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基于地质大数据的城市地下空间开发建设成套关键技术研究与应用 发布时间:2021.09.10

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基于地质大数据的城市地下空间开发建设成套关键技术研究与应用

许国,文诗宝,张志芳,卢鹏,黄梅婷,冯健,赵勇

(南宁市勘察测绘地理信息院有限公司,广西南宁 530022)

摘要:为解决城市地下空间开发中复杂地质条件的建设问题、复杂环境保护问题、既有地下空间改扩建问题、深层空间安全开发利用问题以及大规模地下空间开发利用诱发的城市地灾问题,从针对城市地质大数据的有效采集、存储、管理、分析、应用为出发点,对城市地下空间开发建设成套关键技术进行研究。研发了南宁市地质空间大数据分析系统及南宁市地质空间信息共享与服务平台,构建浅表地质数据库,优化三维快速自动建模技术,从基础数据中挖掘出有助于城市地下空间开发、管理工作的信息。通过南宁市的实施应用证明,在城市地下空间开发、规划、建设及运营等方面运用地质大数据落实好施工前综合调整和方案预演,可有效提高相关工程效率,降低地下开发建设成本,提高城市地质信息资源利用水平,推动智慧城市的建设。

关键词:城市地下空间;浅表地质;大数据;可视化平台;BIM+GIS

中图分类号:    文献标志码:A

0、引言

我国近10年来地下空间年均增速达到约20%以上,城市地下空间建设规模与速度居于世界首位[1],而地下空间的开发建设主体主要是地质体,掌握地质信息是各项开发利用技术应用的前提条件[2]。目前我国城市地下空间开发利用主要技术难点包括缺乏地下空间建设对区域地质体安全影响的研究,地下空间面临着复杂的环境保护问题,既有空间改扩建受周边地下空间严格约束,地质信息缺乏导致深层地下空间开发利用难,城市大规模地下空间开发利用诱发的城市区域灾害难控制等。

地下空间开发建设作为智慧城市建设的重要内容,在信息化的大趋势下需要对地下空间开发建设的技术进行深入研究。梁晨以昆明市地下空间普查数据为基础,结合昆明市城区改造项目选取ArcGIS软件平台建立了地下空间数据库,实现了地下空间建筑物数据管理功能[3];古锐开等通过精细化三维地质模型分析广州市南沙区某地块,精准的刻画城市地下空间开发中涉及的地质环境条件[4];郑丰收等通过综合应用物联网、三维可视化、大数据分析和组件式开发,建设了城市地下管线智慧化管理平台,实现了地下管线一体化管理[5];但目前诸多对地下空间信息化建设的研究均聚焦在地下管网、人防、地下建筑等,缺乏对城市地质条件的研究,且研究领域较为单一。

为完善对城市地下空间开发建设地质领域的研究,本文基于地质大数据的多模态、高度时空相关性等特征,针对南宁市地下空间开发、地灾防控、地下管网、地下水环境、工程建设活动等问题进行技术应用研究,建立一个集地质环境信息输入、空间数据输出与管理、大区域实时监测、专业模型演化预测分析于一体的技术体系,有效集成城市地质大数据为南宁市地下空间开发建设、城市安全、城市规划与功能布局、环境治理等提供数据参考和科学依据。

1、地下空间开发建设关键技术

1.1 城市级地质数据库及可视化应用平台构建关键技术

从地质数据应用层面,要合理利用多介质、多源异构、大体量的地质数据首先要具备强大的数据采集技术。地质数据源包括已信息化的MapGIS(wt/wl/wp)、ArcGIS(shp)、AutoCAD(dwg/dxf/dwt)、理正勘察数据库(mdb)、Office格式(doc/xls/txt)等以及未信息化的图片文档、纸质文档、光盘介质存档等,本文针对地质大数据的特点,采用基于EAST场景监测模型的多角度文本识别软件,对收集的栅格图形文件内容进行识别提取、自动排版并按固定格式输出,在标准化的基础上保证了原始地质数据的有效性和完整性。

由于所收集的地质资料分布于南宁各地区,且来自于不同的单位,所涉及的对象类型多,其报告编写时所参照的规范不同,即使是同一行业和工程对象在不同区域对工程地质岩组划分标准也相差很大,为有效解决工程地质岩组划分标准和方式不统一的问题,构建了南宁市岩土分层系统。

