鐵路工程物探的發展與應用價值

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鐵路工程物探走過了半個世紀。物探工作者用艱辛的勞動、無私的奉獻，在50個春秋中為鐵路建設做出了貢獻，同時也鍛煉出了一支具有技術水平先進、特別能戰斗的探測地質信息、工程信息的物理勘探隊伍。鐵路工程物探是工程物探界的中堅，始終站在專業的前沿，在技術方法上、儀器設備上、應用領域上起著領頭羊的作用。鐵路工程物探是鐵路工程地質勘探中不可缺少的重要手段。在中國鐵路工程總公司“綜合勘探”技術政策推行中，鐵路工程物探得到了穩步健康的發展。鐵路工程物探探測的主要對象是與工程有關的地質問題和工程結構質量。它是在地表、空中或井下通過儀表測試地球物理場物性參數及其變化(如電性、磁性、電磁性、彈性、放射性等)，通過對所獲得的物性資料的分析、研究，推斷、解釋地質體、巖土體和工程結構的形態、性狀、分布等。由于物探設備輕便，勘測周期短，成本低，成果質量直觀形象，可用二維或三維表現，在勘測中應用的范圍逐漸擴大。

1歷史回顧

1.1鐵路工程物探的出現、興衰和發展與鐵路建設、國家建設的形勢、規模相關，也與國家的宏觀政策緊密相連國家第一個五年計劃實施，百業待興，鐵路舊線改造，新線建設，均要求有一種新的勘探方法。在當時蘇聯專家薩瓦連斯基、扎瓦里申、魯金娜的建議下，開始了鐵路工程物探。1954年鐵一院在蘭新線成立了鐵路工程物探的第一個物探隊，也是我國組建最早的專業工程物探隊。隨之各鐵路設計院和水電、交通等部門先后派員到蘭新線學習物探并開始開展物探工作。蘭新線是工程物探的搖籃。這個時期采用的物探方法只有直流方法，使用的儀器是仿蘇3幾一1型電位差計，解決的工程問題主要是找水和簡單的工程地質中的土石界線劃分。

1.2經過1，58和1，60年，直至20世紀70年代后期鐵路工程物探迎來了快速發展的新局面從路外調人一批有經驗的中青年技術骨干和分配一批大學生，并對在職技術人員舉辦短訓提高班，在西南交大和河北地院組織三期代培班，派技術骨干出國學習和考察，人才的培養，使鐵路工程物探具備了基礎條件。從日本、美國、法國、英國、加拿大引進了一批數字化物探儀器，提高了野外數據采集能力和精度，使鐵路工程物探裝備與世界水平同步;計算機技術引入鐵路工程物探，對物探資料進行處理、分析、解釋和成圖，使物探技術水平進人世界先進行列。使用的技術方法有:直流電法系列、磁法、淺層地震縱橫反射法、地震折射表層剝離法、瑞雷面波法(穩態與瞬態)、地震影像法、淺海剖面法(聲吶法)、頻率測探法、高密度電流、大地電磁測探法、地質雷達法、綜合測井、剪切波速測試、地脈動測試、土體震動測試、地下管網測試、樁基檢測等，形成了開展鐵路工程綜合物探的生產能力。編寫制定了《鐵路地質綜合勘探暫行規定》，作為中國鐵路工程總公司企業技術規定頒發。建立了地質物探試驗研究中心，推動鐵路工程物探技術的發展。

1.3進入新世紀，提商了特殊自身的應用價值進人新世紀至2005年初，鐵路系統從事工程物探的隊伍有31個，技術人員710人;引進高精度儀器設備132臺套，總價值630萬美元。鐵路工程物探從提取地質信息跨越到了直接提取工程信息階段，擴展了物探應用領域，提高了物探自身的應用價值。

1.4鐵路物探會議推動，鐵路工程物探的不斷進步和發展鐵路工程物探工作會議自1978年召開第一次會議至今的26年中已召開n次，這是一個全路性的專業工作會議，每兩年召開一次，由中國鐵路工程總公司(前鐵道部基建總局)主持、各設計院輪流主辦。工作會議是鐵路工程物探工作者交流和總結技術經驗和管理經驗，研討生產中存在的問題、物探的發展規劃和計劃的聚會，它把全路分散的物探工作者像紐帶一樣的凝聚在一起。人才的培養、設備的引進、科研立項、重大的合作項目都是在歷屆工作會議上提出建議，寫會議紀要，具體實施。n次工作會議n個主題思想，推動著鐵路工程物探的不斷進步和發展。

