工程物探技术在城市建设中的应用

浅层地震勘探法

    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工程地质的方法，常用于解决地面下100米范围内的地质问题。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，特别是对基岩面探测十分有效。

1）利用浅层地震折射法探测基岩埋深

图1为某工程为探明基岩分布深度，采用浅层折射法的物探成果图。工程采用了24道SWS-2型地震仪，震源采用人工锤激震源，双侧激震，多次叠加以增强信号，按相遇时距观测系统进行数据采集。野外数据折射波清晰可辨，准确判明了基岩埋深在4～0.7米，坡脚较深，坡顶较浅，与现状出露基岩相符。

2）检层法测定地层波速参数

    随着近几年来仪器设备的不断改进以及激震方式的改变，用检层法检测地层波速的技术愈来愈可靠。2000年前在上海地区进行80米以上波速试验，大多采用跨孔法进行，不但检测周期长，费用昂贵，同时由于钻孔扭角无法正确测定，导致孔距测量误差大，从而影响了测试精度，导致地层分层误差。目前采用SWS-2工程检测仪结合水平球击激振方式可清晰地分辨出140米以上的横波初至波。

瑞雷面波勘探法

    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。瑞雷波勘探技术作为一种新兴的岩土原位测试方法，近年来得到了长足发展。

    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，两种方法原理基本相同，但是工作方法有较多区别。稳态瑞雷波法设备笨重，处理效率低，成本较高。而瞬态瑞雷波法设备轻便、布置灵活，测试效率高，成本低，尤其是近十年来，国内以北京水电物探研究所开发的SWS系列瞬态面波仪为代表，逐渐被应用于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，受到勘察行业越来越多的重视。

强夯效果检测

     福建某电厂扩建工程，总面积达217,005m2，场地原始地貌为丘陵、海积阶地、沙质海滩，场地平整后采用强夯进行加固处理，单击夯能为6000kN·m，采用面波法并结合平板载荷试验进行加固效果检测。在工程中共布置面波检测点1028个，并选择了25点进行加固前后对比试验。测试采用SWS-3工程检测仪，震源采用50kg铁球抬高1米自由落地激发面波。

    图3为A、B两区对比试验结果。经检测，面波波速平均值夯后比夯前均提高了很多；A区的加固深度约在8.6米，在6米深度范围内，波速平均提高约了30％。B区的加固深度约在6.9米，在6米深度范围内，波速平均提高约了26％，B区强夯加固有效影响深度比A区浅。这主要与B区的填土厚度较浅有关，A区填土厚度基本大于强夯加固的有效影响深度，而B区填土厚度均小于4.1m，下部为密实的坡残积土及强风化岩，强夯处理很难进一步提高土体的密实性。

    根据大量的工程实践表明，面波速度与岩土体承载力特征值和变形模量具有密切的相关性。地基土承载力和变形模量可以通过静荷载试验获得，它反映了承压板下1.5～2.0倍承压板直径或宽度范围内陆基土强度、变形的综合性状。本工程静荷载试验承压板采用2m2 ,其影响深度约为2.4m～3.2m；经过计算不同深度(2.0m、2.5m、3.m及3.5m)面波速度与静荷载试验地基土承载力的相关系数，发现深度3.0m的面波速度值与静荷载试验的地基土承载力相关性最好。因此取3.0m的面波速度值与静荷载试验的地基土承载力建立相关，本测区共有34个载荷板试验点，通过最小二乘法回归分析，成果见图4。承载力特征值与波速相关系数为0.88。从以上相关性分析可以看出，s/b=0.01对应的承载力特征值与面波波速相关性较好，可作为场地分析评价依据。

   夯后地基一般采用的常规检验手段是静荷载试验、动力触探、静力触探等，但这些方法均要耗费较多的人力、财力和时间。静荷载试验有时受客观条件的限制难以实现，而动力、静力触探得到的资料往往离散度较大，在评价承载力方面可靠度较差。面波检测作为一种新型的快速可靠的原位测试手段，它与常规的静载荷试验相结合，可以判定强夯加固的有效影响深度，可建立面波波速与承载力特征值相关关系式，计算测区各测点的承载力特征值，对整个测区进行全面评价，从而实现“点”、“面”结合的综合评价的效果。既可达到了检测目的，又缩短了检测时间，同时节省了大量的人力财力。

