探讨综合物探方法在工程勘探中的应用

探讨综合物探方法在工程勘探中的应用

雷永明

黑龙江省第六地质勘查院 黑龙江省佳木斯市 154002

摘要：本文首先介绍了综合物理研究方法的定义和特点，主要包括：综合物理研究方法的定义和综合物理研究的特点。然后，解释了综合实物测量法的特点，主要包括工程测量深度小、工程测量精度高、工程测量结构半径小。本文最后讨论了一般工程方法在实物地质学中的应用，其主要内容有：瑞利面波法、电剖面法、地面波纹测试、地震勘探和VLF机载电磁法。

关键词：综合物探方法；工程；勘探；应用

引言

与其他方法相比，综合物理搜索是一个更受欢迎的应用，因为它更密集，而且不涉及更高的成本。在实践中，使用单一的物理搜索方法并不能满足复杂环境的需要，而且会导致调查期间的数据失真。综合实物搜索可以用来填补用单一方法获得的调查数据的信息空白。

一、研究意义

随着中国经济的持续快速发展，建筑业也进入了广泛的快速发展阶段，而工程测量是建筑业的重要核心工作，是建设项目后续规划和实施的保障。人类建设活动的范围不断扩大，新的建设方式不断涌现，人类建设活动与自然地质环境之间的相互作用和影响也日渐变化。地质学家面临着新的挑战和机遇，通过应用科学和高效的调查工具和方法，调查和识别各种工程危害，并提出适当的解决方案或缓解措施，为设计和施工提供良好的地质基础。因此，最重要的是要认识到岩石的特点和现场消极工程地质的作用，以便为后续地质调查和土木工程工作提供指导。

物探技术有很多方法，根据理论和使用的设备大约分为五种要素，即电测、透地雷达、地震测量、弹性波测量和地层成像，但地下地质参数受很多因素影响，这就造成了探测的复杂性，仅从一个物探参数来看，很难实现对物探数据的准确解释。所以要把各种工程物探手段共同使用，把物探方法优化组合，充分利用地质和地球物理的特点，使不同的方法相互联系，相互支持，利用钻探数据，更好地发挥物探方法的工程地质效果，这也是克服物探方法诸多弊端的有效手段。目前，在工程勘察中，探测不良地质体最有效的方法是地面穿透雷达、地球地震勘察和电气地质勘察。

地震勘探精度高，探测深度大，得出的阻抗界面与地层边界比较一致，但在有浅层空洞或断裂带的情况下，能量会减弱或产生更多的波，这就不太直观了，类似于电法的高密度测定。一个空腔是否含有水，高密度电学方法可以直观地确定含水面积，但高密度电学方法响应的电学界面具有特定的 这种情况不利于准确确定界面的空间分布。地质雷达具有很高的勘测精度，因为它对近地表地层界面的测绘效果特别好，并能自然地探测到水生异常、断裂带和空隙，但其勘测深度有限。因此，将高密度电法、地表地震法和透地雷达法结合起来，充分发挥每种方法的优势和互补性，避免其局限性，是识别地层展布、地下断裂带和柱状空隙的一种非常有效的方法。

二、综合物探方法的定义和功能

（一）综合物探方法的定义

综合实物调查方法的定义：使用一种以上的方法来验证技术基础，以便获得调查的同一技术领域的有用数据。具体的综合实物调查方法需要根据技术调查区域的特点和调查目标的需要来选择调查方法。要进行具体的调查，人员必须首先确定调查对象的地质资料，对调查方法的内容和关系进行全面分析，结合具体地区的调查结果，选择适合各种调查方法的调查对象。

