工程地质三维建模分析论文

关键词： 工程地质 关键技术 建模 地质

摘要：通过三维地质建模开展了萨尔朔克矿区成矿规律研究，实现深部找矿靶区定位预测，并依托矿山勘查进行验证。研究采用Geomodeller三维建模软件创建矿区三维地质模型，在建模过程中逐步发现了前期对矿区地质认识中存在的诸多问题和错误，有利地促进了矿区成矿规律的研究。今天小编给大家找来了《工程地质三维建模分析论文(精选3篇)》的相关内容，希望能给你带来帮助!

工程地质三维建模分析论文 篇1：

三维地质建模的若干关键技术研究综述

摘要：阐述了三维地质建模产生的背景，详细分类根据及种类，地质体的各种建模方法，三维地质建模的各种关键技术，为三维地质建模提供了有益的参考。

关键词：三维地质建模；关键技术；地质建模分类

在地质勘探中，地质构造是相当复杂的，地质体也是千变万化的，如何根据众多的前人收集的地、化、物、遥等二维图件资料，构建出能反映地质信息和地质现象本质的三维地质模型，让地质工作者全面、准确的掌握整体地质情况，更加科学、高效的、直观的分析并解决地质问题，预测隐伏矿体，三维地质建模可以提供很好的解决办法。三维地质建模通过对钻孔资料、剖面图、地震数据、等深图、地质图、地形图、物探数据、化探数据、工程勘察数据、水文监测数据等各种原始数据建立数据库，利用地球科学与信息科学技术，使用数值模拟和空间分析的技术方法，进行三维地质建模，构建能真实反映地质构造形态、构造关系、地质体内部属性变化规律的三维地质模型，为矿体的预测提供支持。

一、三维地质建模分类

三维地质建模可以分为很多种类，有主要侧重于反映地质体表面形态的表面建模，侧重于反映地质体内部变化规律的实体建模；根据建模的对象的空间尺度分有对整个矿区建模的宏观建模和对岩石和化石建模的微观建模；有针对固定时刻的静态建模和适用于地下水流动模拟的动态建模；有用于表达地质界面和地质体空间形态的拓扑不一致建模和可以对体元进行插值模拟和空间分析的拓扑一致建模；有对单个地质体建模的单体建模和对多个地质体进行建模的多体建模；有对分层较好的地质体的单值建模和针对倒转褶皱地质形态的多值建模。

二、三维地质建模方法

基于钻孔的建模方法对没有断层的层状地质体的模拟具有很好的效果，如果钻孔数据不多，可利用插值方法模拟虚拟的钻孔；利用三棱柱的建模方法可以解决具有简单断层的地质体三维建模问题，但对具有复杂的断层结构的地质体不能很有效的解决；非层状地质体的建模能对少数几个复杂矿体进行建模，也能对具有复杂断层的地质体进行建模，但矿体较多，就很难保证数据的一致性；利用贝塞尔曲面和NURBS曲面实现的曲面建模方法，能很好的解决地质体的表面建模，通过表面建模后，然后利用实体建模方法构建地质体的实体模型，可以解决复杂地质体的模拟；对于复杂的单个地质体的建模经常使用基于平行剖面的单体建模方法，能有很好的效果。地质体的三维模拟一般要根据具体的地质体来定，由于地质体的复杂性，一般要使用几种方法综合建模，达到真实体现地质体的三维形态的效果。

三、三维地质建模关键技术及研究方向

三维地质建模融合了多门学科的知识，要准确的描述地下地质体的复杂空间关系和属性关系，就要对三维地质建模的关键技术有所突破。

（一）对三维地质建模起到基础性作用的是准确获取地下地质体的三维空间数据和属性数据，通过钻孔获得的数据可以直接应用到地质建模中，并对三维地震、地质CT、地球物理等技术获得的地质数据进行解释和解译，转化成对地质建模有用的数据。

（二）真实折剖面技术，在一个勘探剖面中，由于钻孔会发生倾斜，存在某个钻孔或某几个钻孔偏离勘探线较远的情况，平剖面数据是在一个勘探线平面上的数据，和勘探工程所反映的真实地质情况之间必然就会存在一定的误差，这种误差在很多情况下，会对建模的结果造成较大的影响。怎样由平剖面转换到真实折剖面技术，是三维地质建模的关键技术之一。我们采用如下的方法把钻孔控制下的平剖面转换成真实剖面：第一步、利用钻孔的孔口坐标信息及测斜信息生成钻孔的空间分布轨迹图；第二步、把不同格式的平剖面数据通过坐标变换，由二维数据转换成为三维空间数据；第三步、将平剖面上有钻孔控制的部分，向钻孔轨迹进行投影，使平剖面上这一部分信息与真实钻孔的空间位置重合；第四步、对于平剖面上的外推部分，按两种方式进行处理：一是校正到勘探线上；二是校正到最外侧相邻钻孔的延长线上。

