铁路三维地质建模钻孔、剖面数据检查研究与实现.pdf

2023年6 月30 日铁路地质与路基2023年第1期总第10 5期铁路三维地质建模钻孔、剖面数据检查研究与实现蒋道君（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430 0 6 3）【摘要三维地质模型及其建模数据源可用于铁路的综合选线、勘察设计等方面，是一种重要的数据资源，其质量直接影响相关决策的正确性和铁路建设成本的控制。而钻孔、剖面数据库是构建三维地质模型的基础性数据，在建模前对钻孔、剖面数据进行有效的数据检查，保证甄选出有效可信的数据对构建出更准确合理的三维地质模型是至关重要的。可从以下方面对用于建模的钻孔、剖面数据进行检查：从数据语义、数据逻辑关系和地质规律符合性等方面制定全面的钻孔、剖面数据检查规则；编制钻孔、剖面数据检查工具软件，实现对钻孔、剖面数据的快速检查、数据规律快速统计和错误数据自动修复，形成钻孔、剖面数据检查报告；根据钻孔、剖面数据检查结果，分析钻孔数据的基本规律，为三维地质建模提供虚拟钻孔数据补充和建模参数赋值建议。【关键字数据检查地层编码标准地层钻孔分层三维地质模型三维地质建模在地质油藏工程、地球物理、矿产勘查等领域获得了广泛的应用，也越来越多地应用于土木勘察设计行业。地质建模软件集地层建模、构造建模、属性建模及虚拟现实于一体，为工程人员提供了一个共享的地质信息平台。钻孔、地质剖面是基本的勘察成果资料，也是三维地质建模最为主要的基础数据。三维地质建模软件对参与建模的钻孔、剖面数据要求较高，一般只有经过标准化后的钻孔才能用于建模，而且数据中可能蕴含的错误和隐患在建模前都要解决才能开展后续工作。随着铁路、公路等工程项目建设的发展，同一项目由多家单位共同完成勘察设计与施工的模式越来越普遍，不同项目、不同标段、不同单位常常采用不同勘察软件或编制标准进行资料整理。此外，项目开展过程中需要搜集相关既有的勘察资料时，也存在勘察成果资料不统一的情况。这样就导致了在钻孔数据用于面图绘制、三维地质建模6等场景时，会出现坐标错误重复、地层编码不统一、零厚度地层等问题，难于实现数据的正确利用。基于以上背景，自主研发的三维地质建模基础数据前处理软件采用Access数据库格式，能够直接读取既有地质信息系统软件数据库，通过数据检查、分析与转换，可批量导人第三方建模软件AglosGeo中使用，亦可直接接入AglosGeo数据库，进行建模基础数据的全面检查分析，已成为整理三维地质建模基础数据勘察资料的主要工具软件。1钻孔、剖面数据库的主要内容三维地质建模所利用的钻孔数据库主要包括标准地层信息、钻孔基本信息、钻孔分层信息、（岩）土工试验和原位测试等关键内容，而剖面数据库主要包括平面几何信息、断面几何信息与断面属性信息。AglosGeo软件用于三维地质建模的基础数据库表主要内容见表1：表1AglosGeo数据库表内容见表2:AglosGeo基础数据库的结构如下：表名称DataBaseDictProjectlnfoProjectAreaProjectAreaBoundaryGeologicalLayerLithologyCoverLayerBoundaryLineCoverLayerBoundaryLinePositionDrillHolelnfoDrillHoleGeologyDrillSectionDescDrillSectionTestDrillUndisturbedSoilSampleDrillStandardPenetrationTestDrillDynamicPenetrationTestExploratoryLineExploratoryLinePositionSectionResultSectionResultPositionLithologyCoverLayerBoundaryLine-CoverLayerBoundaryLinePositionProjectinfoProjectArea图1AglosGeo数据库结构既有信息系统数据库由于无法存储面数据，基于各类断面几何与地质属性特征定义了一种公开的数据格式(txt)，并提供动态库供读写交互，可基于其他生产软件输出并由本软件进行解析读入。