EVS三維地質(zhì)建模技術(shù)在某地鐵工程中的應(yīng)用

王宛玉

中船勘察設(shè)計研究院有限公司,上海 200063

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快和國民高效、綠色、安全出行需求的增長,城市軌道交通行業(yè)發(fā)展迅速。截至2022年底,我國已有55個城市擁有軌道交通,運(yùn)營總里程約10 078 km[1],并有望在2035年達(dá)到15 000 km[2]。在此增長趨勢下,傳統(tǒng)軌道交通的二維選線設(shè)計方法的不足之處愈發(fā)明顯。

三維地質(zhì)模型是定量研究地下空間地質(zhì)信息的重要工具,融合了地質(zhì)學(xué)、地理信息科學(xué)和計算機(jī)等多個學(xué)科,能夠直觀展示地層、復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象及其空間分布和相互關(guān)系,能夠最大程度提高工程分析的準(zhǔn)確性,可以為軌道交通設(shè)計、建設(shè)和運(yùn)營提供重要支持。最早在1994年,加拿大學(xué)者Houlding將三維地質(zhì)建模技術(shù)應(yīng)用于工程建設(shè)[3]。國內(nèi)學(xué)者也依托EVS(earth volumetric studio)軟件對復(fù)雜地質(zhì)建模技術(shù)展開了多項研究。雷赟 等[4]基于EVS平臺實現(xiàn)含水層及地下水漏斗的三維建模,為環(huán)渤海地區(qū)的污染物控制和地下水合理開采提供了模型支持。蘇學(xué)斌 等[5]提出一種地層/巖性混合建模方法,以北方某大型砂巖型鈾礦床含鈾砂體及其圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)為例,采用EVS軟件建模,對比地層剖面,定量分析抽取的5%鉆孔,證實該方法能夠明顯提高建模精度。周念清 等[6]利用EVS軟件提出一種耦合地層-巖性三維建模技術(shù),結(jié)合工程實例對比分析和交叉驗證計算,結(jié)果表明,該技術(shù)相比單獨(dú)地層建模和巖性建模更能反映實際情況,并應(yīng)用于南寧市軌道交通建設(shè)中。劉順昌 等[7]借助EVS軟件運(yùn)用地層/巖性混合建模的方法,對武漢市長江新城起步區(qū)的三維模型進(jìn)行剖面對比和巖性概率模型分析,證明該方法可以適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件下的三維建模。

本文基于EVS三維地質(zhì)建模技術(shù),對地層建模做出優(yōu)化分析,以期提高三維地質(zhì)模型的適用性和精確度。

1 EVS技術(shù)概述

1.1 EVS技術(shù)原理

EVS軟件是由C Tech公司推出,應(yīng)用于地球科學(xué)領(lǐng)域的三維可視化軟件。EVS三維建模技術(shù)基于地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法,通過建立屬性網(wǎng)格,將采集的地質(zhì)點(diǎn)源數(shù)據(jù),外推于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)格內(nèi)的任意位置進(jìn)行插值估算。另外,基礎(chǔ)地質(zhì)模型還能夠耦合多元數(shù)據(jù),例如物探數(shù)據(jù)、地下水污染、礦產(chǎn)體積等,可廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、礦產(chǎn)資源評估和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

1.2 EVS建模方法

傳統(tǒng)地質(zhì)勘察利用鉆孔數(shù)據(jù)獲取離散點(diǎn)沿z軸方向上的信息,只能加密布置鉆孔,才能得到高精度三維地質(zhì)模型,工作量大且成本高。而EVS軟件可通過點(diǎn)源數(shù)據(jù)對空間上任意位置的信息進(jìn)行插值估算,具備7種空間插值方法(最常用的有克里金法、自然鄰點(diǎn)法)和4種網(wǎng)格類型(有限差分網(wǎng)格、凸包網(wǎng)格、矩形線性網(wǎng)格、自適應(yīng)網(wǎng)格),實現(xiàn)真三維的地質(zhì)體建模[8]。EVS軟件操作靈活,可通過調(diào)取所需程序模塊,導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)文件,連接輸入輸出端口,組成可視化及可分析的高級交互式應(yīng)用程序,最典型的建模方法是地層建模、巖性建模和將兩者結(jié)合的混合建模。

地層建模適用于地層層序較為清晰、新老關(guān)系明確、鉆孔分層相對簡單的地質(zhì)體建模,該方法建模效率高,邊界清晰平滑,但對分布較多透鏡體、溶洞及采空區(qū)的場地,建模效果較差。

巖性建模宜用于鉆孔分層復(fù)雜、不規(guī)則巖體、脈體、巖溶、采空區(qū)等場地建模,該建模方法優(yōu)點(diǎn)是建模程序框架搭建完成后無需人工再次處理,缺點(diǎn)是建模速度慢,結(jié)果可能出現(xiàn)與地質(zhì)常識不相符的情況。