（三）三维地质建模软件能使用多种建模方法，如面建模、体建模、面体结合的建模方法，能使用多种建模数据类型。

（四）利用获得的多源数据建立一个合理、高效的空间数据库，能提供高效的空间查询与索引，友好的用户界面，是三维地质建模的关键技术之一。

（五）地层矿层一体化建模技术，使用剖面数据的一致离散化处理和“层间相似、层内一致”的地层矿层拓扑结构两种方法，剖面数据的一致离散化，指的是沿地质剖面进行序列化扫描，将剖面上的地层矿层线同时转化成竖直的类似钻孔样品的形式；地层各层之间及其内部、矿层各层之间及其内部及地层与矿层之间，在空间上的重叠、包含关系能够以最简单的方式得到处理和体现。这套处理流程的另外一个附带优势就在于，对于所构建的每个地层矿层模型，在每个数据结点上都有一个样品数据与之对应。

（六）我们在三维地质建模中大多用的是钻孔和剖面数据，要能真实的体现地质体的形态，我们要拓宽数据的来源，地质、物探、化探、地震、遥感等一系列数据也要用上，如何尽最大效果的用好这些数据，对三维地质建模有很关键的作用。

（七）三维地质模型中各个地质体之间的数据要保持一致性，各个地质体之间要避免存在空隙和交叠的情况。保持数据一致性对体素华和实体的数值模拟，空间分析具有重要的意义。

（八）对各种特殊地质体的描述，如对于侵入体、分支断层、倒转褶皱等特殊地质现象的建模，也是三维地质建模的关键技术之一。

（九）怎样利用曲面求交的方法解决地质体中存在各种情形的特殊地层面，如地层不整合、断层错断岩层、地层尖灭和地下水出露于河谷地表等情形。

四、小结

三维地质建模是利用各种多源地质数据，特别是钻孔数据，利用多种地质建模方法，如表面建模、实体建模或者面体结合的建模方法，结合各种地质建模的关键技术，建立一个真实的三维地质模型，为用户展示一个虚拟的现实地质环境，还可以利用数值模拟和空间分析对隐伏矿体进行预测和对储量进行预测。能给我们的隐伏矿体的预测提供科学的指导。

参考文献：

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[3]朱良峰.基于GIS的三维地质建模及可视化系统关键技术研究[D].中国地质大学（武汉），2005.

作者：潘勇

工程地质三维建模分析论文 篇2：

三维地质建模在矿床成矿规律研究和找矿靶区预测中的应用

摘 要：通过三维地质建模开展了萨尔朔克矿区成矿规律研究，实现深部找矿靶区定位预测，并依托矿山勘查进行验证。研究采用Geomodeller三维建模软件创建矿区三维地质模型，在建模过程中逐步发现了前期对矿区地质认识中存在的诸多问题和错误，有利地促进了矿区成矿规律的研究。通过建模发现矿区存在上、下两个储矿空间（矿囊），宏观上呈串珠状分布，证实“成矿-储矿通道”的存在，验证了火山通道相成矿、赋矿的推论，从而预测了+800 m水平标高以下可能存在的隐伏矿化蚀变带的空间形态及大致位置，并通过生产勘探得到验证。因此，认为采用Geomodeller三维建模软件创建矿区三维地质模型可为矿区成矿规律研究和深、边部找矿靶区定位预测提供有利的技术支撑。

关键词：萨尔朔克;Geomodeller;三维地质建模;找矿靶区定位预测

三维地质建模是一项集地质统计学、空间分析、空间约束、三维可视化技术为一体，基于数据信息分析、整合多种学科的一门合成学科，其实质是运用计算机技术将地质、地球物理、地球化学、工程地质等成果资料及各种解释结果与概念模型综合生成三维可视化模型，服务于地质研究。当前，三维地质建模有兩个主要作用：一是为数值模拟提供基础模型;二是用于矿产资源在开发利用阶段的整体评价、综合研究和成矿预测。

