)層面的功能，且可以更合理地反映實(shí)際地質(zhì)體的分布情況。

3)經(jīng)過(guò)交叉驗(yàn)證，結(jié)果表明地層-巖性耦合建模方法的相對(duì)誤差、均方根誤差均比單獨(dú)采用地層建模方法分別降低了2.18%～9.87%、0.39 ～ 2.78 m。地層-巖性建模具有較低的值，證明該方法能更好地?cái)M合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

4)對(duì)所建模型在不同標(biāo)高處進(jìn)行平剖，結(jié)果清晰地反映了在不同標(biāo)高處地層巖性分布及工程性質(zhì)的差異。對(duì)地鐵線(xiàn)路在不同標(biāo)高處所穿越的地質(zhì)條件進(jìn)行分析，認(rèn)為青博區(qū)間段地鐵隧道頂板標(biāo)高小于39.3 m時(shí)的地質(zhì)條件比較適宜，可以作為地鐵隧道設(shè)計(jì)依據(jù)。

本文主要對(duì)利用EVS軟件實(shí)現(xiàn)2種建模方式特性耦合的過(guò)程及應(yīng)用進(jìn)行了介紹，而從精細(xì)化建模的角度探討如何對(duì)底層算法進(jìn)行優(yōu)化還有待進(jìn)一步研究。