（二）物理和地质勘探的综合任务

在实践中，采用综合物探方法，其中不同的仪器和勘探方法，通常采用低反射法、高密度电法和地质雷达等，地质勘探精度高，物探分析结果质量高。由于不同的勘测方法使用不同的技术方法和设备，勘测人员在进行某些工作之前，必须根据项目的性质仔细比较和分析不同的勘测方法，选择最佳的综合实物勘测方法，提高勘测结果的准确性。传统的单一调查方法往往取决于不同的地质和地球物理条件，并有很大的缺点。例如：勘探人员使用雷达探测法是因为地面太湿，勘察结果会有较大的误差，所以需要改变其余的勘察方法或增加勘察方法来保持雷达探测的误差；有的煤矿勘探人员选择综合物理透视探测法，因为工程测量不同，主要的井型不同，选择不同的勘察方法可以进一步完善勘察数据。

三、综合物探法的特点

（一）工程地质探测方法的选择会受到不同原因干扰

大地测量是土方工程中一个非常复杂的过程。在收集和比较相关的地下数据时，有必要根据实际情况记录各种物质变化。最常见的变量是：电场、地震场、磁场和重力场。此外，在为具体的地基调查选择检测方法时，必须考虑到不同测量区域的土壤温度和湿度。由于不同的工程地基勘察方法都有特定的环境要求，在环境不影响方法的条件下会导致使用该方法产生错误的结果，所以在不同地区的工程地基勘察中必须对环境进行测量，特别是水、土等环境不一样，选择的检测方法也不一样。此外，岩土地面的物理性质也会影响勘测结果的准确性，特别是土壤结构和是否存在滑坡等因素影响探测结果的准确性。广泛使用综合物理勘测方法可以有效地克服其他物理勘测方法的缺点，但在实践中，在浅水区使用的勘测方法的深度在数百米左右。虽然岩土勘探法的深度较浅，但它的应用范围较广，可以发现丰富的原料资源，综合物探法的经济需求较小，综合物探法在导致高质量勘探的同时，施工方法的多样性也是综合物探法的一个优势。

（二）工程地质学的高精度

现代建筑业不断发展，土木工程结构的复杂性越来越高，对土木工程结构的地质要求也越来越高，为了更好地保证高层建筑的安全施工，所以对基础勘察的要求也越来越严格。为了确保建筑物的耐久性和可使用性，许多建筑项目对岩土工程勘察的准确性提出了很高的要求，以确保在合理的参考断层探测深度内达到相同比例。

（三）用于岩土工程勘察的小半径设计

综合实物测量已经渗透到岩土工程设计的各个方面，不仅包括地质测量，还包括结构设计的质量保证。土木工程的岩土工程勘察需要高水平的质量，还必须按时完成，因为时间的压力要求行动的范围不能太大。在实践中，应急项目经常发生，为了恢复当地居民的正常生活和业务，避免风险升级，必须尽快完成并提交一份准确的岩土工程评价报告。因此，岩土工程勘察中的综合物理勘察方法的设计半径很小。

四、常用的物探技术工程方法应用

（一）瑞利面波法

瑞利面波法涉及到对面波源的分析，在空间上可分为横波和纵波，横波和纵波相互传递，没有干涉的叠加效应。波形的转变发生在近地表源，因此近地表环境的质量经历了一种取决于传播环境的轨道运动。轨道运动不仅发生在地表附近，而且更容易测量，并产生大量的新能量。雷利面波法的发展需要根据传统的雷利频率散射原理收集大量可靠的数据，与人工地震采集方法相互配合，分析波速与频率的相关性，推导各因素之间的耦合方程，建立面波坐标关系。瑞利面波法可用于解决土工整平问题和浅层地基的地质问题。

当前地表地震波记录的频率波图，以及与特定频率相对应的上模和下模地表波的相位速度。不同模态表面波的能量水平与储层的速度结构有关。分离不同模式的表面波的一个方法是将检波器相互远离，因为不同模式的波以不同的相位速度传播，在不同的时间到达距离。瑞利面波法消耗了大量的能量。由于不同的地质条件和地球物理限制，介质在不同的技术领域以不同的速度传播，可能存在固有的频率分散现象。频率色散是导致介质传播速度突然变化的一个重要原因，物理测量结果是频率色散曲线的异常。