西方发达国家地质调查机构已积累一大批不同尺度的三维地质框架模型。三维地质建模已在水资源勘探与保护、矿产资源评价、地质灾害防治、能源的获取与存储、土地规划与利用、市政工程与基础设施建设、核废料处置与二氧化碳存储、基础地质研究等众多领域得到了广泛应用[1]。近年来，中国地质调查局加强了三维地质建模技术、可视化技术方面的研发力度，并在城市地质、深部探测等领域广泛推广。同时，三维地质建模在矿产及国土资源开发利用阶段的地质研究中起到了突出作用。

阿舍勒矿集区三维地质建模及相应研究起步较晚。其中，阿舍勒矿区三维地质建模及研究起步于2000年，2018年达到高峰期。早期研究方向主要是矿床三维模型、矿体模拟及资源评估[2-3]，近期主要基于surpac和GeoModeller建模的研究，在地质数据库构建、成矿预测方面取得了一定成果[4-7]。

较早前，萨尔朔克矿区利用Digital Mine软件创建了矿区三维模型，对矿区地物、已探明矿体分布特征等有了较为详尽的刻画，在顺应绿色矿山建设方面起到了一定作用。该类模型是基于矿区现有地质剖面图、断面图、已圈定矿体直接圈连、勾画的三维模型，既无空间约束和概念模型制约，亦无地质体延伸拓展、预测功能，仅在矿体的三维可视化方面有所展现，在找矿勘查和成矿预测方面未起到实质性作用。当前，矿山企业的主要需求是扩容、增储，需在成矿规律研究和深、边部找矿靶区定位预测方面获得突破，因此全新的矿区三维地质预测模型具有现实意义。本次研究采用Geomodeller三维建模软件创建矿区三维地质模型，以期达到成矿规律研究、实现深部找矿靶区定位预测的目的。目前已通过构建三维地质模型，并依托矿山勘查获得验证，发现了深部矿体。

1 地质概况

1.1 区域地质背景

萨尔朔克铜金多金属矿床位于新疆哈巴河县正北约40 km处，南距阿舍勒铜锌矿床正北约6 km（图1）。矿床位于阿尔泰增生造山带南缘西段阿舍勒泥盆—石炭纪火山沉积盆地北东部。阿舍勒铜锌矿床和萨尔朔克铜金多金属矿床均位于南阿尔泰Cu-Pb-Zn-Fe-Au-RM-U-白云母-宝石成矿带阿舍勒Cu-Au-Pb-Zn矿带内[12]。阿舍勒Cu-Au-Pb-Zn矿带内主要产出与泥盆纪海相火山岩有关的铜锌、铜金多金属矿床及矽卡岩型铜矿（化）点[8-10]。

阿舍勒泥盆—石炭纪火山沉积盆地出露下泥盆统康布铁堡组、下—中泥盆统托克萨雷组、中泥盆统阿勒泰组、中—下泥盆统阿舍勒组、上泥盆统齐也组、下石炭统红山嘴组[7]，二叠纪经历了区域变质作用[13]。其中，中泥盆世阿舍勒旋回晚期酸性火山岩和潜火山岩具较强烈的黄铁绢英岩化蚀变，与阿舍勒铜锌矿床和萨尔朔克铜金多金属矿床密切相关，为本区主要含矿层位，构成矿体的直接围岩。阿舍勒矿集区内几乎所有的重晶石及黄铁矿型、VMS型铜多金属矿床、矿点均赋存于该层位中[8，10，12-15]。

1.2 矿区地质

萨尔朔克矿区分布有中泥盆统阿舍勒组、上泥盆统齐也组和下石炭统红山嘴组（图2）。其中，中泥盆统阿舍勒组上段酸性火山岩建造是本区最重要的赋矿层位[10，15]。阿舍勒组上段酸性火山岩具明显面型蚀变分带特征，外围为绢云母化、绢英岩化，中部为次生石英岩化，内部为黄铁绢英岩化（富含金属硫化物，赋矿层），局部重晶石化。矿化蚀变专属性较强，仅分布于酸性火山岩中，常伴随流纹-英安质同成分角砾岩化。（隐爆角砾岩？），火山通道相特征明显。酸性火山岩明显吞食、熔蚀、交代改造阿舍勒组中段中-基性火山岩和碳酸盐岩围岩，造成围岩局部大理岩化、矽卡岩化、磁铁矿化、黄铜矿化。

2 三维地质模型创建

2.1 建模方法、原理

萨尔朔克矿区采用GeoModeller三维建模软件及使用作业指导书创建三维地质模型。该软件是一款基于地质统计学、地质概念模型、空间约束、空间定位分析、三维可视化技术的地质-地球物理应用软件[16-21]。GeoModeller地质概念模型就是地质原理、地质定理（公理），其内涵主要包括地质体的空间分布、空间占位先后关系、叠覆关系和占位体量。空间约束是基于地质概念模型对地质体空间分布和占位的约束;空间定位分析是对地质体空间分布和占位的模拟。空间约束和空间定位分析的基础是建立正确的已知地质信息和地质概念模型。

