城市巖土大數(shù)據(jù)平臺研發(fā)及道路工程勘察應用

占建琴　李世明　魚安卿

摘要：為解決海量巖土勘察數(shù)據(jù)標準不一、相互獨立、難以共享的問題，文章提出了城市巖土大數(shù)據(jù)平臺的研發(fā)思路，把基礎地質資料置于系統(tǒng)底層，用于約束、核查、校準各項目基礎地質信息，并根據(jù)規(guī)范、室內試驗等對原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一校準和標記。該平臺可按照預設規(guī)則，利用校準后的數(shù)據(jù)自動生成標準地層層序，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動標準化。利用該巖土大數(shù)據(jù)平臺可使得道路工程勘察工作更具針對性。

關鍵詞：巖土大數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)校準;標準地層層序;匹配度

中圖分類號：U412.22

0 引言

近年來，大數(shù)據(jù)相關技術研究開展得如火如荼，如何將海量的原始數(shù)據(jù)進行收集、存儲、管理、分析、共享、提供決策支持，使之轉變成可以被綜合利用的知識并提升其價值，是諸多學科和領域正在大力研究的課題。

五十多年以來，作為基建強國，我國各大城市及地區(qū)開展了大量各類型各種規(guī)模的工程建設，隨之產(chǎn)生了海量的巖土工程勘察數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)目前基本都獨立于項目單元，沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通，這將不可避免地造成大量的重復性勘察。同時，基于海量巖土勘察數(shù)據(jù)的深度挖掘、知識發(fā)現(xiàn)、信息提取及研究工作也無法進行，這對于隸屬經(jīng)驗科學的巖土工程學科發(fā)展極為不利。為了扭轉這種局面，各地學者對廣州、上海、重慶、合肥、濟南、長株潭城市群核心區(qū)等熱門城市開展了與城市地質數(shù)據(jù)庫相關的研究工作[1-6];陳龍泉等[7]采用知識規(guī)則集對城市工程地質數(shù)據(jù)庫質量進行控制;伊穎鋒等[8]對歷史勘察數(shù)據(jù)在城市地理信息系統(tǒng)中的有效利用進行了討論;周永章等[9]提出了發(fā)展智能數(shù)據(jù)處理方法用于地質領域大數(shù)據(jù)的分析研究。

除了相關的學術研究，業(yè)界很多軟件公司都開發(fā)了工程地質數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，筆者通過試用發(fā)現(xiàn)這些軟件平臺存在一些共性的問題。比如，未將基礎地質資料內置到系統(tǒng)中;對于入庫的數(shù)據(jù)未從專業(yè)角度設置預定規(guī)則進行數(shù)據(jù)清洗和校準;需要提前在外部純人工創(chuàng)建標準地層;歷史勘察數(shù)據(jù)入庫需要人工逐個地層進行標準化。本文旨在為解決諸如此類的問題，對城市巖土大數(shù)據(jù)智能平臺的研發(fā)思路進行探討。

1 基礎地質數(shù)據(jù)入庫

基礎地質數(shù)據(jù)主要包括各種比例尺的地質圖、水文地質圖、構造綱要圖以及配套的區(qū)域地質調查報告、水文地質普查報告等，現(xiàn)階段這些基礎地質圖件多為非矢量化的圖片或紙質版，如圖1所示，使用極為不便?；A地質數(shù)據(jù)入庫就是要把地質界線、地層年代及每一分區(qū)可能包含的巖性、各種地質構造信息等矢量化入庫，用于后期各項目勘察數(shù)據(jù)的校準對比工作，以確保入庫數(shù)據(jù)的可靠性和系統(tǒng)性。同時，在平臺的底圖上可便捷查詢各地質要素的詳情信息，如圖2所示。

巖土大數(shù)據(jù)平臺底圖包括百度地圖、衛(wèi)星影像、歷史影像及地形圖等?？筛鶕?jù)需要勾選需顯示的圖層信息，項目地圖界面可根據(jù)縮放比例自適應顯示內容，確保地質界線所圈閉出來的任何一個區(qū)域都能查看到該區(qū)域分布的巖性情況等。平臺地圖界面需盡可能提高交互性從而保證使用者可以獲取更多、更全面的基礎地質信息。

