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1、工程物探方法技术及其应用2010年5月28日胡胡 绕绕与各位学弟、学妹共同探讨内容提纲前 言工程物探方法的应用前提 工程物探方法及其应用几点认识一、前 言物探，“地球物理勘探”的简称，是一门近代发展起来的地球科学、物理学与信息科学相结合的重要交叉学科，它应用物理学的理论和方法,研究各种地球物理场和地球的物理性质、结构、形态及其中所发生的各种物理过程的科学。当前，它在石油与矿床等地球资源的勘探开发、工程地质勘察与工程检测、地球环境的监测与保护等方面均有广泛应用。应用于工程建设的物探方法，称为“工程物探” 。它是以研究地下目标体或障碍物与周围土体之间存在的密度、波速、电性参数、磁性参数等物理性质差
2、异为基础，通过观测、分析和研究这些物理场参数差异，进而确定地下目标体或障碍物的分布、规模及形态。一、前 言目前，工程物探技术的应用领域已涵盖轨道交通、市政道路、桥梁、隧道、高速公路、铁路、管线铺设工程、房地产项目以及水利工程等。随着科技的发展和不断的应用实践，在传统的物探技术基础上，发展了浅层地震、地质雷达、面波探测、电磁波法、高精度磁法、高密度电法等工程物探技术，广泛应用于城市地下管线、地下埋藏物探测，基岩面起伏、断层的分布探测，滑坡、洞穴、岩溶探测以及各类路基、水坝等病害地基的勘查、地基场地土层的划分与评价，建构筑物的动力分析与计算所需要动弹性参数的测定，岩土体波速测定与稳定性评价，环境污
3、染及有关地质灾害的监测与评价，并取得了丰硕的成果。二、工程物探方法的应用前提 工程物探涉及的方法技术很多，按照所利用的物理场源可分为直流电法、电磁法、浅层地震法、磁测法、微重力法、地温测量及放射性测量等七大类。工程物探方法的物理基础就是介质中存在许多物理性质不同的地质体或界面，它们在空间产生了天然物理场（包括重力场、地磁场、地热场及放射性辐射场等）或人工物理场（包括人工电场、电磁场、人工地震波场、弹性位移场）的局部变化（即产生异常场），因此派生出了各种物探方法。二、工程物探方法的应用前提 如何选择合适的工程物探方法解决工程建设中的实际问题，首先必须具备一定的工作条件，这些前提条件包括：（1）被
4、探测对象与其周围介质间必须存在明显的物性差异；（2）被探测对象的几何尺寸相对于埋藏深度或探测距离应具有一定的规模；（3）被探测对象激发的异常场应能够从干扰背景场中分辨；（4）有适宜开展探测工作的地形与环境。三、工程物探方法及其应用电磁法地下管线探测探地雷达法瑞雷面波勘探高密度电法浅层地震勘探高精度磁法勘探水上物探目前，工程建设中开展较多且发展较为成熟的工程物探方法主要有：电磁法是目前探测地下管线最有效、最灵活也是最经济的物探手段。它通过向地下管线发射一次场信号，地下管线在一次场作用下，产生感应交变电流，交变电流在管线中流动又产生二次电磁场，在地面上用接收机通过对二次场的检测，实现对地下管线的探
5、测，它可对各种电缆及金属管线实施有效的探测和追踪。根据场源性质，电磁法可分为主动源法和被动源法。主动源法包括直接法、夹钳法和感应法；被动源法包括工频法、甚低频法。1.电磁法地下管线探测示踪法1.电磁法地下管线探测1.电磁法地下管线探测A、电力信号B、甚低频信号C、发射特殊信号在上海地区，每条高架、地铁、隧道、高速公路以及各类非开挖施工的第一步就是开展地下管线探测，其中首要物探方法便是电磁法，每年完成的物探管线长度约在10万公里以上。全国已有200多个城市开展过管线普查工作，采用最多的方法也是该方法。可以说，电磁法探测地下管线是目前中国应用最广泛的物探方法。 1.电磁法地下管线探测2.探地雷达法
