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。