地下障碍物探测

    某隧道工程，由于施工不慎，发生了严重险情，造成隧道塌陷。在抢险时期曾注入了将近千吨的各种浆液，以及数量相当多的沙袋，塌陷区原先大部分建筑物基础也都沉陷于地下，地层遭受到了严重扰动，场地地表部分覆盖了建筑物旧基础、混凝土路面及分布无规律的钢筋混凝土，其中地下10～25米处为各种注浆材料。为详细了解塌陷区地下情况，采用了面波法进行探测。图5为测线CX3的面波探测结果剖面，其中距测线起点6.25m～13米处为下沉后的泵站，泵站底界面在地面下约14m。在10米以下区域，面波波速从220m/s提高到280m/s左右，10米以下为注浆影响区域，后经开挖后证实。

探地雷达法

    探地雷达是近十年来迅速发展起来的一种浅层地球物理探测技术，它具有分辨率高、精度高、效率高、快速经济、灵活方便、剖面直观等优点，现已广泛应用于岩土工程勘察、工程质量检测、水文地质调查、城市地下管网普查、隧道施工掌子面超前预报、文物及考古探测等众多领域，取得了显著的探测效果和社会经济效益，并在工程实践中不断完善和提高。

    地质雷达与探空雷达相似，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。

    某赛车场赛道有一地段在赛车经过时经常会发生颠簸现象，为查明其原因，采用了地质雷达对其进行探测。探测采用加拿大EKKO-1000地质雷达仪，主频225MHz,点距10cm。探测结果见图6，从图中可见，赛道各结构层：沥青层、级配碎石层、石灰土层、砾石砂层的反射界面十分清晰，反射层互相平行，十分规则。在测点位置50m处赛道结构有一微小的间断面，显示右侧的地层下陷量大于左侧地层。查施工纪录，左侧地层原为河道，经挖除淤泥后采用沙石垫层加固，故结构强度较大，沉降较小；右侧地层未经加固，为原状地层，到1.2米以下雷达波几乎被吸收，反映结构层较薄，地层较左侧下陷量大，有差异沉降存在，故导致赛车发生颠簸。

地下管道探测

    地质雷达可用于对常规电磁感应法无法探明的地下非金属管道的探测。图7为上海合流污水箱涵的探测成果图。大片空白区为污水箱涵的位置，宽为4米，埋深2.1米。 

电磁探测法探测地下管线

    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。它可以采用直接法、夹钳法及感应法等多种手段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测，它可对各种电缆及金属管线实施有效的探测和追踪。

    目前全国各地进行地下管线普查的最普及的手段即为电磁感应法，各类地下管线探测仪器如英国的RD系列，美国的SUBSITE70系列，日本的富士系列以及国产的GX系列均为电磁感应原理。

    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多个城市开展过物探普查工作，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。

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。

隐埋爆炸物探测

    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1978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。

非开挖深埋管线探测

    上海莘奉金高速公路拟新建松卫南路匝道，根据资料显示，在莘奉金高速公路北侧有6根通往化工区的物料管和1根光缆，6根物料管分别为氢气（Φ325）、乙烯（Φ219）、丙烯（Φ219）、丁烯-1（Φ114）、C8（Φ168）和苯（Φ168）。上述7根管线的走向位置与拟建F匝道相交，在F匝道区域，7根管线采用非开挖顶管工艺施工，埋深较大，据竣工资料反映，埋深约为7～10m，超过了常规电磁法管线仪的探测能力，需用特殊物探方法探明。

    由于所要探测的物料管，材质为钢管，属于强铁磁性物质，在其周围区域分布有较强的磁场。因此，在测区布置钻孔剖面，埋设PVC管，将磁梯度仪下到PVC管内，通过高精度磁测手段，观测磁场垂直分量Za的梯度值的分布，可区分各管线的平面位置及埋深，得到了理想的效果.

