巖土工程勘察中物探技術(shù)及數(shù)字化發(fā)展研究

劉向武

（廣東省地質(zhì)局第三地質(zhì)大隊(duì)，廣東 韶關(guān) 512026）

在巖土工程勘察中，物探技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，與常規(guī)技術(shù)相比，污物探技術(shù)能夠更清晰的顯示巖土工程的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析潛在的不良地質(zhì)，最終保證工程項(xiàng)目順利進(jìn)行。而目前隨著各地區(qū)工程項(xiàng)目的蓬勃開展，物探技術(shù)的應(yīng)用方案以及勘察技術(shù)的選擇已經(jīng)成為影響工程施工質(zhì)量的重要因素，具有廣闊的應(yīng)用前景，值得關(guān)注。

1 巖土工程勘察中物探技術(shù)分析

1.1 物探技術(shù)的基本工作流程

物探技術(shù)是當(dāng)前巖土工程中的常見勘察方案，是指通過儀器或者設(shè)備對目標(biāo)地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷的技術(shù)，期間工作人員依靠先進(jìn)的設(shè)備觀察地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，了解土層分布，評估地質(zhì)條件對工程項(xiàng)目的影響。隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，我國物探技術(shù)逐漸成熟，越來越多的現(xiàn)代化技術(shù)被應(yīng)用勘察中，成為提高勘察質(zhì)量的重要組成部分。根據(jù)部分巖土工程的反饋情況可知，通過物探技術(shù)可以全面評估施工場地的地質(zhì)條件地質(zhì)條件變化等，并總結(jié)影響工程的各種地質(zhì)因素，最終提供科學(xué)、全面的資料支持。

目前在巖土工程的物探勘察，物探技術(shù)的基本應(yīng)用路徑包括：①布置作業(yè)。要結(jié)合巖土工程項(xiàng)目的要求以及相關(guān)技術(shù)路線等做好布線，確保物探檢查結(jié)果能夠真實(shí)反映出本次巖土工程的基本信息。②鉆探驗(yàn)證。技術(shù)人員結(jié)合物探的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)終孔深度，并按照鉆探的勘察結(jié)果開展技術(shù)測試，在確?？變?nèi)清潔的基礎(chǔ)上，保障現(xiàn)場的物探工作可順利完成。③做現(xiàn)場試驗(yàn)。技術(shù)人員根據(jù)微型計(jì)算機(jī)等設(shè)備反饋的信息，結(jié)合土樣等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，結(jié)合巖石物理學(xué)試驗(yàn)以及水樣分析結(jié)果，對目標(biāo)地區(qū)的巖土狀態(tài)作出綜合分析。在經(jīng)過上述一系列的技術(shù)手段后，能夠完成巖土工程勘察，獲得詳細(xì)資料。

1.2 幾種常見的物探技術(shù)

（1）高精度磁法。高精度磁法在巖土工程勘察中具有廣闊的應(yīng)用前景，該技術(shù)主要是通過探測不同物質(zhì)成分的磁性反應(yīng)變化，進(jìn)而對巖土工程狀態(tài)進(jìn)行判斷，具有較高敏感性?？辈炱陂g，需要工作人員對磁場的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，判斷地下各種物質(zhì)對磁場的影響后，合理分布探測點(diǎn)，這樣才能獲得更詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。而有學(xué)者研究認(rèn)為，由于地下結(jié)構(gòu)相關(guān)物質(zhì)的磁性特征明顯，所以相關(guān)人員可以通過調(diào)整高精度磁法的分布范圍獲得更詳細(xì)的勘察結(jié)果[1]。

在技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)，相關(guān)人員應(yīng)結(jié)合高精度磁法的特征合理應(yīng)用該技術(shù)，其中的要點(diǎn)包括：①消除隨機(jī)干擾因素。一般淺地表的黏土、瓦塊、磚頭等都具有弱磁性，并且磁性分布不均勻，在物探中可能會(huì)導(dǎo)致磁性受到影響，甚至在嚴(yán)重情況下會(huì)淹沒弱的有用磁信息，導(dǎo)致物探失敗。所以在使用高精度磁法期間，需要盡量清除地面的各種雜質(zhì)，并通過實(shí)驗(yàn)確定理想的探頭觀測高度。實(shí)驗(yàn)期間，選擇一個(gè)面積為100m2的實(shí)驗(yàn)區(qū)域，分別選擇1m、2m 等不同高度的試驗(yàn)點(diǎn)分別做往返觀測，觀測期間易探頭高度為橫坐標(biāo)，以均方誤差為縱坐標(biāo)，繪制誤差的變化曲線（該曲線會(huì)隨著高度的變化而變化）。在大部分實(shí)驗(yàn)中，隨著觀測高度的增加，會(huì)導(dǎo)致誤差值趨于平穩(wěn)并接近恒定值，這樣就能確定最佳探頭高度，減少隨機(jī)干擾因素的影響。②加密測網(wǎng)，提高物探數(shù)據(jù)采集能力。為提高高精度磁法的物探水平，借助加密測網(wǎng)的方法，提取巖土工程的干擾異常項(xiàng)目，最終提高數(shù)據(jù)處理質(zhì)量，其具體做法為：在剖面的最佳位置確定觀測點(diǎn)，并隨機(jī)選擇不同長度的點(diǎn)距來確定測量點(diǎn)的位置，其計(jì)算方法為：

