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基于BIM的三维地质建模在沿江复杂地层的研究

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杨伟军

摘要：为了解决传统的设计施工方案协同性不高，进度缓慢，容易反工，探讨了基于BIM的三维地质建模技术在工程中的应用的新方法。通过以克里金插值法为原理构建的三维地质模型提高了模型的精确度和可靠度。通过三维地质模型与实际工程中的物理力学参数相结合解决了因繁琐的查阅工程图纸而损失了时间的问题。通过三维地质模型与施工参数结合提高了工程设计人员决策效率。实现任意位置下的三维地质模型剖面出图。研究结果表明：运用克里金插值法建立的高精度三维地质模型不仅满足工程实际的要求，并依托于某防洪堤改造工程项目，三维地质模型与勘察、检测、施工的应用，方便为决策者提供多方面的地质信息，辅助决策人员及时有效采取安全措施。

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.

關键词：可视化;三维地质建模;沿江复杂地层加固

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

中图分类号：TV871? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2020）04-0216-04

0? 引言

我国某市城区防洪堤改造工程项目，已建堤防于本世纪50～80年代陆续建造，原设计防洪标准为20～30年一遇的洪水防洪标准，因年代久远，项目业主数次更换，虽在1999年和2002年大洪水期间已做过勘察设计和施工，但资料仍然缺失。无论是工程建设、管理还是运营方面，堤防加固工程极需要勘察资料、设计资料和施工资料，但若重新用勘察手段，会导致施工效率低下，浪费的时间过多，消耗的人力物力损失也较大，不符合当今时代的发展需求。

针对此项目对该重点区域进行三维地质建模，并进行模型在该工程中的应用分析，充分利用地勘报告和工程图纸收集所需的数据信息建立可实时更新的数据库，为研究人员提供一个可查询、分析的可视化环境。目前三维地质模型的工程应用还处于探索阶段，三维地质模型与工程物理力学参数相结合可避免地质勘探中需查阅纸质勘察报告的繁琐过程，使得勘探效率最大化;模型与施工参数的结合给地质专业与施工架起一道沟通的桥梁，为制定合理的施工方案提供方便。

1? 三维地质建模实现框架

三维地质建模应用型方法主要是以原始勘探资料为基础，相应地建立地质数据库与钻孔数据库，耦合原始地质勘探数据（地质种类、钻孔坐标、钻孔深度等）和工程地勘报告以及CAD二维剖面等多种来源的地质数据，由计算机生成大量的二维地质剖面后，应用曲面构造法生成各层面从而构造三维地质模型，利用克里金插值对地质体模型更加精细化[11]。该体系的核心为几何建模，以地质对象建模为主线，人工对象建模所采用的关键技术采用克里金插值算法，利用已知的勘探数据，对地质界面的未知点进行插值。

由于原始的钻孔数据的获取非常繁琐，不仅浪费大量的时间，还需要很高的成本，而这些数据对三维地质建模是必不可少的。采用空间内插的方式能满足建模布点均匀和密度足够的要求，主要手段是利用已知勘测点的数据值来预测未知的空间数据值，这里选用坐标数据作为已知点数据值的预测[6]。

基于少量的原始勘探孔的数据来预测未勘探钻孔数据的参数，为各地层面模型的建立提供数据基础。在三维空间中设有x，y，z三维坐标，待估点x，y坐标已知，预估z坐标。设x1，x2，…，xn表示n个测量点的空间位置中的x，y坐标，现在设Zi=Z（xi）（i=1，2，…，n）表示i点空间位置的z坐标变数的测量值。

2? 三维地质模型的可视化

三维地质模型可以直观的将纸质的地质勘察资料和二维的工程地质剖面图转换成三维可视化模式的功能，有效促进各方人员间的理解和交流，为对实际工程地质情况的了解带来方便，便于后续工程设计与施工的顺利进行，并可以在最大程度上避免工程潜在风险[8]。