6、地质雷达利用高频电磁波(主频为数十数百乃至数千兆赫)以宽频带短脉冲的形式，由地面通过发射天线(T)向地下发射，当它遇到地下地质体或介质分界面时发生反射，并返回地面，被接收天线(R)接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，及波的旅行时间、幅度、频率和波形等，通过对雷达图像的处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构特征。 2.探地雷达法 接收天线采集反射回来的电磁脉冲 信号，记录并显示在终端屏幕上，并 进行数据处理 地下介质发生电性变化时 产生反射 接收天线
7、接收电性异常体 的反射高频电磁脉冲信号 发射天线向地下介质发射 连续的高频电磁脉冲信号2.1 探测地下管道右图空白区为污水管道位置，直径 为1.8 米，管顶埋深1.5 米。左图大片空白区为合流污水箱涵位置 ，宽约5 米，管顶埋深2.1 米。2.1 探测地下管道广西玉林某400雨水管道雷达探测剖面图，管道位于剖面18m位置，管顶 埋深2.4 米。2.2 探测桩位分布某建筑物桩位探测图2.3 探测桩基承台某人行天桥承台探测图承台2.4 探测地下室分布某地下广场边界探测图地下室顶界面2.5 探测桥梁箱涵某桥梁箱涵探测图箱涵2.6 探测地质分层广西某工程基岩面探测剖面及解释成果图某赛车道结构层探测图2
8、.7 探测道路结构分层赛道基层砂垫层原状地层3.瑞雷面波法瑞雷面波是一种沿介质自由表面传播的弹性波, 其传播规律反映了传播途径中所涉及介质的弹性参数。由于瑞雷波具有频散特性，波长不同，穿透深度也不同，不同波长的瑞雷波能反映不同深度的介质情况；同时由于其传播速度与剪切波速基本相同，具有较高的分辨率。瑞雷面波勘探根据激振方式不同，可分为瞬态瑞雷波法和稳态瑞雷波法，目前工程上采用较多的为瞬态瑞雷波法。瞬态瑞雷波法设备轻便、布置灵活，测试效率高，成本低，近年来，逐渐被应用于解决越来越多的工程地质问题，如剪切波速测试、岩土层的厚度划分、不良地质体探查、地基加固效果评价等，显示出该技术有着广泛的应用前景，
9、受到勘察行业越来越多的重视。3.瑞雷面波法多道瞬态瑞雷面波观测 系统示意图测线起伏地层SR1R2Rn-1Rn3.1 探测人防通道人防通道某人防通道瑞雷面波探测视层速度彩色剖面图3.2 探测注浆影响效果某隧道修复工程注浆影响区域探测3.3 探测地层分界面广西某工程基岩面探测剖面及解释成果图 3.4 场地强夯效果评价强夯前、后检测场地波速对比 4.浅层地震勘探浅层地震勘探法是一种通过研究人工震源所激发的地震波在地下岩层、土壤或其它介质中传播来解决地下介质分布状况的物探方法，常用于解决地面下100米深度范围内的地质问题。该方法信息量大，图像直观，属技术成熟的经典物探方法。在工程地质、水文地质中常用来
10、探测覆盖层厚度、风化分层、基岩起伏、断层位置、潜水面深度等问题。 根据利用的地震波的不同，浅层地震勘探法可分为透射波法、折射波法、反射波法和瑞雷面波法。 4.1 利用透射波法测定地层波速参数世博园区某100m钻孔剪切波速测试曲线 4.2 利用折射波法探测基岩面埋深 814工程某测线折射波时距曲线及基岩解释 4.3 利用地震映像法探测地下构筑物 地下通道边界宁波某地下通道边界探测剖面图 地震映像法探明的溶蚀蚀破碎带带4.4 利用地震映像法探测岩溶分布 4.5 利用地震映像法探测堤坝隐患 地震映像法探明的某海堤脱空区5.高精度磁法勘探在工程建设中，经常会遇到各种地下障碍物，如隐埋的爆炸物、矿渣、人
11、防工程、旧建筑的基础、地下管线等，这些物体有的可能威胁建筑施工的安全，有的可能造成地下管线的破坏。在建筑设计与施工之前，必须查明这些物体的分布、性质和埋藏情况，高精度磁法勘探在这方面可发挥独特的作用。地球磁场是一个位于地球中心并与地球自转轴斜交的磁偶极子，在整个地球表面，都有地磁场的分布，在地表如有铁磁性物质存在时，由于受大地磁场的磁化作用，将会在其周围产生次生磁场，从而产生磁异常，这是磁法勘探的前提。5.1 利用高精度磁法探测隐埋爆炸物 磁法勘探是用于寻找金属矿床或进行地质填图的一种物探手段，已有成熟的工作方法和经验，但在建筑施工场地具有强磁干扰情况下探寻爆炸物，在国内外尚不多见。 自197