在公式（1）中，Xi為不同點(diǎn)距確定i 測點(diǎn)的觀測值；m為觀測點(diǎn)的點(diǎn)距長度；Xi+1代表前一個(gè)點(diǎn)的觀測值；Xi-1為后一個(gè)點(diǎn)的觀測值；n 為參與統(tǒng)計(jì)的點(diǎn)數(shù)量。

根據(jù)公式（1）的計(jì)算方法可以判斷，點(diǎn)距越小則誤差越小，則相關(guān)因素對于高精度磁法測量結(jié)果的影響越小，這是相關(guān)人員應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的問題。

（2）地質(zhì)CT 技術(shù)。CT 技術(shù)又被稱為計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)，是指在不破壞物體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過獲得目標(biāo)對象的相關(guān)某種物理量，包括X 射線強(qiáng)度、波速度的投影數(shù)據(jù)，不并經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法，在完成計(jì)算機(jī)處理后，重建物體在二維上的圖像資料，或者根據(jù)數(shù)據(jù)處理要求生成三維圖像數(shù)據(jù)。從技術(shù)角度來看，該技術(shù)能夠改變激發(fā)點(diǎn)與接收排列的位置，進(jìn)而組間密集交叉的射線網(wǎng)絡(luò)，并按照射線的洗漱面積以及成像特征等劃分相應(yīng)的城鄉(xiāng)單元，按照射線追蹤理論，使用反演算法計(jì)算被測區(qū)域內(nèi)波速圖。因此在巖土工程項(xiàng)目中，通過地質(zhì)CT 技術(shù)，能夠?qū)r土體的基本情況作出判斷，掌握不良地質(zhì)與空洞區(qū)域的分布方案，使工作人員能根據(jù)勘察結(jié)果采取應(yīng)對措施，保證了生產(chǎn)安全。

從技術(shù)層面來看，CT 技術(shù)最早被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，而隨著CT 技術(shù)的技術(shù)手段不斷完善和發(fā)展，該技術(shù)在物探上的巨大優(yōu)勢，使其得到了更廣泛的應(yīng)用，包括工程施工、地球物理、安全檢測等。例如早在20 世紀(jì)70 年代，地質(zhì)CT 技術(shù)就開始被應(yīng)用在混凝土、金屬材料、非金屬材料的結(jié)構(gòu)分析中，而到了八十年代，該技術(shù)就開始就應(yīng)用于海洋石油與天然氣的勘察中。我國在地質(zhì)CT 技術(shù)的研究中起步較晚，但是現(xiàn)有的研究結(jié)果均顯示，該技術(shù)能夠?qū)r石進(jìn)行CT 圖像分析，進(jìn)而獲得CT 數(shù)的分布特征[2]；或者通過密度損傷增量的方法，解決巖土工程CT 圖像中存在的密度定量變化的問題，使數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度進(jìn)一步提高。

從應(yīng)用現(xiàn)狀來看，該技術(shù)已經(jīng)在部分巖土工程中得到廣泛應(yīng)用，例如在北京地鐵的14 號線施工中，通過地質(zhì)CT 技術(shù)發(fā)現(xiàn)了地下的35 處巖土體異常情況，使施工方能夠事前對異常區(qū)域做加固，避免巖土工程項(xiàng)目出現(xiàn)坍塌，取得了預(yù)期效果。同時(shí)，現(xiàn)階段的地質(zhì)CT 技術(shù)有效探查范圍達(dá)到了200m 以上，因此該技術(shù)能夠厎地質(zhì)作出判斷，為施工安全奠定了良好基礎(chǔ)。

