基于BIM的三維地質(zhì)建模在沿江復(fù)雜地層的研究

楊偉軍

摘要：為了解決傳統(tǒng)的設(shè)計施工方案協(xié)同性不高，進(jìn)度緩慢，容易反工，探討了基于BIM的三維地質(zhì)建模技術(shù)在工程中的應(yīng)用的新方法。通過以克里金插值法為原理構(gòu)建的三維地質(zhì)模型提高了模型的精確度和可靠度。通過三維地質(zhì)模型與實際工程中的物理力學(xué)參數(shù)相結(jié)合解決了因繁瑣的查閱工程圖紙而損失了時間的問題。通過三維地質(zhì)模型與施工參數(shù)結(jié)合提高了工程設(shè)計人員決策效率。實現(xiàn)任意位置下的三維地質(zhì)模型剖面出圖。研究結(jié)果表明：運(yùn)用克里金插值法建立的高精度三維地質(zhì)模型不僅滿足工程實際的要求，并依托于某防洪堤改造工程項目，三維地質(zhì)模型與勘察、檢測、施工的應(yīng)用，方便為決策者提供多方面的地質(zhì)信息，輔助決策人員及時有效采取安全措施。

Abstract： In order to solve the problems of low coordination of traditional design and construction schemes， slow progress， and rework， a new method of application of BIM based 3D geological modeling technology in engineering is discussed. Based on kriging interpolation， a 3D geological model is constructed to improve the accuracy and reliability. Through the combination of three-dimensional geological model and physical and mechanical parameters in actual engineering， the problem of time loss caused by tedious consulting engineering drawings is solved. Through the combination of 3D geological model and construction parameters， the decision-making efficiency of engineering designers is improved. By using the borehole database to update the changing engineering data in real time， the sharing and utilization of 3D geological model and engineering data information is realized. The results show that the high-precision 3D geological model established by kriging interpolation method not only meets the actual requirements of engineering， but also relies on the application of 3D geological model， investigation， detection and construction in a flood dike reconstruction project， which is convenient for decision makers to provide various geological information and assist decision makers to take safety measures timely and effectively.

關(guān)鍵詞：可視化;三維地質(zhì)建模;沿江復(fù)雜地層加固

Key words： visualization;3D geological modeling;reinforcement of complex strata along the river

中圖分類號：TV871? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）04-0216-04

0? 引言

我國某市城區(qū)防洪堤改造工程項目，已建堤防于本世紀(jì)50～80年代陸續(xù)建造，原設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為20～30年一遇的洪水防洪標(biāo)準(zhǔn)，因年代久遠(yuǎn)，項目業(yè)主數(shù)次更換，雖在1999年和2002年大洪水期間已做過勘察設(shè)計和施工，但資料仍然缺失。無論是工程建設(shè)、管理還是運(yùn)營方面，堤防加固工程極需要勘察資料、設(shè)計資料和施工資料，但若重新用勘察手段，會導(dǎo)致施工效率低下，浪費(fèi)的時間過多，消耗的人力物力損失也較大，不符合當(dāng)今時代的發(fā)展需求。

針對此項目對該重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行三維地質(zhì)建模，并進(jìn)行模型在該工程中的應(yīng)用分析，充分利用地勘報告和工程圖紙收集所需的數(shù)據(jù)信息建立可實時更新的數(shù)據(jù)庫，為研究人員提供一個可查詢、分析的可視化環(huán)境。目前三維地質(zhì)模型的工程應(yīng)用還處于探索階段，三維地質(zhì)模型與工程物理力學(xué)參數(shù)相結(jié)合可避免地質(zhì)勘探中需查閱紙質(zhì)勘察報告的繁瑣過程，使得勘探效率最大化;模型與施工參數(shù)的結(jié)合給地質(zhì)專業(yè)與施工架起一道溝通的橋梁，為制定合理的施工方案提供方便。

1? 三維地質(zhì)建模實現(xiàn)框架

三維地質(zhì)建模應(yīng)用型方法主要是以原始勘探資料為基礎(chǔ)，相應(yīng)地建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫與鉆孔數(shù)據(jù)庫，耦合原始地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)（地質(zhì)種類、鉆孔坐標(biāo)、鉆孔深度等）和工程地勘報告以及CAD二維剖面等多種來源的地質(zhì)數(shù)據(jù)，由計算機(jī)生成大量的二維地質(zhì)剖面后，應(yīng)用曲面構(gòu)造法生成各層面從而構(gòu)造三維地質(zhì)模型，利用克里金插值對地質(zhì)體模型更加精細(xì)化[11]。該體系的核心為幾何建模，以地質(zhì)對象建模為主線，人工對象建模所采用的關(guān)鍵技術(shù)采用克里金插值算法，利用已知的勘探數(shù)據(jù)，對地質(zhì)界面的未知點(diǎn)進(jìn)行插值。

