2016, Vol. 31
工程地球物理勘探是应用地球物理学的一个重要分支，由于其服务对象是国民经济的基本建设，其地位与作用随着经济建设的迅猛发展而愈来愈重要，国内外工程物探已成为解决工程建设地质勘探问题的必不可少的而且是最有效的高科技手段.
在欧美发达国家，大规模工程建设比较早，工程物探检测技术在那个时期应用也较为普遍，目前主要应用于工程病害诊断，但在环境方面应用也较多，比如探测核废料的污染范围和油库泄露的污染带等(崔霖沛，1997).在日本，由于对工程建设极其重视，工程物探也是应用较多且技术发展最全面的国家之一，工程物探检测技术在工程方面的应用也非常普及，且应用效果也较好(曹俊兴等，1998).
我国工程物探技术伴随着国民经济的基本建设，其发展也较快，且应用也较为广泛.在过去相当长的一段时间内，工程物探技术一直处于零散的、局部的研究与生产状况，设备落后，方法和技术较单一(楚泽涵和李幼铭，1995；葛双成，2000).改革开放以来，特别是近二十年来，随着国民经济建设飞速发展，基础产业及基础设施建设、 城市建筑物建设迅猛兴起，如今的工程物探技术不仅是服务工程的前期勘察，而且还服务于工程的各个阶段，其任务和目的已不再是单纯的覆盖层厚度探测或地下水探测，它已包涵了非常广泛的内容，其方法手段除传统的电法勘探、地震勘探和综合测井外，还有许多新的方法相继开展并应用于工程实践中，其应用范围已经涉及到水利水电、公路、铁道、桥梁、 核电、化工、国防、城市建设、大型厂矿建设工程等多个领域(赵永贵，2002).目前，我国工程物探技术水平和装备水平已居于世界先进行列，随着国家大规模经济建设的不断进行，国内工程物探行业的新方法新技术也层出不穷，在很多工程领域得到了的应用(王丽娟等，2003)，取得了良好的效果.
1 工程物探检测方法工程物探检测方法技术门类众多，它们依据的原理和使用的仪器设备也各有不同，随着科学技术的进步，物探技术的发展日趋成熟，新的方法技术不断涌现，几年前还认为无法解决的问题，几年后由于某种新方法、新技术、新仪器的出现迎刃而解的实例是常见的.因此，它是地质科学中一门新兴的、十分活跃、发展很快的学科，也是工程勘察的重要方法之一，在某种程度上讲，它的应用与发展已成为衡量地质勘察现代化水平的重要标志(朱海龙，1999;王兴泰，2006).
工程物探用于勘探的方法：从利用的物理场来分，主要包括弹性波类勘探、电(磁)法类勘探等，在此基础上衍生出许多相关的探测与检测手段.从观测方式看，又可分为地面(包括水上)与地下方法，地下方法如孔内、孔间，硐内、硐间的探测等(朱德兵，2002).目前常用工程物探方法有：
(1) 电法勘探：包括电测深法、电剖面法、高密度电法、自然电场法、充电法、激发极化法、音频大地电磁测深法(包括可控源)、瞬变电磁法等.
(2) 探地雷达：可选择剖面法、宽角法、环形法、透射法、单孔法、多剖面法等.
(3) 地震勘探：包括浅层折射波法、浅层反射波法和瑞雷波法(李张明，1989).
(4) 弹性波测试：包括声波法和地震波法.声波法可选用单孔声波、穿透声波、表面声波、声波反射、脉冲回波等；地震波法可选用地震测井、穿透地震波速测试、连续地震波速测试等.
(5) 层析成像：包括声波层析成像、地震波层析成像、电磁波吸收系数层析成像或电磁波速度层析成像等(张建清，1999).
工程物探用于检测的方法：经实际检验成熟的方法主要有：
(1) 弹性波类：弹性波测试有声波类和地震波类两种；声波类主要方法包括单孔声波、穿透声波、表面声波、声波反射、脉冲回波法和全波列测井；地震波类主要方法包括地震测井、跨孔地震波速测试和连续地震波测试，还可以进行动、静弹模量对比及变形模量检测.两种方法都是以分析弹性波在岩体内的传播特征为基础，又各有特点、可相互补充、不能彼此取代(李为杜，1989；林维正，2002).
