国内工程物探进展评述

国内工程物探进展评述 近年来国内工程物探研究有很大进展。主要表现在解决工程疑难问题能力的提高、新的技术方法的开发、和新的仪器设备的研制等三方面。

1. 工程疑难问题研究进展 近年来工程物探行业在解决工程疑难问题的能力方面有明显提高，原来无法解决的工程问题现在有了成熟的技术路线和专业 技术设备。2001年全国工程地球物理年会上，根据当时的工程需求和技术水平，遴选出五个没有解决的工程检测疑难问题，组织行业攻关，这些问题分别是： 1 隧道地质超前预报， 2 堤防隐患探测， 3 锚杆锚索检测， 4 金属管内腐蚀探测， 5 深埋孤立体探测；

经过工程地球物理行业内相关部门的协调与几年的努力，这五个问题中前三个个半已经基本解决。其中隧道超前预报、堤防隐患探测、锚杆质量检测都是依靠国内自己的研究解决的。国内对金属管内腐蚀的问题也进行过多次的研究实验，主要是采用电磁方法，进展不大，而美国和英国开发的超声导波检测技术较好地解决这一问题，该技术已经进入中国。工程地球物理专委会组织研究的隧道超前预报技术水平超过了国外同类技术。总结出可靠的综合预报技术路线，开发出TST隧道超前预报系统，成功地解决了地下不同方向的波场的识别与滤波、掌子面前方围岩波速分析和深度偏移成像等技术问题，应用中取得了满意效果[2] [3]，技术水平优于国外的TSP203。堤坝隐患探测问题应用高密度电法、地质雷达和浅层TEM综合方法，基本解决了堤坝隐患探测和防渗堤质量检测问题，并形成了相应的技术规范；锚杆检测问题开发出声波检测发射和接收设备，在资料处理中采用二维时频分析方法，可有效地解决了锚杆长度和砂浆的饱和度的判定问题。目前对于锚锁的长度和锚固质量的检测和深埋孤立体的探测仍在研究之中，还需继续努力。

2. 工程物探方法研究新进展 近年来工程物探新方法的研究进展显著，包括解释理论、资料处理方法和专用技术等方面，值得一提有四下列几个方面。 1）.散射理论的应用是工程物探方法研究的一大进展。多年来工程物探技术袭用石油与煤炭勘查的反射方法与概念，数据采集方式与资料处理方法因袭反射理论。反射理论适合勘测尺度比波长大得多的反射面，但是在工程物探中，研究对象的尺度较小，大小与使用的波长相近或更小，且横向变化较大，要求的分辨率更高。反射理论已不能满足工程勘测的实际要求，因此，在工程物探领域开始使用散射理论。散射理论可以探测比波长小得多的异常体，比反射理论有更高的分辨率， 适合各种尺度的异常体的勘探。散射理论的观测、资料处理方法与反射理论有所不同，反射理论资料处理的主要基础是CDP叠加和速度谱分析；在散射资料处理中与此对应的是偏移成像和最大能量法速度分析，通过叠加能量最大化确定叠加速度。近年来在地质雷达、TST隧道超前预报、SSP地面地震剖面、声波桩基检测与锚杆检测、超声成像等技术领域的观测方案、资料处理和分析解释中应用散射理论，取得了很好的效果。

2). 工程检测资料分析中采用二维时频分析技术。以往的工程检测中资料处理一般采用时间--振幅的时程表示或傅立叶谱方法，这两种表示方法都是一维表示法，信息量较小，具有较大的局限性。信号傅立叶谱分析是将信号看成稳定的周期过程，分析振动过程的频谱成分，不能反映各频率成分发生的时间，更不能反映任意时刻的瞬时频率成分。实际上工程物探信号是非平稳过程的，研究非平稳时变信号的有力手段是时频分析方法，它是信号特征的一种二维时间-频率表示方法，它可以清楚地展现时变信号任意时刻的瞬态幅值和频谱特征，便于判别信号的属性和来源。地震信号、声波信号、雷达信号都是非平稳信号，不同时刻的幅值和频谱组成是不同的、变化的。不同的频谱组成表征信号来源于大小不同散射体的特征，大尺度散射面的散射波低频成分多，小尺度散射面的散射波高频成分多。通过二维时频表示的时间分析可确定反射/散射体位置，不同频率成分的分析可解释反射/散射波的来源和散射体大小。目前常用的时频分析方法有短时傅立叶分析[5]、S变换[6]，小波分析、戈博展开、维格纳-威利分布等方法。维格纳-威利分布是能量分布的表示，具有二次型特点，有交叉项影响，引起假象，较少使用。其它方法都是线性的，很方便使用。小波分析的时间分辨率较好，但频率分辨率较低，不适合用作时频分析方法。时间和频率分辨特征最好的应属短时傅立叶方法和S变换方法，具有良好的应用前景。二维时频分析在地震信号分析、声波检测、桩基检测、锚杆检测、雷达检测等领域资料处理中的应用，有力地推动了检测质量和解释水平的提高。