GeoModeller工作原理是基于地质原理（定理、公理）、正确的已知地质信息等空间约束条件，通过空间分析技术（以克里金插值法为主）推演（反演）地质体、矿体的三维延伸趋势和空间形态，并通过三维可视化技术提供三维可视化地质模型，有效服务于找矿靶区预测、目标地质体整体评价[16-21]。

2.2 创建数据库

三维地质模型创建之前首先要创建数据库，即要进行大量数据（图片和表格）的录入，数据包括地表地质图、水平断面图、剖面图及钻孔、探槽、坑道等，录入的主要信息是地质界线、产状、接触关系、时序层位关系和已知地质体、地质界线、产状的空间位置等，重点是钻孔及揭露地质体的表格化数据[16-21]。要求录入的已知地质信息要尽可能丰富、准确，错误的地质信息可导致建模失败。

为完成萨尔朔克矿区三维地质建模，研究中收集、整理并录入了大量已有地质资料;同时还开展了矿区岩相-岩性填图及地质图修测、重新对钻孔调查进行编录等工作。本次录入钻探资料涉及91个钻孔，总进尺约42 000 m。

2.3 创建地质概念模型

模型创建之前还需创建地质概念模型，即建立合理可行的地质柱（Stratigraphic Pile）。地质柱包含建模区地质单元及空间占位形式（空间占位先后关系、叠覆或接触关系）。违反地质规律的地质柱和错误的地质信息将导致建模失败，GeoModeller在运算过程中拒绝错误的地质分组、地质层序、叠覆或接触关系，也拒绝严重错误或显著对立的地质信息[16-21]。因此，建模的关键点、难点和重点是地质概念模型的创建（即对建模区地质认识的归纳和地质单元的合理划分）;如何合理有效地划分、归并大量而庞杂的已有地质信息、对已知地质体（地质单元）进行正确的归类分组是建模的关键点。

地质分组过于简单，将无法获得有效的、接近实际的地质模型和找矿预测模型;分组过于复杂，则模型数据计算量巨大，相应的错误数据量也会增多，造成建模难以成功;信息越少，分组越少，越容易创建模型，但生成的模型也越偏离实际，导致模型只有象征意义，无综合研究和找矿预测意义。因此，地质单元归类、分组需要反复试验。

本次针对阿舍勒矿集区各类岩矿石进行了多达9次归类分组试验。归类分组方案均基于岩石组合、已知接触关系、前人地层单位划分等，最终只有第9套归类方案获得成功。该方案是据同位素测年成果和本次调查获得的最新接触关系证据，重新划分了齐也组和阿舍勒组，并确认了阿舍勒组上段酸性火山岩以侵入体形式空间占位后才获得成功的，在工作中需摆脱传统地质认识中对火山岩归类认识的思想束缚（图3）。

需要说明的是在本次地质概念模型创建过程中，矿体和各类与岩浆成矿有关的蚀变岩、侵入体及与火山机构有关的酸性火山岩均按侵入、侵蚀空间占位形式处理。

2.4 创建地质模型

创建完成的萨尔朔克矿区三维地质模型见图4。经与已知剖面、水平断面、钻孔、探槽及坑道资料进行对比、拟合，确认本次创建的萨尔朔克矿区三维地质模型总符合率达90%～95%，达到了预期目的和效果。归纳总结GeoModeller三维地质建模的具体流程见图5。

2.5 GeoModeller建模特点

通过萨尔朔克矿区三维地质模型的创建，总结GeoModeller三维建模软件的特点和优势为：①该软件具强大的逻辑性和推理性;②具明确的靶区预测能力，对特定区域（矿区）的综合研究和找矿靶区预测有帮助;③要求建模工作者须遵守基本地质规律，熟知工作区地质规律、地质特征。通过工作区地质概念模型的探索，重新认识已有地质信息的局限性、可靠性、合理性，并重新认识工作区的地质特征、地质规律、成矿规律。通过地质概念模型的创建和模拟，发现前期认识中存在的错误和不足，并加以改正。这就是该软件与其它三维建模软件相比最大的不同点和优势。创建三维地质模型并修改、完善的过程就是综合研究的过程;④具有强大的三维可视化功能。可从任意角度进行观察，并可从任意水平面和任意方向的垂面截取断面图。

