摘要：為了解決傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)施工方案協(xié)同性不高，進(jìn)度緩慢，容易反工，探討了基于BIM的三維地質(zhì)建模技術(shù)在工程中的應(yīng)用的新方法。通過以克里金插值法為原理構(gòu)建的三維地質(zhì)模型提高了模型的精確度和可靠度。通過三維地質(zhì)模型與實(shí)際工程中的物理力學(xué)參數(shù)相結(jié)合解決了因繁瑣的查閱工程圖紙而損失了時(shí)間的問題。通過三維地質(zhì)模型與施工參數(shù)結(jié)合提高了工程設(shè)計(jì)人員決策效率。實(shí)現(xiàn)任意位置下的三維地質(zhì)模型剖面出圖。研究結(jié)果表明：運(yùn)用克里金插值法建立的高精度三維地質(zhì)模型不僅滿足工程實(shí)際的要求，并依托于某防洪堤改造工程項(xiàng)目，三維地質(zhì)模型與勘察、檢測(cè)、施工的應(yīng)用，方便為決策者提供多方面的地質(zhì)信息，輔助決策人員及時(shí)有效采取安全措施。

　　關(guān)鍵詞：可視化;三維地質(zhì)建模;沿江復(fù)雜地層加固

　　《地球科學(xué)》(月刊)創(chuàng)刊于1990年，由中國地質(zhì)大學(xué)主辦，是中國自然科學(xué)核心期刊，以反映我國地球科學(xué)領(lǐng)域最新的高水平的基礎(chǔ)地質(zhì)、應(yīng)用地質(zhì)、資源與環(huán)境地質(zhì)及地學(xué)工程技術(shù)科研成果為主要任務(wù).

　　0 引言

　　我國某市城區(qū)防洪堤改造工程項(xiàng)目，已建堤防于本世紀(jì)50～80年代陸續(xù)建造，原設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20～30年一遇的洪水防洪標(biāo)準(zhǔn)，因年代久遠(yuǎn)，項(xiàng)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(shè)計(jì)和施工，但資料仍然缺失。無論是工程建設(shè)、管理還是運(yùn)營方面，堤防加固工程極需要勘察資料、設(shè)計(jì)資料和施工資料，但若重新用勘察手段，會(huì)導(dǎo)致施工效率低下，浪費(fèi)的時(shí)間過多，消耗的人力物力損失也較大，不符合當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展需求。

　　針對(duì)此項(xiàng)目對(duì)該重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行三維地質(zhì)建模，并進(jìn)行模型在該工程中的應(yīng)用分析，充分利用地勘報(bào)告和工程圖紙收集所需的數(shù)據(jù)信息建立可實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)庫，為研究人員提供一個(gè)可查詢、分析的可視化環(huán)境。目前三維地質(zhì)模型的工程應(yīng)用還處于探索階段，三維地質(zhì)模型與工程物理力學(xué)參數(shù)相結(jié)合可避免地質(zhì)勘探中需查閱紙質(zhì)勘察報(bào)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(jié)合給地質(zhì)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(zhì)建模實(shí)現(xiàn)框架

　　三維地質(zhì)建模應(yīng)用型方法主要是以原始勘探資料為基礎(chǔ)，相應(yīng)地建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫與鉆孔數(shù)據(jù)庫，耦合原始地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)(地質(zhì)種類、鉆孔坐標(biāo)、鉆孔深度等)和工程地勘報(bào)告以及CAD二維剖面等多種來源的地質(zhì)數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)生成大量的二維地質(zhì)剖面后，應(yīng)用曲面構(gòu)造法生成各層面從而構(gòu)造三維地質(zhì)模型，利用克里金插值對(duì)地質(zhì)體模型更加精細(xì)化[11]。該體系的核心為幾何建模，以地質(zhì)對(duì)象建模為主線，人工對(duì)象建模所采用的關(guān)鍵技術(shù)采用克里金插值算法，利用已知的勘探數(shù)據(jù)，對(duì)地質(zhì)界面的未知點(diǎn)進(jìn)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(fèi)大量的時(shí)間，還需要很高的成本，而這些數(shù)據(jù)對(duì)三維地質(zhì)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(diǎn)均勻和密度足夠的要求，主要手段是利用已知勘測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)值來預(yù)測(cè)未知的空間數(shù)據(jù)值，這里選用坐標(biāo)數(shù)據(jù)作為已知點(diǎn)數(shù)據(jù)值的預(yù)測(cè)[6]。

　　基于少量的原始勘探孔的數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)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(chǔ)。在三維空間中設(shè)有x，y，z三維坐標(biāo)，待估點(diǎn)x，y坐標(biāo)已知，預(yù)估z坐標(biāo)。設(shè)x1，x2，…，xn表示n個(gè)測(cè)量點(diǎn)的空間位置中的x，y坐標(biāo)，現(xiàn)在設(shè)Zi=Z(xi)(i=1，2，…，n)表示i點(diǎn)空間位置的z坐標(biāo)變數(shù)的測(cè)量值。

　　2 三維地質(zhì)模型的可視化

　　三維地質(zhì)模型可以直觀的將紙質(zhì)的地質(zhì)勘察資料和二維的工程地質(zhì)剖面圖轉(zhuǎn)換成三維可視化模式的功能，有效促進(jìn)各方人員間的理解和交流，為對(duì)實(shí)際工程地質(zhì)情況的了解帶來方便，便于后續(xù)工程設(shè)計(jì)與施工的順利進(jìn)行，并可以在最大程度上避免工程潛在風(fēng)險(xiǎn)[8]。