12、8年起，上海勘察院采用高精度磁梯度法和不同高度磁测对比法，在强磁干扰背景下准确地分辨出铁磁性爆炸物所产生的异常，并通过初测、复测和终测，确保不遗漏爆炸物，先后在上海石化总厂和宝钢各期工程中，用磁法寻找隐埋爆炸物，共清除炸弹、炮弹和地雷等各种爆炸物2000多枚，总量约30多吨，消除了工程建设中的隐患，保证了工程的安全。 1990年4月，在石化总厂涤纶厂 三期工程建筑场地进行探测时，查 出并排除了6枚100磅炸弹，其中5号 弹坑在挖出1枚炸弹后，经复测发现 仍有磁异常存在，再经过降低高度 的加测发现异常增大，断定坑内还 有铁磁性物体，继续开挖结果，又 挖出了1枚炸弹。 石化总总厂涤纶涤纶 厂磁力探
13、测测异常图图 5.1 利用高精度磁法探测隐埋爆炸物 上海漕泾化工区BASF厂区磁力探测异常图5.1 利用高精度磁法探测隐埋爆炸物 上图为某水域滨海区磁力探测发现的磁异常图, 从磁异常的分布形态上判 断, 其与有限长圆柱磁性体航空炸弹、炮弹等物所引起的磁场分布极为相似, 后经开挖验证, 确定为一形状极似航空炮弹的铁质物体 。5.1 利用高精度磁法探测隐埋爆炸物 5.2 利用磁梯度法探测深埋金属管线非开挖地下管线地面以下5 6m，最 深的可达 到10 20m。 测深度均不大于5m ，深度探测精度一 般大于10H 10米以内 ，受地下 水及分辨率限制往 往不超过8米 地下管线探测仪地面地质雷达由于地
14、球磁场的影响，会对地表附近的铁磁性物质产生磁化作用，而在该 物体周围产生次生磁场，从而产生磁异常。利用铁磁性物体的这一特性，可用 于探测地下金属管道、桩基长度、地下构筑物等。 5.2 利用磁梯度法探测深埋金属管线非开挖金属管线磁梯度仪塑料管磁梯度探头地面井中磁梯度法测试方法示意 图处在地磁场中的金属管线地面5.2 利用磁梯度法探测深埋金属管线金属管道在垂直剖面上的磁异常梯度值理论曲线金属管道5.2 利用磁梯度法探测深埋金属管线某813非开挖天然气顶管探测（埋深22.1m）5.2 利用磁梯度法探测深埋金属管线苯氢气乙烯 丁烯丙烯C8光缆上海A4高速公路多根深埋非开挖物料管探测5.3 利用磁梯度法
15、探测桩基长度地铁二号线方桩桩长检测5.4 利用磁梯度法探测人防等地下构筑物无锡某建筑场地深埋人防通道探测（埋深22m）6. 高密度电法高密度电法是在常规直流电法基础上发展起来的集电测深和电剖面法于一体的一种多装置、多极距的组合方法，它的工作原理与常规直流电法一致，以岩土介质的导电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定的电流场，来解决地下地质问题。与常规直流电法相比，高密度电法通过多道电极转换开关自动转换测量电极，可以实现一次布极即可进行多种装置数据采集，具有直观、高效、高分辨率、高精度等特点。具体来说，高密度电阻率法是一种阵列式电法勘探方法，野外测量时只需将全部电极(几十至上百根)置于
16、测点上，然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现对数据的快速和自动采集。6. 高密度电法高密度电法测点示意图福建某隧道工程采用高密度电法探测岩溶的成果剖面6.1 利用高密度电法探测岩溶分布岩溶发育区6.2 利用高密度电法探测地下管道某合流污水管道的高密度电法探测剖面合流污水管道7.水域高密度地震映像法水域高密度地震映像法是一种新兴的水上浅层地震勘察方法，它利用SWS多功能工程勘探仪具有的12通道高速采样的功能，与船载连续冲击(冲击时间间隔为1s)震源配合，实现高速密点距采集地震波场记录。具有速度快、效率高的优点，同时可获得了较大的勘探深度。震源使用船载式全自动大能量连续冲击震源，它具有如下特点：（1）激发频率低，频带较宽，主频在100-800Hz；（2）震源子波脉冲性好，后续余震小；（3）激发能量大且均匀；（4）激发时间短，最小时间间隔为1s。7.水域高密度地震映像法水域高密度地震映像勘察方法可解决的地质问题：u 探测水下地形的起伏和变化情况u 覆盖层的分层，深度和分布情况u 基岩顶面的埋深和起伏情况u 基岩断裂构造分布情况