平臺地圖界面應能夠導入KML、KMZ、SHP、DXF等格式的文件，方便查看擬建項目在基礎地質圖件上的具體位置或者與鄰近項目的關系。

2 勘察數(shù)據(jù)入庫校準工作

由于勘察行業(yè)準入門檻較低，勘察從業(yè)人員素質良莠不齊，導致各項目勘察數(shù)據(jù)的質量、可靠度參差不齊。此外，為了簡化勘察成果或者避免采取太多樣本，勘察報告中經(jīng)常會將鄰近項目性狀有一定差異的地層進行合并。為了確保巖土大數(shù)據(jù)平臺的統(tǒng)一分析能力和數(shù)據(jù)的可靠性，所有入庫項目的勘察數(shù)據(jù)必須進行校準，以盡量避免入庫數(shù)據(jù)的雜亂或者相互沖突。在數(shù)據(jù)校準之前首先對鉆孔數(shù)據(jù)可靠度進行等級劃分，從而對可信度存在差異的鉆孔勘察數(shù)據(jù)實現(xiàn)區(qū)別標識。

2.1 鉆孔等級劃分

第一檔：勘察過程實現(xiàn)信息化采集且保留鉆探、取樣、原位測試、巖芯、室內試驗等主要過程影像資料的鉆孔;重要工程的鉆孔;深度較大的鉆孔。

第二檔：未進行信息化采集但保留有巖芯等影像資料的鉆孔。

第三檔：僅有備份庫數(shù)據(jù)無任何影像資料的鉆孔。

2.2 空間坐標系統(tǒng)的統(tǒng)一和入庫資料清單

（1）由于歷史勘察數(shù)據(jù)所采用的坐標系統(tǒng)和高程基準各異，巖土大數(shù)據(jù)平臺需建立統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)，用于各個項目勘察數(shù)據(jù)的空間轉換。

（2）需入庫內容：理正勘察或華寧勘察等各種勘察軟件的數(shù)據(jù)備份庫、水文地質試驗資料、各類試驗報告、影像資料（巖芯拼接照、分箱巖芯照和整孔巖芯照等）、各類勘察圖件、文字報告、各類附表、施工期間的載荷試驗檢測數(shù)據(jù)等。

2.3 數(shù)據(jù)校準工序

2.3.1 鉆孔原始數(shù)據(jù)入庫

按照巖土大數(shù)據(jù)平臺統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)和高程系統(tǒng)，將勘察數(shù)據(jù)進行空間轉換，以保證所有勘察數(shù)據(jù)在同一個空間坐標系下進行分析和統(tǒng)計。

2.3.2 地質時代和地質成因校準

地質時代和地質成因校準，主要依據(jù)為基礎地質圖件。部分項目勘察資料地質時代或者成因確定得比較隨意，與區(qū)域地質資料的契合度較差，對地質時代和地質成因進行校準，主要是為標準地層層序的確定做準備，不同地質時代和地質成因的地層不能劃分為同一層。詳細步驟如圖3所示。

2.3.3 巖土名稱校準

巖土名稱校準，主要依據(jù)為試驗數(shù)據(jù)、基礎地質圖件和巖芯照片等。工程勘察行業(yè)為了簡化勘察成果，會將鄰近項目性狀有一定差異的地層并作一層考慮，而且這種合并和定名有一定的主觀性。假如兩個項目實際位置離得很近，某一地層某項目可能定名為黏土，而另外一個項目可能將其定名為粉質黏土，那么構建巖土大數(shù)據(jù)平臺時會出現(xiàn)兩個地塊地層毫無契合度，鄰近項目地層可能會出現(xiàn)根本連不到一起的情況。為了統(tǒng)一各個項目巖土名稱的確定標準，主要采用試驗數(shù)據(jù)對巖土名稱進行校準并細化。

覆蓋層校準步驟及各個指標的含義如圖4所示，室內試驗樣本數(shù)盡量≥6個。

（1）當同一土層室內分類名稱有2種，且1/3≤A≤2/3或者1/3≤B≤2/3時，如某個鉆孔該層土采取了兩個或兩個以上樣品，且這些樣品的室內分類名稱存在不一樣的情況，那么該鉆孔該層土宜分為兩層，兩層的分界點采用室內分類名稱不一樣且相鄰的兩個樣品深度的中點。