上级相关父表ProjectAreaProjectAreaProjectAreaProjectAreaCoverLayerBoundaryLineProjectAreaDrillHolelnfoDrillHolelInfoDrillHolelnfoDrillHolelnfoDrillHolelnfoDrillHolelnfoProjectAreaExploratoryLineExploratoryLineSectionResultProjectAreaBoundaryGeologicalLayerDrillHolelnfo-ExploratoryLine-存储内容数据字典项目表工点表工点平面几何信息表标准地层表标准岩性表地层边界线信息地层边界线几何信息钻孔钻孔几何信息表钻孔分段描述信息表钻孔试件表钻孔原状土样试样信息表钻孔标贯试验表钻孔动力触探试验表勘探线信息勘探线平面几何信息勘探断面地质属性信息表勘探断面线几何信息表既有地质信息系统数据库，通过对应数据字段映射批量导人AglosGeo中，可用于三维地质建模的基础数据库表及与第三方DillHoleGeologyAglosGeo三维地质建模软件的映射关系主要DrilISectionDescDrillSectionTestDillUndisturbedSoilSample-DrllstandardPenetrationTestDrillDynamicPenetrationTestExploratoryLinePositionSectionResult-SectionResultPosition表2 信息系统与AglosGeo数据库映射关系表表名称与 AglosGeo 表映射关系标准地层名称标准地层项目表勘察点地层表标贯表（动探）GeologicalLayer、Li t h o l o g yProjectlnfoDrillHolelnfoDrllHoleGeologyProjectArea7AglosGeo数据库中，ProjectAreaBoundary表记录三维地质模型建模边界几何信息；GeologicalLayer、Lit h o lo g y 表记录的是基于地层或岩性定义的标准地层信息，用于规范钻孔各个分层的上下层顺序和各地层的地层编码、地层时代、颜色、岩性等信息；DrillHolelnfo是工程地质勘察钻孔的基本信息表，记录的是钻孔坐标、孔口标高、孔深等信息；DrillHoleGeology是指钻孔分层信息表，记录的是每个钻孔的详细分层信息；DrillSectionDesc记录的是钻孔分段描述的详细地质信息；DrillSectionTest记录所有钻孔的试样位置几何信息；DrillUndisturbedSoilSample记录是原状土样的几何及地质属性、岩土参数信息；指项目信息表，记录钻孔所属项目的信息；DrillStandardPenetrationTest、DrillDynamicPenetrationTest分别记见表3：表3数据检查规则表检查项目检查规则1.标准地层检查检查标准地层名称中该项目下是否有记录，检查标准地层中该项目下1.1检查有无标准地层表是否有记录，记录如果小于2 则亦提示；1.2检查是否符合定名规则检查标准地层的地层代号定名是否符合规则，是否为空或定名重复；1.3检查地层信息是否完整检查标准地层信息中的有无对应岩性信息；检查标准地层信息中的层序是否符合土岩分布、沉积分布、风化分1.4检查层序是否合理布规律；2.钻孔信息检查检查有无钻孔名称信息，检查是否有经纬距信息，高程信息、深度信2.1检查信息是否完整息是否缺失；2.2检查钻孔有无重名检查钻孔的名称是否有重复；2.3检查坐标有无重复检查钻孔的坐标是否有重复；2.4检查坐标有无偏离检查钻孔的坐标信息是否有偏离；检查钻孔与钻孔之间的间距是否小于指定的距离；检查钻孔是否距离2.5检查分布是否合理太近，或是否在线路工程的范围内；3.钻孔分层检查3.1检查深度是否为03.2检查分层信息是否完整8录的是钻孔标贯与动探试验数据；ExploratoryLinePosition记录剖面线的项目与工点关联基础信息；ExploratoryLinePosition记录勘探线的平面点坐标信息；SectionResult、Se c t io n Re s u lt Po s it io n 分别记录断面地层线的地层属性信息与点坐标几何信息。2钻孔、剖面数据检查规则钻孔数据的检查主要从标准地层信息、基本信息和分层信息三个方面展开，剖面数据的检查主要考虑其标准地层及分层合理性方面展开。主要检查钻孔、哦偶棉数据的意义正确性、重复性、地质规律符合性等，检查完后会生成数据检查日志报告，对错误数据提出修改建议，对数据规律进行统计，并对建模参数的赋值提出建议。