物探方法和鉆探方法相結(jié)合在工程地質(zhì)勘察中的運用

張金博

（山東省魯南地質(zhì)工程勘察院（山東省地勘局第二地質(zhì)大隊），山東 濟寧 272100）

1 鉆探技術(shù)與物探技術(shù)的概述

由于鉆探技術(shù)具有直觀性、可靠性等優(yōu)點，在工程地質(zhì)勘察工作中經(jīng)常采用。但是，這種技術(shù)只能在點線上顯示地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在地質(zhì)條件更加復雜的情況下，無法全面反映巖土層的變化規(guī)律。如果要對地下巖土空間結(jié)構(gòu)進行明確全面的勘察，不僅會耗費大量的人力物力，最后還有可能達不到預期的效果。當前，中國的科學技術(shù)飛速發(fā)展，物探技術(shù)趨于完善，它能有效地圈定地下巖土的形態(tài)和規(guī)模分布，為工程地質(zhì)勘察提供可靠的地質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)。在工程地質(zhì)勘察中，為了更有效地提高工作效率，保證地層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的可靠性，還可以綜合運用多種物探方法，以取得良好的效果。

2 不同勘探原理方法的應(yīng)用

2.1 地質(zhì)雷達

地質(zhì)研究雷達系統(tǒng)具有非常強大的抗干擾性能、優(yōu)越的技術(shù)性能和像素分辨率高等優(yōu)點，地質(zhì)雷達系統(tǒng)利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過天線送入地下，巖石層中的信號遇到檢測目標并產(chǎn)生反射信號。這兩個信號通過天線發(fā)送到接收器，并顯示在示波器中。根據(jù)示波器的顯示，可以確定檢測目標的位置，粗略計算出檢測目標之間的距離。地質(zhì)雷達可以用于探測地下洞穴、構(gòu)造破碎帶、滑坡體、劃分地層結(jié)構(gòu)以及地下硐室圍巖、混凝土襯砌質(zhì)量的檢測。例如，中國河南省地球物理勘探協(xié)會使用地質(zhì)機載雷達和接收天線進行地質(zhì)環(huán)境勘探，從獲得的圖像中可以獲取地下任何物體的深度和內(nèi)容物的特定中間位置，并采用綜合分析和勘探的方法進行地下勘探，證實了洞穴的具體位置，實現(xiàn)了更加全面的地質(zhì)勘察工作。地質(zhì)雷達探測原理示意圖如圖1 所示。

圖1 地質(zhì)雷達探測原理示意圖

地質(zhì)雷達會受到許多方面的影響，如檢測目標的寬度和深度以及屏幕的分辨率（例如接收天線之間的距離，不同介質(zhì)中的高頻電磁波等）等。在具備以下條件時能取得較好的應(yīng)用效果：（1）被測對象與周圍介質(zhì)之間具有電磁阻抗差異，被測體位于地下水位以上；（2）被測目的體具有一定的規(guī)模，厚度大于電磁波有效波長1/4，水平尺寸大于第一菲涅爾半徑的1/2，區(qū)分兩個水平相鄰異常體時，其間的最小間距大于第一菲涅爾半徑；（3）目的體上方無極低阻屏蔽層，而且測區(qū)內(nèi)無其他電磁干擾。

2.2 瑞雷波法

瑞雷波法主要分為穩(wěn)態(tài)和瞬時動態(tài)瑞利波法。根據(jù)該技術(shù)在當前工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用表明，穩(wěn)態(tài)瑞利波法存在設(shè)備體積大，勘察成本高的缺點。因此，在我國工程地質(zhì)勘察中經(jīng)常采用瞬時動態(tài)瑞利波法。瞬時動態(tài)瑞利波法在工程地質(zhì)勘察工作中的應(yīng)用具有如下特點：簡單、快速和高頻分辨率。瑞雷波在地表傳播時，其穿透深度相當于它的波長：在均勻介質(zhì)中，瑞雷波的傳播速度與頻率無關(guān)；在非均勻介質(zhì)中，傳播速度隨頻率的改變而改變；當采用不同振動頻率的震源產(chǎn)生不同波長的瑞雷波時，可以得到不同穿透深度的瑞雷波速度值，根據(jù)波速值來評價地質(zhì)體或進行地質(zhì)分層，從而達到探測的目的。

