工程物探技术在岩土工程中的应用状况分析

1物探技术在岩土工程中的应用状况分析摘要:工程物探技术对一些岩土工程问题的解决有着重要的意义，它可以有效的应用于岩土工程的检测与勘察。现在广泛应用于岩土工程中并已取得很好效果的主要物探技术方法有地震波层析成像（CT）技术、隧道地震勘探（TSP）方法以及地质雷达等。关键词：工程物探技术；岩土工程；CT技术；TSP方法；地质雷达地球物理勘探简称“物探”，即用物理的原则研究地质构造和解决找矿勘探中问题的一种勘察方法。于自然界中，因不同的物理作用而产生不同的物理场，比如，重力作用的空间重力场（重力勘探）、电磁力作用的空间电（磁）场（电法与电磁法勘探）、波传播空间的波场（地震勘探）等。而构成地壳的各种岩石和矿石的密度、磁性、电性、弹性、放射性等物理性质存在着差异，正是这些差异性的存在引起了相应的地球物理场之局部变化，关于此类与地下岩土介质局部变化有关的地球物理场之变化，我们称之为“异常场”。工程物探就是以具体的工程项目为作业目标利用专门的仪器设备观测这些地球物理场的分布与变化特征，进而基于已知的地质资料给以分析研究，推断出地下岩土介质的性质以及资源环境存在状况，最终以解决地质问题为归宿点。1.工程物探技术在岩土工程中的应用1.1工程物探技术在岩土工程检测中的应用现实生活实践中的地基加固效果质量检测、大坝碾压密实度、路基密实度、混凝土构件以及基桩质量检测和评价是工程物探技术应用于岩土工程检测方面之主要作用体现。常用的方法有地质雷达、弹性波速度测井、瞬态面波法等，主要通过弹性波速度和电磁波速度与原位测试试验值以及密实度之间建立相关关系，再以施工前后的检测结果进行对比分析。此外，根据弹性波和电磁波在介质中传递的速度变化可以对大坝及建（构）筑物等混凝土构件的裂缝进行检测，掌握裂缝状况和有关参数，判断对在建构筑物的危害程度及研究相应的补强措施。另外还可以检测混凝土路面、沥青路面、垫层的厚度等。桩基无损检测是工程物探技术在建设工程施工质量控制应用最为广泛的一种重要技术手段。主要的测桩方法分为动力试桩法和声波测桩法两种，它是根据弹性波传递速度变化来判断混凝土质量、桩身缺陷及缺陷的位置、桩的施工长度以及桩的形状等，具有成本低、速度快，适合大面积检测，并且可以随机抽样等2诸多优点，且在国内外均被广泛采用。1.2工程物探技术在岩土工程勘察中的应用由于工程物探技术可以利用连续加密测点的资料从而获得连续的地质界面，因此能有效地解决传统钻探手段以点带面划分地质界面方法常带来的漏判、划分不准确等缺点，并且能有效地解决传统勘探手段难于解决的诸多岩土工程问题，如地下不明物体、洞穴、滑动面、软弱结构面、断层、破碎带等在地下的分布特征、形态、埋藏深度、位置。相对传统的钻探方法，工程物探技术的使用受场地、地形条件的限制较少，具有节省时间、节省费用、勘探精度高等特点。合理地选择、运用工程物探技术与传统勘探手段相结合，无疑是在激烈的勘察市场竞争中制胜的法宝之一。弹性波技术在岩土工程勘察工作中应用最为广泛且发展最快。由于它是利用介质传递弹性波的特点来揭示地下物体界面，当地下物体的界面物性差异较大时，弹性波就会从运动学和动力学两个方面表现出异常来；其次是电磁波技术与电法技术，其主要代表是地质雷达勘探方法和高密度电法。采用弹性波速度测井技术和场地常时微动测试可以获得建设工程抗震设计、建设场地和地基地震效应评价所需的岩土动力参数和设计地震动参数，如动剪切模量、剪切波速、动泊松比、动弹性模量、卓越周期、结构自振周期等。它们是建筑场地的类别划分、地震作用和结构抗震验算的主要依据。2.工程物探技术在岩土工程中的应用分类2.1地震波CT技术在岩土工程中的应用CT技术是近年来发展起来的一种重要地球物理方法。