一种用于隧道地质构造精细化及三维地应力场动态反演的地质结构建模方法

摘要

本发明涉及一种用于隧道地质构造精细化及三维地应力场动态反演的地质结构建模方法，能够精细化复杂地质构造，从而提高隧址区初始地应力场反演精度。具体包括确定地质结构模型的建模范围；在建模范围内生成地形三维模型；在地形三维模型内划分为隧道沿线地质结构建模区以及隧址区地质结构建模区；根据隧道沿线地质结构建模区生成第一三维地质模型；根据隧址区地质结构建模区生成第二三维地质模型。其中，第一三维地质模型是在隧道沿线地质结构建模区生成地质结构特征；第二三维地质模型是在隧址区地质结构建模区生成地质结构特征。

说明书

技术领域

本发明涉及实体模型技术领域，尤其涉及一种用于隧道地质构造精细化及三维地应力场动态反演的地质结构建模方法。

背景技术

地质构造是指在地球内应力以及外应力作用下，岩层或岩体发生形变或位移而遗留下来的形态。由于隧道施工通常受到环境限制，导致开展现场原位地应力测量工作比较困难，因此出现了地质构造三维模型。

地质构造三维模型是三维立体可视化模型，不同于根据隧道轴线纵剖面图建立的二维模型只能表征两个方向的高度变化，地质构造三维模型能够反映出X、Y、Z三个方向的高度变化。但是无法体现出复杂地质构造的走向、倾角及地层深部岩性随高程的复杂变化特点，因此降低了隧道工程区域的初始地应力场反演精度。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种用于隧道地质构造精细化及三维地应力场动态反演的地质结构建模方法，上述方法能够精细化复杂地质构造，从而提高对隧道工程区域的初始地应力场的反演精度。

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明实施例提供一种用于隧道地质构造精细化及三维地应力场动态反演的地质结构建模方法，其特征在于，包括：S1：确定地质结构模型的建模范围。S2：在建模范围内生成地形三维模型。S3：在地形三维模型内划分为隧道沿线地质结构建模区以及隧址区地质结构建模区。S4：根据隧道沿线地质结构建模区生成第一三维地质模型。根据隧址区地质结构建模区生成第二三维地质模型。其中，第一三维地质模型是在隧道沿线地质结构建模区生成地质结构特征；第二三维地质模型是在隧址区地质结构建模区生成地质结构特征。

确定建模范围后先生成基本地形三维模型，根据隧道沿线地质结构与隧址区地质结构的不同精细化生成各自的地质构造，最后得到第一三维地质模型以及第二三维地质模型可以准确的反映出高地应力的影响提高了反演的精度。

作为一种可能的实现方式，确定地质结构模型的建模范围包括：S11：根据隧道平面施工图、隧道轴线剖面图以及工程地质勘察报告确定第一地质结构模型建模范围并筛选关键地质信息。关键地址信息包括：地质结构模型建模范围内的断层、节理密集带、等高线以及隧道沿线里程和走向。S12：根据隧道长度以及隧道走向扩大第一地质结构模型建模范围得到第二地质结构模型的建模范围。第二地质结构模型的建模范围为确定的地质结构模型的建模范围。

通过对建模范围的适当扩大来提高建模的容错性，减小边界效应的影响。将关键地质信息诸如断层、节理密集带、等高线以及隧道沿线里程及走向筛选出来方便建模时对数据的快速查找。

作为一种可能的实现方式，在建模范围内生成地形三维模型包括S21：根据等高线生成地形三维模型的空间点云数据。S22：对地形三维模型的空间点云数据网格嵌面生成地形网格。S23：对所述地形网格平滑处理并生成地形三维模型。

作为一种可能的实现方式，地形三维模型内划分为隧道沿线地质结构建模区以及隧址区地质结构建模区包括：S31：根据隧道径向方向以及隧道轴向长度确定隧道沿线地质结构建模区，其余区域为所述隧址区地质结构建模区。

作为一种可能的实现方式，地质结构特征包括断层、节理密集带以及岩性分界线。

作为一种可能的实现方式，根据所述隧道沿线地质结构建模区生成第一三维地质模型；根据隧址区地质结构建模区生成第二三维地质模型包括：S41：根据隧道轴线剖面图以及所述工程地质勘察报告确定隧址区地质结构建模区内断层和所述节理密集带的厚度和建模位置。S42：对断层和节理密集带进行三维实体化并进行布尔运算生成第二三维地质模型。S43：根据隧道轴线剖面图以及工程地质勘察报告确定隧道沿线地质结构建模区内断层和节理密集带的厚度、走向和倾角以及岩性分界线位置。S44：根据倾角及走向对断层、节理密集带进行三维实体化并进行布尔运算；对岩性分界线进行布尔运算生成第一三维地质模型。