2技術進步

鐵路工程物探50年，共立院級以上重點科研項目46個，引進先進技術方法10多個。大多是填補工程物探空白和推動工程物探技術進步的項目。

2.1電測探t板研究與計算20世紀50年代電測探曲線定量解釋所用的量板是蘇聯達哈諸夫量板或貝拉也夫量板，曲線類型不全、標準曲線數量不多，無法滿足生產需要。為解決全國工程物探界難題，部立項“對稱四級電測法曲線二層及三層量板”的研究與計算，經2年時間，精確計算并繪制了二層和三層量板162張，輔助量板和作圖量板23幅，理論曲線1994條。這是我國自行研制的第一套電測探曲線解釋工具，是對電法資料定量分析的一大貢獻。由路內使用到公開出版發行，并納人高校專業教材。1978年獲“全國科技大會獎”。

2.2離密度電法高密度電法是電測探和電剖面的有機結合，改變了傳統電法的諸多邊界條件要求，有極高的抗干擾能力，直觀地的成果圖形，現已被工程界普遍應用，并制造有專用的高密度電法儀。這一方法是鐵路工程物探赴日本研究組，于1981年引進，并首先在鐵路工程中推廣使用后，推向路外。

2.3激發極化法找水和二次時差法20世紀60年代提出激發極化發找水的新思路，鐵三院立部科研項目，對理論方法和專用儀器制造進行研究，鐵一院提出了激發極化法的二次時差的參數并制造了專用儀器。激發極化法在干早和半干旱地區找水，有特殊效果。

2.4垂直磁偶源電磁頻率測探法與直流電法相比有地形影響小、旁側影響小、接地電阻影響小、抗干擾能力強、分辨能力強等特點。鐵三院和鐵一院率先于1982年引進了法國梅洛斯頻率測探儀，開創了我國工程物探界應用頻率測探法的先例。該方法獲南昆線“科技進步二等獎”、中國鐵路工程總公司“科技進步三等獎”。

2.5大地電磁測探法1992年鐵一院引進加拿大VS音頻大地電磁測探儀，首次應用于秦嶺特長深埋隧道，后又引進了VS，在寧西線、渝懷線、新蘭線應用都取得了良好的效果。該方法的推廣應用，解決了深埋800~1500m隧道的探測。

2.6地屁折射衰層剝去法鐵路工程物探20世紀60年代初開始應用地震折射法，是一種常規的方法。1981年鐵路工程物探赴日本物探研究組引進了“表層剩去法”，使用多重遠距離觀測和“表層剝去法”消除地形影響。改變了過去只能順地形等高線布測線，而不能順線路中線貫通的傳統，為地震折射法開辟了新思路，擴大了應用領域。

2.7地及淺層反射法20世紀80年代初，地震淺層反射法列部科研項目，經一年時間的攻關，地震淺層反射在工程物探中應用得到了成功，擴大了地震方法在工程中的應用領域，該方法獲“鐵道部科技進步二等獎”。

2.8穩態地屁瑞霄面波法鐵四院率先于1985年從日本佐藤公司引進GR一810面波儀。開創了我國工程物探界應用面波的先例。該方法可較精確的對地層厚度分層，并使每一層瑞雷波速與橫波、觸探等資料相關，可取得分層的承載力，計算出各種相關動態參數。該方法在路基地場檢測中應用極廣，在特定條件下可替代鉆探。穩態地震瑞雷面波法的引進，也促進了我國瞬態瑞雷波法的發展。

2.9地下埋藏物探測主要包括地下通訊電纜、動力線、給水排水管和采巖區、人防工程、古墓及一切地下埋藏障礙物。鐵路開展該項目工作原于上世紀60年代，大面積開展工作是80年代天津百年老站改造，之后較大站、樞紐工程在勘測前均規定了作地下埋藏物探測的程序。在路外地鐵和城市規劃每年均有大量探測工作，并繪有城市管網圖。水域的地下埋藏物的探測也較成功。

2.10隧道掌子面施工前方超前預報及負視速度法該項目20世紀80年代列部科研項目，主要采用地質雷達法，地震極小偏移法和地展反射負視度法。負視度速度法由于不占用施工掌子面，已成了超前預報的常規方法，是達到世界領先水平的方法。該方法研究成功時間，早于由瑞典引進的TSP202型隧道超前地質預報儀。

