摘要：為了解決傳統(tǒng)的設計施工方案協(xié)同性不高，進度緩慢，容易反工，探討了基于BIM的三維地質建模技術在工程中的應用的新方法。通過以克里金插值法為原理構建的三維地質模型提高了模型的精確度和可靠度。通過三維地質模型與實際工程中的物理力學參數(shù)相結合解決了因繁瑣的查閱工程圖紙而損失了時間的問題。通過三維地質模型與施工參數(shù)結合提高了工程設計人員決策效率。實現(xiàn)任意位置下的三維地質模型剖面出圖。研究結果表明：運用克里金插值法建立的高精度三維地質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，三維地質模型與勘察、檢測、施工的應用，方便為決策者提供多方面的地質信息，輔助決策人員及時有效采取安全措施。

　　關鍵詞：可視化;三維地質建模;沿江復雜地層加固

　　《地球科學》(月刊)創(chuàng)刊于1990年，由中國地質大學主辦，是中國自然科學核心期刊，以反映我國地球科學領域最新的高水平的基礎地質、應用地質、資源與環(huán)境地質及地學工程技術科研成果為主要任務.

　　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50～80年代陸續(xù)建造，原設計防洪標準為20～30年一遇的洪水防洪標準，因年代久遠，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計和施工，但資料仍然缺失。無論是工程建設、管理還是運營方面，堤防加固工程極需要勘察資料、設計資料和施工資料，但若重新用勘察手段，會導致施工效率低下，浪費的時間過多，消耗的人力物力損失也較大，不符合當今時代的發(fā)展需求。

　　針對此項目對該重點區(qū)域進行三維地質建模，并進行模型在該工程中的應用分析，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。目前三維地質模型的工程應用還處于探索階段，三維地質模型與工程物理力學參數(shù)相結合可避免地質勘探中需查閱紙質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)的結合給地質專業(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 三維地質建模實現(xiàn)框架

　　三維地質建模應用型方法主要是以原始勘探資料為基礎，相應地建立地質數(shù)據(jù)庫與鉆孔數(shù)據(jù)庫，耦合原始地質勘探數(shù)據(jù)(地質種類、鉆孔坐標、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數(shù)據(jù)，由計算機生成大量的二維地質剖面后，應用曲面構造法生成各層面從而構造三維地質模型，利用克里金插值對地質體模型更加精細化[11]。該體系的核心為幾何建模，以地質對象建模為主線，人工對象建模所采用的關鍵技術采用克里金插值算法，利用已知的勘探數(shù)據(jù)，對地質界面的未知點進行插值。

　　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均勻和密度足夠的要求，主要手段是利用已知勘測點的數(shù)據(jù)值來預測未知的空間數(shù)據(jù)值，這里選用坐標數(shù)據(jù)作為已知點數(shù)據(jù)值的預測[6]。

　　基于少量的原始勘探孔的數(shù)據(jù)來預測未勘探鉆孔數(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。在三維空間中設有x，y，z三維坐標，待估點x，y坐標已知，預估z坐標。設x1，x2，…，xn表示n個測量點的空間位置中的x，y坐標，現(xiàn)在設Zi=Z(xi)(i=1，2，…，n)表示i點空間位置的z坐標變數(shù)的測量值。

　　2 三維地質模型的可視化

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

　　在沿江復雜地層的灌漿加固過程中，設計和施工過程中難免會遇到大量的工程地質問題，需要提高對地質的認識和理解程度從而加強工程區(qū)域內(nèi)地質分層的實用性和重要性。合理且準確的分析不同地質的分布情況，不僅可以對鉆孔灌漿加固工程強度特性做出評價，而且通過對地質的判別評價，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 三維地質模型的應用

　　3.1 三維地質模型在勘查中的應用

　　隨著BIM技術的不斷發(fā)展，其在工程勘察階段的應用逐漸被重視。三維地質模型在勘察項目中的應用領域不僅可以體現(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、選取鉆孔點奠定基礎。一方面，勘察項目中為了能較準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，結合鉆探、物探及以往勘察資料確定所需添加的鉆孔點的范圍;另一方面，地質勘察工作需要統(tǒng)計數(shù)量眾多的表格，不同地層需要分別統(tǒng)計對應的物理力學參數(shù)，而基于BIM的三維地質建模技術可以將數(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參數(shù)的直觀展示，避免了繁瑣的翻閱紙質的工程地勘資料，為工程人員快速的查看所需地層的相關參數(shù)提供了極大的便利。

　　3.2 三維地質模型在施工階段中的應用

　　沿江地層灌漿加固施工過程中往往需要實時統(tǒng)計相當數(shù)量的施工參數(shù)，面對不斷加入的地質資料，各專業(yè)人員會需重復勞動處理新的數(shù)據(jù)，并且對不同專業(yè)之間的數(shù)據(jù)進行協(xié)調的難度較大，導致降低了工程設計的水平和效率。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 三維地質模型在檢測中的應用

　　為保證工程質量，施工質量的檢測必不可少。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合灌漿施工的主要質量控制內(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體大小不同，所以強度和滲透試驗的結果也不同。高壓旋噴樁地基施工質量的檢測離不開載荷試驗，需要標準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，而且在橫向和縱向對比之后還可能隨時對結果進行修正。如何對檢測承載力是否達標正是對檢測系統(tǒng)開發(fā)與完善的重要工作。

　　為統(tǒng)計施工質檢信息，提出以三維地質模型為基礎的檢測系統(tǒng)，在已統(tǒng)計的鉆孔數(shù)據(jù)的基礎上，以三維地質模型中的鉆孔為基準點，各鉆孔編號也可表示成樁編號，對各鉆孔點進行工程檢測查詢得到需要的檢測數(shù)據(jù)的信息，對當前位置對應的不同土體和不同樁號對應的承載力大小、c值、?準值等需要的檢測數(shù)據(jù)進行直觀展示。檢測系統(tǒng)的開發(fā)大大便利了檢測人員對數(shù)據(jù)的復核和進一步開發(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。主體結構為漿砌石防洪墻結構，2017年洪峰水位高達39.51m，已超已建堤防的最高水位線3.51m，當?shù)厥形懈畼O為重視，及時組織相關職能部門采取強力有效的措施，調集大量人力物力，迅即堆筑子堤抵御超標準洪水，才使此次超標準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。初設階段鉆孔為24個，在此基礎上，本次建模將再增加10個鉆孔點，以觀察鉆孔分層情況。

　　4.1.3 地質分層情況

　　地層的分層情況如表1所示。

　　4.2 三維地質模型的應用

　　4.2.1 三維地質模型任意剖切

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