3 建模成果

通过矿区三维地质模型的创建，纠正、更新了对萨尔朔克矿区地质规律的传统认识，发现了新的地质规律。

（1） 通过矿区三维地质模型创建，查明了矿区浅部和深部矿体的矿化蚀变及分带规律，发现铜、铅锌多金属矿化与酸性火山岩、次火山岩及其黄铁绢英岩化、绢英岩化、次生石英岩化自蚀变相关，面型蚀变分带特征非常明显（图6）。矿化蚀变分带由内向外依次为：矿体→黄铁绢英岩→（弱黄铁绢英岩化）英安斑岩→次生石英岩→绢英岩、绢云母岩→英安岩、流纹岩→安山玄武岩及其碎屑岩（图6）。

（2） 通过萨尔朔克矿区三维地质模型的创建和阿舍勒矿集区地面调查取证，查明了萨尔朔克矿区各类地质体的空间分布形态及规律。由三维地质模型发现：①流纹岩、英安岩及流纹英安质火山碎屑岩、碎屑熔岩等酸性火山岩（阿舍勒组上段）呈侵入体形式侵位于中基性火山岩及碎屑岩（阿舍勒组中段）中，并对围岩造成一定程度的改造（吞食、熔蚀、交代、机械混合）;②由矿体、矿化体及酸性火山岩及自蚀变（黄铁绢英岩化、绢英岩化、次生石英岩化）赋矿围岩共同构成了囊状、串珠状储矿空间（矿囊），其空间分布特征明显与火山颈、火山通道相成矿机制相吻合;③无论深部还是浅部，矿体均呈不规则分枝复合状、似层状，但存在明顯的主干，具多层楼分布特征;④矿体与黄铁绢英岩化蚀变和黄铁绢英岩密切相关，绝大部分矿体分布于黄铁绢英岩中（也有很少量矿体分布超出黄铁绢英岩的范围，表明部分矿体的形成晚于黄铁绢英岩），矿体和黄铁绢英岩构成了矿囊核心，而英安岩-流纹岩、绢英岩-绢云母岩、次生石英岩则构成了矿囊外壳。

4 找矿靶区定位预测

通过萨尔朔克矿区三维地质建模，实现了矿区深、边部找矿靶区定位预测。

（1） 通过矿区三维地质模型预测，+400～+800 m水平标高段存在第二储矿空间（即第二矿囊）（图7），通过坑道钻探施工得以验证，发现了铜、铅锌工业矿体。

（2） 通过矿区三维地质模型NW向图切剖面发现，矿体、矿化带由NW向呈“S”型分布。矿化带上部向北西侧伏，中部向南东侧伏，下部再向北西侧伏。因此，主采区北西侧深部（+250 m水平标高以下）可能是进一步找矿的有利靶区。

（3）通過矿区三维地质模型SW向图切勘探线剖面和NW向图切剖面可见，矿区明显存在上、下两个储矿空间（矿囊），宏观上呈串珠状分布，间接证实矿区内成矿储矿通道（火山通道）的存在（图7）。因此，推断+250 m水平标高以下仍然存在第三个、甚至第四个矿囊的可能性。通过矿区三维地质模型，定位矿区北东侧、北西侧深部+250～-600 m水平标高段为当前找矿有利靶区。

5 结论

（1） 三维地质建模在矿区深、边部找矿靶区定位预测和综合研究方面是一种全新的探索。通过本次萨尔朔克矿区三维地质建模，实现了矿区深、边部找矿靶区定位预测，并大幅提高了对矿区乃至阿舍勒矿集区地质规律、成矿规律的认识。

（2） 本次建模工作成功定位预测了+400～+800 m水平标高段第二矿囊的存在，并通过生产勘探得以验证，在该矿囊内发现了铜、铅锌工业矿体。得益于本次建模和综合研究成果，2021年度矿山企业针对+450～-600 m水平标高段部署了深部勘查工作。

（3） 通过本次研究发现，GeoModeller可帮助重塑矿区（矿床）各类地质体空间分布特征和规律，及时纠正既有地质认识中的错误、缺陷和不足，从而成为地质科研工作者的好帮手。因此，建议在矿床（矿区）综合研究过程中推广应用GeoModeller进行三维地质建模。

（4） GeoModeller可作为矿山地质动态检测的工具，其实际意义在于可随时更新、随时预测靶区位置，指导找矿勘查工作。

致谢：匿名审稿专家和孟贵祥研究员对本文提出了很多非常宝贵的意见，杨成栋博士帮助完成了本文稿的译文并提出了修改意见，在此表示衷心的感谢。野外调查工作得到了新疆鑫旺矿业有限公司、新疆地质矿产勘查开发局第二地质大队等单位领导和同仁的大力支持和帮助，在此表示诚挚谢意。