2.11工程質t檢側工程質量檢測是鐵路工程物探開展的又一新領域，也是工程監理的重要數據依據，是一項極有前景的工作。鐵道部在上世紀90年代初，連續列多個部級科研項目，率先利用物探無損的特性檢測鐵路工程結構物，這些成果均成了今天檢測的通用方法，早于全國工程質量檢測5~10年。(l)路基無損檢測。1993立項，1998年通過建筑學會和動力學會鑒定，在全路推廣應用。(2)支擋建筑物無損檢測。1998年立項，1999年通過部級鑒定，獲中國鐵路工程總公司“科研進步二等獎”。(3)隧道混凝土襯砌無損檢測。1992年立項，1997年通過部級鑒定。

2.12綜合勘探綜合勘探是要求以最佳的勘探方法組合模式，達到高質量、高效率和低成本之目的。其中所指合理選用勘探手段進行最佳組合，主要是指物探方法，在綜合勘探中解決綜合物探方法的選擇和物探資料分析中。由于地面測繪資料、鉆探資料和大量試驗資料，作為解決參數，解決了長期物探資料解決中的“等值原理”、“多解性”和“定性錯誤”、“定量不準”等難題，使成果貼近地質和工程的實際需要。1992年部建設司立項“鐵路地質綜合勘探技術研究”;1997年部建設司立項“鐵路地質綜合勘探應用技術指南”研究;1998年部科技司立項“鐵路地質綜合勘探專家決策支持系統”研究。10年的研究成果，使鐵路地質綜合勘探形模式成為鐵路工程勘探的一項技術政策。

2.13鐵路物探技術規范20世紀50年代使用蘇聯物探規范，60年代使用地礦部物探規范。1973年部基建總局指令由鐵四院主持其他各院參加撰寫了第一部鐵路系統的行業規范《鐵路物理勘探規范》，1976年作為部標頒發試行;80年代進行第一次修訂，1985年以(85)鐵基字925號文批準《鐵路物探技術規則》作為行業標準實施;90年代進行第二次全面修編，并升格為“規程”，《鐵路工程物理勘探規程》(TBTool3一98)，作為國家行業標準，以鐵建函(1”8)15號文實施;2002年進行第三次修編，為《鐵路工程物理勘探技術規程))(TB10003一2004);2002年編制了《鐵路隧道襯砌質量無損檢測規程》(TBI。。。3一2004)。

2.14鐵路物探取費定額標準1977年國家建委制定《全國基建系統工程勘察取費標準》時，委托鐵道部制定了工程物探部分《工程物探系統一工作量的計費辦法》，1978年國家建委以(78)建發改字26號文頒布試行;1983年部基建總局委托鐵四院主持制定《鐵路工程物探計費標準》;1999年中國鐵路工程總公司修訂了《鐵路工程物探計費標準》，在路內試行，并提供建設部修訂物探收費標準時參考使用。

2.15外事活動(1)1981年部基建總局組織赴日本物探研修組，到日本地質計測株式會社、日本地質調查研究所、日本物理探礦株式會社研修工程物探，帶回了物探與地質緊密結合的新思路，學到了山區物探技術、地震折射表層剝去法，高密度電法新技術。1988年部基建總局再次組織赴日本研修穩態瑞雷面波技術和地質雷達技術。(2)1986年日本地質計測株式會社派堅間強和伊藤先生到大秦線景中山隧道和占馬王隧道進行山區物探技術合作。中方由鐵三院主持各院派員參加。本次技術合作，解決了鐵路工程物探爭執多年“物探不能上山”的老問題，山區物探從此展開。1989年日本地質計測株式會社與鐵三院在唐山古治，進行了采空區地震層析成像技術合作。1987年鐵四院與日方在京廣線南嶺隧道進行巖溶物探技術合作。(3)1976年鐵三院派人赴坦贊鐵路進行找水物探和橋基物探。(4)1982年鐵三院派人赴尼日利亞進行找水物探。(5)1996年中國鐵路工程總公司派人員赴緬甸進行橋梁選線和基礎物探。

3應用領域

初期鐵路工程物探只應用于找水和土石界線劃分，現在的應用領域已深人至從初測到定測的鐵路勘測各個階段，并已延伸至施工和運營的工程質量檢測中。按解決的地質問題分類，應用領域有:劃分土石界線;進行第四系松散地層和巖石的分層;測定斷裂構造的存在，產狀和富水狀況;圈定密集節理帶;不良地質中巖溶、滑坡、巖堆和地下洞穴探測;特殊土中軟土、裂土、凍土、膨脹土探測;在找水中圈定富水帶、劃分咸淡水界線，尋找熱水等。按應用于工程分類，應用領域有:選線工程物探潞基工程物探;隧道工程物探;橋梁工程物探;站場工程物探;地鐵工程物探;地下埋藏物物探;考古工程物探;水源工程物探;病害整治工程物探等。按應用于工程質量檢測分類，應用領域有:隧道襯砌混凝土質量檢測;支擋建筑物質量檢測;公路路面和鐵路路基質量檢測;地基灌漿等處理效果檢測;管線、堤壩、滲漏檢測;樁基檢測等。按測定物理參數分類，應用領域有:測定大地導電率;測定土壤電阻率、測定剪切波速率;測定常時微動;土石密度;彈性模量及有關土體動力學參數等。

