地质勘查和测绘获得的地质信息通常是一些离散的数据,这些数据需要经过前处理,地质人员才能加以分析与利用。图形是最直观的数据解释方式,早期的地质资料也多以此种方式呈现。
随着新信息技术的高速发展,地质信息数据量大幅增加,浅显的数据解译已经难以满足需求。因此,将早期二维的地质信息拓展到三维空间,并对地质信息进行深度挖掘,已经成为当前的研究热点。三维地质可视化以及三维信息综合分析是解决上述问题的有效途径,其实现的关键便是三维地质建模技术。
三维地质建模技术自20世纪70年代初期概念提出以来,该技术经历了从理论探索到广泛应用的发展历程,并在工业数字化浪潮的推动下,逐步成为现代地质研究的核心工具之一,其发展历程具体如下:
1.早期探索(1970-1990年代)
三维地质建模的雏形可追溯至20世纪70年代,早期主要依赖物探数据的三维可视化展示。随着计算机图形学的进步,加拿大科学家Simon W. Houlding于1993年正式提出三维地质建模的概念,并推动其在地质勘探中的初步。这一阶段的技术以不规则三角网(TIN)和规则格网(Grid)为主,主要用于地表形态建模,但因数据量有限,建模精度较低。
2.技术突破期(2000-2010年代)
随着BIM技术的兴起,三维地质建模逐渐与工程需求结合。国内学者如熊祖强(2007)提出基于地质规律的三维建模理论,强调模型需符合地层连续性和断层切割等地质特征。同时,克里金插值算法(Kriging)和离散光滑插值(DSI)被引入地质建模,显著提升了复杂地质体的模拟能力。
3.智能化与高精度阶段(2020年代至今)
近年来,人工智能、云计算和大数据技术的融合推动三维地质建模向智能化和高精度方向发展。例如,朗境创新公司开发的基于G-BIM(地质-建筑信息模型)的边坡设计软件,实现了地质模型与工程设计的动态交互。此外,深度学习算法被用于优化插值过程,显著提升了模型预测的准确性。
目前,国内外三维地质结构建模的具体实现方法较多,如基于多层数字高程(DEM)概念的三维地层骨架构模方法、基于三梭柱或四面体的体元构模方法、基于空间插值技术的三维地层模拟技术、基于钻孔数据的地层-实体模型算法、基于地质剖面数据的三维矢量数据生成算法、基于支持向量机的三维地质模型自动构建技术等。较为常见的三维地质建模方法主要有以下三种:
1.基于钻孔数据的建模方法
钻孔是最常见的地质勘察技术手段,从钻孔数据出发建立地质模型也是最常见和最基本的三维地质建模方法之一。对经过标准化的Excel格式的钻孔数据进行入库,形成标准化的钻孔数据。然后通过钻孔坐标及分层数据,建立地层面及地质体的三维地质模型。
该方法自动化程度高,可用于大规模钻孔的快速建模。但这种建模方式交互程度低,一般只适用于地质条件简单且具备一定工作程度的区域,无法处理断层或倒转褶皱等复杂地质现象。
2.基于剖面数据的建模方法
该方法是通过剖面空间要素之间的拓扑关系来生成三维地质模型,在用户交互和干预下,可建立大多数复杂地质模型。主要包括剖面数据准备、地质界面建模、建模区边界面建模、地质界面修正及光滑、封闭成体五个步骤。
交叉剖面建模前期数据准备要求较高,对建模人员地质知识要求较高。该方法建模精度取决于剖面精度、剖面数据量和建模人员知识水平,且建模速率相对较低,尤其是后期模型更新难度大,模型更新基本等于模型重建。
3.多源数据融合建模方法
利用多种地质数据,包括钻孔数据、剖面数据、平面地质图、物化探异常等值线等数据,基于人机交互式模式,建立三维地质模型。不同地质体采用不同建模方法,最后进行多模型融合,实现多源交互复杂地质体建模。首先从地质图、剖面图中提取断裂数据,生成的断层面控制着地层界线的伸展位置及范围,然后将复杂褶皱、透镜体、岩体等轮廓线插值进行填充,从而形成合理的复杂地质体模型。
三维地质建模技术广泛应用于区域地质调查、油气勘探、固体矿产勘查、地热资源勘探、城市地质调查、数字矿山建设、工程地质勘察、水资源评价等方面,为深部矿产资源预测评价、城市地下资源的综合利用、矿山开发利用、城市规划建设等方面提供可靠的科学依据。
1.矿产资源评估
通过对矿区进行三维地质建模,可以更好地评估矿产资源的储量和品质,为矿床经济价值分析提供更为准确的依据。三维地质建模在矿床空间表达、成矿条件综合分析、定量预测、指导勘查找矿等方面具有明显优势,可建立起矿藏的三维空间形态,提高地质解释的精准度,辅助矿产资源勘探。
2.地质勘查