在沿江复杂地层的灌浆加固过程中，设计和施工过程中难免会遇到大量的工程地质问题，需要提高对地质的认识和理解程度从而加强工程区域内地质分层的实用性和重要性。合理且准确的分析不同地质的分布情况，不仅可以对钻孔灌浆加固工程强度特性做出评价，而且通过对地质的判别评价，在合理确定布置钻孔位置以及控制灌浆量等方面都具有重要的实践价值[5]。

3? 三维地质模型的应用

3.1 三维地质模型在勘查中的应用

随着BIM技术的不断发展，其在工程勘察阶段的应用逐渐被重视。三维地质模型在勘察项目中的应用领域不仅可以体现在提高制图效果等方面，更重要的是，可以对工程地质问题提供正确判断及成因分析，为合理制定工程规划、选取钻孔点奠定基础。一方面，勘察项目中为了能较准确的反映总体空间分布特征，需要确定不同地层在各条剖面上的倾视角及空间延展方向，结合钻探、物探及以往勘察资料确定所需添加的钻孔点的范围;另一方面，地质勘察工作需要统计数量众多的表格，不同地层需要分别统计对应的物理力学参数，而基于BIM的三维地质建模技术可以将数据收集整理完成后，实现在三维模型中对所需要的物理力学参数的直观展示，避免了繁琐的翻阅纸质的工程地勘资料，为工程人员快速的查看所需地层的相关参数提供了极大的便利。

3.2 三维地质模型在施工阶段中的应用

沿江地层灌浆加固施工过程中往往需要实时统计相当数量的施工参数，面对不断加入的地质资料，各专业人员会需重复劳动处理新的数据，并且对不同专业之间的数据进行协调的难度较大，导致降低了工程设计的水平和效率。为能最大化的给决策者提供方便的评价手段和多方面的地质信息，提高参考价值，将不断变动的施工参数实时反映在三维模型上能够有效辅助决策人员及时采取安全措施。

3.3 三维地质模型在检测中的应用

为保证工程质量，施工质量的检测必不可少。施工前原始记录、钻孔深度、灌浆长度、工艺参数、桩孔变差等等都是无返浆高压旋喷复合灌浆施工的主要质量控制内容，不仅如此，在第五章也提到过不同土体的喷射方式所形成的固结体大小不同，所以强度和渗透试验的结果也不同。高压旋喷桩地基施工质量的检测离不开载荷试验，需要标准贯入和重型动力触探等现场试验统计地基承载力，试验对象的种类繁多、分组量多，得到的承载力数据信息量不仅庞大，而且在横向和纵向对比之后还可能随时对结果进行修正。如何对检测承载力是否达标正是对检测系统开发与完善的重要工作。

为统计施工质检信息，提出以三维地质模型为基础的检测系统，在已统计的钻孔数据的基础上，以三维地质模型中的钻孔为基准点，各钻孔编号也可表示成桩编号，对各钻孔点进行工程检测查询得到需要的检测数据的信息，对当前位置对应的不同土体和不同桩号对应的承载力大小、c值、？准值等需要的检测数据进行直观展示。检测系统的开发大大便利了检测人员对数据的复核和进一步开发计算，提高施工检测的工作效率。

4? 工程案例分析

4.1 工程概况

4.1.1 工程背景

本次建模依托于我国某市城区防洪提加固工程实例。主体结构为浆砌石防洪墙结构，2017年洪峰水位高达39.51m，已超已建堤防的最高水位线3.51m，当地市委市府极为重视，及时组织相关职能部门采取强力有效的措施，调集大量人力物力，迅即堆筑子堤抵御超标准洪水，才使此次超标准洪水顺利通过河道且未致淹及内部主干道。

4.1.2 工程地质条件

工程区主要地貌单元有：红层剥蚀丘岗地貌和河流冲积平原地貌。沿岸主要为Ⅰ级阶地，由第四纪白水江组冲积物组成。地貌上成为掩埋阶地，部分地段为嵌入阶地。阶面高程一般31m～39m，一般高差6m～8m，河漫滩向河床中心倾斜。初设阶段钻孔为24个，在此基础上，本次建模将再增加10个钻孔点，以观察钻孔分层情况。