数据检查规则检查指定项目下是否有深度为0 的钻孔；检查分层信息中的各项信息是否完整，如地层代号、稠度、时代、岩性等信息；（续表）检查项目检查规则3.3检查是否只有一个分层检查指定项目下是否存在仅含一层地层的钻孔；检查指定项目下的钻孔是否含有层深小于0.5m的地层，根据统计情况3.4检查层深是否小于0.5m单独成层或夹层处理；检查各地层地层代号是否在标准地层中，检查各地层稠度、成因、时3.5检查分层是否符合标准代、岩性、承载力是否和标准地层对应；按照选定项目的标准地层信息，检查钻孔分层中是否存在层序倒转的3.6检查层序是否合理情况（检查级别=5）；3.7检查岩土地层分布是否合理检查基岩是否都在土层之下，土层是否都在岩层之上；3.8检查地层编码是否正确检查钻孔分层中的地层编码是否出现连续性重复；检查钻孔地层底板埋深是否大于0，检查钻孔地层顶板埋深是否大于3.9检查顶底板信息是否为0等于0（首层为0）；3.10检查顶底板深度是否合理检查钻孔分层的顶板埋深是否都小于底板埋深；4.剖面信息检查检查各地层线地层代号属性是否包含在目标项目标准地层或标准岩性4.1断面线地层代号是否符合标准表中；按照选定项目的标准地层信息，检查剖面分层中是否存在层序倒转的4.2检查层序是否合理情况（检查级别=5）；4.3检查岩土地层分布是否合理检查基岩是否都在土层之下，土层是否都在岩层之上；检查平面几何信息与断面几何信息在二维平面上长度等几何信息是否4.4检查剖面几何信息是否正确一致AGLOSGEO三维地质系统数据接口与管理数据库设置原始表数据管理子表信息系统数据库设置数据检查模块数据分析模块标准地层检查钻孔检查断面检查钻孔分析断面分析符合入库规则标准地层批量导入线路（导入）设置数据转换模块钻孔批量导入华创数据库设置数据管理模块项目工点钻孔标准地层标准岩性断面断面批量导入批量导入图2 软件功能设计图通过分析地质建模数据量、数据精度、数据表达以及数据之间的空间拓扑关系等要求，3软件功能设计与编制3.1软件功能设计三维地质建模基础数据前处理软件主要统筹地质背景资料、地质勘察资料以及地质资料采集方案，通过分析地形、钻孔、地质9部面图、物探解释资料、地层顶板等值线图、地质图等信息，实现对钻孔原始资料的数据共享，检查钻孔各项参数及分层数据，形成检查报告，实现钻孔数据快速、准确的融合建库。软件编制的功能设计如图2 所示。3.2软件编制软件编制工具基于Visual Studio2017平台，采用C#语言，数据库支持*.mdb格式（A c c e s s）及*.mdf（SQ L Se r v e r），采用通用的SQL语言对钻孔、剖面各数据表进行属性、拓扑和互层检查，数据检查的主界面如图3所示。照数据检查选择项目深圳市城市轨道交通6 号支线二期工程详细勘察防标准地层检查检查有无标准地层表口检查是否符合定名规则检查地层信息是否完整团检查层序是否合理钻孔信息检查检查信息是否完整团检查钻孔有无重名口检查坐标有无重复检查坐标有无偏离口检查分布是否合理钻孔分层检查日检查深度是否为0检查分层信息是否完整口检查是否只有一个分层口检查层深是否小于0.5#口检查分层是否符合标准口检查层序是否合理全选全不选图3信息检查主界面对钻孔、剖面数据可以进行批量检查，检查的结果以日志报告形式输出提示用户。日志中对数据错误的类型进行提示，并对数据修改的方法进行建议数据检查的日志报告如图4所示。4数据分析与建议在数据检查过程中，除了对数据的错误进行检查和提示外，还要对数据的空间分布特征和语义特征进行统计，并根据统计结果对三维地质建模的参数赋值提出建议，对数据稀疏区的虚拟钻孔布局提出建议。4.1数据合理性分析（1）统计分析指定项目下的各钻孔下10CheckLog.bt-记事本文件(F)编辑(E)格式(O)M6Z3-ZTGH-01M6Z3-ZTGH-01M6Z3-ZTGH-01M6Z3-ZTGH-01M6Z3-ZTGH-01(三）检查是否只有一个分层：（四）检查分层深度是否小于0.5m：（1）其中有8 个钻孔地层层深小于0.5m，分别为：M6Z2-YTGZ-06地层(15)2-2 花岗岩M6Z3-SGM-04地层(15)2-2花岗岩层底深：38.4m层深：0.4mM6Z3-SHX-09地层(15)2-2花岗岩M6Z3-SHX-26地层(5)2-1淤泥质黏土层底深：7 m层深：0.5mM6Z3-YTCG-11-1地层(5)4-3粉质黏土层底深：3.5m层深：0.2 8 mM6Z3-YTGZ-01地层(15)2-2花岗岩层底深：12.7 m屋层深：0.4mM6Z3-ZTCG-01-3地层(15)2-2花岗岩M6Z3-ZTCG-10地层(5)4-2粉质黏土层底深：3.5m层深：0.31m（五）检查分层是否符合标准：（1）其中有7 个钻孔地层代号在标准地层表中无对应，分别为：M6Z2-ZTCG-08M6Z3-YTCG-08M6Z3-YTCG-08-1M6Z3-YTCG-09-1M6Z3-YTCG-11-1M6Z3-ZTCG-07-1M6Z3-ZTCG-10（2）其中有2 12 0 个钻孔地层其他信息与标准地层表中不一致（括号中为标准地层信息）：分别为：M6Z2-SGM-03-1M6Z2-SGM-03-1M6Z2-SGM-03-1M6Z2-SGM-03-1M6Z2-SGM-03-1M6Z2-SGM-03-1M6Z2-SGM-05M6Z2-SGM-05M6Z2-SGM-05M6Z2-SGM-05M672-SGM-05地层的出露情况，并将其与地质图和剖面图的地层出露情况进行对比分析。