北京市通州区工程建设层三维地质建模应用
张园园 何欣 杜红旺
摘 要：在对工程地质钻孔、地层分层、剖面等数据分析研究的基础上，进行数据量化、筛选、标准化后，采用Dream Rocks软件创建完成了通州区（906 km2）地下60 m工程建设层的三维地质结构与属性模型。模型可以达到的效果：1）通過三维方式展示砂土液化在空间上的分布;2）通过层间拉伸的方式，展示上下层或相邻各层之间的三维空间关系;3）模型成果形式能转换成标准的obj格式，能较好地融入其他相关三维系统中，开展深层次的计算研究。
关键词：Dream Rocks;三维地质建模;工程钻孔;砂土液化
Abstract：
Based on the quantification， screening and standardization of the data obtained from engineering geological drilling， stratification and profiles， the 3D geological structure and attribute model of the 60 m underground engineering construction layer in Tongzhou District （906 km2） was established by using Dream Rocks software. This model can display the 3-D spatial distribution of sand liquefaction， as well as the 3D spatial relationship between upper and lower layers or adjacent layers by stretching between layers. The model results can be converted into standard obj format to be better integrated into other relevant 3D systems and carry out in-depth computational research.
Keywords：
Dream Rocks; 3D geological modeling; boreholes; sand liquefaction
地质学经常利用地质平面图、剖面图、等值线图等二维图件，辅助展示并应用于解决实际的地质问题。在城市大型项目建设工作中，仅靠缺乏整体性、连续性的二维图件，很难直观且准确地展示真实的地质环境条件， 给城市地下空间的整体规划、设计、建设以及后期维护工作带来相当大的难度。
加拿大工程地质学家Houlding 在1994年首次提出地质理论与计算机三维可视化技术有机融合的三维地质建模概念。三维地质模型将各地层的空间分布及物理力学参数性质以三维形式直观展示，对合理利用地下空间资源以及有效保障地下空间地质安全建设具有重要意义（何静等，2019）。基于勘察钻孔数据分析构建三维地质实体模型一直是国内外研究的热点，经过多年的研究发展，我国在理论、程序开发以及实例应用等方面均取得了大量的科研成果。理论方面编纂并修订发行CJJ/T 157-2010 《城市三维建模技术规范》、CH/T 9015-2012 《三维地理信息模型数据产品规范》、CH/T 9017-2012 《三维地理信息模型数据库规范》等相关理论规范。实例应用有二维剖面图的三维实体重建（李献峰等，2008年），精细化三维地质建模在城市地下空间开发中的应用（古锐开等，2019），也有以某区（通州、雄安、柳州等）为例探讨城市三维地质模型构建（李静等，2016;李敏等，2018;马震等，2019;杨向敏等，2019）。
2016—2019年北京市地质工程勘察院先后承担了通州区重大地质问题调查与评价子课题，对该区建筑抗震设计条件、古河道分布、砂土液化等工程地质条件进行小范围的专门研究，并基于Dream Rocks软件，利用地质钻孔、地层分层、剖面等数据，建立了局部工程层三维地质结构模型，在模型中展示的砂土液化判别为后续很多地质工程研究提供了理论依据，后续的地质勘察研究成果让模型精确度进一步得到验证。随着建设项目的推进，岩土工程勘察取得了大量建模区域岩土体的物理力学指标，对建模区域内细微和局部的工程地质条件有了进一步的深入了解。为更好地服务于研究区大范围的城市建设，本文在现有资料基础上，通过搜集全区的工程地质、水文地质和区域构造等地质资料，建立了工程建设层三维地质模型，直观反映建模区域内工程地质层的地质概况，为开展具体的工程建设提供指导和参考。