由于原始的鉆孔數(shù)據(jù)的獲取非常繁瑣，不僅浪費(fèi)大量的時間，還需要很高的成本，而這些數(shù)據(jù)對三維地質(zhì)建模是必不可少的。采用空間內(nèi)插的方式能滿足建模布點(diǎn)均勻和密度足夠的要求，主要手段是利用已知勘測點(diǎn)的數(shù)據(jù)值來預(yù)測未知的空間數(shù)據(jù)值，這里選用坐標(biāo)數(shù)據(jù)作為已知點(diǎn)數(shù)據(jù)值的預(yù)測[6]。

基于少量的原始勘探孔的數(shù)據(jù)來預(yù)測未勘探鉆孔數(shù)據(jù)的參數(shù)，為各地層面模型的建立提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在三維空間中設(shè)有x，y，z三維坐標(biāo)，待估點(diǎn)x，y坐標(biāo)已知，預(yù)估z坐標(biāo)。設(shè)x1，x2，…，xn表示n個測量點(diǎn)的空間位置中的x，y坐標(biāo)，現(xiàn)在設(shè)Zi=Z（xi）（i=1，2，…，n）表示i點(diǎn)空間位置的z坐標(biāo)變數(shù)的測量值。

2? 三維地質(zhì)模型的可視化

三維地質(zhì)模型可以直觀的將紙質(zhì)的地質(zhì)勘察資料和二維的工程地質(zhì)剖面圖轉(zhuǎn)換成三維可視化模式的功能，有效促進(jìn)各方人員間的理解和交流，為對實際工程地質(zhì)情況的了解帶來方便，便于后續(xù)工程設(shè)計與施工的順利進(jìn)行，并可以在最大程度上避免工程潛在風(fēng)險[8]。

在沿江復(fù)雜地層的灌漿加固過程中，設(shè)計和施工過程中難免會遇到大量的工程地質(zhì)問題，需要提高對地質(zhì)的認(rèn)識和理解程度從而加強(qiáng)工程區(qū)域內(nèi)地質(zhì)分層的實用性和重要性。合理且準(zhǔn)確的分析不同地質(zhì)的分布情況，不僅可以對鉆孔灌漿加固工程強(qiáng)度特性做出評價，而且通過對地質(zhì)的判別評價，在合理確定布置鉆孔位置以及控制灌漿量等方面都具有重要的實踐價值[5]。

3? 三維地質(zhì)模型的應(yīng)用

3.1 三維地質(zhì)模型在勘查中的應(yīng)用

隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展，其在工程勘察階段的應(yīng)用逐漸被重視。三維地質(zhì)模型在勘察項目中的應(yīng)用領(lǐng)域不僅可以體現(xiàn)在提高制圖效果等方面，更重要的是，可以對工程地質(zhì)問題提供正確判斷及成因分析，為合理制定工程規(guī)劃、選取鉆孔點(diǎn)奠定基礎(chǔ)。一方面，勘察項目中為了能較準(zhǔn)確的反映總體空間分布特征，需要確定不同地層在各條剖面上的傾視角及空間延展方向，結(jié)合鉆探、物探及以往勘察資料確定所需添加的鉆孔點(diǎn)的范圍;另一方面，地質(zhì)勘察工作需要統(tǒng)計數(shù)量眾多的表格，不同地層需要分別統(tǒng)計對應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)，而基于BIM的三維地質(zhì)建模技術(shù)可以將數(shù)據(jù)收集整理完成后，實現(xiàn)在三維模型中對所需要的物理力學(xué)參數(shù)的直觀展示，避免了繁瑣的翻閱紙質(zhì)的工程地勘資料，為工程人員快速的查看所需地層的相關(guān)參數(shù)提供了極大的便利。

3.2 三維地質(zhì)模型在施工階段中的應(yīng)用

沿江地層灌漿加固施工過程中往往需要實時統(tǒng)計相當(dāng)數(shù)量的施工參數(shù)，面對不斷加入的地質(zhì)資料，各專業(yè)人員會需重復(fù)勞動處理新的數(shù)據(jù)，并且對不同專業(yè)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)的難度較大，導(dǎo)致降低了工程設(shè)計的水平和效率。為能最大化的給決策者提供方便的評價手段和多方面的地質(zhì)信息，提高參考價值，將不斷變動的施工參數(shù)實時反映在三維模型上能夠有效輔助決策人員及時采取安全措施。