　　在沿江復(fù)雜地層的灌漿加固過程中，設(shè)計(jì)和施工過程中難免會(huì)遇到大量的工程地質(zhì)問題，需要提高對(duì)地質(zhì)的認(rèn)識(shí)和理解程度從而加強(qiáng)工程區(qū)域內(nèi)地質(zhì)分層的實(shí)用性和重要性。合理且準(zhǔn)確的分析不同地質(zhì)的分布情況，不僅可以對(duì)鉆孔灌漿加固工程強(qiáng)度特性做出評(píng)價(jià)，而且通過對(duì)地質(zhì)的判別評(píng)價(jià)，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(shí)踐價(jià)值[5]。

　　3 三維地質(zhì)模型的應(yīng)用

　　3.1 三維地質(zhì)模型在勘查中的應(yīng)用

　　隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展，其在工程勘察階段的應(yīng)用逐漸被重視。三維地質(zhì)模型在勘察項(xiàng)目中的應(yīng)用領(lǐng)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(duì)工程地質(zhì)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(diǎn)奠定基礎(chǔ)。一方面，勘察項(xiàng)目中為了能較準(zhǔn)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(jié)合鉆探、物探及以往勘察資料確定所需添加的鉆孔點(diǎn)的范圍;另一方面，地質(zhì)勘察工作需要統(tǒng)計(jì)數(shù)量眾多的表格，不同地層需要分別統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)，而基于BIM的三維地質(zhì)建模技術(shù)可以將數(shù)據(jù)收集整理完成后，實(shí)現(xiàn)在三維模型中對(duì)所需要的物理力學(xué)參數(shù)的直觀展示，避免了繁瑣的翻閱紙質(zhì)的工程地勘資料，為工程人員快速的查看所需地層的相關(guān)參數(shù)提供了極大的便利。

　　3.2 三維地質(zhì)模型在施工階段中的應(yīng)用

　　沿江地層灌漿加固施工過程中往往需要實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)相當(dāng)數(shù)量的施工參數(shù)，面對(duì)不斷加入的地質(zhì)資料，各專業(yè)人員會(huì)需重復(fù)勞動(dòng)處理新的數(shù)據(jù)，并且對(duì)不同專業(yè)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)的難度較大，導(dǎo)致降低了工程設(shè)計(jì)的水平和效率。為能最大化的給決策者提供方便的評(píng)價(jià)手段和多方面的地質(zhì)信息，提高參考價(jià)值，將不斷變動(dòng)的施工參數(shù)實(shí)時(shí)反映在三維模型上能夠有效輔助決策人員及時(shí)采取安全措施。

　　3.3 三維地質(zhì)模型在檢測(cè)中的應(yīng)用

　　為保證工程質(zhì)量，施工質(zhì)量的檢測(cè)必不可少。施工前原始記錄、鉆孔深度、灌漿長(zhǎng)度、工藝參數(shù)、樁孔變差等等都是無返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿施工的主要質(zhì)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(jié)體大小不同，所以強(qiáng)度和滲透試驗(yàn)的結(jié)果也不同。高壓旋噴樁地基施工質(zhì)量的檢測(cè)離不開載荷試驗(yàn)，需要標(biāo)準(zhǔn)貫入和重型動(dòng)力觸探等現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)地基承載力，試驗(yàn)對(duì)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?qū)Ρ戎筮€可能隨時(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。如何對(duì)檢測(cè)承載力是否達(dá)標(biāo)正是對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)與完善的重要工作。

　　為統(tǒng)計(jì)施工質(zhì)檢信息，提出以三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ)的檢測(cè)系統(tǒng)，在已統(tǒng)計(jì)的鉆孔數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以三維地質(zhì)模型中的鉆孔為基準(zhǔn)點(diǎn)，各鉆孔編號(hào)也可表示成樁編號(hào)，對(duì)各鉆孔點(diǎn)進(jìn)行工程檢測(cè)查詢得到需要的檢測(cè)數(shù)據(jù)的信息，對(duì)當(dāng)前位置對(duì)應(yīng)的不同土體和不同樁號(hào)對(duì)應(yīng)的承載力大小、c值、?準(zhǔn)值等需要的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀展示。檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)大大便利了檢測(cè)人員對(duì)數(shù)據(jù)的復(fù)核和進(jìn)一步開發(fā)計(jì)算，提高施工檢測(cè)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(shí)例。主體結(jié)構(gòu)為漿砌石防洪墻結(jié)構(gòu)，2017年洪峰水位高達(dá)39.51m，已超已建堤防的最高水位線3.51m，當(dāng)?shù)厥形懈畼O為重視，及時(shí)組織相關(guān)職能部門采取強(qiáng)力有效的措施，調(diào)集大量人力物力，迅即堆筑子堤抵御超標(biāo)準(zhǔn)洪水，才使此次超標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)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(jí)階地，由第四紀(jì)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(shè)階段鉆孔為24個(gè)，在此基礎(chǔ)上，本次建模將再增加10個(gè)鉆孔點(diǎn)，以觀察鉆孔分層情況。

　　4.1.3 地質(zhì)分層情況

　　地層的分層情況如表1所示。

　　4.2 三維地質(zhì)模型的應(yīng)用

　　4.2.1 三維地質(zhì)模型任意剖切

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