1 工程建设层概况
研究区地表下60 m深度范围分为人工堆积层、新近沉积层及一般第四纪沉积层3大类。其中人工堆积层主要为人工填土①层（图1） ，填土厚度由东向西递减。新近沉积②大层主要为粉砂—细砂②层、粉土②1层、粉质黏土②2层（图2），广泛分布在通州皮村、徐辛庄—张家湾一线的温榆河、小中河、潮白河、北运河、通惠河等现今或近代河道、河漫滩及其两岸一级阶地;通州北部的宋庄双埠头—尹各庄—葛渠村一带、西部的永顺纪庄—梨园岗坟—马驹桥北门口一带及南部永乐店北辛店—大务一带缺失;一般第四纪冲洪积层主要为细砂与粉质黏土互层，其中③大层主要为粉砂—细砂层③层、粉土③1层、粉质黏土③2层（图3），主要分布在通州北部的宋庄双埠头—尹各庄—葛渠村一带、西部的永顺纪庄—梨园岗坟—台湖次渠—马驹桥北门口一带及南部永乐店北辛店—大务一带，其余地区缺失。④大层中细砂④层从西到东厚度逐渐变厚（在北马庄附近厚度约1.6 m，而在东部县附近厚度可达16 m），粉质黏土④1层在南部地区分布较连续;粉土④2层则局部分布，多以透镜体形式存在;而圆砾、卵石④3仅局部有揭露（图4）。⑤大层以粉质黏土⑤层、粉土⑤1层为主，广泛分布，形成区域性的隔水层;而细砂—中砂⑤2则局部分布（图5），并多以透镜体形式存在于粉土及黏质粉土层之间。在潞城胡各庄—张家湾大甘棠一带因缺失隔水层，局部形成了上、下层地下水的联系天窗。⑥大层中细砂—中砂⑥层分布连续稳定，粉质黏土⑥1层、粉土⑥2层分布不连续，多呈透镜体存在;而圆砾—卵石⑥3仅在东北处极少钻孔内揭露（图6）。受钻孔深度限制，仅在通州南部60 m深度钻孔内揭露本层，且未揭穿本大层（北京市地质工程勘察院，2007）。
2 三维地质模型构建
2.1 三维建模软件介绍
本文采用DreamRocks工程地质三维自动建模系统软件进行模型构建，建模采用基于钻孔数据的不规则格网层序地层构建方法。该软件具有以下特点：1）能够较好的处理地层尖灭、正确地反映地层时序，保证不同地质年代的地层在三维空间中覆盖与被覆盖的关系与解释成果一致;2）能在已经建立的工程层三维地质模型的基础上，能以三维方式展示砂土液化在空间上的分布;3）能通过层间拉伸的方式，反映上下层或相邻各层之间在三维空间中的关系;4）能通过垂直剖切或水平剖切方式，反映上下层或相邻各层之间在剖切面上的关系;5）将三维模型成果转换成标准的obj格式，使三维模型成果融入相关三维系统中。
2.2 三维建模方法与路线
（1）三维建模方法及特点
Dream Rocks建模软件支持三维地质空间信息获取、管理、分析和可视化。该系统可以使用多种类型的数据源生成三维数据，并提供多种三维数据的生成方法。建模方法具有以下特点：1）提供基于地质要素的建模方法，并合理地将地质概念模型和实际的工程数据相结合，便于地质人员使用;2）建模方法在地质人员认识工作的基础上，尽量做到自动化，减轻建模的工作量;3）针对不同类型的地质建模工作能够提供专门的建模方法支持，提高建模效率;4）充分考虑构造对于地层模型的影响，地层模型中需要体现断层控制;5）提供合理的地质模型更新方法，便于随地质工作的不断深入逐步细化地质模型，并为后续地质工作的持续进行打下基础;6）提供模型的质量控制功能，对于模型的面网质量及厚度等参数进行控制，便于后续的模型应用。
（2）三维建模技术路线
项目工程层三维地质结构建模采用基于多源数据和垂向多精度模型构建策略。充分收集建模区域的地质资料，包括：钻孔、各类剖面、等值线、地质图、地质报告等;根据收集的地质资料以及各种建模数据进行仔细研究整合确定建模纵向标准分层，对所有数据进行标准化统一，保障多个的统一性，同时形成地质建模概念模型，以便开展三维建模工作;根据地质概念模型重新审视各类数据，进行校正和取舍;根据建模区域的地质单元及地质要素的地质特征，选择性的划分子建模区域，同时选择相应的建模方法。建模方法包括层状地层钻孔建模、多源复杂构造建模（图7）。
2.3 数据收集与处理
（1）数据来源
三维建模以研究区内多方位的数据为基础，包括225个孔深大于60 m钻孔基本信息、分层信息、岩性描述信息、钻孔土工试验信息、61个剖面、工作区基础地理信息以及砂土液化判别结果信息等。
（2）工程钻孔数据
对收集的各种钻孔数据进行整理、储存、加工和统计，按照建模软件对数据格式的要求进行整理，建立建模所需的钻孔数据源。
（3）钻孔数据格式标准化
收集到的钻孔坐标系统是从不同数据来源的工程坐标系转换到北京54投影坐标系。用于三维建模的钻孔数据根据建模软件的数据需求，分别对钻孔数据进行标准分层，建立含7个地层大层、20个地层亚层的地层结构模型（表1）：