(2) 电磁波类：电磁波类主要有探地雷达和电磁波CT.探地雷达主要用于隧道施工掌子面超前预报，也可用于检测公路施工质量、地下洞室围岩与混凝土衬砌结合部状况、混凝土内部缺陷等.电磁波CT是通过岩土体电磁波吸收系数成像，可探测喀斯特等具有一定电性差异和规模的地质体，圈定构造破碎带等不良地质现象，从而为工程基础灌浆作指导，并检测灌浆效果(通过灌浆前后对比测试证明).
(3) 影像类：影像类检测的主要是利用物体本体颜色和环境光照颜色叠加的物体颜色，根据不同物体具有不同的图像特征的原理，通过电视录像设备对工程检测对象在设定的光线条件下进行图像采集，并对图像进行特征分析，来判断检测对象的工程质量状态、工程地质情况的一种方法.按照工作方式和原理，可分为地面电视、钻孔彩色电视和水下电视(罗骐先等，2001).此外用的较多的还有钻孔弹(变)模检测、附加质量法检测堆石体密度等.各种物探检测方法的应用条件和解决问题的能力各不相同，在实际工作布置中，用户(业主、设计、监理等)应征询物探工程师的意见，只要合理安排，会收到事半功倍、意想不到的效果(张建清等，2009b).
2 工程物探检测应用 2.1 水利水电工程中应用 2.1.1 物探勘探类应用(1) 覆盖层探测
探测覆盖层各层厚度及基岩顶板起伏形态，测试覆盖层各层物性参数，探测古河道或基岩河谷形态，天然建筑材料评价等.
图 1为在南水北调中线工程陶岔渠首进行浅层三维地震勘探成果，从叠后剖面以及三维满覆盖数据体显示可以看到，在50 ms左右存在一强反射层(深度30 m左右)，经与钻孔资料对比，该层为基岩面顶板，其覆盖层厚度变化亦与地质勘探资料吻合(熊永红等，2013a).
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图 1 南水北调中线工程陶岔渠首覆盖层探测 Figure 1 The taocha of south-to-north water diversion project overburden detection |
图 2是国内水上大地电磁测深的第一例，工作地点在金沙江河段塔城坝址，属深切河谷和深厚覆盖层勘探，目的是了解坝址区河床覆盖层厚度及基岩面高程，采用水上可控源音频大地电磁测深法.物探成果揭示：上坝线覆盖层厚度30～130 m，基岩面形态总体呈“U”型，基岩高程在1750～1845 m之间.
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图 2 金沙江深切河谷段深厚覆盖层探测 Figure 2 Jinsha river valley deep overburden detection |
(2) 隐伏构造破碎带探测
探测构造破碎带的位置、规模及延伸情况，测试构造破碎带物性参数等.
图 3 为缅甸其培水电站坝址河床左岸钻孔在钻进过程中出现高压水喷涌现象，为查清其来源.在坝址区布置了水上高密度电法勘探工作，将相邻6条横江水上高密度电法剖面作对比展示，可清楚地看出F1断层的走向，从而断定整个F1断层即为地下水通道，查明了左岸钻孔中出现承压水的来源.
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图 3 缅甸其培水电站坝址构造破碎带探测 Figure 3 Myanmar it hydropower station dam site tectonic fracture zone detection |
(3) 喀斯特(岩溶)探测
探测岩溶洞穴、溶沟和溶槽等的分布、埋深、规模、延伸方向、充填情况和喀斯特地下水等.
图 4为某水电站右岸990高程pd42～pd44平硐之间进行地震波CT探测工作，在地震CT影像图上发现有一分布范围57 m×25 m的异常区域，经过商讨决定再向物探查明的异常中心方向开挖，在地震CT影像图异常中心部位揭露出一发育范围60 m×30 m大型溶洞(张建清等，2014).
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图 4 乌东德水电站岩溶探测 Figure 4 Wu dong-de hydropower karst detection |
(4) 滑坡体探测
探测滑坡体分布范围、厚度和滑床起伏形态，滑坡堆积体分层，探测滑坡体内部饱水带、含水层的分布和埋深，确定滑带特性，测试滑坡体物性参数等.
