物探方法和钻探方法相结合在工程地质勘察中的运用

张金博

（山东省鲁南地质工程勘察院（山东省地勘局第二地质大队），山东 济宁 272100）

1 钻探技术与物探技术的概述

由于钻探技术具有直观性、可靠性等优点，在工程地质勘察工作中经常采用。但是，这种技术只能在点线上显示地质结构，在地质条件更加复杂的情况下，无法全面反映岩土层的变化规律。如果要对地下岩土空间结构进行明确全面的勘察，不仅会耗费大量的人力物力，最后还有可能达不到预期的效果。当前，中国的科学技术飞速发展，物探技术趋于完善，它能有效地圈定地下岩土的形态和规模分布，为工程地质勘察提供可靠的地质结构参数。在工程地质勘察中，为了更有效地提高工作效率，保证地层结构数据的可靠性，还可以综合运用多种物探方法，以取得良好的效果。

2 不同勘探原理方法的应用

2.1 地质雷达

地质研究雷达系统具有非常强大的抗干扰性能、优越的技术性能和像素分辨率高等优点，地质雷达系统利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式，由地面通过天线送入地下，岩石层中的信号遇到检测目标并产生反射信号。这两个信号通过天线发送到接收器，并显示在示波器中。根据示波器的显示，可以确定检测目标的位置，粗略计算出检测目标之间的距离。地质雷达可以用于探测地下洞穴、构造破碎带、滑坡体、划分地层结构以及地下硐室围岩、混凝土衬砌质量的检测。例如，中国河南省地球物理勘探协会使用地质机载雷达和接收天线进行地质环境勘探，从获得的图像中可以获取地下任何物体的深度和内容物的特定中间位置，并采用综合分析和勘探的方法进行地下勘探，证实了洞穴的具体位置，实现了更加全面的地质勘察工作。地质雷达探测原理示意图如图1 所示。

图1 地质雷达探测原理示意图

地质雷达会受到许多方面的影响，如检测目标的宽度和深度以及屏幕的分辨率（例如接收天线之间的距离，不同介质中的高频电磁波等）等。在具备以下条件时能取得较好的应用效果：（1）被测对象与周围介质之间具有电磁阻抗差异，被测体位于地下水位以上；（2）被测目的体具有一定的规模，厚度大于电磁波有效波长1/4，水平尺寸大于第一菲涅尔半径的1/2，区分两个水平相邻异常体时，其间的最小间距大于第一菲涅尔半径；（3）目的体上方无极低阻屏蔽层，而且测区内无其他电磁干扰。

2.2 瑞雷波法

瑞雷波法主要分为稳态和瞬时动态瑞利波法。根据该技术在当前工程地质勘察中的应用表明，稳态瑞利波法存在设备体积大，勘察成本高的缺点。因此，在我国工程地质勘察中经常采用瞬时动态瑞利波法。瞬时动态瑞利波法在工程地质勘察工作中的应用具有如下特点：简单、快速和高频分辨率。瑞雷波在地表传播时，其穿透深度相当于它的波长：在均匀介质中，瑞雷波的传播速度与频率无关；在非均匀介质中，传播速度随频率的改变而改变；当采用不同振动频率的震源产生不同波长的瑞雷波时，可以得到不同穿透深度的瑞雷波速度值，根据波速值来评价地质体或进行地质分层，从而达到探测的目的。

瑞雷波法适用于层状和似层状介质勘探，可用于浅部覆盖层厚度探测和分层，以及不良地质体探测，可用于解决饱和砂土液化势判定，软弱夹层、地下岩溶洞穴、掩埋物等的探测。例如，在技术应用过程中，将勘探技术应用于露天煤矿的开采，测量员可以根据表面波速度和深度的变化来建立一种相关的实际钻井直方图。通过分析该图，可以深刻揣测到，该图中所涉及的之字形曲线的变化角度与多层钻井中其他位置的变化角度是大致相同的。最后，在通过线观察和钻井数据的整理校正之后，相关人员可以充分了解地下地层的空间结构。

2.3 瞬变电磁法

瞬变电磁法的勘探原理是利用人工在发射线圈加以脉冲电流，产生一个瞬变的电磁场，该磁场垂直发射线圈向两个方向传播，通常是在地面布设发射线圈，依据半空间的传播原理，把地面以上的忽略。当磁场沿地表向深部传播，当遇到不同介质时，产生涡流场或着遵照量子力学原理使活泼的碱金属产生能级跃迁或使含有大量氢原子的液体的氢原子核沿磁场方向产生定向排列。当外加的瞬变磁场撤销后，这些涡流场的释放或者活泼的碱金属要恢复原有的能级，释放跃迁产生能量。以及含有大量氢原子的液体的氢原子核恢复原有的排列时，均以磁场的形式释放所获的能量。利用接收线圈测量接收到的感应电动势。该电动势包含了地下介质电性特征，通过种种解释手段得出地下岩层的结构。由于采用线圈接收感应电动势，故对空间的电磁场或其它人文电磁场敏感，也就是通常所说的干扰。为了减少此类干扰，尽量采用发射大的电流，以获取最大的激励磁场，增加信噪比，压制干扰。在工程勘探时，寻找地下空洞时，会有两种情况，一是充水空洞呈现低阻特征，二是未充水呈高阻特征。如有钢筋水泥结构支撑或回填塌陷后空洞的则情况比较复杂需要仔细判断。