3.3 三維地質(zhì)模型在檢測中的應(yīng)用

為保證工程質(zhì)量，施工質(zhì)量的檢測必不可少。施工前原始記錄、鉆孔深度、灌漿長度、工藝參數(shù)、樁孔變差等等都是無返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿施工的主要質(zhì)量控制內(nèi)容，不僅如此，在第五章也提到過不同土體的噴射方式所形成的固結(jié)體大小不同，所以強(qiáng)度和滲透試驗的結(jié)果也不同。高壓旋噴樁地基施工質(zhì)量的檢測離不開載荷試驗，需要標(biāo)準(zhǔn)貫入和重型動力觸探等現(xiàn)場試驗統(tǒng)計地基承載力，試驗對象的種類繁多、分組量多，得到的承載力數(shù)據(jù)信息量不僅龐大，而且在橫向和縱向?qū)Ρ戎筮€可能隨時對結(jié)果進(jìn)行修正。如何對檢測承載力是否達(dá)標(biāo)正是對檢測系統(tǒng)開發(fā)與完善的重要工作。

為統(tǒng)計施工質(zhì)檢信息，提出以三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ)的檢測系統(tǒng)，在已統(tǒng)計的鉆孔數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以三維地質(zhì)模型中的鉆孔為基準(zhǔn)點(diǎn)，各鉆孔編號也可表示成樁編號，對各鉆孔點(diǎn)進(jìn)行工程檢測查詢得到需要的檢測數(shù)據(jù)的信息，對當(dāng)前位置對應(yīng)的不同土體和不同樁號對應(yīng)的承載力大小、c值、？準(zhǔn)值等需要的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀展示。檢測系統(tǒng)的開發(fā)大大便利了檢測人員對數(shù)據(jù)的復(fù)核和進(jìn)一步開發(fā)計算，提高施工檢測的工作效率。

4? 工程案例分析

4.1 工程概況

4.1.1 工程背景

本次建模依托于我國某市城區(qū)防洪提加固工程實例。主體結(jié)構(gòu)為漿砌石防洪墻結(jié)構(gòu)，2017年洪峰水位高達(dá)39.51m，已超已建堤防的最高水位線3.51m，當(dāng)?shù)厥形懈畼O為重視，及時組織相關(guān)職能部門采取強(qiáng)力有效的措施，調(diào)集大量人力物力，迅即堆筑子堤抵御超標(biāo)準(zhǔn)洪水，才使此次超標(biāo)準(zhǔn)洪水順利通過河道且未致淹及內(nèi)部主干道。

4.1.2 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)主要地貌單元有：紅層剝蝕丘崗地貌和河流沖積平原地貌。沿岸主要為Ⅰ級階地，由第四紀(jì)白水江組沖積物組成。地貌上成為掩埋階地，部分地段為嵌入階地。階面高程一般31m～39m，一般高差6m～8m，河漫灘向河床中心傾斜。初設(shè)階段鉆孔為24個，在此基礎(chǔ)上，本次建模將再增加10個鉆孔點(diǎn)，以觀察鉆孔分層情況。

4.1.3 地質(zhì)分層情況

地層的分層情況如表1所示。

4.2 三維地質(zhì)模型的應(yīng)用

4.2.1 三維地質(zhì)模型任意剖切

利用PowerGEO三維地質(zhì)建模系統(tǒng)建立三維地質(zhì)模型，并對模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具體的分析。不同剖面位置可看出地層走向，部分位置全風(fēng)化層有斷層現(xiàn)象，如圖1所示。

4.2.2 三維地質(zhì)模型與地質(zhì)勘察結(jié)合

①模型與物理力學(xué)參數(shù)結(jié)合。

為了方便勘察人員直觀查閱所需要不同地層的物理力學(xué)參數(shù)，現(xiàn)以填土層和砂礫層為例，實現(xiàn)將三維地質(zhì)模型與物理力學(xué)參數(shù)相結(jié)合，如圖2、圖3所示。

填土的液性指數(shù)IL范圍值0.80～2.36、平均值1.17，表明填土多呈軟塑狀態(tài);填土的內(nèi)摩擦角φ范圍值22°～25°、平均值23.5°，凝聚力c范圍值27kPa～38kPa、平均值32.70kPa，土的內(nèi)摩擦角φ值跨度較大，表明該填土的力學(xué)性質(zhì)均一致較差。