通过划分隧道沿线地质结构建模区以及隧址区地质结构建模区实现更具针对性的精细化建模，根据两种不同区域内不同地质构造产生高地应力影响的不同，生成不同的断层、节理密集带以及岩性分界线，使建模更加准确。

作为一种可能的实现方式，在根据所述隧道沿线地质结构建模区生成第一三维地质模型；根据隧址区地质结构建模区生成所述第二三维地质模型之后，还包括：对地质结构特征进行网格加密处理。网格加密处理保证了建模的精度，为地应力反演提供了可靠的模型。

作为一种可能的实现方式，对地质结构特征进行网格加密处理后的第一三维地质模型以及第二三维地质模型的断层、节理密集带网格大小一致，其余地形网格的大小一致。

作为一种可能的实现方式，对地质结构特征进行网格加密处理后，还包括对地应力反演值与钻孔实测值对比的精度评定；精度评定根据公式：δ＝(X

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种用于三维地应力场动态反演及精细化隧道构造的地质结构建模方法示意图；

图2为本申请实施例提供的地质结构模型的建模范围示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种用于三维地应力场动态反演及精细化隧道构造的地质结构建模方法示意图；

图4为本申请实施例提供的另一种地质结构模型的建模范围示意图；

图5为本申请实施例提供的在建模范围内生成地形三维模型的步骤示意图；

图6为本申请实施例提供的地形曲面示意图；

图7为本申请实施例提供的地形曲面三维立体化后的示意图；

图8为本申请实施例提供的隧道沿线地质结构建模区以及隧址区地质结构建模区示意图；

图9为本申请实施例提供的隧道沿线地质结构建模区精细化建模示意图；

图10为本申请实施例提供的精细化建模后的模型示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本申请实施例提出的用于隧道地质构造精细化及三维地应力场动态反演的地质结构建模方法，能够有效地改善地质构造三维模型不能精细化隧址区的地质结构特征，从而提高对模型反演的精度。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

隧道是指在既有建筑或土石结构中挖出来的通道，是埋置于地层内的工程建筑物。隧道作为地下通道的工程建筑物，具有其他工程无法比拟的优势。例如在山岭地区可克服地形或高程障碍，改善线形，缩短里程，节省时间，减少对植被的破坏；在江河、海峡和港湾等地区，可不影响水路通航，提高舒适性，增加隐蔽性且不受气候影响。由此可见，隧道建设对于交通的发展起着积极的促进作用。

隧道建设不光是对隧道进行地质、地形的勘探，还包括对隧道周围也就是隧址区的地址、地形进行详细的考察。因为在复杂的地质运动过程中存在有很多的断层以及节理密集带。

断层是地壳受力发生断裂，沿断裂面两侧岩块发生的显著相对位移的地质构造。节理密集带是岩体受力断裂后两侧岩块没有显著位移的小型断裂地质构造。断层和节理密集带都会降低岩体的强度和稳定性，还会在一定程度上影响到岩体的完整性与隧道结构表层的抗滑阻力，从而影响隧道的整体施工安全。

除此以外高地应力也会对隧道建设产生影响。岩体内部的应力水平除以围岩强度高于某个数值时称为高地应力，在隧道建设工程中通常用深孔测试。对于硬脆性的岩体而言高地应力会造成岩爆，而对于软岩而言，高地应力会造成岩体的严重形变。

在实际的勘探过程中，由于环境气候等原因对于高地应力的测量具有很大的局限性，有限的测点会导致地应力测量的离散性，不能反映出区域整体的地应力场。因此产生了对建立精细模型以及准确反演地应力的需求。

参阅图1，图1示出了本申请实施例提供的用于隧道地质构造精细化及三维地应力场动态反演的地质结构建模方法，包括如下步骤：

S1：确定地质结构模型的建模范围；

根据隧道建设的预期图确定地质结构模型的建模范围，建模范围包括隧址区以及隧道。其中，建模范围选择的关键在于将隧道的起始端与隧道的终点段应当包含在所确定的建模范围内。具体的如图2所示，图2示出了本申请实施例提供的地质结构模型的建模范围。虚线框内为地质结构模型的建模范围，其中包括了含起始端与终点端的隧道与周围的隧址区。由隧道的起始端和终点端作为一条对角线确定出建模范围的长度和宽度。

