三維地質建模及可視化技術在復雜隧道的應用研究

劉躍成、楊訊華、曾健、趙凱、魯凱

（1.云南鳳云高速公路有限公司,云南 臨滄677000；2.云南航天工程物探檢測股份有限公司，云南 昆明650000；（3.貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽550000）

0 引言

隧道施工過程中往往面臨著較為復雜的地質條件，比如斷層、溶洞、破碎巖體等不良地質體形成的隧道坍腔；在強風化作用下形成的軟性圍巖；富水環境下不穩定巖層形成的塌方隱患等，這些作為隧道施工中主要的災害賦存源，在施工擾動下可能誘發突水突泥、塌方等嚴重地質災害，給隧道施工帶來損失?？辈旌吞綔y的數據一般都是二維地質圖紙，很難獲取地質體橫向和縱向的情況，隨著計算機技術的飛速發展，三維地質建模是必然趨勢，三維地質可視化能夠直觀、精確還原真實地質病害隱患場景。本文綜合利用已有原始地質資料、施工地質探測資料，借助CATIA、3DMAX、Globalmapper 和LocaSpaceViewer 軟 件，研 究 二 維 斷面數據建立三維地質體，以云南云鳳高速安石復雜隧道工程為實例，建立三維地質與隧道模型，進行可視化系統應用。

1 二維剖面與CATIA 三維地質建模

為解決現有地質建模領域存在的問題，提出一種基于隧道左右幅沿線二維地質剖面和CATIA 的三維地質建模方法。該方法使用的原始資料為地質體的左右二維斷面及左右幅的物探資料，斷面信息包括巖性、斷層、含水層，物探與斷面信息在一張CAD 圖中；此外還需要左右斷面的地表位置信息，即kml 文件。該方法先下載高程與衛星圖片，再用CATIA 建立三維零件實體，最后用3DMAX 進行模型貼圖與導出，如圖1 所示。

圖1 建模方法的示意圖

第一，下載地表高程與衛星圖片：將隧道左右幅的kml 文件導入LocaSpaceViewer 中，選中區域下載地表高程與衛星影像數據。

第二，影像高程數據處理：將高程數據導入Globalmapper 中，投影轉換后導出所需的xyz 高程數據。

第三，斷面物探信息處理：在CAD 中將物探信息與斷面信息分開，分別導出斷面圖與物探低阻區圖，生成兩個dxf 文件，分別對應左幅與右幅，如圖2所示。

圖2 物探與底層剖面圖

第四，CATIA 三維地質建模：將導出的dxf 文件導入CATIA 中，在創成式外形設計模塊中進行三維地質建模，同時建立隧道模型，最后將巖性與隧道模型分別導出。

第五，3DMAX 貼圖：將導出的三維模型導入3DMAX 中，然后分別對不同的巖性進行貼圖，最后將三維地質體輸出為obj 格式，生成obj 三維模型提文件、mtl 材質信息文件以及貼圖文件，如圖3 所示。

圖3 三維模型后期處理

2 三維地質模型可視化系統

Three.js 是JavaScript 編 寫 的WebGL 第 三 方 庫，提供非常多的3D 顯示功能。Three.js 是一款運行在瀏覽器中的3D 引擎，可以用它創建各種三維場景，包括攝影機、光影、材質等各種對象。利用Three.js 技術構建隧道三維地質與實時監測可視化系統。導入CATIA 三維地質建模生成的obj 模型進行加載，隧道三維地質可視化系統包含隧道整體信息、隧道列表、地質三維整體預覽、物探三維、地質勘查信息的可視化展示，如圖4 所示。

如圖4 所示，整體信息包括左側隧道列表信息、對應隧道的地質三維模型及當前隧道所在位置的氣候條件。

圖4 隧道三維地質模型整體信息

隧道列表包含隧道項目的整體施工進度、施工監控量測的總數以及預警數量及累計投產時長。

單條隧道項目標注了左右幅、每個幅度的進出口施工進度（行業稱掌子面）及地址勘察的不良地質情況。

在地質三維模塊中，可以查看當前掌子面與全局超前預報的列表信息，在模型中標注當前掌子面的位置，通過切換隧道的幅度查看對應幅度的地質三維模型。

隧道地質三維模型視角切換兼容觸摸屏，可以操作方向盤控制。

當前掌子面超前地質預報信息包括預報結論、風險提示、圖像展示模塊。

圖像展示模塊分為三維模型、超前地質預報模型、掌子面現場圖及素描圖，都可以點擊放大查看更多信息。

可以點擊全局或者隧道地質三維模型對應的里程段查看歷史超前地質預報的信息，點擊對應的里程段查看不良地質段的信息。

3 復雜隧道工程實際應用

3.1 工程概況

安石隧道是云南省交投下屬子公司云南鳳云高速公路有限公司在建重點工程，位于鳳慶縣鳳山鎮安石村，為分離式特長隧道，左線隧道起訖樁號ZK38+265～ZK43+603，全長5338m；右線隧道起訖樁號K38+330～K43+593，全長5263m。隧址區圍巖巖性為第四系覆蓋層，為全新統坡積成因（Q4dl）粉質黏土及全新統殘積成因（Q4el）砂質黏性土，下伏基巖前半段為燕山期（γ52）侵入花崗巖，堅硬巖石易產生巖爆、極軟巖易產生塑性變形,隧道施工難度高，挑戰大,具有目前云南在建隧道典型的地質環境復雜的特點（云縣至鳳慶高速公路安石隧道不良地質綜合物探勘察報告）。

安石隧道屬低中山地貌，地形起伏較大，如圖5 所示。隧道范圍內，中線高程2276.2～1800.7m，最大高差約475.5m，山體自然坡度14～31，總體地勢較緩。進、出口均處于山前斜坡地帶，山坡處于基本穩定狀態，隧址區僅有狹窄山路通過，通行條件差。依據現場地質勘察，線路附近植被較發育，以喬木、灌木叢、茶樹地為主，基巖零星出露。

圖5 安石隧道地質災害專項勘察物探地質綜合解釋圖

3.2 安石隧道地質三維模型與可視化應用

根據安石隧道的設計資料、地質勘查資料、加深勘察資料、物探檢測數據的二維數據資料，利用CATIA 三維地質建模，并在隧道三維地質與實時監測可視化系統中進行展示應用，安石隧道的實時施工進度，安石隧道左、右線三維地質模型如圖6 所示。

圖6 安石隧道左幅地質三維模型

安石隧道勘察和物探檢測的不良地質情況，在三維地質模型中準確地呈現出來，并以圖例形式展示，不良地質包括：地下水分布、空隙分布、巖層狀況分布、推測構造斷裂帶、正常地質段、較嚴重不良地質段、嚴重不良地質段等信息。

4 結語

研究與應用表明，根據隧道的走線以及左右幅的物探信息，以CATIA 為核心，多種地理信息軟件相結合，構建出一種可視化程度較高的三維地質模型，將物探信息通過三維可視化體現出來。利用CATIA 的精細化建模的優勢構建出精細化程度較高的三維地質模型，利用其可視性、精細性以及兼容性的特點，為隧道BIM 建設提供新思路，直觀了解隧道掘進過程中地質體的變化，為三維地質建模提供新的思路。

三維地質模型使整個模型不但呈現出隧道的地形地貌特征，還能將各類地質數據（物探、巖性等）展現出來。隧道三維地質與實時監測可視化系統可以將安全預警總體狀態和地質物探信息集成，后期結合視頻+監測傳感器技術，將GIS+三維可視化集成，全方位保障復雜隧道施工過程。