图1 多源异构数据采集流程图

Fig 1 The acquisition process of multi-source heterogeneous data

管理分析可视化平台分为数据管理平台、可视化分析平台和数据共享平台。其中数据管理平台是在数据库的基础上进行开发设计,主要实现包括对多种地质数据和资料的数据导入与导出、数据格式转换、文档资料管理与调用、权限管理等功能。可视化分析平台包括二维可视化分析和三维可视化分析,二维可视化分析能实现地质数据查询展示、二维图件的快速生成、图件编辑、数据统计等功能,链接数据库进行二维查询、应用,快速响应工程建设规划中的地质资料查询、调取等应用要求。三维可视化分析能根据不同专业数据采用三维可视化技术,建立有关专业的三维地质结构模型和属性模型,通过地质体三维形态和地层组合关系的构建,虚拟再现地下复杂空间结构与关系的分析和过程。数据共享平台首页模块能进行全站检索、动态新闻发布及快速跳转等功能;基础数据模块主要用于服务的叠加展示,以及图层属性信息的查看等;地质数据模块能提供调查数据、地质资料及地质图件的查询及展示功能。

1.2 基于地质大数据的地下空间开发技术

城市地下空间开发利用与地质环境密切相关,地下多种资源一体共生、相互影响,由于不合理的利用甚至导致相互冲突,增加了地下空间开发的复杂程度 [6],地质大数据平台提供的数据一体化管理与应用可灵活利用地下空间及地下资源,实现地下空间的协同开发。其中,应用的关键技术包括以下3个方面。

(1)复杂地质条件开发与应用。地下空间建设面临的主要复杂地质问题包括城市深部地下工程勘察精度不足、地下水对地下工程施工的影响、软弱岩层地区地基不稳定、地质构造活动影响、复杂多元地质结构难题、透水层开挖稳定性、上软下硬地层的开挖与扰动控制问题等[7]。基于城市级地质数据库及可视化应用平台,按照标准地层表由粗到细依次逐级构建城市三维地质模型,可以充分反应地下空间的地质条件变化,有效解决地质信息缺失问题,为持力层、隔水层选择提供依据。通过对地质三维模型的搭建实现地下空间可视化,分析浅层地下空间和区域地表稳定性的影响规律,探索地下水环境及地质环境,减轻地下水对地下空间结构体的影响并避免地下工程的施工对地下水造成的污染问题。分析地质的结构特征和岩土体承载特性,从城市安全的角度提出地下空间开发利用的限制条件,为城市深部地下工程设计和施工,地下空间结构安全问题提供技术支持。

(2)大区域地下空间建设规划支持。在部分传统城市规划中,存在着孤立分散、盲目冒进开发的现象,对地下空间规划重视程度不够,这使得城市发展中由于必然需求而带来的地下空间建设混乱无序,地下空间盲目开发和浪费性开发[8]。地质数据分析平台可对全空间三维信息进行一体化管理与显示,完整表达了三维空间信息,实现多维时空信息的全共享;同时提供精细模型与简单模型两者合一的三维场景建模方式。造型复杂的实物模型可以借助revit等软件建立精细的三维模型,然后无损的导入到平台中,也支持obj、3ds等外部模型数据导入进行三维展示;造型简单的实体模型可以利用批量建模工具基于二维规划图等数据快速建立简单的地面景观模型。提供丰富的地面景观建模功能,多样的建模制作工具,多种成果展示方式,可以利用平台与GIS数据、模型数据快速建立地面景观模型。

(3)城市风险土层分布研究。目前城市建设中普遍存在深基坑、隧道开挖、地铁建设、地下街工程等均与岩土体的性质紧密联系[9]。因此,本文针对整个南宁市城区开展风险土层分区研究,判别影响南宁市城市地下空间开发利用的地质环境敏感因子,分析高风险土层的空间分布特征以及高风险土层分区场地整体稳定性和工程建设适宜性,进行科学合理的城市地下空间土层风险评价,为城市地下空间规划及科学开发提供依据。