S2：在建模范围内生成地形三维模型；

根据隧道施工平面图、隧道沿线剖面图以及工程地质勘察报告在所确定的建模范围内生成地形三维模型。二维的模型仅能够反映出地形的简单变化。而相比于二维模型仅能表现出单一剖面的地质构造信息，三维模型对断层、节理密集带等地质构造信息的展示维度更广，因此能够体现更复杂的地质结构走向以及倾角变化，从而使反演高地应力更加准确。

S3：在地形三维模型内划分为隧道沿线地质结构建模区以及隧址区地质结构建模区；

影响隧道沿线地质结构建模区的主要包括断层、节理密集带以及沿线分界线；影响隧址区地质结构建模区的主要包括断层以及节理密集带。将整个建模区域进一步分成两大建模区有利于精细化建模，针对性的根据各自内部地质构造的不同而生成更准确的模型。

S4：根据隧道沿线地质结构建模区生成第一三维地质模型；根据隧址区地质结构建模区生成第二三维地质模型；

其中，第一三维地质模型是在隧道沿线地质结构建模区生成地质结构特征；第二三维地质模型是在隧址区地质结构建模区生成地质结构特征。

在对隧道沿线地质结构建模区生成断层、节理密集带以及岩性分界线后形成第一三维地质模型。在隧址区地质结构建模区生成断层、节理密集带后形成第二三维地质模型。

参阅图3，S1确定地质结构模型的建模范围包括：

S11：根据隧道平面施工图、隧道轴线剖面图以及工程地质勘察报告确定第一地质结构模型建模范围并筛选关键地质信息；

关键地址信息包括：地质结构模型建模范围内的断层、节理密集带、等高线以及隧道沿线里程及走向；

关键地质信息的筛选有助于提高建模的精准性。其中筛选出断层、节理密集带是为了让隧道沿线地质结构建模区与隧址区地质结构建模区能够生成相应的地质构造。筛选出等高线是为了获取高程信息，生成空间点云从而生成地形三维模型。

S12：根据隧道长度以及隧道走向扩大第一地质结构模型建模范围得到第二地质结构模型的建模范围；

第二地质结构模型的建模范围为确定的地质结构模型的建模范围。第一地质结构模型的建模范围如图2所示，是以隧道沿线起始端和终点端为对角线确定的一个矩形范围。第二地质结构模型的范围如图4所示，在虚线矩形范围的基础上多出实线的部分即为扩大的建模范围。具体来说是根据隧道起始端与终点端的位置将范围扩大。通过对第一地质结构模型建模范围的扩大得到第二地质结构模型建模范围可以提高容错性，减小边界效应的影响。

参阅图5，图5示出了S2在所述建模范围内生成地形三维模型的步骤，其中包括：

S21：根据等高线生成地形三维模型的空间点云数据；

通过筛选出来的等高线能够获取高程数据，高程数据作为建模软件等分曲线功能的参数，在输入后能够得到地形三维模型的空间点云数据。空间点云数据是一组坐标，根据空间点云数据能够在建模软件中生成地形曲面如图6所示。

S22：通过地形三维模型的空间点云数据进行网格嵌面生成地形网格；

获取所有的空间点云坐标后使用建模软件中的网格嵌面功能生成地形网格，这个地形网格是二维模型。此阶段山体还没有生成，生成的地形网格只能反映出地形的起伏变化。

S23：对所述地形网格平滑处理并生成地形三维模型。

通过地形网格布帘平滑处理后形成地形曲面，经过三维实体化地形曲面后模型增加了高度如图7所示，更为立体真实。在能够反映出建模区域地形地貌起伏变化的同时可以对区域内部的地质构造作出进一步的精细化。

参阅图8，图8示出了隧道沿线地质结构建模区以及隧址区地质结构建模区示意图。为了能够更有针对性的精细化模型，本申请实施例将建模区域划分成了两大部分。即S3：在地形三维模型内划分为隧道沿线地质结构建模区以及隧址区地质结构建模区。更为具体的包括S31：根据隧道径向方向、隧道走向以及隧道轴向长度确定隧道沿线地质结构建模区，其余区域为所述隧址区地质结构建模区。

计划修建隧道的区域被划分为隧道沿线地质结构建模区，其余区域被划分为其余区域为所述隧址区地质结构建模区。将整个区域一分为二的原因是为了精细化模型来提高建模的精度，从而为地应力反演提供更可靠的模型以便于提升反演精度。隧址区地质结构建模区与隧道沿线地质结构建模区的建模需求并不相同，影响二者的地质构造也并不一样。对于隧道沿线地质结构建模区来说，断层、节理密集带以及岩性分界线是重要的影响因素；对于隧址区地质结构建模区来说断层与节理密集带是重要的影响因素。由于需要隧道沿线地质结构建模区对隧道施工进行模拟，所以需要更精确的模型来确保模拟的准确。例如图9，图9示出了隧道沿线地质结构建模区精细化建模。