耦塘滑坡位于重庆市奉节县安坪乡长江南岸，是三峡库区规模较大的滑坡之一.采用地震勘探对滑坡体局部范围(靠近滑坡体前缘)进行了试验研究，探测范围约200 m×200 m.
图 5为折射层析成像层速度剖面. 由成果图可见： 测区范围内滑坡体滑面深度在80～120 m之间，滑面的形态基本呈现出从大桩号向小桩号方向逐渐变低的趋势，但变化梯度相对较小.解释分析结果经与试验区内zk16、zk28钻孔对比，其滑面形态一致、深度解释相对误差为8.7％(熊永红等，2013a).
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图 5 耦塘滑坡折射层析成像层速度剖面 Figure 5 Ou tang landslip refraction tomographic |
(5) 堤坝隐患及病险水库渗漏探测
探测堤防及土石坝中的洞穴、裂隙、松散层(含松软堤段)、沙层(含砂质堤段)和渗漏通道等隐患的规模、位置与埋深，探测病险水库渗漏等.
图 6为采用高密度电法对某堤坝隐患探测成果，图中揭示了在堤下22 m处存在异常，经过现场排查为电排站涵管，后经除险加固处理验证与实际吻合.(6)隧道超前地质预报 探测隧洞掌子面前方断层破碎带、喀斯特洞穴、地下水富集区等不良地质现象.
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图 6 某堤段堤坝隐患探测 Figure 6 Dam defectiveness detection |
某水电站尾水洞进行了综合探测，采用地质雷达法、激发极化法、TRT法和瞬变电磁法对掌子面桩号0+151进行探测，激化极化法探测见图 7，结果表明在0+164~0+181段落，三维反演图像中此段落整体表现为低阻区域，电阻率在110 Ω·m左右，推断围岩破碎、裂隙发育，且裂隙含水.瞬变电磁法探测见图 8，结果表明掌子面前方20~35 m范围内裂隙发育且富水，但富水区域分布不均.
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图 8 瞬变电磁法探测结果 Figure 8 TEM detection results |
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图 7 激发极化法探测结果 Figure 7 Induced polarization method detection results |
(1) 建基岩体质量检测
建基岩体质量分级，探测建基岩体松弛层厚度和不良地质体的空间分布，确定可利用岩体的高程，评价和复核已开挖的建基岩体质量等.
图 9是某工程混凝土纵向围堰建基面检测成果图，采用地震连续波速测试方法，全面收集建基面浅表的地震波速度分布情况.颜色各异的区间表示建基面岩体波速分布特征.图中左中部的岩体为一断层破碎带，波速相对较低，为2700~3500 m/s，其他部位的岩体波速大于3700 m/s.该图简洁直观的反映出整个坝身段建基面岩体的波速特征，从而反映了建基面岩体质量等级.
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图 9 某工程混凝土纵向围堰建基面检测 Figure 9 Longitudinal concrete cofferdam foundation face detection |
(2) 灌浆效果检测
固结灌浆效果检测目的是了解岩土力学性能的改善，帷幕灌浆效果检测目的是指导灌浆施工和评价灌浆效果.
图 10为某水利枢纽帷幕灌浆检测灌前灌后电磁波CT检测成果.从灌前、灌后成果图可见：灌前对电磁波的强吸收区岩体(图中粉红色分布区域)，灌后对电磁波的吸收明显减弱(图中粉红色分布区域明显减少)，灌浆效果良好；目前工程已运行至今，帏幕止水效果良好，从而证明了物探检测结论的可靠性.
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图 10 电磁波CT帷幕灌浆效果检测成果图 Figure 10 Electromagnetic wave CT curtain grouting effect detection |
(3) 混凝土质量检测
检测混凝土的强度、缺陷和混凝土内钢筋分布情况等(吴慧敏，1988).
① 铜止水片质量检测
在某工程升船机排水廊道进行铜止水质量检测，铜止水片外露25 cm，实际埋入混凝土25 cm，在墙表面布置测网进行检测，测试结果与实际吻合，铜止水片清晰可见，内部钢筋分布清晰，测试面分布图和测试结果见图 11.
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图 11 测试面分布图和测试结果图 Figure 11 Test surface distribution chart and test result chart |
② 混凝土灌浆效果检测试验
某工程升船机齿条咬合后需要进行注浆，混凝土三期注浆效果至关重要，试验中在齿条咬合面布置一个测试网格，测试结果表明局部可能存在不密实，但需要做试验验证.测试效果能清晰的揭示齿条的形状，充分说明该仪器性能优越，测试面分布图和测试结果见图 12.