3.1選線工程在宏觀上查清地質結構和構造格局，發揮工程物探優勢，避免在線路比選上的失誤。例如在西安至南京線越秦嶺選線中使用了航磁、地磁、直流電法、高密度電法、大地電磁測探、地震折射、反射和測井等10種物探方法，充分發揮了綜合物探具有點、線、面、體、多層次、多參數的特色。在面積2250kmZ測區內，查清了深大構造6條;冰水層沉積、黃土滑坡、崩塌、泥石流、巖溶等不良地質范圍，為埋深1700m、長nkm的特長隧道提供了可靠資料;又如充石線在通過郊廬大斷裂中段時，在沂沐河高烈度地震區應用直流電法、地震折射法、磁法查清了橋渡區隱患斷裂構造的位置、規模、產狀和巖石破碎程度，為特大橋選出了相對比較穩定的“安全島”。

3.2路鑫工程探測深度較淺，探測精度要求較高，主要需查清軟土、膨脹土、裂土、凍土等特殊土的分布范圍，垂向分層，各層厚度，巖性、成因類型、物理力學指標、下臥層工程地質條件等。例如在南昆線百色段，用地質雷達探測了膨脹土路基的分層、巖性，施工時土工布的分布情況;用瑞雷面波速度與靜力觸探相關，給出分層，分段的承載力;又如在南昆線用電阻率法，地震反射法查清了龍床地裂的紅土分布規律和性質。

3.3健道工程由于地形復雜埋藏深，鉆探等方法有一定困難，因此物探手段尤為重要。物探可提供隧道設計高程部位的巖性、圍巖類別、構造破碎帶、富水帶、軟弱層等，一般探測深度以400~600m居多，近年來超過千米的深埋隧道也多次出現。例如京九線孟良山隧道長1.78km、埋深300m，巖性以變質巖為主。應用地震折射法確定全隧道的圍巖分類，查出6條低速巖石破碎帶和軟土帶;用高密度電法、自然電磁法、甚低頻法查出7處巖石破碎含水異常帶，并追蹤了地下水的補給、排泄和分布。南昆線米花嶺隧道長9380m，最大埋深700m，巖性主要是泥巖、頁巖。用地震法、電法和測井，查清了隧道設計高程部位的巖層、巖性、斷裂構造，構造儲水性質，水量大小，并對施工過程中能否發生突泥突水和圍巖穩定性作了評價。渝懷線圓梁山隧道長gkm、最大埋深1400m，巖性以灰巖為主，斷裂破碎密集，巖溶發育，地表有較大泉水出露，物探采用可控源大地電磁探測法，前后經四次勘測，查清了多條斷裂破碎帶的分布，并與巖溶相同，提出了隧道洞身設計高程處存在有大面積富水帶，經施工驗證準確無誤。例如宜萬線加深地質工作中，有8座隧道使用了可控源大地電磁檢測法，探查巖性、構造和含水情況均有較好的效果。

3.4橋梁工程主要查清水下第四系松散層的厚度，巖性、分布和相關動參數，基巖的分層、巖性、風化層、斷裂構造。上世紀五、六十年代大橋設計院曾在黃河禹門口大橋、黃河濟南大橋、長江枝城大橋上作水上電測探法和電剖面法。現在常規使用的方法是淺海剖面法(聲納法)、水上地震反射法、地震折射法、地震影像法等，在京滬高速鐵路南京長江大橋、大連開發區淺海灣大橋、廈門跨海大橋工程、魯寧輸油管線等工程的勘測中，均取得良好效果。

3.5水源工程物探找水在鐵路系統最早、應用最廣、使用效果也最佳。使用的物探方法以直流電法為主，輔之以激發極化法、地震法、磁法。物探找水，實質是找儲水構造，找含水層，找隔水層，找地下水運動通道。在第四系找含水沙層和隔水粘性土不透水層，在基巖中找含水的各種裂隙、破碎、風化層和隔水的泥巖、頁巖等。例如京廣線韶關區段站找水，采用電測法和電剖面法圈定了隱伏巖的溶洞分布及富水區;又如充石線泅水站找水，應用電側探法、電剖面法、音頻大地電流法、自然電場法、激發極化法和測井，在缺水山區找到了日產水量800t的井位;再如在蘭州鐵路局洛門療養院用四條電測深剖面找到了埋深15Om的熱水水源;再如在尼日利亞拉格斯，用電測深法在海濱咸水區找到了埋深120m的淡水水源。