（2）當同一土層室內分類名稱有三種，A、B、C分別為三種室內定名的占比，其中有兩個占比數(shù)值≥1/6，剩下一個<1/6，假如將占比≥1/6的室內分類名稱分別為粉質黏土和黏土，而將第三種定名為粉土，那么粉土應采用粉質黏土的定名。對于分兩層或者三層入庫的情況，假如某個鉆孔該層土采取了兩個或兩個以上樣品，且這些樣品的室內分類名稱存在不一樣的情況，那么該鉆孔該層土宜分為兩層或者三層，各層之間的分界點采用室內分類名稱不一樣且相鄰的兩個樣品深度的中點。

對于巖層來說，當某一層基巖（同一種風化程度）飽和單軸抗壓強度試驗結果跨越堅硬程度等級時，宜考慮對該巖層重新進行定名。比如部分試驗結果為極軟巖（<5 MPa），另一部分為較軟巖（>15 MPa），中間跨越了軟巖的級別，則應重新對巖層定名。巖層定名需盡可能接近前期入庫基礎地質資料的屬性數(shù)據(jù)。

2.3.4 巖土狀態(tài)校準

巖土狀態(tài)校準主要包括細粒土可塑性、粗粒土密實度和風化巖風化程度校準，其校準依據(jù)主要為室內試驗、原位測試、巖芯照片等。細粒土的塑性狀態(tài)、粗粒土的密實程度等是劃分標準地層層序的重要指標，在數(shù)據(jù)入庫之前必須先核查各地層要素的完整性。

工程勘察行業(yè)為了簡化勘察成果會盡量減少地層的劃分。比如細粒土有可塑狀態(tài)也有硬塑狀態(tài)時，可能會合并成一層，狀態(tài)定為可塑-硬塑，那么該層的標準貫入擊數(shù)N從6～30擊都有可能，更有甚者還會>30擊。這還只是單個項目的情況，當大量存在粗放數(shù)據(jù)的勘察資料匯聚到大數(shù)據(jù)平臺時，將會導致平臺上各個地層各類指標偏離本該具備的規(guī)律或本應隸屬的范圍，變得更加雜亂無序。

原始勘察數(shù)據(jù)除了單一指標本身存在的混亂，還會出現(xiàn)關聯(lián)指標的沖突。當某一鉆孔某一層細粒土（深度范圍0～20 m）有兩個或兩個以上標準貫入擊數(shù)（未取樣），如N1=7擊（深度為3 m），按照預先設置的細粒土塑性狀態(tài)校準細則表（表1），應屬于可塑狀態(tài)，N2=13擊（深度為13 m）應屬于硬塑狀態(tài)，則按照標準貫入擊數(shù)該層塑性狀態(tài)應細分為兩檔，分界點采用兩個標準貫入試驗的中點。如果該層有兩個或兩個以上液性指數(shù)（未進行原位測試），也按照同樣的方案進行校準處理，但是必須確保參與校準分析的指標不是明顯的異常值。如某個鉆孔某一土層既有液性指數(shù)又有標準貫入擊數(shù)，且根據(jù)這些指標判別的塑性狀態(tài)等級均不一樣，則按照下頁圖5所示規(guī)則進行校準。

粗粒土的密實程度校準主要參考依據(jù)為原位測試，風化巖的風化程度除了依據(jù)原位測試之外還可參考巖芯照片等。

3 標準地層層序的創(chuàng)建及數(shù)據(jù)的標準化

大數(shù)據(jù)平臺各項目的鉆孔地層如果相互孤立不能互通，那么對整個平臺上的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)研究就無從談起，因此必須對鉆孔數(shù)據(jù)進行標準化。在標準化之前首先需創(chuàng)建標準地層層序。入庫原始勘察數(shù)據(jù)經(jīng)過前述的清洗校準和標記工作之后，系統(tǒng)便可進入標準地層層序的自動創(chuàng)建環(huán)節(jié)。

創(chuàng)建標準地層層序考慮的字段分別為：地質時代、地質成因、巖土名稱、可塑性、密實度、風化程度、特殊土類型等。

（1）根據(jù)這些字段對大數(shù)據(jù)平臺全部鉆孔進行所有組合關系的提取，確保提取出來的組合關系唯一。

（2）進入標準地層層序的排列工作，排序關鍵字依次為：地質時代、地質成因、巖土名稱、可塑性、密實度、風化程度、特殊土類型，也就是說標準地層層序的排列必須首先按照地質時代從新到老排列，如Q4、Q3、Q2、Q1、N、E、K……，然后再考慮地質成因。其余字段的排列可按照各地的一般習慣進行。[KH-*2D]