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图 12 测试面分布和测试结果图 Figure 12 Test surface distribution chart and test result chart |
③ 冻伤混凝土空鼓深度检测
由于某渡槽的许多波纹管注浆不密实，内部存有大量的水，冬季水结冰时体积膨胀，在巨大的应力下混凝土中产生了近似平行于墙面(竖向)的裂缝，敲击墙面后可听到明显的空鼓音，但裂缝部位以外的混凝土并未产生明显损伤.
该渡槽出现冻伤混凝土后，先后有多家检测单位对空鼓进行检测，但先前没有一家能准确检测空鼓深度.长江物探公司完成了对空鼓深度检测工作，对公司指定的3个空鼓部位，经现场监理监督取芯，取芯结果分别为1#孔(检测深度5 cm、取芯深度5.2 cm)、2#孔(检测深度11.2 cm、取芯深度11 cm)、3#孔(检测深度13.3 cm、取芯深度13.5 cm)，经取芯验证检测结果只相差2 mm，检测成果及取芯结果见图 13.
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图 13 检测成果及取芯结果(空鼓深度检测结果为11.2 cm，取芯深度11 cm) Figure 13 Detection results and the core results(Hollow depth results for 11.2 cm，core-depth 11 cm) |
(4) 洞室混凝土衬砌质量检测
检测混凝土与围岩接触面的脱空情况，检测混凝土衬砌厚度、强度和缺陷等.
由于某调水隧洞第一次充水试验中发现渗漏量超出设计允许值，为查明渗漏原因，对隧洞内衬顶拱沿纵向进行了检测，发现部分位置混凝土厚度不满足设计要求，隧洞存在安全隐患.针对此问题，对隧洞内衬开展了全面质量检测，查明该隧洞内衬混凝土质量，为设计处理方案提供依据.
工作布置为对隧洞顶拱沿纵向进行物探检测，对于纵向检测发现顶拱现浇混凝土(不含回填灌浆)最小厚度不大于28 cm的仓段，要求对最小厚度处布置一条横断面进行检测，检测范围从洞顶轴线至两侧无脱空处.检测成果表明：
① 混凝土质量较好位置的检测结果(纵向剖面)，内衬混凝土其后为土工布和防水垫层界面清晰，内衬混凝土饱满且均一，在反射强度图像中将在深约45 cm左右处观察到界面，测试结果见图 14.
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图 14 内衬混凝土厚度满足要求测试结果 Figure 14 Lining concrete thickness results meet the requirments |
② 混凝土厚度不足位置的检测结果(横向).如果混凝土厚度不足、存在脱空且没有回填灌浆，在图像中将在深度小于45 cm处观察到界面，其深度等于混凝土厚度；如果出现浇混凝土厚度不足且进行了回填灌浆，当后灌的水泥浆与现浇混凝土的结合不够紧密时，仍是强反射面，在图像中将在此结合处观察到界面，且因在结合处入射波能量大部分被反射或吸收，将无法得到与其后面的结构有关的信息，包括混凝土的厚度(包括现浇与灌浆部分)；如果回填灌浆与现浇混凝土结合非常紧密，则结合处的反射将很微弱而难以测到，入射波的大部分能量能够穿过结合部并返回，因此将观察到水泥浆的后界面，此时的界面深度是包括灌浆部分的混凝土厚度，测试结果见图 15.
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图 15 内衬混凝土厚度不满足测试结果 Figure 15 Lining concrete thickness results does not meet the requirements |
(5) 洞室松弛圈检测
了解洞室围岩应力状况，查明洞壁岩体的松弛厚度，测试松动岩体及未松动岩体的力学参数等.
采用跨孔声波对某水电站导流洞450断面进行岩体松弛圈检测，通过声波波速分布清晰地揭示了应力释放区、应力缓冲区和原岩应力区的范围，声波波速分布及解释图(松弛圈的厚度，应力区分布图中反映明显)见图 16.
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图 16 声波波速分布及解释图 Figure 16 Acoustic wave velocity distribution and interpretation results |
(6) 锚杆锚固质量检测
检测锚杆(锚索)长度、砂浆缺陷部位、砂浆饱和度等.