该技术首先应用于石油勘探开发，并且于地质效果方面表现不俗。后来，随着电子信息技术的革新与进步，该技术也渐渐扩散到地质工程领域方面，效果卓然。李张明等采用全方位观测地震波层析成像技术,获取了三峡工程永久船闸边坡大尺度岩体地质构造分布及整个区域以细小单元形式给出的波速分布参数,为地质概化模型分析、边坡稳定性分析及变形计算首次提供了完整的力学参数“体”数据[1]。孙党生等把井间地震波CT成像技术应用于深圳罗屋田水库渗漏勘察,确定了主要渗漏通道与渗漏点位置,取得了很好的效果[2]。由此可见，该技术与常规的剪切波速测试相比较，具有较高的分辨率，能有效地确定岩溶和岩体破碎带，更有利于全面细致的对岩体进行稳定性评价，圈出地质异常体的空间位置，从而为岩体分区及波速成像开拓了新的途径。另外，地震波层析成像技术在研究复杂岩体结构、岩体力学性状与分区及岩体力学参数获取等方面是有效的，值得在其他类似工程项目中推广应用。由于CT所用仪器为浅层地震仪，因此它涵盖了浅层地震仪在这方面的所有优点，只要地质钻探能达到的场地，CT均可进行有效的剖面测试而不受风化层和地表障碍物的影响。CT探测深度主要受电缆线长度和井深的约束，只要有足3够的电缆线和井深，CT剖面就有足够的深度。CT成图效果好、直观，与工程地质参数关系密切，可为工程设计提供直接依据。所以，CT技术在工程地质中是一项值得大力推广应用的新方法新技术。2.2TSP方法在岩土工程中的应用TSP探测在我国的工程应用,在最近几年才发展起来,应用方面有铁路、公路隧道工程也有水电系统各类长短隧洞工程,甚至还扩展到煤矿井下断层的探测,成果可喜[3]。目前主要应用在探测工作面前方存在的断层、特殊软岩、煤系地层中的煤层、富水砂岩层和煤系地层与其它地层的界线;探测工作面前方存在的溶洞、暗河和岩溶陷落柱;还能探测岩浆岩岩体、岩脉等特殊地质体;查明前述不良工程地质体的位置和规模,概略地判断不良地质体的围岩级别等[4]。张继奎在渝怀铁路线圆梁山隧道施工中,以TSP系统地质预报技术作为主要预报段,进行了75次的试验,并采用综合地质预报相互印证和补充,在隧道施工中起到了重要作用,取得了良好的效果[5]。随着TSP系统的不断完善和解译技术的不断进步,该技术必将在我国的隧道建设中发挥越来越重要的作用。该方法与其它超前地质预报的设备相比,最大优点是:探测距离远,分辨率高,抗干扰能力强,影响施工很少(洞内探测时间用时较短,一般45min即可)。TSP超前地质探测作为一种新型的工程地球物理探测方法,采用深度偏移成像方法,提高了解释精度和预报的准确性。但是TSP在实际工作中也存在较多问题,最主要的问题就是不良地质条件的判读缺乏明确的指标,更多依赖于经验,特别是地质专家的经验。另外,对于与隧道走向近乎平行的断裂带、饱水带,以及几何形状为圆柱体或圆锥体的溶洞等等,尚无法探测识别,这也将是下一步的研究工作重点[6]。另外,TSP探测所能解决的问题,与施工单位直接需要解决的问题(围岩级别和塌方可能性评价)有一定的差距。为了解决这个问题,汇总工程师还要补充学习一些地质力学知识,最好辅以跟踪地质工作。要提高超前地质预报的精度,除了提高解译水平外,最好是应用2种或2种以上的长期预报方法进行相互印证,从而尽量使多解变为单解。最后,目前设备的售价和耗材较高,这也是影响其广泛推广的一大障碍。2.3地质雷达在岩土工程中的应用探地雷达这一概念是在1910年德国一项专利中首先被正式提出,最初是在矿井中试验和应用。20世纪70年代,我国开始引进和研究,并逐渐应用到工程中。到20世纪90年代,由于其高效快捷、高分辨率等特征,在我国浅层与超浅层地质调查及工程中得到了广泛应用。何开胜等通过太浦河泵站滑坡工程实例,尝试应用探地雷达进行滑动面的探测,结果表明,利用探地雷达对堤坝滑动面进行探测是有效的[7]。