三维地质属性模型：根据获取到得实验数据，完成了含水率、天然密度、干密度、比重、孔隙比、饱和度、液限、塑限、塑性指数、液性指数、自重压力、压缩模量、承载力等属性模型得构建（表2）。
3 三维模型成果可视化空间展示
（1）岩土体结构三维空间展示
根据收集获取的225个工程地质钻孔基本信息、分层信息、岩性描述信息，本次工作构建了通州区地基土三维结构模型（图8、图9），覆盖面积约906 km2。模型能直观反映工作区内工程地质层岩土体的空间展布情况以及软弱土、液化砂土、密实砂土等地质体的分布情况，为工作区地下空间开发、规划与建设的地质环境条件评价提供了依据。
（2）三维地质体与地表影响信息叠加
通过工程层三维地质模型叠加地表遥感影像和DEM，更加直观和完整地反映出了该地区地表河流水系、地形地貌、道路居民地与地下地层分布、走向间的空间关系（图10）。
（3）人工填土层综合展示
三维地质模型能较好地反映出人工填土的空间分布特征（图11），为深入开展工程地质研究提供了数据支撑。工作区表层广泛分布人工填土，总体来说人工填土厚度未超过6 m，钻孔揭露填土厚度0～5.8 m。人工填土由于其成因、成分、粒度变化很大，因而其密度、湿度、塑性等不稳定，导致土体力学状态极不平衡，其工程性质特差，一般不能直接作为建（构）筑物的天然地基持力层。
4 三维地质模型应用
可以对该三维地质体进行多种三维空间应用分析，对关注区域重点剖析、深入了解模型内部的地质状况。如剖面分割，栅栏图制作分析，属性模型切割分析、地质体透视显示、生成某一深度的地质图、海量剖面动态显示等。
（1）虚拟钻孔分析评价
在该模型中，可以在建模范围的任意处生成虚拟钻孔及相应的钻孔分层信息（图12）。本次研究中选取11个其他地勘项目中深60 m钻孔柱状图与相同位置虚拟钻孔作对比，结果显示，该模型在地层信息准确度上极高，除个别钻孔薄层不一致外所有地层均相互对应，判断本模型的虚拟钻孔可作为地质研究参考。
（2）砂土液化评价
砂土地震液化是由多种原因综合作用的结果，如土的岩性、颗粒组成、密度、埋藏条件、地下水位、沉积环境、地质历史、地震动强度、频谱特征和持续时间等。目前各种判别液化的方法都是经验方法，都有一定的局限性和模糊性。在项目中参照GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）、GB 50021-2001《岩土工程勘察规范》（2009年版）相关规定，首先进行初判，然后对可能液化的地层采用标准贯入試验法进行液化复判，并采用静力触探试验法和剪切波速法进行验判（北京市地质工程勘察院，2017）。在此基础上，以标准贯入试验法判别结果为主，以其他两种方法判别结果为辅助参考，将224个钻孔的砂土液化信息导入到该三维模型中，获取研究区砂土液化空间分布特征（图13）并进一步进行分析评价，最后从模型中提取砂土液化参数，得出该区砂土液化等级可分为不液化、轻微液化、中等液化和严重液化4级。其中轻微液化区主要分布在该区北部的宋庄翟里—潞城郝家府一带、东部的西集武辛庄—曹庄一带及中部十里庄、枣林庄等地;中等液化区主要分布在北部潮白河西岸的港北村—小杨各庄村、中部张家湾梁各庄附近地区、县镇苏庄—马蹄—凌庄—南小庄—前东仪村狭窄U型地带、南部的尚武集村和胡家村—临沟屯村地区;严重液化区主要分布东部潮白河西岸的Ⅰ级阶上的广大地区，如白庙—东堡—大沙务一线、崔家楼—耿楼村一带;不液化区主要分布北部潮白河Ⅲ阶地以及该区中西部地区（北京市地质工程勘察院，2019）。因此在该区进行工程建设需要考虑到砂土液化的影响。
5 结论
本次建模主要是通过工程地质三维解释好的钻孔分层数据，建立工作区钻孔地层控制三角格网，再通过地层控制三角格网，调整虚拟钻孔插值个数，建立虚拟钻孔，之后利用原始钻孔和虚拟钻孔进行三角格网剖分，根据地层层序，依次构建出各个地层的底板，以保证钻孔上下的地层接触关系一致，最后，圈定地层边界，利用边界分块，根据抽取的各层底板规划到各个地层块中，通过融合建立了工作区的三维地质结构模型。
该三维地质模型解决了以往二维空间的限制，具体形象地展示了研究区地下土层的空间三维分布，及评判结果的二维和三维分布，既揭露了研究区的地下土层结构，又展示了易于发生砂土液化灾害的空间范围，为砂土液化灾害的防治工作提供决策依据。
模型可服务于研究区地基稳定性，工程建设适宜性，工程地质分区和评价工作，其三维空间分析能够快速有效避免因工程建设而导致的地质灾害的发生，为城市建设开展具体的工程提供建设性的科学依据。
参考文献：
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