4.1.3 地质分层情况

地层的分层情况如表1所示。

4.2 三维地质模型的应用

4.2.1 三维地质模型任意剖切

利用PowerGEO三维地质建模系统建立三维地质模型，并对模型的内部结构具体的分析。不同剖面位置可看出地層走向，部分位置全风化层有断层现象，如图1所示。

4.2.2 三维地质模型与地质勘察结合

①模型与物理力学参数结合。

为了方便勘察人员直观查阅所需要不同地层的物理力学参数，现以填土层和砂砾层为例，实现将三维地质模型与物理力学参数相结合，如图2、图3所示。

填土的液性指数IL范围值0.80～2.36、平均值1.17，表明填土多呈软塑状态;填土的内摩擦角φ范围值22°～25°、平均值23.5°，凝聚力c范围值27kPa～38kPa、平均值32.70kPa，土的内摩擦角φ值跨度较大，表明该填土的力学性质均一致较差。

砂砾土的液性指数IL范围值0.03～1.12、平均值0.63，表明该砂砾土多呈软塑～硬塑状态、大多呈可塑状态;土的内摩擦角φ范围值11°～26°、平均值21.7°、变异系数0.43、标准值为17.6°，凝聚力c范围值11kPa～50kPa、平均值27.81kPa、变异系数0.85、标准值为17.7kPa，表明该土的抗剪强度指标离散性较大。

②剖面出图。

三维地质模型在勘察项目中的应用领域不仅可以体现在提高制图效果等方面，更重要的是，可以对工程地质问题提供正确判断及成因分析，为合理制定工程规划、选取钻孔点奠定基础。一方面，勘察项目中为了能较准确的反映总体空间分布特征，需要确定不同地层在各条剖面上的倾视角及空间延展方向，结合钻探、物探及以往勘察资料确定所需添加的钻孔点的范围。如图4所示。

4.2.3 模型与旋喷桩设计结合

三维地质模型也可以帮助我们检验设计方案。考虑到堤防设计方案中旋喷桩的交错布置方式的多样性，以及最佳布置间距的不确定性，三维地质模型的应用也可辅助旋喷桩的设计。具体可以考虑为以下几点：①辅助旋喷桩布置区域的选择。旋喷桩布置区域应选在桩外侧覆土厚度较薄的位置，钻罐成桩地层条件与外围环境基本可涵盖堤防防渗加固不利的情况。②辅助确定旋喷桩布置的方式。旋喷桩布置方式多种多样，以本工程为例，存在两种选择方案：单排3孔布置或双排5孔布置，而借助于三维地质模型十分有助于设计人员的方案选择。

4.2.4 模型与施工参数结合

此次堤防加固工程采用无返浆高压复合灌浆加固技术，钻进过程采用钻罐一体静压注浆的方式，上提过程采用高压旋喷触变水泥膏浆进行加固，现将三维地质模型与施工参数相结合，直观的展示了两种不同注浆方式的施工参数。如图5所示。

5? 结论

本文依托某防洪堤加固工程项目，进行三维地质建模，对三维地质模型在防洪堤加固工程的应用提供指导意义。通过对于该核心建模软件的使用和应用分析，取得了一定的成果和结论：

①基于BIM的三维地质建模是一种高效的三维地质建模方式，利用计算机屏幕来代替实际的二维剖面空间，可以有效的模拟工程地质对象。本文对这种建模方法、建模体系做了详细的研究，并结合实际工程案例给出了详细的建模过程。

②通过某防洪堤加固工程的钻孔资料及工程地勘报告，利用PowerGEO建模软件建出三维地质模型，对建立的模型进行了任意旋转、剖切等操作，并能观察到地质体的内部结构，实现三维地质模型的可视化。实现对于钻孔勘探所统计的海量数据进行归纳，在三维模型中真实准确的建立钻孔模型，实现钻孔数据的实时更新，解决了需大量查阅纸质钻孔统计表的繁琐过程。

③依托于某防洪堤加固工程项目，通过将三维地质模型与勘察、检测中统计的物理力学参数或施工参数进行密切结合，有效利用三维地质模型的可视化功能进行三维地质体的完善与修补，验证了本文三维地质建模在勘察、检测、施工阶段的研究工作。

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