地震影像探测法

    地震影像探测法（又称高密度地震勘探），是基于反射法中的最佳偏移距技术发展起来的一种浅层地震勘探方法。在这种方法中，每一测点的波形记录都采用相同的偏移距激发和接收。在该偏移距处接收到的有效波具有较好的信噪比和分辨率，能够反映地质体沿垂直方向和水平方向上的变化。该方法主要应用弹性波的动力学特征对波场进行解释，没有繁杂的资料处理流程，勘探效率高，但抗干扰能力相对较弱，勘探深度有限。和常规地震勘探中的反射波法和折射波不同，它没有明确的勘查目的层位，对地下三度体也可探测，在勘探目的单一，只需研究横向地质情况下，效果较好，大量实践表明，它解决了常规地震勘查方法解决不了的问题，是一种能适应各种工作环境、简便、快速的工程物探勘查手段，可在陆上或水域中使用。

地质构造勘查

    在地形复杂、松散沉积层覆盖较薄（小于30米）的山区进行地质构造勘查的常用方法是折射波法勘探，但地震映像法也能取得较好的效果。

堤坝隐患探测

    自上世纪中期以来，我国累计修建、加固提坊26万多公里，建成大、中、小型水库8.6万座。如何快速、准确地探测提坝隐患，及时对提防的病患区进行加固处理，一直是防洪工程管理工作的重要课题之一，也是工程物探应重点研究的领域。从地震映像法的快速探测这一特点及其取得的效果来看，该法可以快速圈出存在有隐患的堤防区段，给采用综合勘查手段进行详细探测提供了靶区。

特大桥基地质勘察

    水域地震影像探测法可以较好地探明水下地形、覆盖层分层及地质构造情况。具有速度快、效率高的优点，同时可获得了较大的勘探深度。震源一般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，时间间隔为1s。使用水上专用漂浮12道或24道电缆采集地震数据。接收仪器使用北京水电物探研究所的SWS多功能面波仪，导航定位采用全球动态差分定位导航系统。

    许多工程实践表明，使用大能量、全自动连续冲击震源的地震反射波勘探是相当有效的水域工程物探新方法，该方法获取的信息量大，能细致再现地下岩土结构，具有快速、高效、勘探深度大的特点，能够满足工程地质勘察要求。

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新型物探方法，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，依次测量，具有直观、高效、高分辨率、高精度等特点。

    岩土的电阻率除了和岩土层组份有关外，还与岩土的结构、构造、空隙度及含水量等有关，也就是说与地质体所处的自然赋存状态有较强的关系。在灰岩区由于溶蚀发育电阻率值变化较大。在溶蚀发育区由于含水、充填物影响，电阻率一般小于300Ω·m或低于背景值的2倍，呈低阻或相对低阻显示，且形态各异；溶蚀发育较强区域往往形成规模不等的溶洞、溶隙，表现为大片低阻异常或明显的相对低阻异常区域，一般小于200Ω·m；完整灰岩呈高阻显示，电阻率一般大于1000Ω·m。

    福建永武高速公路A10、A11合同段为碳酸岩分布路段，为了调查岩溶的发育及分布情况，配合钻探工作布置了高密度电法进行了岩溶勘察，分别于路线中轴线两侧各8米布设物探测线，圈定出了该路段岩溶可能发育区域及土洞发育部位，经钻探验证，准确率在70％左右，取得了明显效果，图14为高密度电阻率探测剖面及成果解释。

    由图14可见，在K193+400-K193+460里程段，浅层为亚粘土、残积粘性土，处于隆起部位，呈高阻显示，下伏基岩为碎块状花岗斑岩，呈低阻显示。在K193＋440处为侵入接触带及影响带，由于两侧岩性差异较大，易发生溶蚀作用，经钻探验证，在本区还有几处为花岗岩与灰岩侵入接触部位，花岗岩体部位均呈低阻显示，可能与差异风化有关。在K193+570～K193+630里程段，表层为低阻,深部电阻率等值线呈下凹形态，推断为岩溶发育区，经钻探验证该部位溶蚀发育较强。

工程物探技术的应用前景

    随着我国国民经济的高速发展，科技的进步，给物探技术的发展创造了有利条件，近十年来工程物探技术有了长足的进步，突出表现在：

    1）GPR（地质雷达）发展系统化、快速化。GPR近年来发展很快。超宽分离天线及双静态多频天线等的研制成功，使探地雷达的工作频宽达0.1～100MHz，时距在0～20000ns。仪器的体积变小、重量变轻、价格变低，但性能却变得更好。