（二）电测绘方法

电剖面法的主要应用是电阻率法，研究地电剖面的横向电性变化。如果只考虑表观电阻率，则称为电阻式测绘法。如果主要将表观偏振性（η）与ρ一起考虑，则称为激发偏振性方法。电测绘方法提供了结构地质断裂部分的波动图像，可以准确、实时地分析结构地质断裂部分的位置。主要的电测绘方法是对称正交测绘和联合三级测绘。电测绘方法的主要实际应用是通过电极位移进行岩土工程地面平整，它可以提供更准确和有效的物理结果。在E-Profiling方法的实际应用中，有一些因素会影响该方法的准确性。主要原因是：沉积物的含水量、沉积物中水溶液的盐度深度和水的溶解机制。储层中水溶液的巨大变化可以降低储层的电阻率，而水溶液对储层的良好渗透可以增加储层的电阻率。

（三）地脉动测试

地面脉冲测量的主要实际应用主要是测量由交通、火山、雨水和风引起的自然地震源。地震工程的应用是基于不同方向的天然震源的平均振幅与主要平均震源的频带之间的相关性，用于建筑结构的地震反应检测和抗震设计分析。地面脉冲调查分析了地震的自然来源，并根据建筑物的动态特性和调查的结果，对场地的土壤类型进行分类。许多地震试验的实际应用都是在III类中软土和II类中硬土，以及一些IV类软土和IV类硬土的场地进行的。地面脉冲测试经常被用于地震监测。当一个地区发生地震时，其自身的地基会出现类似的振动周期，这就增加了共振和余震的持续时间，提高了共振和余震的振幅，甚至会对建立在该地区土壤上的建筑物造成严重破坏。脉冲调查使用专业的振动仪来记录存在自然振动源时的振动频率。经过深入调查，得到的结果可以用来有效地确定建筑物和工程地基的共振，并确保数据的真实性和可靠性。

（四）地震测量

地震测量与地面脉冲测量不同，它利用地下环境的密度和弹性差异，通过分析测量数据，更好地观察自然和人工诱发的地震波的影响。地震勘探的一个具体应用是通过弹性波的激发对矿床进行定位，并通过仪器在特定研究区域收集特定的地质数据。具体应用包括：固体自然资源的地质勘探、天然气矿床的勘探、钻探前的石油储备勘探等。它经常被用于区域地质调查、区域地壳调查、煤层调查、工程地质调查等。

地震勘探可分为折射法和反射法。研究原理是根据波形，特别是反射波的方向和折射波的时间，以及计算不同技术研究领域的地下反射面积、地下结构的形状、地下结构的类型、地下结构的状态和折射面的深度。在技术勘探领域寻找地下数据的结果质量很高，获得的数据也很准确，但勘探过程中需要付出很大的经济努力和时间成本分析，这不适用于大多数勘探工作，对推进勘探工作也不现实。地震勘探方法在实践中，有些人是按照研究物探时间剖面变化的办法来修正的，其工作原理是基于平面断裂，但其平面断裂发生在表层往往是由于地质条件和地球物理条件的影响，这在最后的数据采集中是不真实的。

（五）航空甚低频电磁法

电磁扫描是基于地质体电磁响应的函数H = ωμϭα2。在该函数中，α是与地质体尺度有关的特征长度，具体数值与地质体的形状和大小直接相关。在微型函数表示期间，ω、μ和ϭ的每个值都可以饱和到一个足够大的固定值。在这一点上，AVLEM被认为是一个高频率的均匀水平场。AVLEM主要用于激发沿走向接近垂直板块的地质，以及在较小程度上激发具有弱至中等传导性的非矿物地质。对于非常小的良性水库，AVLEM并不那么准确。

在使用AVLEM时有一些异常情况，主要是由于非导电和导电之间存在一个过渡层。因此，VLEM主要用于划定导电性不高且面积较大的地质构造，通常用于弱蚀带、断层带、窄断层和接触带。