某工程锚杆锚固声波检测成果，图中锚杆底部反射信号结合相位变化情况可得出锚杆长度不合格，检测长度只有1.19 m，打开锚杆封口，见有锚杆断口且内部未注浆，检测结果与实际一致(张建清等，2009a).锚杆检测成果图见图 17.
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图 17 检测长度不合格锚杆和断口图 Figure 17 Testing length unqualified bolt and fractography |
(7) 堆石土体密度检测
检测堆石(土)体的密度(段新兴，1999)附加质量法是近年来广泛用于检测堆石体密度的方法，具有快速、无损、准确、成本低，可实时控制施工填筑质量等特点(张建清等，2012；蔡加兴和张志杰，2008).长江物探公司依托大型水利水电工程的应用和研究，发明创造了数字量板专利技术(获国家发明专利)，并自主开发了附加质量法采集与处理系统(获国家计算机软件著作权登记)、信息管理系统(获国家计算机软件著作权登记)、三维可视化系统，形成了完备的附加质量法检测堆石体密度成套技术，并在清江水布垭水电站、澜沧江糯扎渡水电站、澜沧江苗尾水电站、大渡河猴子岩水电站和雅砻江两河口水电站等工程等多个大型水利水电工程中进行了大规模的实践和成功应用.成果三维可视化见图 18，现场测试图见图 19.
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图 18 成果三维可视化 Figure 18 Result 3D visualization |
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图 19 测试现场图 Figure 19 Field test map |
(1) 公路桥梁混凝土空心板厚度检测
贵州毕威(毕节至威宁)高速公路是铜仁至宣威高速公路的重要组成路段，公路地处贵州高原西部山区，地势起伏较大，有多个互通式立体交叉桥，其中最长一个桥梁全长176 m，上部构造为左侧8块和右侧11块的预应力砼空心板，检测工作为检测该高速公路第3合同三个互通式立体交叉桥预应力砼空心板厚度.
工作布置为：检测砼空心板两侧腹板厚度的工作为每2 m布置一个测点，底板检测工作采用起重机每2 m移动一次吊栏依次检测.
检测结果揭示了三个互通式立体交叉桥混凝土空心板厚度，为设计处理提供了依据.如空心板编号为Y7-2的腹板侧面，直接测量的腹板厚度为18.0 cm，检测的厚度为17.8 cm，现场测量图及测试图见图 20.
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图 20 现场测量图及测试图 Figure 20 Field map and test map |
(2) 公路路基检测
采用三维雷达对江苏徐州104国道路基进行检测，并在10 km、20 km、30 km、40 km段对路基取芯检查，检测结果和取芯结果对比均小于1 cm.检查结果见表 1，测试结果图见图 21.
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表 1 检测结果与取芯对比统计表 Table 1 Comparison of test results and core |
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图 21 测试结果图 Figure 21 Test results map |
(1) 地下“孤石”探测
“孤石”是花岗岩不均匀风化所残留的风化核，在我国南方地区普遍发育.“孤石”埋藏分布随机，形状大小各异，地铁施工时会给地铁盾构施工带来重大安全隐患，在花岗岩残积层中钻遇“孤石”时，盾构掘进非常困难，盾构机姿态难以控制，刀盘频繁被卡或严重变形甚至磨损，对工程造成重大损失和不利影响(徐佩芬等，2009，2012).
微动在轨道交通勘探工作中的应用主要为地下空洞探测、活动断裂探测、土石界面探测、孤石探测、溶洞探测、地层剪切波速测试等几个方面，其中“探测孤石”对地铁盾构机施工安全具有重要的意义.利用二维微动剖面技术探测“孤石”，结合少量钻孔资料进行岩性层划分和“孤石”解释(徐佩芬等，2009；2012).图 22为某地铁线路“孤石”探测成果.