薛桂玉等将地质雷达应用到水电工程中,探测出了某水电站滑坡体覆盖层与破碎带的分界面和某抽水蓄能电站库区溶洞,解决了实际问题[8]。另外,4在工程地质其它领域也有广泛应用,如探测覆盖层厚度、松软层厚度及分布、基岩风化层界面及分布、基岩节理和断裂带、地下水分布等,探查地下溶洞、空洞、塌陷区、地下排污巷道、管道及地下管线等。地质雷达在回填等松软层上探查深度可达20m以上,在致密或基岩上探查深度可达30m以上。另外。该技术在工程质量检测中也有广泛应用主要检测衬砌厚度、破损、裂隙、空洞、渗漏带、回填欠密实区、围岩扰动等,检测精度可达厘米级。检测公路及城市道路路面、跑道、挡墙等各层厚度和破损情况,挡墙、桥梁、混凝土构件等中的空洞、裂隙及钢筋分布等,检测精度可达毫米级。覃建波等运用探地雷达技术在检测公路隧道、引水涵洞衬砌质量及混凝土结构中钢筋铺设质量时,取得了显著的效果[9]。地质雷达在岩土工程中应用也存在一些局限性,主要体现在两个方面。一是探测深度方面,由于地质雷达发射的电磁波频率越高,电磁波在地下介质中衰减越厉害,探测距离越小,同时分辨率越低。因此在不增加地质雷达体积和重量的情况下,如何提高其发射功率和分辨率还有待于研究。二是地质达受地面金属体、电线等干扰较大,因此如何避免或好地压制这些干扰,较为真实地反映地下情况,也是个值得研究的课题[8]对于探地雷达的应用现状,对硬件的改进方面,应集中在天线及电路的进一步改进上,如频率特性、方向性、灵敏度、阻尼振荡等要与地下介质阻抗相匹配。对于图像的数据处理和地质解释也急需进一步的改善。目前,在工程界,地质雷达数字处理主要使用增益恢复、一维数字滤波等简单的数字处理方法,而频率—波数域滤波、偏移归位处理、复信号分等数字处理方法还在研究之中。另外,宜着重开拓基于电磁波传播特性的预处理软件,而非地震软件的直接移植[8]。此外,由于地质雷达的图像解释很多时候依赖于专家的经验,因此可以考虑发展人工智能技术,利用机器识别技术来判断异常,并开发专家系统,充分利用专家经验[8]。工程物探不仅是一门具有极强学术研究价值的现代学科，更是一种应用于岩土工程的现代科学技术。目前工程物探方法亟待解决的岩土工程问题有如下：a.界面：主要有岩土体的界面划分，地质构造和软弱结构面的判定，以及不良地质体的地质界面等。b.形态：主要有不明地下物体、空洞，以及界面的分布形态、埋藏位置和埋藏深度等。c.参数：岩土工程勘察、设计所需的各种参数，如动力参数、卓越周期、结构自振周期、剪切波速等。[参考文献][1]李张明,练继建.地震波层析成像技术探测复杂岩体结构应用研究[J].岩5石力学与工程学报,2004,23(1):107-111.[2]孙党生,李洪涛.井间地震波CT技术在水库渗漏勘察中的应用[J].勘察科学技术,2000(5):57-59.[3]刘志刚.隧道地震勘探tsp在工程中的应用[J].铁道建筑技术,2001(5):1-4.[4]刘志刚.隧道地震勘探tsp在工程中的应用[J].铁道建筑技术,2001(5):1-4.[5]张继奎.浅论圆梁山隧道TSP地质预报技术[J].隧道建设,2004,24(4):56-60.[6]鲁光银,朱自强.TSP在公路隧道超前地质预报中的应用研究[J].水文地质工程地质,2005(2):101-103.[7]何开胜,章为民,王国群,等.堤坝滑坡灾害的探地雷达应用研究[J].水利水电科学进展,2005,25(2):36-39.[8]薛桂玉,余志雄.地质雷达技术在堤坝安全监测中的应用[J].大坝与安全,2004(1):13-19.[9]谭建波,邓世坤,李沫.探地雷达在隧道和涵洞工程检测中的应用研究[J].煤田物探,2004(5).