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Application of 3D Geological Modeling in Study of Metallogenic Regularity and Orognosis Ore-Prospecting Targets--Taking Sarsuk Deposit as an Example

Li Chengwen1，Meng Guixiang2，Xue Ronghui2，Qi Guang2，Sun Jianghua1，Wang Yijun3，He Jianxi1

（1. No.2 Regional Geological Survey Team，Bureau of Geology and Mineral Resources Development of Xinjiang，

Chang ji，Xinjiang， 831100，China;2. Xinjiang Xinwang Mining Co.， Ltd，Habahe，Xinjiang， 836700，China）

Key words： Sarsuk;Geomodeller;3D geological modeling; locating prognosis of ore-prospecting targets

作者：李成文,孟贵祥,薛融晖,祁光,孙江华,王义郡,何建喜

工程地质三维建模分析论文 篇3：

基于弹性波CT技术的三维模型在岩溶发育区的应用

摘 要 本文首先简要介绍了弹性波CT的二维剖面的建立和三维建模，然后用实例详细介绍了弹性波CT工作的流程和测试分析，同时对典型CT剖面进行了解译，对比施工验证结果，表现出其分辨率和工作效率高及空间位置准确等特点。最后建立三维地质模型，模拟桩基础下方的岩溶分布，展示了岩溶的空间形态特征。三维模型的建立可较真实的表现岩溶发育的空间规律，在岩溶地区的施工和勘查中，合理的布置弹性波CT工作，科学的构建三维模型，可有效的避免重复勘察。

关键词 弹性波CT；三维建模；施工验证；桩基施工

0引言

在我國岩溶地层分布广泛，岩溶地区[1]的地基稳定性是建设桥桩基础的关键，弹性波CT法作为一种新兴的物探方法在岩溶探测领域中已经悄然兴起。本文应用实例对该方法在桥基探测的有效性和实用性方面进行充分的验证。

弹性波CT（Computed Tomography）是地震CT当中的一种，是地震成像的一种手段，是重要的工程物探方法之一。这种技术利用大量的地震波信息进行专门的反演计算，测得岩土体的弹性波速分布规律。本文首先以剖面“图像”的形式反映岩溶的分布形态及连通性，然后数据化弹性波CT剖面并结合钻探资料构建三维初始模型，经过人机交互后修正完善模型，最后运用最终构建的模型直观展示岩溶发育的空间形态特征。

1方法原理及技术路线

1.1 二维剖面的建立

首先通过扇形测试获取大量的首波走时数据（ti），然后通过求解大型矩阵方程来获取两孔之间速度剖面图像，根据速度剖面图像可以直观准确地判定隐患大小分布，是目前最为有效最为精确的测试方法之一。设在成像剖面内共测有N条射线，首先根据测试精度将破面分为M个单元（网格），以射线理论为基础的成像方法归结为解如下方程：

式中：dij是第i条射线在第j个单元内的路径长度；Sj=1/Vj是第j个单元的慢度值；ti是第i条射线的走时值。

应用快速射线追踪技术和SIRT算法求解上述方程，可以得到慢度值Sj的分布（即相应的离散速度分布），从而实现孔间的速度场层析成像[2，3]。

弹性波CT法，其原理是在一个钻孔内激发震源，另一钻孔接收弹性波，得到弹性波在两孔间的传播速度。如图1所示，将震源定在孔口，接收检波器串从孔口至孔底扫描一遍，然后把震源下降一定的步距，接收检波器串再重复上述工作，直到震源下到孔底为止。拾取仪器所记录的从每一激发点至对应的每一接收点的地震波走时，利用拾取的地震波走时数据，采用基于惠更斯原理的网络追踪算法—最短路径射线追踪法，进行反衍射线追踪；用最小二乘或分解算法求解大型线性方程组，进行递归迭代反演，从而得到被探测区域的波速图像。

1.2 三维建模

隐式建模方法可以省去繁琐的人工操作过程，通过计算机自动化完成建模过程，并且结果也更加精确。通过协克立格估值来进行势场域的插值，并将地质规则运用到了建模过程中。

技术人员利用三维地质建模软件能够使用DTM[4]、剖面、地质解释资料、钻孔等，并综合考虑了构造地质的参数如倾角、倾向、走向、枢纽、轴面等构建地质体的几何模型。专业技术人员还能够根据其对地质情况的理解，加入专业知识，编辑修改模型，直到模型相对合理，建模工作流程详见图2。