    2）浅层地震方法与仪器有了新的发展。尤其是三维高分辨率地震勘探技术的推广应用，使得研究人员可以借助计算机对地质体进行三维立体研究，从而大大提高对成果分析的准确度。此外，地震层析成像技术、地震剖面偏移处理技术、多分量地震勘探以及面波勘探技术等也都有了长足的发展，特别是多道瞬态面波勘探技术的迅速普及并实用化，拓展了面波勘探的应用范围与行业。

    3）地球物理数据处理技术的发展。计算机技术的迅猛发展推动了地球物理处理方法的发展，众多地球物理数据进行处理软件也随之出现。在这些数据处理程序中，许多新理论、新算法被采用，如最近几年或十几年发展起来的小波理论、混沌理论、模式识别等都有体现。这些理论的应用使得分析过程与自然环境下的情况更为接近，加大了研究结果的可信度。

    城市建设的迅速发展给物探技术提供了广阔的应用舞台。城市各项建设活动如高层建筑、地下空间开发；地铁、隧道、高架桥、高速公路、码头等建设活动都需要采用工程物探来解决诸如对基岩风化层勘探、隐伏构造破碎带勘探、岩溶勘探、地下管线探测、地下障碍物探测、水下隧道工程勘察、软土地基加固效果评价，场地卓越周期测定以及地震小区划分、建设工程质量检测等问题。在西南、华南等山区修建高速公路、隧道时，工程物探作为首要手段进行先期勘探，广泛采用折射波法、面波法以及高密度电阻率法进行岩溶、基岩、断层勘探以及隧道超前预报；在长江流域、杭州湾、珠江三角洲等地区新建了如镇江润扬大桥、武汉阳逻大桥、杭州湾跨海大桥等特大型桥梁，都采用了水上、陆上地震勘探、高密度电法勘探等手段进行桥基地质调查以及断层调查；在上海地区，每条地铁、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、地质雷达法，每年完成的物探管线长度约在10万公里以上。到目前为止，全国已有200多个城市开展了地下管线普查工作，采用最多的方法也是物探方法。因此，可以说，城市的各项建设活动，均离不开工程物探技术。

    工程物探手段还广泛应用于考古研究和矿山工程，用于探测人文活动遗址、矿山开采及废弃矿址现状探测等有关问题。工程物探手段还可对工程进行动态监测，研究工程施工和运行期间的动态特性及其隐患等。此外，工程物探还可用于调查人类活动造成的环境污染以及变化特性的监测等。

　　综上所述，工程物探技术在与城市基本建设活动直接有关的地质体和非地质体对象的研究、探测中，具有广阔天地和应用前景。

    工程物探技术在城市建设活动中已得到广泛的应用。其中浅层地震法、高密度电法对解决如基岩风化层勘探、隐伏构造破碎带勘探、岩溶勘探等比较有效；多道瞬态面波法、地质雷达对埋深较浅的地下障碍物、地基加固检测等方面比较有效；水域高密度地震映象法在水域、交通不便、地形地质复杂地区的桥梁、水下隧道工程勘察有独到的作用；电磁法、高精度磁法对探测地下管线、铁磁性掩埋物十分有效。

    物探成果的解释具有多解性，单一物探手段可能解决不了所有地质问题；同一物探方法在不同地域也有其适用性。为提高物探成果的可靠性，应采用综合物探方法来提高物探解释的精度，并结合地质钻探、坑探验证，多种物探手段，互相佐证。

应加强物探资料的处理和分析工作，加强与地质的结合度，并加强对岩土、砼结构的物性参数的研究，进一步提高物探成果质量。为正确将物性转化为工程地质性质评价，需要工程物探人员具备一定的工程地质知识，才能更正确地把物理概念转换成工程地质概念。从目前物探成果资料来看，这个问题较为普遍存在，工程物探技术人员应加强地质资料研读，以提高解译的水平。

由于地形地质条件、物性差异的影响，特别是浅地表地层对物探数据采集和解释的影响，选择物探方法前，必须对场区工程地质条件作深入的研究，并进行必要的方法试验，合理选择物探方法和技术措施，并在现场具体工作中根据地质需要和条件进行必要的调整。