（3）探地雷達(dá)技術(shù)。探地雷達(dá)是近些年快速發(fā)展而來的探測技術(shù)，在探測地下物體中發(fā)揮著重要作用，作為一種現(xiàn)代化的無損檢測技術(shù)，探地雷達(dá)在巖土工程中具有廣闊的應(yīng)用前景，并且與常規(guī)技術(shù)相比，探地雷達(dá)的探測速度快，并且能夠?qū)I不了地區(qū)做連續(xù)的勘察，費(fèi)用低廉且操作靈活，在巖土工程中具有滿意效果。探地雷達(dá)技術(shù)主要是通過天線向探測目標(biāo)持續(xù)的發(fā)送高頻脈沖電磁波，所以當(dāng)探測深度滿足遠(yuǎn)場條件的技術(shù)上，探地雷達(dá)可以在平面內(nèi)進(jìn)行傳播，具體可分為圓極化、橢圓極化、線極化三種類型，而不同的極化是電磁波的顯著特征，不同的極化方式?jīng)Q定了探地雷達(dá)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。在巖土工程項(xiàng)目中，探地雷達(dá)系統(tǒng)的主要組成部分包括控制主機(jī)、發(fā)射天線、發(fā)射機(jī)、接收天線、接收器等，除此之外，還可以根據(jù)其應(yīng)用范圍變化增添GPS 等裝置。隨著地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的技術(shù)條件不斷完善，其硬件系統(tǒng)越來越完善，功能更加強(qiáng)大，例如我國的LT-1 地質(zhì)雷達(dá)、國外公司的NTT、GDE 地質(zhì)雷達(dá)等。在技術(shù)應(yīng)用中，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)可以采用不用的測量方法來采取巖土工程信息，而根據(jù)大部分巖土工程項(xiàng)目的勘察經(jīng)驗(yàn)可知，剖面法是地質(zhì)雷達(dá)常見的觀測手段，其中的核心技術(shù)要求，就是在發(fā)射天線與接收天線中采用相同的天線間距，并通過特定的測量步距沿著固定剖面進(jìn)行測量，例如低頻雷達(dá)天線(50、100、200MHz)，多采用分立板狀天線，可靈活采用變偏移距或透射測量，技術(shù)條件成熟[3]。

2 巖土工程物探的數(shù)字化發(fā)展趨勢

2.1 數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用

在巖土工程物探中，數(shù)字化技術(shù)與物探之間的有效結(jié)合已經(jīng)成為未來不可阻擋的趨勢，有助于提高物探的自動(dòng)化水平。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究可知，在物探技術(shù)的數(shù)字化發(fā)展中，利用計(jì)算機(jī)、測繪以及CAD 技術(shù)等，構(gòu)建強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫，并在計(jì)算機(jī)軟件平臺中提取數(shù)據(jù)資料后，并整理物探中提取的各種資料，并按照預(yù)先設(shè)定的計(jì)算機(jī)工作流程完成數(shù)據(jù)分析，推動(dòng)巖土工程物探技術(shù)從人工向自動(dòng)化方向的轉(zhuǎn)變。除此之外，數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)各類勘察數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理，期間的圖文處理過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，并且各種硬件系統(tǒng)的功能逐漸完善，最終構(gòu)建一個(gè)適合多專業(yè)的智能化物探勘察技術(shù)，最終顯著提高了巖土工程的物探勘察水平。

2.2 基于GIS 的巖土勘察數(shù)字化技術(shù)

目前在空間定位信息快速發(fā)展的情況下，巖土工程物探勘察的技術(shù)條件更加成熟，所以在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，相關(guān)人員應(yīng)該通過數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)以及地理信息系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)管理，這也成為未來巖土勘察的主要發(fā)展趨勢。

就目前而言，物探的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)是影響巖土工程勘察質(zhì)量的重要因素，為了能夠適應(yīng)未來發(fā)展要求，相關(guān)人員要盡可能的構(gòu)建一個(gè)完整的數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)，并在采集各種勘察數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)巖土工程中的各類信息與數(shù)據(jù)，最終明確各類數(shù)據(jù)之間的特定與相互關(guān)系。在這種情況下，針對大數(shù)據(jù)技術(shù)的處理要求，則需要相關(guān)人員通過構(gòu)建一個(gè)完整的數(shù)據(jù)處理模型來記錄各類巖土勘察資料，實(shí)現(xiàn)圖形資料、文檔資料、地層與鉆孔的信息。最后，巖土工程勘察本身組委一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，在勘察中需要處理的地質(zhì)信息更加復(fù)雜，在這個(gè)過程中，為了能夠獲得一個(gè)真實(shí)反映出巖土工程地質(zhì)資料的信息，可以將巖土勘察的資料與相關(guān)物探模型結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)一編輯與處理，最終提高巖土工廠物探的勘察質(zhì)量。

3 結(jié)語

物探已經(jīng)成為巖土工程勘察的重要組成部分，從現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展情況可知，物探技術(shù)已經(jīng)呈現(xiàn)出了多樣化的發(fā)展趨勢，各類技術(shù)條件成熟，可有效滿足未來工程項(xiàng)目要求。因此相關(guān)人員應(yīng)該了解物探技術(shù)的數(shù)字化發(fā)展趨勢，完善技術(shù)應(yīng)用路徑，這樣才能顯著提高巖土工程的勘察水平，最終為保證工程順利開展奠定基礎(chǔ)。