一种用于山体隧道的多尺度3D地质建模方法：将地质成因约束与多源数据相结合

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：A multi-scale 3D geological modeling method for mountain tunnels: Integrating geological genesis constraints with multi-source data

　　

施少帅|任荣|肖曦|赵瑞杰

山东大学隧道工程国家重点实验室，中国山东省济南市250061

摘要

复杂山区隧道的建设面临着地质数据稀缺、岩体条件高度异质以及多源数据尺度变化等挑战。传统建模方法依赖于数学插值或纯数据驱动的方式，导致模型可能与地质形成机制不符。本研究提出了一种新的多尺度3D地质建模框架，该框架将地质生成约束与多源数据融合相结合。在区域尺度上，采用克里金插值与变阶B样条表面插值相结合的策略重建地层界面；各向异性椭球搜索算法保持了陡倾地层的连续性，而复杂断层系统则通过平衡剖面法进行恢复。在工程尺度上，利用体积比例权重和立方卷积插值生成结构化的体素网格。在露头尺度上，将高分辨率激光雷达（LiDAR）点云与隧道面映射相结合，并采用改进的基于密度的空间聚类算法（DBSCAN）准确提取节理网络。通过空间数据统一、信息优先级协调机制和层次拓扑融合实现了模型集成，解决了跨尺度冲突。应用于一个复杂的高原铁路隧道案例表明，区域尺度模型的几何精度达到87.0%，Kappa系数为0.82，显著优于传统方法。此外，该模型经挖掘揭示的隧道面记录验证，平均岩性预测精度达到92.68%。该框架生成了可靠的地质可视化结果，为风险评估和施工优化提供了支持。

引言

山区隧道工程通常在复杂的地质条件下进行。在相对较小的空间范围内，岩性、裂隙网络和水文地质条件可能存在显著差异（Peng和Li，2021；Wan等人，2025）。在这种情况下，三维（3D）地质建模已成为支持工程决策的关键工具（Myers，2003；Cao等人，2024；Hao等人，2024）。高质量的3D模型有助于隧道线位优化、施工规划以及地质不确定性和相关风险的评估（Wang等人，2024；Xiong等人，2018；Sun等人，2025a）。

自20世纪80年代以来，3D地质建模从简单的几何表示发展到包含岩性和力学属性的更复杂模型（Houlding，2012；Jessell等人，2014）。早期研究方法假设横向均匀性和平滑变化（Goovaerts，1997），这限制了它们捕捉复杂构造特征的能力（dell’Arciprete等人，2012；Marinoni，2003）。最近的方法采用空间自适应策略来更好地捕捉异质性，如局部克里金插值和变协方差结构（Coube-Sisqueille等人，2025；Guo等人，2022；Linsel等人，2020；Miao和Wang，2024；Park等人，2025）。这些进步提高了模型的适应性和精度（Zhang等人，2023）。

同时，机器学习技术越来越多地应用于地质建模任务。深度学习、卷积神经网络和生成模型被用于属性预测和结构特征识别（Feng等人，2024；Hillier等人，2021；Lyu等人，2024；Ren等人，2025）。这些技术在建模速度和局部精度方面取得了显著提升（Liu等人，2025；Wang等人，2025a）。

此外，地质建模的数据来源也有所扩展，包括遥感、钻孔记录、地球物理调查和激光扫描（Li等人，2024a；Li等人，2025；Che和Jia，2019；Wan等人，2025；Sun等人，2025b；Panzera等人，2022；Zhang等人，2024）。整合这些多尺度和异构数据集可以全面了解地下条件。

尽管取得了这些进展，但仍存在显著局限性。纯数学插值无法捕捉潜在的地质机制，可能导致模型与地质原理相矛盾。相反，仅依赖数据驱动的方法可能会忽略重要的地质约束，特别是在数据稀缺的山区。此外，由于不同分辨率和空间尺度的数据集之间存在不一致性，缺乏一个综合的多尺度数据整合框架。为应对这些挑战，本研究提出了一种多尺度3D地质建模方法，该方法将地质生成约束与跨尺度的多源数据融合相结合。该方法结合了区域插值策略和层次拓扑融合，既保留了局部细节，又确保了地质一致性。通过空间数据标准化、层次拓扑融合和信息优先级协调机制有效缓解了跨尺度冲突。该方法在一个复杂的山区隧道项目中得到应用和验证，证明了其在实际工程中的有效性。这项工作有望显著提高复杂山区3D地质模型的地质合理性和精度，从而为工程设计和风险缓解提供可靠指导。

章节摘录

数据与处理

为了便于高原铁路隧道的三维地质建模，开发了一个统一的多尺度数据库。区域尺度背景信息来自1:10,000的地质图和剖面图，这些资料定义了大尺度的地层和构造框架。在工程尺度上，利用现场调查报告、地球物理调查、隧道设计图纸和施工文档中的数据详细描述了规划线路上的岩体条件。

多尺度3D地质建模方法

开发了一个用于复杂山区隧道详细三维地质建模的多尺度框架。该框架将地质生成原理与多源数据相结合，分为三个相互关联的层次：区域尺度、工程尺度和露头尺度。每个层次独立开发模型，并对其结构精度和相关性进行验证。连接这三个层次的多尺度建模工作流程如图1所示。

研究区域和数据来源

该方法应用于中国西部的一条高海拔铁路隧道项目。该项目位于印度-欧亚板块碰撞带，地质条件非常复杂，地形变化显著，最大高差达1700米。岩性多样，从第四纪沉积物到变形的花岗闪长岩和大理石都有。项目背景和主要数据来源如图4所示。

鉴于复杂的地质环境，多源数据

区域尺度模型构建结果

图5展示了隧道线位区域的最终三维地质模型，清晰地可视化了宏观地质框架。具体来说，该模型覆盖了一条40公里长的隧道走廊，两侧各延伸约2公里。模型包括两个主要地质成分：第四纪沉积物和构造变形的基岩单元。所有地层界面都被重建为连续的地质实体。

建模方法性能比较

K + B Fine方法和K + B Rough方法代表了本研究中开发的区域尺度建模方法，其主要区别在于网格分辨率。我们的比较分析表明，K + B Fine方法在区域地质建模方面优于传统插值技术。表5中的定量结果证实了K + B Fine方法的总体精度更高，这些结果是根据第3.4节所述方法论计算得出的。为了进一步评估模型的

结论

开发并应用了一个统一的多尺度三维地质建模框架，用于复杂山区隧道环境。将地质生成约束与区域尺度、工程尺度和露头尺度的多源数据相结合。主要结论如下：

(1)

在区域尺度上，通过区域插值策略确保了地层的结构连续性。该策略结合了克里金插值和变阶B样条表面插值，

CRediT作者贡献声明

施少帅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，资金获取，概念构思。任荣：撰写 – 审稿与编辑，方法论研究，数据分析，数据管理。肖曦：撰写 – 审稿与编辑，方法论研究，数据分析，数据管理。赵瑞杰：撰写 – 审稿与编辑，方法论研究，数据分析，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。