2应用实例

2.1 工程概况

曲江大道为广东省韶关市在建的市政道路，江湾大桥是此道路的控制性工程，全长1027 m，桥宽42 m，为一座矮塔斜拉桥。此桥跨越北江，主墩位置有区域断裂通过，基岩岩溶十分发育，桥桩设计多次变更，主桥墩设计桩长一般在70米至100米间。

场地地层从上而下为：冲积的粗砂、卵石、石炭系的中风化石灰岩（局部区域发育角砾岩）。下伏的石灰岩岩溶极为发育，超前地质钻探发现主桥墩的钻孔见溶率为100%，单体溶洞垂直高度一般0.2～9.2 m，平均为1.91 m；串珠状溶洞高度一般为3.1～17.5 m，平均为10.87 m。场地位于北江江面的临时栈桥上，由于下临北江且江水所呈现的低阻特征对地表电流、电磁波等起屏蔽作用，因此无法采用高密度电法、地质雷达法等常规方法对场地的岩溶发育[5]情况做判断。基于此，选取钻孔弹性CT法查明主墩身位及下方岩溶的发育情况，从而优化设计，指导施工。

2.2 测试工作

钻孔布设于墩台基础四周，弹性波CT剖面线布置成矩形和交叉状（见图3）。物探勘探孔布置工作遵循尽量用较少的钻孔数量，使得较多的CT剖面完全覆盖29个设计桩位的原则。为保证弹性波CT信号接收稳定，提高采集数据质量，弹性波CT剖面所使用的钻孔间距一般小于25 m。基于以上两点，主墩布置CT收发孔14个（编号ZK16-1～ZK16-14），利用14个收发孔可完成28对弹性波CT探测，实现29个设计桩位的全覆盖，极大地减少了钻探工作。

2.3 测试成果分析

本次探测工作，共布置28对弹性波CT剖面，其中16#桩基位并未布置物探勘察孔，在施工中16#桩基钻进至标高7.95 m，钻孔深度49.5 m，孔内突然出现漏浆、垮塌情况。16#桩基位于钻孔ZK16-4与ZK16-3连线上，可通过分析ZK16-4与ZK16-3的弹性波CT综合断面图（图4），获取16#桥墩的地层分布信息。分析认为，ZK16-4与ZK16-3间的覆盖层（粗砂、卵石）的纵波波速一般为1500～2800 m/s，中风化石灰岩波速一般大于3400 m/s，溶洞内介质传播波速与所填充物质不同有所差异，但一般小于3400 m/s。根据波速与溶洞发育带和完整岩体的关系，可以推测16#桩基位在标高6.98 m处发育溶洞且主要填充物为砾石，与施工中塌孔处标高（7.95 m）极为吻合。

通过类比分析，其他27对弹性波速度剖面解译成果与钻探资料及施工现场揭露的地质信息吻合程度较高，表明弹性波CT法可较好的探明岩溶发育程度、范围、埋深及形态特征，除此之外还可获取如覆盖层界面、完整基岩分布、溶蚀裂隙发育带等丰富的地质信息。

2.4 三维建模

2.4.1 数据准备

（1）钻孔数据

建模前需要对钻孔数据[6]进行预处理，处理完后的钻孔数据分为二个文件（.csv格式）：第一个文件记录的是钻孔的空间坐标及深度见表1，第二个文件记录钻孔的地质信息见表2。

（2）剖面数据

本次建模的区域有28个剖面数据；本次剖面数据主要是data文件格式见图5：

（2 INTERFACES）首个数字应该代表导入的地层填图的种类；interfaces代表生成的意思；所以首行应该是先声明生成多少个地层，然后紧接着是表明要生成的地层分界线（INTERFACE XX LowerCover），生成的地层分界线有几个点（上图是有五个点组成的地层分界线），再下面是这5个地层分界点的坐标，如果有地层的产状，在下面标识。5 associatedorietations表示有5个产状点，再下面是是产状点的坐标（u、v）倾向和倾角。后面的数字1代表polarity；1代表Normal；-1代表Reverse（Overturn）。后面的LowerCover代表地质填图单位。如果没有产状点的话就是0 associateorientation；最后以0 FOLIATIONS结尾。

2.4.2 建模流程

（1）创建填图单位并定义地层序列

创建地层并定义地层序列（要不同的地层用不同的颜色来表示），整合接触的地层归并到同一地层序列中，并定义地层序列之间的接触关系（Onlap和Erod），生成地层柱状图。地质规则体现在柱状图中。