1.3 城市大规模地下空间开发利用诱发的城市区域灾害控制技术

国内的地下空间开发研究过多地侧重于提升地下空间开发速度和开发范围来解决城市发展空间不足的问题,而较少关注地下空间大规模开发对城市区域地质环境的改变以及其诱发的城市区域安全问题[10]。城市区域地质的结构特征和岩土体承载特性是开发利用地上和地下空间的前提基础,在大规模开发利用地下空间的同时,应注重地下空间开发对城市区域地质的改变和扰动,地质体作为地上、地下建构筑物的载体,其性质的改变或者相关地质作用下,势必会对地上和地下空间产生干扰。本文以城市地质数据信息为基础,结合PS-InSAR地表变形监测数据,以“InSAR”+“地质大数据”的模式,通过城市大区域的变形数据捕捉危险区,结合地质数据库获取区域地层情况、岩土特性、地下水情况等,推演地表形变规律及机理,针对地下空间开发所诱发的地表变形提出相应预防及整治措施,以进行城市区域地质灾害的监测与防控。

图2 区域地质灾害控制技术应用流程图

Fig 2 Application flow of regional geological disaster control

1.4 智慧城市地理信息综合服务技术

由于地下管线的种类多、布设复杂导致在城市道桥改造、地下管线敷设施工时,管线碰撞交叉现象和挖断地下管线、造成停水、停电、停气和通讯中断事故时有发生[11]。基于浅表层地质数据库提供水文地质参数、区域地下水监测资料,调查地下水降落漏斗的范围、幅度及动态变化,通过定量分析InSAR地面沉降监测数据与地下水数据的相关性,构建漏斗型的“地下水位-沉降模型”,摸清降水施工对地面变形造成危害程度;对地质大数据进行挖掘,划分出软弱土层区域,当土层发生扰动或受积水影响时,视具体情况进行换土处理,减轻对油、气、水等地下管线的损坏;通过地质分析平台直接获取管网系统所涉及到的城市地层情况信息,将地质三维模型与地下管线的集合,实现管网与地质三维模型相结合的三维场景再现。地质分析系统可根据城市施工需要模拟开挖情况,设置开挖位置、深度、挖方面积等信息,在平台上将开挖情况及开挖部分对管线的影响可视化,避免由于地下空间信息收集不足,造成城市施工对地下管线的破坏,防止因管线破坏导致的燃气泄漏、触电等施工安全事故,为城市地下空间开发利用及智慧城市建设辅助决策。

2 、地下空间开发建设应用成果

为积极响应《智慧城市时空大数据平台建设技术大纲(2019版)》加快推进智慧城市时空大数据平台建设工作的要求,收集了南宁近30年来历史地质数据,包含地质勘探报告约25000份,数据化地质钻孔约30万个,累计岩芯深度约600万米,地层、岩土体试验信息及地下水数据超百万条,数据覆盖南宁市建成区,并针对南宁市地质条件特点设计了标准地层分层系统。

以GIS技术为基底搭建城市级地质数据管理、分析及共享服务平台,基于南宁市地质空间大数据分析系统及南宁市地质空间信息共享与服务平台的建设:

(1)为实现区域性地形的地上、地下一体化集成分析,根据南宁市地质条件运用三维地质建模系统建立管线模型、地表建筑模型等,采用MapGIS平台可有效还原地上地下空间真实场景,实现地下空间可视化。针对南宁岩溶的特点,通过收集整理近年国家地下水位监测点的水位动态观测资料,建立了南宁城区的三维可视化地质模型(图3),将岩溶地下水位和地质结构模型有机融合,系统解决了南宁城市地质与轨道交通建设的若干难点及关键技术问题,为南宁轨道交通建设提供了重要的管理和应用平台,为指导南宁地铁规划建设提供科学依据。由于南宁盆地中存在地层倒序及岩土层互层等较为复杂地层结构情况,为满足大量项目级三维地质模型建模需求,通过优化插值算法、合理设定标准地层编码,形成一套改良后的三维自动建模功能,并应用于能达到区域模型自动建模精度要求(图4),大幅度的提升了建模效率。

图3 地铁三维可视化地质模型

Fig 3 3D visual geological model of subway station

图4 全空间一体化三维模型

Fig 4 3D model of full-space integration

(2)根据均匀性原则,对南宁市中心城区进行网格划分,分别选取了各公里网格内具有代表性的钻孔数据,依据《工程地质手册》及《岩土工程勘察规范》对南宁市地下空间岩土体的连续属性进行划分。工程建设影响范围内的岩土体主要为粘性土、砂土及风化岩层。其中,粘性土普遍存在,分布广泛,其工程地质性质相对较好,承载力适中,压缩性低,适宜建筑。存在的不良岩土体主要有软可塑的粘性土、液化砂土、人工填土以及软化岩石。基于地质大数据库可获取工程地质性质不良土体的分布情况(图5),在施工时采取特殊防护措施,减轻对地下空间安全施工的不利影响。