混合建模是前面所述2種建模方法的集合,兼具兩者優(yōu)點(diǎn),對地質(zhì)體具有較好的表現(xiàn)效果,但相比于地層建模時間久。

3種建模方法都需要對鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理,由原始鉆孔數(shù)據(jù)整理出標(biāo)準(zhǔn)Excel表格,包含鉆孔編號、勘探點(diǎn)坐標(biāo)、孔口高程、地層頂部底部深度等信息,導(dǎo)入EVS轉(zhuǎn)換格式為PGF文件,其中地層建模需要對地層層序進(jìn)行劃分,可獲取地層層序信息(GEO文件、GMF文件)。主要應(yīng)用的程序模塊有g(shù)ridding and horizons(創(chuàng)建網(wǎng)格和地層面)、post samples(顯示鉆孔或空間數(shù)據(jù))、create stratigraphic hierarchy(三維層序劃分)、surface from horizons(顯示多個層面)、horizons to 3D(由地層面得到三維模型)、lithologic modeling(巖性建模插值計算)、plume(按單一條件篩選顯示模型)、intersection(按多個條件篩選顯示模型)等。

2 應(yīng)用實例

2.1 工程概況

以某地鐵工程為研究對象,場地位于沖積平原區(qū),地形現(xiàn)狀較平坦,相對高差較小,地面高程一般為7.35～8.56 m,選取其中典型區(qū)段進(jìn)行地質(zhì)建模,共38個鉆孔數(shù)據(jù)。

地鐵區(qū)間段內(nèi)鉆孔主要揭露地層為:①1雜填土、②1淤泥、②3淤泥質(zhì)中粗砂、③2中粗砂、③3礫砂、④2粉質(zhì)黏土、⑤1碎屑巖殘積土、⑥粉砂質(zhì)泥巖、⑦2強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、⑦3強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑧2中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、⑧3中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。具體建模鉆孔示意圖如圖1所示。

圖1 鉆孔示意圖

2.2 EVS地層建模優(yōu)化與分析

場地的特殊性巖土主要為人工填土、軟土、風(fēng)化巖和殘積土,其中隧道上部覆蓋層為①1雜填土、②1淤泥、②3淤泥質(zhì)中粗砂等松散、軟弱地層,易沉降變形,主要可液化地層為②3淤泥質(zhì)中粗砂、③2中粗砂。③3礫砂層分布不均勻,與③2中粗砂層交替分布,厚度變化大,強(qiáng)度差異較大。為了優(yōu)化該區(qū)段的淺部地質(zhì)模型,重點(diǎn)選擇以上土層做對比分析。

具體的操作步驟如下。①整理鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行地層建模。②改變地層建模中Pinch Factor參數(shù),對比Pinch Factor分別為0、50、100、150、500數(shù)值的淺部地層平面擬合效果,獲取較為符合實際工況的淺層地質(zhì)模型。不同Pinch Factor值下的建模平面圖如圖2所示。

圖2 不同Pinch Factor值下的③3礫砂層地層建模平面圖

根據(jù)克里金算法建模成果,③3礫砂層俯視圖具有代表性,由圖2可知,Pinch Factor數(shù)值越大,地層的尖滅效果越明顯,建模出現(xiàn)的多余地層區(qū)域也會被不同程度消除。

圖2(a)中Pinch Factor值為0,場地北側(cè)鉆孔不存在③3礫砂層,但仍出現(xiàn)厚度大于0的地層區(qū)域。這與插值效果和鉆孔的密集程度有關(guān)。當(dāng)鉆孔數(shù)據(jù)不夠密集時,克里金算法外插的地層會趨近于鉆孔的平均層厚,出現(xiàn)沿模型外邊界向內(nèi)的不準(zhǔn)確區(qū)域。此類問題可通過增大Pinch Factor數(shù)值解決。

如圖2(b)、(c)和(d)所示,③3礫砂層建模平面圖基本和實際情況相符。當(dāng)Pinch Factor過大時,地層區(qū)域會出現(xiàn)另一種極端,一些鉆孔的地層會被過度尖滅,如圖2(e)所示,Pinch Factor值為500時,ZK-12在該層基本不顯示。

因此,在鉆孔分布不夠密集或建模區(qū)域表現(xiàn)不精確的情況下,可通過適當(dāng)調(diào)整Pinch Factor數(shù)值的方法來改善模型,達(dá)到減小或消除區(qū)域的效果。同時,也應(yīng)注意Pinch Factor數(shù)值對于模型的唯一性,建模時只能選擇唯一確定的Pinch Factor值,綜合考慮所有地層面。

除此之外,地層建模也可以在鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理后,通過人工編輯層序劃分來優(yōu)化地層建模。依據(jù)鉆孔三維模型信息,加入專業(yè)理論判斷,劃分出符合實際工況的地層面,優(yōu)化原理見圖3～4。