2.4 地震纵波CT 技术

地震纵波CT 的核心技术是一种成像系统，它可以通过在不同的中间位置使用地震纵波来实现被测物上层结构的成像情况。这种技术工作的目的是为了在相同的地质结构条件下正确布置接收点，然后采用地震纵波施加技术，通过利用地震纵波的总体演变趋势来实现反转，并且检测每个单元的弹性波速度，从而把测量位置的波速度分布的相关信息与彩色图像进行比较，以便从内部可以对被测物体的速度结构进行成像研究。

另外，地震波CT 技术是一种地球物理方法，在世界各国的石油勘探过程中取得了很好的实践效果。近年来，我国计算机科学技术的快速发展又进一步将该科技的核心技术广泛应用于其他地质环境勘察领域，并取得了显著效果。例如，在对邵波船闸高边坡卸荷效果不好的检测过程中，利用地震波传播CT 技术可以有效地帮助现代人不用去调查其他相关水文地质条件和地质构造综合建模方法及边坡可控性深度分析，就能提供较为完整的力学参数数据。以深圳罗窝田水库为例，把运用源CT 成像技术的多种相关原理进行了深入调查，从信道位置和泄漏点的中间也可以看出，地震波传播CT 核心技术具有非常高的分辨率。它还可以对岩块的稳定性能进行综合分析，找出地质研究整个空间的中间位置，并为岩体分类标准和波动速度成像提供完整而最新的。

2.5 高密度电阻率法

在长期的工程地质勘察工作中，遇到的目标体往往规模不大、埋深较大，因此在进行勘察工作时，要求间距小、密度高，如果采用传统的施工方法，精度达不到要求，导致工作效率会大大降低。在这种情况下，可以使用高密度电阻率法，这种方法除了能测量二维地电断面，还可以把常规的剖面法和探测法的功能来很好的体现出来。只需要简单的布线，就可以观察到数千个记录点的数据，这样一来就具有了很高的施工效率同时也能收集到大量的信息。自动采集系统通过已经收集的这些实时数据，再对这些数据用相应的技术软件加以现场处理，便可以轻松完成自动绘制和打印这些处理结果。这样可以大大提高电阻率法的智能程度，可以有效地探测地下物体。高密度电法具有许多现场工作装置，结合现场的具体条件和调查深度的要求，可以任意选择电极的总数和点之间的距离。通过边界元法，有限元法和目标相关算法，可以对高密度电法的数据进行反演和分析。这三种方法中的每一种都有其优点和缺点。选择时，要充分整合岩土层的具体情况。实践研究表明，采用高密度电法勘探可以有效地提高电法勘探野外数据采集的质量，同时极大地丰富了现有信息，提高了电法勘探的智能化程度。

3 物探方法和钻探方法相结合在工程地质勘察中的效果以及应用

3.1 钻探与物探相结合对水害情况进行探测

随着基坑开挖深度的延伸，水害对深基坑的威胁日益增大。为确保深基坑的安全施工，避免水灾事故的发生，除了加强水文地质预测预报，深基坑采用物探和钻探相结合的探放水技术手段，对工作面前方地质构造及水害情况进行探测和分析，确保深基坑安全施工。

3.2 钻探与物探相结合探测覆盖层

在某些水电站设计方案中，工程枢纽大部分建筑物是建在软基上，由于枢纽区地质条件复杂，覆盖层深厚，地勘工作难度大，有部分钻孔没有钻透覆盖层。因此需采用物探和钻探相结合的探测手段查明坝线等部位覆盖层厚度，并确定基岩顶板形态与埋深。

3.3 钻探与物探相结合对采空区探查

随着经济建设的发展，在采空区上新建的高层建筑越来越多，采空区探查作为采空区地基稳定性评价的基础工作尤为重要。采用钻探与物探相结合的方法，对浅部多层采空区的发育、充填现状进行精确探查，为正确进行采空区稳定性评价奠定了坚实的基础。

物探与探方法相结合在工程地质勘察中的应用广泛，效果显著，为我工程勘察带来了希望，带来了福音，物探和钻探相结合，取长补短，从而使工程勘察更准确、更安全、更高效。物探克服了钻探的成本高、效率低、盲目性等缺点，钻探使探测更精准，大大减少安全隐患的发生。

4 结束语

工程实践表明，在地质结构非常复杂的情况下，仅采用钻探技术，不能充分地反映地下地层的变化情况。只有当勘察单位多次重复进行大规模的钻探工作时，才能较好地揭露显示地下地质情况，但是这种工作方式效率极其低下。在地球物理勘探方面，由于近年来科学技术不断地快速发展，技术和设备不断更新进步，已能较好地满足工程地质勘察的要求，充分揭露地下岩土体的实际情况，如形状、规模和分布，但由于不能取样进行直接观察，因此其仍然不能作为单一的技术应用到工程地质勘察工作中。面对这样的形势，只有将物探技术与钻探技术有效地结合，才能在提高工程地质调查效率的同时，保证数据的可靠性。针对目前的情况，基层地质勘察工作者需要不断总结实践经验，选择最佳勘察方法，以提高自身的技术专业水平，不断提高工程地质勘察成果的质量。