瑞雷波法適用于層狀和似層狀介質(zhì)勘探，可用于淺部覆蓋層厚度探測和分層，以及不良地質(zhì)體探測，可用于解決飽和砂土液化勢判定，軟弱夾層、地下巖溶洞穴、掩埋物等的探測。例如，在技術(shù)應(yīng)用過程中，將勘探技術(shù)應(yīng)用于露天煤礦的開采，測量員可以根據(jù)表面波速度和深度的變化來建立一種相關(guān)的實際鉆井直方圖。通過分析該圖，可以深刻揣測到，該圖中所涉及的之字形曲線的變化角度與多層鉆井中其他位置的變化角度是大致相同的。最后，在通過線觀察和鉆井數(shù)據(jù)的整理校正之后，相關(guān)人員可以充分了解地下地層的空間結(jié)構(gòu)。

2.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法的勘探原理是利用人工在發(fā)射線圈加以脈沖電流，產(chǎn)生一個瞬變的電磁場，該磁場垂直發(fā)射線圈向兩個方向傳播，通常是在地面布設(shè)發(fā)射線圈，依據(jù)半空間的傳播原理，把地面以上的忽略。當磁場沿地表向深部傳播，當遇到不同介質(zhì)時，產(chǎn)生渦流場或著遵照量子力學原理使活潑的堿金屬產(chǎn)生能級躍遷或使含有大量氫原子的液體的氫原子核沿磁場方向產(chǎn)生定向排列。當外加的瞬變磁場撤銷后，這些渦流場的釋放或者活潑的堿金屬要恢復原有的能級，釋放躍遷產(chǎn)生能量。以及含有大量氫原子的液體的氫原子核恢復原有的排列時，均以磁場的形式釋放所獲的能量。利用接收線圈測量接收到的感應(yīng)電動勢。該電動勢包含了地下介質(zhì)電性特征，通過種種解釋手段得出地下巖層的結(jié)構(gòu)。由于采用線圈接收感應(yīng)電動勢，故對空間的電磁場或其它人文電磁場敏感，也就是通常所說的干擾。為了減少此類干擾，盡量采用發(fā)射大的電流，以獲取最大的激勵磁場，增加信噪比，壓制干擾。在工程勘探時，尋找地下空洞時，會有兩種情況，一是充水空洞呈現(xiàn)低阻特征，二是未充水呈高阻特征。如有鋼筋水泥結(jié)構(gòu)支撐或回填塌陷后空洞的則情況比較復雜需要仔細判斷。

2.4 地震縱波CT 技術(shù)

地震縱波CT 的核心技術(shù)是一種成像系統(tǒng)，它可以通過在不同的中間位置使用地震縱波來實現(xiàn)被測物上層結(jié)構(gòu)的成像情況。這種技術(shù)工作的目的是為了在相同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下正確布置接收點，然后采用地震縱波施加技術(shù)，通過利用地震縱波的總體演變趨勢來實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，并且檢測每個單元的彈性波速度，從而把測量位置的波速度分布的相關(guān)信息與彩色圖像進行比較，以便從內(nèi)部可以對被測物體的速度結(jié)構(gòu)進行成像研究。

另外，地震波CT 技術(shù)是一種地球物理方法，在世界各國的石油勘探過程中取得了很好的實踐效果。近年來，我國計算機科學技術(shù)的快速發(fā)展又進一步將該科技的核心技術(shù)廣泛應(yīng)用于其他地質(zhì)環(huán)境勘察領(lǐng)域，并取得了顯著效果。例如，在對邵波船閘高邊坡卸荷效果不好的檢測過程中，利用地震波傳播CT 技術(shù)可以有效地幫助現(xiàn)代人不用去調(diào)查其他相關(guān)水文地質(zhì)條件和地質(zhì)構(gòu)造綜合建模方法及邊坡可控性深度分析，就能提供較為完整的力學參數(shù)數(shù)據(jù)。以深圳羅窩田水庫為例，把運用源CT 成像技術(shù)的多種相關(guān)原理進行了深入調(diào)查，從信道位置和泄漏點的中間也可以看出，地震波傳播CT 核心技術(shù)具有非常高的分辨率。它還可以對巖塊的穩(wěn)定性能進行綜合分析，找出地質(zhì)研究整個空間的中間位置，并為巖體分類標準和波動速度成像提供完整而最新的。