砂礫土的液性指數(shù)IL范圍值0.03～1.12、平均值0.63，表明該砂礫土多呈軟塑～硬塑狀態(tài)、大多呈可塑狀態(tài);土的內(nèi)摩擦角φ范圍值11°～26°、平均值21.7°、變異系數(shù)0.43、標(biāo)準(zhǔn)值為17.6°，凝聚力c范圍值11kPa～50kPa、平均值27.81kPa、變異系數(shù)0.85、標(biāo)準(zhǔn)值為17.7kPa，表明該土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)離散性較大。

②剖面出圖。

三維地質(zhì)模型在勘察項目中的應(yīng)用領(lǐng)域不僅可以體現(xiàn)在提高制圖效果等方面，更重要的是，可以對工程地質(zhì)問題提供正確判斷及成因分析，為合理制定工程規(guī)劃、選取鉆孔點(diǎn)奠定基礎(chǔ)。一方面，勘察項目中為了能較準(zhǔn)確的反映總體空間分布特征，需要確定不同地層在各條剖面上的傾視角及空間延展方向，結(jié)合鉆探、物探及以往勘察資料確定所需添加的鉆孔點(diǎn)的范圍。如圖4所示。

4.2.3 模型與旋噴樁設(shè)計結(jié)合

三維地質(zhì)模型也可以幫助我們檢驗設(shè)計方案?？紤]到堤防設(shè)計方案中旋噴樁的交錯布置方式的多樣性，以及最佳布置間距的不確定性，三維地質(zhì)模型的應(yīng)用也可輔助旋噴樁的設(shè)計。具體可以考慮為以下幾點(diǎn)：①輔助旋噴樁布置區(qū)域的選擇。旋噴樁布置區(qū)域應(yīng)選在樁外側(cè)覆土厚度較薄的位置，鉆罐成樁地層條件與外圍環(huán)境基本可涵蓋堤防防滲加固不利的情況。②輔助確定旋噴樁布置的方式。旋噴樁布置方式多種多樣，以本工程為例，存在兩種選擇方案：單排3孔布置或雙排5孔布置，而借助于三維地質(zhì)模型十分有助于設(shè)計人員的方案選擇。

4.2.4 模型與施工參數(shù)結(jié)合

此次堤防加固工程采用無返漿高壓復(fù)合灌漿加固技術(shù)，鉆進(jìn)過程采用鉆罐一體靜壓注漿的方式，上提過程采用高壓旋噴觸變水泥膏漿進(jìn)行加固，現(xiàn)將三維地質(zhì)模型與施工參數(shù)相結(jié)合，直觀的展示了兩種不同注漿方式的施工參數(shù)。如圖5所示。

5? 結(jié)論

本文依托某防洪堤加固工程項目，進(jìn)行三維地質(zhì)建模，對三維地質(zhì)模型在防洪堤加固工程的應(yīng)用提供指導(dǎo)意義。通過對于該核心建模軟件的使用和應(yīng)用分析，取得了一定的成果和結(jié)論：

①基于BIM的三維地質(zhì)建模是一種高效的三維地質(zhì)建模方式，利用計算機(jī)屏幕來代替實際的二維剖面空間，可以有效的模擬工程地質(zhì)對象。本文對這種建模方法、建模體系做了詳細(xì)的研究，并結(jié)合實際工程案例給出了詳細(xì)的建模過程。

②通過某防洪堤加固工程的鉆孔資料及工程地勘報告，利用PowerGEO建模軟件建出三維地質(zhì)模型，對建立的模型進(jìn)行了任意旋轉(zhuǎn)、剖切等操作，并能觀察到地質(zhì)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)三維地質(zhì)模型的可視化。實現(xiàn)對于鉆孔勘探所統(tǒng)計的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納，在三維模型中真實準(zhǔn)確的建立鉆孔模型，實現(xiàn)鉆孔數(shù)據(jù)的實時更新，解決了需大量查閱紙質(zhì)鉆孔統(tǒng)計表的繁瑣過程。

③依托于某防洪堤加固工程項目，通過將三維地質(zhì)模型與勘察、檢測中統(tǒng)計的物理力學(xué)參數(shù)或施工參數(shù)進(jìn)行密切結(jié)合，有效利用三維地質(zhì)模型的可視化功能進(jìn)行三維地質(zhì)體的完善與修補(bǔ)，驗證了本文三維地質(zhì)建模在勘察、檢測、施工階段的研究工作。

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