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图 22 某地铁线路“孤石”探测 Figure 22 Some subway line boulders detection |
(2) 地铁岩溶探测
某轨道交通二号线一期工程勘察Ⅴ标段卓豹路段岩溶探测，采用电磁波CT技术，在灰岩区，查明工程建筑物基础地下岩溶、暗河、岩体破碎带发育及其展布，指导工程选址、设计和施工.该标段桩号CK24+485～CK27+733之间分布有灰岩，虎泉段K01～K02弹性波CT剖面，钻孔验证了h2-1号溶洞的存在，埋深与推断深度在1 m以内. 虎泉—名都段K28～Jz5-Ⅲ06-HY-19(2)电磁波CT剖面，钻孔验证了hm2-16号溶洞的存在，埋深与推断深度在1 m以内.光谷广场段K80～K81电磁波CT剖面，钻孔验证了g1-2号异常为灰岩夹泥岩，钻孔验证与探测结果吻合.检测结果见图 23.
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图 23 某地铁线路岩溶探测 Figure 23 Some subway line karst detection |
台山核电站位于广东省台山市赤溪镇腰古咀，采用国际最先进的EPR三代核电机组，单机容量为175万千瓦，是目前世界上单机容量最大的核电机组.取水隧洞长度4.33 km，双洞取水，开挖洞径为9.03 m.海域盾构法施工.采用水上高频、高密度多次覆盖地震反射波勘探.
探测成果揭示：花岗岩风化残留体主要分布在核电岸边300 m范围内，1号隧洞有三处风化残留体(其中1处基岩突起，2处孤石群，2号洞有四处风化残留体(2处基岩突起、2处孤石群).探测成果见图 24.
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图 24 探测成果(下图为孤石(群)分布三维图) Figure 24 Detection results(3D map of boulders) |
今后相当长一段时期里，我国的工程建设仍将处在高峰期，工程物探检测方法技术的应用也将越来越广泛.随着现代技术的发展，传统物探检测技术的更新、新型技术的兴起、新的应用领域的拓展也是必然的发展趋势.针对目前工程物探检测技术的发展和新的要求，对物探检测方法技术发展提出了一些新的设想和展望.
3.1 勘探类物探方法技术方面(1) 方法上向三维发展.电法勘探实现高密度电法剖面的三维可视化，地震勘探向浅层三维地震发展并建立一套浅层三维地震勘探野外工作方法和资料分析处理技术，水声勘探向新型的多波束测深系统方向发展，实现全覆盖无遗漏扫测和大范围的三维测量等.
(2) 仪器设备上向“三高”发展，即高灵敏度、高分辨率、高精度.
(3) 技术上向“三多”发展，即多参数、多功能、多学科.为提高检测结果的精度，需要通过多参数综合分析.如对地层的精确探测和描述，不但要用到电阻率、磁化率、激化率、密度、纵波速度，还要用到横波速度等参数，只有这样，才能较全面进行描述.同时各种波在物体传播过程中，振幅的衰减程度，频谱的变化也都能反映物体的一种物理性质的变化.因此，把这些参数都利用起来，进行综合分析，将是今后工程物探技术发展的方向之一.
(4) 资料解释上向“三优”发展，即优化方法、优化资料解释、优化成果展示.
充分结合正演和反演研究，正如CT技术、核磁共振等技术引起医学界诊断技术一场革命一样，CT技术也必将使物探水平有更大的提高，物探成果处理和显示朝着更为直观的三维可视化方向发展.
3.2 检测类方法技术方面(1) 应用领域延伸.立足于水利水电工程质量检测领域，应用范围将延伸至城市建设和环评等领域.
(2) 仪器设备实现高精度、实时处理和直观显示检测成果.
(3) 利用物联网技术达到现场质量控制，实现远程诊断等多方面要求.
工程物探检测方法技术具有采样密度大、速度快、成本低、科技含量高、服务领域广的特点.与钻探相比，工程物探对地下地层可以取得连续剖面，而不是“一孔之见”或“数孔之见”，克服了钻井之间地层需要进行推测的缺点，这就是工程物探的优势.
同时随着技术的发展和进步，工程物探检测的精度也会不断提高.因此，工程物探检测技术将会在铁路、公路、煤田开采、水利水电等各个工程领域，以及在未来的国民经济建设中发挥重大作用.
致谢 感谢审稿专家提出的宝贵意见和编辑部的大力支持！| [1] | CAI Jia-Xing, ZHANG Zhi-Jie.2008. Analysis and evaluation on application effect of density measurement of rock fill object by additive mass method[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute (in Chinese), 25 (5) : 186–190. |
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