2.5 高密度電阻率法

在長期的工程地質(zhì)勘察工作中，遇到的目標體往往規(guī)模不大、埋深較大，因此在進行勘察工作時，要求間距小、密度高，如果采用傳統(tǒng)的施工方法，精度達不到要求，導致工作效率會大大降低。在這種情況下，可以使用高密度電阻率法，這種方法除了能測量二維地電斷面，還可以把常規(guī)的剖面法和探測法的功能來很好的體現(xiàn)出來。只需要簡單的布線，就可以觀察到數(shù)千個記錄點的數(shù)據(jù)，這樣一來就具有了很高的施工效率同時也能收集到大量的信息。自動采集系統(tǒng)通過已經(jīng)收集的這些實時數(shù)據(jù)，再對這些數(shù)據(jù)用相應(yīng)的技術(shù)軟件加以現(xiàn)場處理，便可以輕松完成自動繪制和打印這些處理結(jié)果。這樣可以大大提高電阻率法的智能程度，可以有效地探測地下物體。高密度電法具有許多現(xiàn)場工作裝置，結(jié)合現(xiàn)場的具體條件和調(diào)查深度的要求，可以任意選擇電極的總數(shù)和點之間的距離。通過邊界元法，有限元法和目標相關(guān)算法，可以對高密度電法的數(shù)據(jù)進行反演和分析。這三種方法中的每一種都有其優(yōu)點和缺點。選擇時，要充分整合巖土層的具體情況。實踐研究表明，采用高密度電法勘探可以有效地提高電法勘探野外數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，同時極大地豐富了現(xiàn)有信息，提高了電法勘探的智能化程度。

3 物探方法和鉆探方法相結(jié)合在工程地質(zhì)勘察中的效果以及應(yīng)用

3.1 鉆探與物探相結(jié)合對水害情況進行探測

隨著基坑開挖深度的延伸，水害對深基坑的威脅日益增大。為確保深基坑的安全施工，避免水災事故的發(fā)生，除了加強水文地質(zhì)預測預報，深基坑采用物探和鉆探相結(jié)合的探放水技術(shù)手段，對工作面前方地質(zhì)構(gòu)造及水害情況進行探測和分析，確保深基坑安全施工。

3.2 鉆探與物探相結(jié)合探測覆蓋層

在某些水電站設(shè)計方案中，工程樞紐大部分建筑物是建在軟基上，由于樞紐區(qū)地質(zhì)條件復雜，覆蓋層深厚，地勘工作難度大，有部分鉆孔沒有鉆透覆蓋層。因此需采用物探和鉆探相結(jié)合的探測手段查明壩線等部位覆蓋層厚度，并確定基巖頂板形態(tài)與埋深。

3.3 鉆探與物探相結(jié)合對采空區(qū)探查

隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，在采空區(qū)上新建的高層建筑越來越多，采空區(qū)探查作為采空區(qū)地基穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)工作尤為重要。采用鉆探與物探相結(jié)合的方法，對淺部多層采空區(qū)的發(fā)育、充填現(xiàn)狀進行精確探查，為正確進行采空區(qū)穩(wěn)定性評價奠定了堅實的基礎(chǔ)。

物探與探方法相結(jié)合在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用廣泛，效果顯著，為我工程勘察帶來了希望，帶來了福音，物探和鉆探相結(jié)合，取長補短，從而使工程勘察更準確、更安全、更高效。物探克服了鉆探的成本高、效率低、盲目性等缺點，鉆探使探測更精準，大大減少安全隱患的發(fā)生。

4 結(jié)束語

工程實踐表明，在地質(zhì)結(jié)構(gòu)非常復雜的情況下，僅采用鉆探技術(shù)，不能充分地反映地下地層的變化情況。只有當勘察單位多次重復進行大規(guī)模的鉆探工作時，才能較好地揭露顯示地下地質(zhì)情況，但是這種工作方式效率極其低下。在地球物理勘探方面，由于近年來科學技術(shù)不斷地快速發(fā)展，技術(shù)和設(shè)備不斷更新進步，已能較好地滿足工程地質(zhì)勘察的要求，充分揭露地下巖土體的實際情況，如形狀、規(guī)模和分布，但由于不能取樣進行直接觀察，因此其仍然不能作為單一的技術(shù)應(yīng)用到工程地質(zhì)勘察工作中。面對這樣的形勢，只有將物探技術(shù)與鉆探技術(shù)有效地結(jié)合，才能在提高工程地質(zhì)調(diào)查效率的同時，保證數(shù)據(jù)的可靠性。針對目前的情況，基層地質(zhì)勘察工作者需要不斷總結(jié)實踐經(jīng)驗，選擇最佳勘察方法，以提高自身的技術(shù)專業(yè)水平，不斷提高工程地質(zhì)勘察成果的質(zhì)量。