根據(jù)前述規(guī)則和步驟，對某區(qū)域不到一千個鉆孔的標準地層層序進行提取、排序和重新編號，如表2所示，最右側為系統(tǒng)自動生成的標準地層層序的編號。采用此標準地層層序將大數(shù)據(jù)平臺所有鉆孔進行標準化后就可實現(xiàn)整個平臺上勘察資料的兼容和互通。該方法對標準地層層序的提取是基于入庫所有數(shù)據(jù)動態(tài)實施的。當前有少量城市已經(jīng)制定了本市區(qū)的巖土工程勘察地層層序，比如石家莊、濟南[10]等，但這些層序更多是基于地區(qū)專家經(jīng)驗和純人工提出的，無充分而全面的數(shù)據(jù)支撐，且屬于一種固化的層序，可擴展性較差。

4 巖土大數(shù)據(jù)平臺在道路勘察中的應用研究

對于城市級別的巖土大數(shù)據(jù)平臺應采用標準化之后的勘察數(shù)據(jù)繪制貫穿城市東西南北的4～6條地質骨干大剖線，再邀請地方巖土專家進行開會討論，并提出修改意見。如果城市進行過軌道交通勘察，亦可直接采用軌道交通沿線路的標準化縱剖面進行討論。

道路工程勘察一般具有跨越地域廣，地質條件復雜、變化大的特點。城市巖土大數(shù)據(jù)平臺在道路工程勘察方面的應用主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）勘察技術人員可利用大數(shù)據(jù)平臺迅速獲取擬建道路或橋梁工程所在區(qū)域工程地質的概況，獲得對擬建場地工程地質條件的宏觀認識。

（2）勘察工作的布置主要依據(jù)場地復雜程度等級、巖土條件復雜程度等級和擬建工程的重要性來進行，在沒有巖土大數(shù)據(jù)平臺的情況下，場地復雜程度等級、巖土條件復雜程度等級的確定主觀性極強，勘探點的布置多半是按照一定的間距沿道路兩側布置，勘察工作布置缺乏針對性，既增加了工作量，又影響了勘察工期。

（3）巖土大數(shù)據(jù)平臺可根據(jù)入庫數(shù)據(jù)快速劃分特殊巖土或不良地質發(fā)育地段，可使一線技術人員迅速把握勘察重點，并針對性地開展原位測試或室內試驗工作。

（4）城市地區(qū)人類工程活動頻繁，且南方很多城市水系發(fā)育，容易出現(xiàn)厚層的填土和暗埋的溝浜、河道等，利用巖土大數(shù)據(jù)平臺的歷史影像有利于盡早發(fā)現(xiàn)對工程不利的埋藏物或填土。

5 結語

通過對現(xiàn)有勘察軟件數(shù)據(jù)備份庫的系統(tǒng)分析和研究，發(fā)現(xiàn)很多項目原始勘察數(shù)據(jù)存在相互沖突、雜亂、與基礎地質資料不契合的共性問題。這樣的原始數(shù)據(jù)直接匯聚到巖土大數(shù)據(jù)平臺將導致基于海量勘察數(shù)據(jù)的深度挖掘和研究工作無法進行。為此，本文提出巖土大數(shù)據(jù)平臺的研發(fā)需將基礎地質資料置于平臺底層用于約束入庫勘察資料的合理性，根據(jù)相關規(guī)范、試驗數(shù)據(jù)等提出了一套系統(tǒng)且合理的規(guī)則，對原始數(shù)據(jù)進行批量校準，并實現(xiàn)了標準地層層序按照預設規(guī)則的動態(tài)生成，從而實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)平臺上各個項目勘察數(shù)據(jù)的兼容和互通。通過巖土大數(shù)據(jù)平臺可使得道路工程勘察工作的開展更具針對性。

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[10] DB37/T 5131-2019，濟南市區(qū)巖土工程勘察地層層序劃分標準[S].

作者簡介：

占建琴（1986—），碩士，工程師，主要從事巖土勘察及信息化、巖土大數(shù)據(jù)等研究工作;

李世明（1976—），高級工程師，主要從事巖土勘察設計及管理工作;

魚安卿（1984—），工程師，主要從事公路、鐵路建設質量管理工作。