3.6地鐵工程需探查地下管網和古建筑基礎，對第四系進行分層并給出相關的物理系數。例如北京地鐵西單車站，位于繁華的長安街上，建筑密集，車水馬龍，鉆探布孔位置有限，物探作了大量工作補充其鉆探量之不足，用地質雷達和管線探測儀查清了地下各種管網和古建筑基礎，用高密度地震影像提供連續的地層剖面，用地震縱橫波速度劃分圍巖分類和計算有關動力參數;又如廣州地鐵用瑞雷面波法，查明第四系松散推積層厚度和巖性、下伏巖的起伏和風化深度，并提供了用于圍巖分類的波速值。上海地鐵的勘測中也做了大量物探工作。

3.7巖溶物探查清巖溶發育范圍，埋藏深度和厚度及所處的水文地質環境。例如京滬線泰安站區段，出現嚴重的地面坍陷，采用以電測深法為主，地震法、激發極化法、音頻法、降低頻法為輔綜合物探方法，對塌陷區進行探查。查清了巖溶分布范圍、形態、特征、發育規律和填充情況，提出了治理建議。浙贛線分宜站用以電測探為主的綜合物探方法查清了巖溶坍陷原因;再如南昆線用頻率測探法、地展反射法和瑞雷面波法對200km長的巖溶路基全面進行了普查。京廣線大瑤山隧道巖溶整治工程，用綜合物探方法查清了巖溶發育規律及與斷層的關系，為巖溶整治提供了可靠的依據。

3.8滑坡物探查清滑坡體的范圍、規律、滑動面位置、形態特征和地下水等。例如南昆線八渡滑坡應用瑞雷面波法與電測探、地震反射法配合，查清了深埋70m的滑動面。隴海線DK1370路堤滑坡，用電測探法查清了路堤滑坡與老滑坡的邊界、規模、滑面、和形態。探查西安驪山滑坡時，使用了新技術聲發射法，取得了良好效果。

3.9工程質t檢測為確保工程質量，對隱蔽性工程采用無損檢測方法已成趨勢。鐵路工程物探于20世紀80年代進人該領域，已有20年歷史，在5個檢測項目中，有35個成就的檢測內容。并編制了技術標準。已做隧道檢測930km、路基檢測240km、擋墻檢測260km。(l)路基無損檢測，主要含道床、基床、基底3個方面的內容。(2)支擋建筑物無損檢測，主要含上擋墻、下擋墻、墻基礎3個方面的內容。(3)隧道無損檢測，主要含隧道襯砌、隧道背后回填和地質環境3個方面的內容。(4)橋梁無損檢測，主要含橋基礎、橋基臺和橋梁3個方面的內容。(5)基樁無損檢測，主要含路基基樁、橋基樁和錨索樁3個方面的內容。

3.10考古物探該項工程從20世紀60年代開始，初期使用電測探法，進而增加了地質雷達法。主要是探測古建筑風化厚度，古建筑物基礎、地下埋藏的文物等，曾做過大同石窟大佛風化厚度、四川樂山大佛風化厚度、少林寺古塔基礎、西安古墓群、火車震動對龍門石窟影響、北京故宮地下埋藏分布狀況等。

4展望

4.1物探是地質信息產業，隨著工程物探后50年的到來，地質信息的探測領域將不斷擴大，探測精度也不斷提高。工程信息的探測，將有一個較大的飛躍。環保信息的探測將有所涉及和發展。

4.2使用物探成果的地質、工程、環保專業技術人員，對物探取得的信息將十分了解，對其成果資料能運用自如，物探專業技術人員也必將十分了解地質、工程、環保對物探的要求，專業之間互相滲透已是趨勢，但專業之間不能互相取而代之。

4.3對不同的信息技術，應采取不同的技術方法和儀器設備。應當有探測lm之間的厘米級精度儀器，也應當有探測千米以上的儀器，儀器的探測深度與精度要求不能兩全。

4.4物探提取的信息，其載體現在仍以紙為主，成果圖在紙上，技術報告在紙上。今后載體是計算機，野外數據采集在計算機上，資料分析在計算機上，成圖在計算機上，成果在計算機上，計算機形成網站，資料提供給全路，提供給全社會。

4.5物探有別于鉆探，是體積勘探，信息量極大，現以二維剖面為展示主體，今后應以三維立體或四維為展示主體。