通过建立三维地质模型,可以更加直观地了解地质体的形态和特征,为地质勘查提供更为可靠的决策支持。随着矿产勘查工作的有序推进,当前国内的主要找矿方向由地表矿和浅部矿转为隐伏矿和深部矿,三维成矿预测逐渐成为矿产资源预测研究的热点。
3.城市地下空间开发
地下空间的开发利用与其所处的地质构造、地层岩性、水文地质条件、不良地质体等地质环境条件密切相关。可视化评价在地下空间开发中起到至关重要的作用,城市地下空间三维地质模型可以直观、立体地描述地下空间资源在不同深度的空间差异,其更多的细节展示效果,可为城市地下空间开发提供重要支撑,从而科学合理地进行城市规划和管理。
4.数字矿山建设
三维数字矿山克服了以往二维作图的局限性,能更直观地显示矿体的空间形态,不仅大大避免了资源的浪费,而且还提高了矿山开发利用的效率。目前国内三维地质建模软件的厂商也大多集中在数字矿山领域。
5.地下水污染修复
在地下水污染修复领域,利用三维地质模型可以对场地地层与地下水污染状况进行精细刻画,能够充分反映场地污染物空间分布的差异性和地质结构的差异性,为研究区地下水污染修复方案的制定提供技术支撑。
PLAXIS 2D是一款对岩土工程和岩石力学中的变形和稳定性进行二维分析的有限元软件。它提供方便的建模方式、先进的本构模型和计算方法,以模拟土和岩石的非线性、时间相关性和各向异性,计算土的静水压力及超静水压力,分析土与结构的相互作用。
PLAXIS 在全球范围内被土木和岩土工程行业的顶级工程公司和机构所采用。应用领域涵盖开挖、路堤、地基,再到隧道掘进、采矿、石油天然气和储层岩石力学。
PLAXIS 3D 是一款用于分析岩土工程变形和稳定性的三维有限元软件。它提供方便的建模方式、先进的本构模型和计算方法,以模拟土和岩石的非线性、时间相关性和各向异性,计算土的静水压力及超静水压力,分析土与结构的相互作用。
PLAXIS 3D还是一个用户友好的三维岩土工程软件,提供了灵活协同的几何建模、对施工过程进行真实模拟、强大可靠稳定的分析内核、全面细致的后处理,使其成为工程师岩土工程日常分析与设计的完整解决方案。
gINT 提供远超基本日志的强大功能。通过自定义报告,您能够使用图片、照片、图表和地图等任何方式,对地下数据进行报告和管理。该软件除了可以帮助您管理钻孔、测井日志、CPT 和地理物理日志,还可以创建围栅图、图片、表格和其他任何您能够想象到的报告。
PLAXIS Designer 是一款三维岩土工程概念模型软件,专为岩土工程师而开发,它将弥合原始数据与概念模型之间的差距。PLAXIS Designer可实现地质建模、工程建造、几何拓扑、钻孔和地下水等设计,从而减少复杂场地的设计和分析的时间。
5.艾三维岩土建模插件
艾三维岩土建模插件是一款基于勘查项目原始数据,实现三维地质(地层、钻孔)模型创建和地层属性赋予的地质信息快速建模插件。插件除了便于后期工程信息查看与管理,还能实现模型与属性数据的联动变化。
OpenRoads Designer 是一款功能完善、全面详细的设计应用程序,适用于勘测、排水、地下设施和公路设计,涵盖以往通过 InRoads、GEOPAK、MX 和 PowerCivil 提供的所有功能。
OpenRoads Designer 用途广泛,可用于大型项目或小型项目等各种类型的土木工程项目的各个阶段,适用于任何专业程度的用户。它可以轻松处理各种复杂任务,包括立交桥设计、环形交通枢纽设计、土地开发、污水和雨水管网设计,以及生成施工风险报告。
城市轨道交通14号线工程串联福田中心区、清水河、布吉、横岗、龙岗大运新城、坪山中心区、坑梓、沙田等区域,覆盖深圳东部地区南北向交通需求走廊,是联系深圳中心区与东部组团的轨道交通快线,是支撑深圳东部发展轴的轨道交通骨干线,是支持深圳东进战略实施的重要交通保障。本线设计时速120km/h,将快速拉近深圳中心区与东部各组团间的时空距离,满足区域内以及组团间的快速通勤需求。
1.项目BIM咨询服务内容
在项目实施期间,我司主要负责项目区间BIM建模、地质BIM建模、工程量统计、4D施工模拟等内容,并提供驻场服务,协助项目疑难解决,推动项目进展。
1)采用Bentey软件搭建四联站到坳背站区间盾构隧道模型;
2)区间BIM建模:建立合计2.6公里的地铁区间LOD300精度的模型(起始点DK20+572到DK23+199);
3)隧道BIM建模:从隧道起点开始,1.5米为一环,进行隧道建模;
4)地质BIM建模:建立地铁区间附近的地质模型,含每个地质层的项目信息(区间合计2.6公里周边);