通过对隧道沿线地质结构建模区以及隧址区地质结构建模区精细化地质构造生成能够反映高地应力的模型。通过这个模型可以反演出实际的变化。在隧道沿线地质结构建模区精细化地质构造后生成第一三维地质模型；在隧址区地质结构建模区精细化地质构造后生成所述第二三维地质模型包括：

S41：根据所述隧道轴线剖面图以及所述工程地质勘察报告确定所述隧址区地质结构建模区内所述断层和所述节理密集带的厚度和建模位置；

隧道施工平面图只能观测到断层以及节理密集带的走向，不能够观测到倾角的变化。隧道轴线剖面图能够观测到断层以及节理密集带倾角的变化。根据S11中筛选出来的关键信息中确认隧址区地质结构建模区内的断层和节理密集带的厚度与建模位置。根据断层以及节理密集带的厚度与位置信息对隧址区地质结构建模区进行精细化建模。

S42：对断层和所述节理密集带进行三维实体化并进行布尔运算生成第二三维地质模型；

在隧址区地质结构建模区内根据断层以及节理密集带的厚度与位置信息进行三维实体化，并通过建模软件中的布尔运算功能对图形进行处理，最终生成1：1的隧址区地质结构建模区的精细化模型也就是第二三维地质模型。在最终生成的第二三维地质模型上能够反映出断层以及节理密集带的走向。

S43：根据隧道轴线剖面图以及工程地质勘察报告确定所述隧道沿线地质结构建模区内断层和所述节理密集带的厚度、走向和倾角以及所述岩性分界线位置；

隧道沿线地质结构建模区内需要精细化的地质构造包括断层、节理密集带以及岩性分界线。根据隧道轴线剖面图观测到隧道沿线地质结构建模区内的断层和所述节理密集带的厚度、走向和倾角以及所述岩性分界线位置。根据断层和所述节理密集带的厚度、走向和倾角以及所述岩性分界线位置信息对隧道沿线地质结构建模区进行精细化建模。

S44：根据倾角及走向对所述断层、节理密集带进行三维实体化并进行布尔运算；对岩性分界线进行布尔运算生成所述第一三维地质模型。

在隧道沿线地质结构建模区内根据断层、节理密集带以及岩性分界线的厚度与位置信息进行三维实体化，并通过建模软件中的布尔运算功能对图形进行处理，最终生成1：1的隧道沿线地质结构建模区的精细化模型也就是第一三维地质模型。在最终生成的第一三维地质模型上能够反映出断层、节理密集带以及岩性分界线的走向与倾角变化。

在生成第一三维地质模型以及第二三维地质模型后对生成的断层、节理密集带以及岩性分界线的位置，厚度以及倾角进行核查。如果发现精细化后的模型与隧道施工平面图、隧道轴线剖面图以及所述工程地质勘察报告中有所出入，则对有出入的部分通过布尔运算进行修改调整。最终实现一比一的等比例建模如图10所示。

为了能够在反演软件中实现对模型的识别，需要对建立好的模型进行网格划分。其中对于断层、节理密集带以及岩性分界线这类精细化建模位置需要使用局部网格加密处理，来防止失真，提高建模的精度。但由于局部加密会导致山体与断层、节理密集带之间网格出现不连续，因此需要重新进行网格划分，来保证网格的连续。进一步的，本申请提供的实施例将所有的非流形网格转换为流形网格，保证面网格体网格划分的顺利进行，进一步减小软件间的兼容性问题。

对断层、节理密集带以及岩性分界线进行网格加密处理后的所述第一三维地质模型以及所述第二三维地质模型的所述断层、所述节理密集带网格大小一致，其余所述地形网格的大小一致。例如在申请提供的实施例中，精细区的断层和节理密集带都是25米一网格，非精细区的断层和节理密集带也都是25米一网格，其余山体部分包括岩性分界线就是100米一网格。

将生成的网格文件导出到反演软件中，在反演软件中打开模型。根据工程地质勘察报告对不同岩性区域分组，对断层、节理密集带以及不同的岩石赋参。赋参完毕后根据反演软件中的边界荷载调整法对高地应力进行反演。在反演结束后会得到反演值，根据地质勘察报告可以得到实测值，通过以下公式能够获取反演精度：

δ＝(X

精度δ大于等于85％则说明建模合理，反演正确。

通过对影响高地应力的地质构造精细化建模来提高反演精度，减少了深孔测试的高成本的基础上能够通过生成的模型来实现对实际地形的模拟。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。