（2）导入钻孔数据

导入钻孔数据，使钻孔在三维立方体中显示。导入了钻孔数据后就可以从二维和三維的角度来查看钻孔上的一些特征。钻孔分布和所在位置的高度（图6）、还有钻孔上的颜色，有的钻孔只有一个颜色，有的有许多颜色，颜色代表地层。证明有的钻孔上只有一个地层，而有的钻孔上有多个地层。

（3）创建剖面

导入或绘制剖面（图7），为后面导入剖面数据做准备。

（4）导入剖面数据

在剖面图中导入相对应的剖面数据和添加相对应的产状点见图8。接触点数据用来说明空间中地质界面的分布，产状点数据用来说明空假中地质界面的变换规律。出露的地层可以直接在地形表面添加接触点数据和产状数据，不出露的地层需要首先找到哪些钻孔上有这些不露出地层的信息，然后划定经

过这些钻孔的剖面（剖面线的轨迹可以是曲线），再将钻孔投影到二维的剖面图中，最后在剖面图中根据钻孔的分层信息添加这些不出露地层的接触点和产状点数据。

（5）计算模型

当全部的额数据导入到模型中后，就可以选择一部分数据或者全部数据来建立模型[7]，建立完模型以后，当钻孔数据与剖面等其他数据矛盾时，以钻孔数据为主。因为钻孔数据拥有更高的可靠性。同时，将钻孔数据投影到剖面上后，修正剖面上的不一致性数据。

以实测和收集该区域本次物探勘查的钻孔柱状图、弹性波CT解译成果等数据为主，辅以超前水平钻勘查成果，建立数据仓库，采用动态、分级建立模型的技术，选择地层精细程度，在建模参数设置后，自动建立模型，加以人机交互修改完善，使之与实际地质情况相吻合。

图9为江湾大桥主墩岩溶发育分布三维成果图，根据岩溶主要发育区域按标高和空间形态、位置等关系，岩溶发育区划分为三个主要发育层位：

标高10～-20 m，岩溶发育呈不规则形态，主要分布在勘查区的东西两侧，中部弱发育，其中西部岩溶发育强度、规模和深度强于东部。

标高-20～-40 m，岩溶发育呈现不规则和部分连续发育特征，主要位于勘查区的东部和中部，西部弱发育，东部和中部溶洞或串珠状溶洞连通性较好，岩溶发育埋深呈东“浅”西“深”趋势。

标高-40～-50 m，岩溶发育深度较大，主要分布于勘查区的中部，岩溶埋深较大。

3 结论

工程实践表明，弹性波CT法可精确查明基岩面的埋深、形态起伏、溶洞分布形态及溶蚀裂隙发育范围。通过钻探结果的验证，有较好的吻合性，在项目实施和设计中，可作为优化设计和指导施工的依据。通过弹性波CT剖面构建的三维模型，能更加形象生动、宏观的认识岩溶发育的整体形态，利于信息化施工。弹性波CT法克服了工程钻探中“以点带面”的不足，采用钻探与弹性波CT相结合的方法，可避免重复勘察，同时科学的布置弹性波CT剖面，可大量的减少钻探工作量，从而降低工程造价。

参考文献/References

[1] 牛建军， 杜立志， 谷成. 岩溶探测中的弹性波CT方法[J]. 吉林大学学报（地球科学版），2004（04），34（4）：630-633.

[2] 王運生， 王家映， 顾汉明. 弹性波CT关键技术与应用实例[J]. 工程勘察，2005（3）：66-68.

[3] 傅春， 颜恩锋， 谢莉莉， 左文斌. 岩溶勘察中层析成像（CT）探测技术[J]， 电工技术，2009（12）：55-56.

[4] 赖鸿斌， 李永树. 基于不规则三角网的DTM若干问题的探讨[J].重庆交通学院学报，2004，23（2）：90-93.

[5] 马超锋， 李晓， 成国文， 蒲丛林. 工程岩体完整性评价的实用方法研究[J]. 岩土力学，2010，31（11）：3579-3584.

[6] 刘洪， 陈刚， 王振海. 基于钻孔数据的扬中市三维工程地质模型构建[J]. 西部探矿工程，2016，28（3）：160-163.

[7] 陈国旭， 吴冲龙， 张夏林， 田宜平， 刘刚. 三维地质建模与地矿勘查图件编制一体化方法研究[J]， 地质与勘探，2010，46（3）：542-546.

作者：张琦 周杰 周天喜