图5 南宁市淤泥质土埋深分布图

Fig 5 Depth distribution map of muddy soil in Nanning

(3)基于COSMO-SkyMed卫星系统获取了南宁市主要城区2013-01至2016-01期间地表形变信息,发现沉降突变区约百余个,监测时间内邻近在建地铁项目的突变区共10个(表1),其中泉南高速入口处区域平均形变速率为-13.87 mm/a,累积形变量超过-40 mm,该区域监测期末尾有加速形变的趋势(图6)。基于地质大数据库调取区域约4平方公里工程地质资料,并收集附近工点建设资料,获取信息如下:该区域地层主要为人工填土、冲积黏性土、粉土、粉砂及圆砾,下覆基岩为南宁第三系泥岩、粉砂岩,区域地下水主要有上层滞水和潜水。通过现场调查分析及数据库地质资料验证,查明此区域地面变形为地铁建设、基坑施工(开挖、抽水等)等因素引起。

图6 泉南高速立交出入口区域年平均沉降速率

Fig 6 Annual average subsidence rate of the area Quannan high-speed interchange entrance

表1形变较严重的区域统计表

Table 1 Region counting of severe deformation

青秀区糖业公司宿舍

-7.98

-23.68

欧景庭园H栋

-10.09

-29.18

广西气象宾馆建筑

-8.44

-26.36

绿洲花园

-9.49

-30.12

边防警察公寓

-8.11

-30.14

德瑞花园

-12.44

-35.65

琅东汽车站

7.33

22.48

泉南高速入口

-13.87

-41.46

红星小区

-9.88

-32.57

广西党员干部科教信息园

-9.24

-27.41

目标点

平均形变速率(mm/a)

最终形变值(mm)

 

(4)地下管线探测是组织、实施工程勘察的一个十分重要环节,通过地下管线数据与地下空间分析系统的耦合,将数字信息转变标准化、统一化、易于分析的可视化静态或动态画面,能准确、多方位展示地下管线位置及周围地质条件、水文地质条件等,在施工勘察前对地下管网进行迁改或钻孔布设时进行方案预演,减少施工勘察对地下管线的破坏作用。无法改迁的管网或需要在已建成的地下构筑物附近进行勘察工作,可运用地质专业分析系统布设虚拟钻孔,从三维的角度查验钻孔施工是否会对管线产生影响,提前采取规避措施(图7),加快和加深地质工作人员对被模拟对象的认识。

图7 地质分析系统与地下管线数据耦合

Fig 7 Coupling of geological analysis system and underground pipeline data

3、总结与展望

本文基于地质大数据对城市地下空间开发的技术难点进行研究,提出了可以支撑城市地下空间开发、可视化、分析、预测与评价的关键技术,打通了地下空间开发建设核心技术关键环节,实现了地质大数据的二次开发利用。在此基础上,研发了南宁市地质空间大数据分析系统及南宁市地质空间信息共享与服务平台,通过浅表地质数据库集成多专业、多参数的地质数据,建立大区域城市地质三维模型,进一步分析、挖掘地质大数据在地下空间开发建设过程中的数据支撑作用,有效解决城市地质数据格式不统一、数据服务能力薄弱、辅助地下空间开发利用与安全运维管理相关应用欠缺的难题,实现了城市地质数据管理、可视化分析及共享服务功能。在服务模式上创新,推进地下空间成果在城市轨道交通建设、地上-地下空间一体化三维模型建立、岩土体风险性评价、城市地质灾害监测预警、黑臭水体外水渗漏排查等方面的应用。

随着地下空间信息化理论研究的不断深化与信息化技术水平的持续提高,平台可深度结合地下管网、人防、地下建筑等地下空间信息,构建地下空间全面信息化平台,进一步优化地上、地下全空间一体化三维建模技术,赋能地上、地下空间统筹协同开发,为城市地质灾害监测预警及智慧城市建设提供分析、评价和决策服务。

 

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基金项目:南宁市科学研究与技术开发计划项目(GX20210093)。

第一作者:许国(1973.11—),硕士,正高级工程师,主要研究方向:地质与岩土工程、三维地质建模、大数据,E-mail:516046247@qq.com。

通讯作者:卢鹏(1991.08—),硕士,工程师,主要研究方向:岩土工程、测绘,E-mail: 375041714@qq.com。

 

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