短时傅立叶二维时频分析 3). TST隧道超前预报技术的开发与应用。隧道超前预报是工程物探领域的疑难问题，在隧道内观测会接收到不同方向的回波，如何识别和剔出两侧和上下方向的回波，保留前方的回波，是超前预报面临的第一个技术难题；其次，隧道内空间有限，如何准确确定掌子面前方围岩波速分布是第二个技术难题。上世纪90年代中期国内铁道系统开发的‘负视速度法'、国外瑞士Ambeger公司的TSP203等超前预报技术都没有解决这两个问题。‘负视速度法'、TSP203的观测系统是沿平行隧道轴线的直线上布置，只能获得横向零偏移距道集，无法确定前方波速和距离。他们不能区分不同方向的回波，因而偏移图像位置不准，图像不真实。TST技术以逆散射理论为基础，观测系统空间布置，获得横向不同偏移距的散射道集，应用F-K二维滤波技术滤除侧面和上向方向的地震回波，分离和保留前方返回的地震波，以偏移叠加能量最大化原理为判据，实现围岩波速扫描分析，进而完成围岩速度分析和地质结构深度偏移成像。该方法科学严谨，不但有效地解决了不同方向回波的识别与滤除问题，而且有效地解决了围岩波速分布的准确分析问题，保证了超前预报偏移图像的真实性和可靠性。超前预报结果不但提供了反映构造特征的偏移图像，而且提供了反映围岩速度分布图像，便于综合分析解释。TST系统包括硬件与软件，几年来在云南、四川、重庆等地高速公路隧道超前预报中取得了很好地效果，具有很好地应用前景和推广意义。

4. SSP地面地震剖面技术与应用。该技术是基于地震散射成像技术，与TST技术原理相同，不同的是在地表观测。反射地震技术在地质条件复杂的山区应用效果不好，特别是对于向汶川地震中坍塌的山体，反射层横向不连续，波速变化剧烈，无法获得有效的CDP叠加剖面。为满足山区复杂地质条件的需要，亟待开发新的浅层地震处理技术。SSP地面地震剖面技术正是针对山区复杂地质条件的需要开发的浅层地震剖面技术，它可同时确定岩土介质的波速分布和岩土界面的位置与形态。图像直观、分辨率高。该方法的地震观测沿地表剖面布置，激发点距6-8m，接收点距2-4m，探测深度达50-100m。展现垂直剖面内岩、土波速分布、岩土界面深度与形态。该技术于适合岩土介质波速结构在纵向和横向上有较大变化的场合，特别适合复杂造山带和坍塌区的浅层地震勘查，在汶川地震灾区边坡勘查中取得了很好的效果。 5). 混凝土桥梁浇注质量的声波CT检测。我国现有桥梁超过55万座，已经成为桥梁大国。其中绝大部分是混凝土桥梁，有将近1万座桥梁不同程度的存在结构问题，需要检修与加固。以往的检测技术主要以外观检测为主，缺乏结构内部质量与健康状况的无损检测与评价技术，成为桥梁结构检测的一大难题。2006年在重庆开始用声波CT技术对桥梁混凝土质量与健康状态进行检测试验，以混凝土波速分布评价混凝土强度、密实性与均匀性，并进行了钻芯取样对比试验，得到了很好的验证。此后在云南、重庆广为应用，对运营中桥梁的病害和建设中桥梁的质量进行检测，完成了近30座桥梁的检测与评价工作，为桥梁检修加固和质量控制提供了可靠手段，收到了很好的社会和经济效益，这是应用地球物理新技术服务于经济建设的完美例证。

3. 工程地球物理仪器新进展 近年来国内仪器的开发与生产有很大进展，在仪器性能的改进和新产品的开发方面都有进步。骄鹏公司生产的高密度电法仪可靠的勘探深度已超过400m，性能超过了国外的同类仪器，这在国内是不多见的。青岛信息产业部电波22所生产的地质雷达其性能已经可以与国外同类仪器相媲美，陆续装备部队。国内近年工程检测类仪器发展很快，种类繁多，其中声波检测尤为显眼，如锚杆质量检测测仪器等。有两种仪器值得重点介绍，因为他们打破了声波仪器传统的禁锢，走出了以检测技术需要确定仪器指标的新路。这两种仪器分别是骄鹏公司的64道声波仪和朗斯公司的阻尼压电检波器。 1). 64道声波仪。64道声波仪是由骄鹏公司首先生产的，它弥补了国内外多道声波仪的空白。国内的声波仪生产厂家很多，一般的声波仪为1道、2道，最多为4道，生产64道的声波仪在国内是首家。多数厂家生产的声波仪都是沿用金属无损检测的参数，A/D转换为12位，采样间隔为0.1微秒，把主要经力不适当地用到追求高采样率上。实际工程检测中绝大多数对象是混凝土构件，混凝土的特点是声波衰减大，特别是高频成分衰减更厉害，一般超不过100KHZ。因为强弱信号相差大，实际上需要A/D的转换位数要尽量高，最好是16位以上，而采样间隔最多用不到1微秒。骄鹏公司的64道声波仪技术参数A/D选为16位，采样率选定1微秒，从检测实际出发，经济实用，是国内技术参数最合理的声波仪的第一个生产厂家。

2). 阻尼压电检波器。阻尼压电检波器是由朗斯公司首先生产的，它弥补了国内阻尼压电检波器的空白。速度型、加速度型压电检波器在工程物探领域应用很广，金属无损检测、桩基检测、锚杆检测、混凝土超声检测、声波CT等都使用压电检波器。受金属测厚的影响，传统的压电检波器都没有阻尼，灵敏度高，自由震荡强烈，仅适合测量初至波，不适合测后续的反射波，在反射/散射法检测中效果不好。因为压电检波器内没有电磁元件，因而电磁阻尼很难实现。但是，检波器的阻尼对于反射/散射波检测来说是致关重要的，必须解决。朗斯公司经过试验率先解决了压电检波器的阻尼问题，将阻尼比作到了0.2-0.3，满足了检测要求。同时该检波器具有内置放大器，为IC检波器，电压放大7.5倍，频带宽1HZ-4000HZ，输出阻抗低，为150欧姆，抗干扰性强。可作为各类声波仪器的首选配件，为工程检测质量提高做出了重要贡献。