五、设计实例

该场地位于一座山上，主要由三个不同高度的梯田组成。原有台阶下的部分区域被用作鱼塘，在重新设计场地时被填埋和压实。在台阶上要建一层楼。因此，需要对场地进行土壤调查和工程地质勘察。研究区域内上覆地层的组成差异很大。覆盖层是一种人造填充物，主要由砖块、砾石和其他建筑碎屑组成，质地松散。下面是粘土层、卵石层和风化壳，主要由相对松散的粗、中砂和淤泥组成。工作区的分层很明显，这有利于物理勘探的发展。因此，提出了三种物理勘探方法，即高密度电法、浅层地震反射法和地面雷达法，以全面了解基岩的地质和岩土状况。由于需要满足另一个项目的要求，高密度电法使用了吉林大学工程技术研究所的E60M阻抗仪，浅层地震反射仪使用了Miniseis 24技术地震仪，地球物理雷达使用了Sir-20穿地雷达。由于线的数量很多，我们从每种方法中选择了一条方向相同、位置相似的线来说明结果。

三种物理技术的结合表明，所调查的深度没有不利的工程影响，如裂缝、地下洞穴、隐蔽的排水口和薄弱的夹层，岩石表面很薄，倾斜度不高，没有明显的裂缝或断裂带。以下是不同的物理探矿方法的比较。

(1) 就高密度电法而言，阿尔法仪器对垂直分辨率比横向分辨率更敏感，抗干扰能力强，调查深度大，对水平分层更有利。贝塔仪器的灵敏度很高，可以有效地揭示地表的电异常区域，而横向和纵向的分辨率则适中。通过详细解释这条测量线，α-定向反演的结果可以反映出真实的近地表环境，误差较小。

(2) 低地震波反射法可以很好地衡量覆土形态和埋藏深度。在所产生的平坦表面覆盖层的时间曲线中，同相轴是连续的，反射波能量的不均匀性是由于泥层和淤泥层之间的反射系数不同。因此，应特别注意评估反射波能量中较弱部分的稳定性。由于地震波场的复杂性，除了反射波外，地卷波、声波、表面波和剪切波也在地表传播。特别是在武器场地附近，直射波、声波、表面波和浅层反射波的混杂很容易挑起异常，形成浅层暗区，需要其他物理勘测技术来支持。

(3) GPR已经成功地测量了基底层20米内的土壤，并提供了连续的平面和剖面数据，以显示浅层深度和不规则。表层土由第四纪全新世混合沉积物（Q4ml）、第四纪上层沉积岩（Q3al）和上白垩世昆仑山地层（k2g）所覆盖，以及下层强至中度断裂的侏罗纪岩石遂宁地层（J3sn）组成，主要由沉积岩构成。这与之前三种物探方法的综合解释结果大体一致，表明上述综合物探方法的应用在该领域的工作中取得了良好的效果。

六、结论与讨论

在初步地质钻探的基础上，进行了详细的物理勘察，利用三种物理勘察方法，即密集电法、地震法和GPR法，绘制了研究区所需深度的矿床基岩和工程地质图。基于这种综合的物理探索，确定了以下三个关键问题。

(1)综合物理勘探和钻探相结合。工程勘察不能只进行钻探或只进行物探，首先应进行物探，对基础、典型地区进行合理的钻探布局，减少钻探工作量，加快工程勘察速度，降低勘察成本；然后进行钻探，再控制物探，控制物探，提高工程勘察的质量。

(2)是全面实物调查的理念。物理地质调查的使用总是取决于具体的地质和地球物理条件，对同一地球物理异常的解释可能导致不同甚至完全相反的结论，这被称为物理地质调查中异常的多样性。例如，上述的α和β单位的倒数有不同的形式。

(3)所谓综合物探，不仅是不同方法（如密电法、低层反射法和GPR）的组合，而且是单一方法中不同调查方法的组合（如密电法的α和β层的组合）。然而，综合实物调查决不是对不同方法和仪器的任意编排，也不应该投资于一种以上的方法和仪器，而是对技术上可靠、经济上可行的最佳方法或仪器进行最佳组合。为了获得目标的信息，必须仔细确定调查的要求（如要调查的层的深度、调查的准确性等），必须使用反映不同物理特性的不同方法，并且必须从几个不同的角度检查结果的可靠性。

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