圖3 地層剖面示意圖

當(dāng)出現(xiàn)如圖3所示的地層分布時,地層1重復(fù)交錯出現(xiàn),且在同一深度有2處出露點(diǎn),如圖4平面示意圖所示。此時,在層序劃分中先選擇地層1,所有屬于地層1的鉆孔則變成實心圓,然后鎖定圖4虛線框選的鉆孔區(qū)域,對非虛線框選區(qū)的實心鉆孔優(yōu)先進(jìn)行層序劃分,接著依次對地層2、地層3、下部地層1劃分層序。

圖4 地層平面示意圖

另外,層序劃分步驟中也可以拖動Geologic Hiearchy Options(地質(zhì)層級選項)的Layer Thickness(層厚)滑條,在到達(dá)人工判斷位置時進(jìn)行深度鎖定,以此來控制該地層的尖滅走向。

2.3 模型驗證

為驗證上述地層建模優(yōu)化操作的可靠性,需要對模型結(jié)果進(jìn)行驗證,驗證步驟如下。①從38個鉆孔數(shù)據(jù)中抽取3個作為預(yù)留驗證樣本,用剩余的35個鉆孔建模,采用克里金插值算法估算層厚。②提取未優(yōu)化模型和人工干預(yù)的優(yōu)化模型在驗證樣本點(diǎn)的地層面高程數(shù)據(jù),換算得到層厚數(shù)據(jù)。③與驗證樣本的層厚進(jìn)行比對,分別計算各層的平均相對誤差(MRE)和均方根誤差(RRMSE),對模型精度做出驗證[6]。評估指標(biāo)公式為:

(1)

(2)

式中:P為模型估算厚度(m);O為驗證樣本點(diǎn)實際厚度(m);n為驗證鉆孔總數(shù)。

模型驗證情況如表1所示。由表1可知,優(yōu)化模型的MRE值和RRMSE值相對原模型較低,分別降低了2.40%～21.20%、0.10～0.72 m?？傮w來講,地層建模經(jīng)過優(yōu)化后,能夠更好地擬合實測數(shù)據(jù),模型精度較高。

表1 模型驗證

2.4 工程應(yīng)用

場地隧道基本位于強(qiáng)、中風(fēng)化基巖范圍內(nèi),基巖破碎、裂隙發(fā)育,隧道施工需要注意可能引起的坍塌、土體變形,可能存在的風(fēng)險為工程施工誘發(fā)地面沉降、隧道坍塌和特殊性巖土問題,且隧道上覆有砂層,水量豐富,在工點(diǎn)設(shè)計、施工中均需要特別重視控制地下水,防止開挖施工中出現(xiàn)涌水、坍塌,以影響隧道及周邊建(構(gòu))筑物的安全。

實際施工過程中,可借助EVS軟件構(gòu)建三維地質(zhì)模型,重點(diǎn)關(guān)注不良地質(zhì)體區(qū)域和分布情況,為地鐵線路選線設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。具體可采用地層建模調(diào)整Pinch Factor和層序優(yōu)化的方法,結(jié)合上部地層建模、下部巖性建模的混合建模模型,分層查看區(qū)段內(nèi)各個地層的分布,還可以對三維地質(zhì)模型進(jìn)行任意深度的平面剖切,獲取所需深度的地層信息,規(guī)避不良地質(zhì)體,確保地鐵線路位于工程條件良好區(qū)域。

3 結(jié)束語

本文基于某地鐵工程鉆孔數(shù)據(jù)對EVS地層建模進(jìn)行優(yōu)化,采用平面對比分析和模型精度驗證的方式,證實了模型優(yōu)化方法的可靠性,并得出如下結(jié)論。

1)建模插值效果和鉆孔密集度有關(guān),當(dāng)克里金插值算法出現(xiàn)不準(zhǔn)確區(qū)域時,可以通過適當(dāng)增大Pinch Factor值來減小范圍或消除。

2)層序劃分優(yōu)化方法具備可靠性,可以加入人工專業(yè)判斷進(jìn)行優(yōu)化,與原始模型相比,平均相對誤差和均方根誤差分別降低了2.40%～21.20%、0.10～0.72 m。

3)優(yōu)化后的淺部地層建模結(jié)合下部巖性建模,組成混合模型,能夠為地鐵選線、軟土處理、施工運(yùn)營等提供有效的數(shù)據(jù)支持。

與國外三維地質(zhì)建模軟件相比,國內(nèi)的研究與實際工程結(jié)合的還不夠緊密,產(chǎn)出較少。所以在優(yōu)化建模效果的同時,還需進(jìn)一步加強(qiáng)對三維地質(zhì)模型的應(yīng)用,提高建模成果的適用性和實用性。隨著軌道交通行業(yè)的發(fā)展,地下工程建設(shè)必不可少,應(yīng)加大三維地質(zhì)建模的研究應(yīng)用,為提高設(shè)計、施工和運(yùn)營的安全效率提供有力的技術(shù)支持。