（2）对钻孔分层的层厚小于0.5m的地层进行统计分析，可单独成层或做为夹层处理，若同邻近地层性质相似，也可根据用户检童导出报告口X)直看(M帮助(H)层底深：12.2 m层底深：18.2 m层底深：2 0.4m层底深：2 6.1m层底深：34.3m地层(15)2层底深：40.8 m花岗岩地层(15)2层底深：40 m花花岗岩地层(15)2层底深：40 m花岗岩地层(15)2层底深：41.1m花岗岩地层(15)2层底深：40.9m花岗岩地层(15)2层底深：40 m花岗岩地层(15)2层底深：40.1m花岗岩地层(8)2-3时代：Q地层（8)2-3承载力：2 0 0地层(15)1承载力：30 0地层(15)2-1承载力：40 0地层(15)3承载力：150 0地层(15)4承载力：40 0 0地层(8)2-3时代：Q地层(8)2-3承载力：2 0 0地层(15)1承载力：30 0地层(15)2-1承载力：40 0地月(1512-2第2 0 行，第17 列10 0%承载力700Windows(CRLF)图4钻孔信息检查报告帮助退出层底深：12.7 m层深：0.4m层底深：36.5m层深：0.3m层底深：58 m层深：0.5m(Q4)(Q4)需求将此类地层谨慎地做局部合并处理（4）对全线钻孔数据进行分析，并提出进行指定区域虚拟钻孔创建的建议。（5）对于距离线位较远的、对工程可靠性无影响的、分布范围较小的地层，根据对模型构建的分析结构，对此类参与建模的数据进行进一步的筛选。（6）对于距离较近且地层分层信息差异较大的钻孔进行提示，并对可能存在的错误进行对照修正。4.2三维地质建模参数建议根据地质源数据，按照球形模型计算类型，在三维地质建模过程中，提出建模参数建议，从而构建模型。（1）建模网格间距参数。决定地层面的精度，按照钻孔与钻孔的最小间距来控制。ANSI地层岩性（2）建模底面高程参数。决定地质模型的底边，按照钻孔的最低点绝对高程来控制。（3）建模边界参数。决定地质模型的边界，按照线路的起里程与模型宽度来计算控制。（4）建模光滑参数。决定模型精度，按照钻孔点密度、地层分布情况综合确定模型的光滑度和光滑半径范围。（5）扩展网格倍数参数。对控制点的网格进行加密，按照钻孔密度来控制，并为稀疏钻孔数据地区补充虚拟钻孔提出建议。5工程应用深圳地铁6 号线支线二期工程线路全长49 44m，建模基础数据包括勘探钻孔339个，勘探断面10 个（横断面4个、纵断面2个、任意断面4个）。通过三维地质建模基础数据前处理软件对钻孔、剖面数据库进行检查与修正。设置建模范围、孔径、钻孔显示方式等要素。建模范围支持矩形、多边形和区文件，钻孔显示方式包括线状模型和柱状模型，建立的剖面、钻孔及三维地质模型如图5、6、7 所示。图5剖面模型素士淤泥质粘性土中砂秒烟粘性士全风化花岗岩土状端风化花岗岩块状强风化花岗岩中等风化花岗者微风化花肉着6结论钻孔、面数据检查是铁路三维地质建模的重要基础性工作，通过指定钻孔、剖面数据的检查规则，编制三维地质建模数据前处理软件，实现了钻孔、剖面数据库的导入、批量检查、修复以及三维地质模型参数设置建议工作，为三维地质建模提供了基础性条件。参考文献：1孟宇豪，基于钻孔数据的城市三维地质建模及其应用.地下空间；地层处理；钻孔数据插值；三维地质建模;Revit;，10.2 7 7 48/d.c n k i.gszkj.2022.000442.2 唐正辉等，钻孔数据标准化关键问题研究.地质学；矿业工程，中国勘察设计.2 0 2 1(11).3 吴早生等，岩土工程勘察钻孔数据智能监测技术研究进展.钻孔取芯；地质勘探；岩土工程；监测；采集；江西建材.2 0 2 2(12)4李霖皓等，基于钻孔数据的盾构隧道纵向结构参数化计算，地质钻孔；盾构隧道；纵向结构；参数化设计；等效刚度梁模型；隧道建设（中英文).2 0 2 2,42(0 9).5 王小龙，钻孔数据处理与三维显示软件设计及应用，数据处理；钻孔轨迹；钻孔深度；三维显示；回转钻进；煤矿安全.2 0 2 1,52(10).图7 三维地质模型图6 钻孔模型11