工程物探在地质病害整治及文物保护方面的应用（中铁西北院 侯殿英）

工程物探在地质病害整治及文物保护方面的应用

1.工程物探在地质病害及文物整治中的作用和地位

      工程物探是地球物理勘探的一个分支学科，着重于研究工程地质和水文地质方面的问题，工程物探方法与地质方法在工作原理上是截然不同的，与传统的地质方面相比，工程物探技术具有设备轻便、探测效率高、探测成本低、剖面连续等诸多优点，在地质灾害及文物保护方面得到了广泛而有效的应用，发挥了重要作用。

      工程物探技术在地质病害及文物保护的勘察、设计及维护等各个阶段都起着重要的作用，主要表现在：解决病害的主要地质问题（查明地质病害体的工程地质条件，确定组成坡体的岩土地层厚度、埋深和岩土的地质分层以及覆盖层的厚度，探测基岩的起伏和埋深 ） ；查明病害体的水文地质条件 ；查明病害体的小构造格局 ；查明边坡病害体的软弱结构面（带）。

      随着物探技术的不断发展，工程物探技术在地质病害整治及文物保护方面的应用必将更加深入和广泛。

2. 工程物探技术的在地质病害及文物保护方面应用的物理前提条件

      地层岩性是形成地质病害的一个重要原因，地质病害体往往由各种不同岩性的地层组成，各种岩层不同的矿物成份、结构、构造等有着明显的差异，在物性上亦有着不同的差异变化。
      地质病害体基本上处于区域构造和自身小构造影响范围内，地层岩性由于受构造断层破碎带影响产生不同程度的破坏或变形.
     岩土层破碎，岩土体松弛，强度降低，并具有一定汇水和排泄条件。

      受岩层断裂、裂隙发育、渗水等条件的影响，文物周边环境与岩土文物本身之间往往存在明显的电性差异、密度差异及介电常数差异。
       总之，探测对象与周围岩体之间往往存在较为明显的物性差异 ，电性、弹性波速度、放射性、磁性和密实度差异等等，这为物探技术在地质病害整治及文物保护方面的应用提供了良好的地球物理前提。
       随着科学技术的发展，扩大了工程物探技术的应用范围 。

3.工程物探在不同地质病害整治方面的应用实例

3.1 物探在滑坡方面的应用

     主要应用电法勘探中的电阻率测深法、联合电剖面法、高密度法和地震勘探法、氡气探测法以及测温法等。
    滑坡工程物探技术调查分析滑坡的工程地质条件、水文地质条件和调查分析滑坡区的小构造格局，查明构造结构面的破碎带宽度、走向，确定滑坡体的前后缘、周界和滑动面（带）的位置，进一步确定其滑坡体的空间几何形态，并分析滑坡体的分级分块。

  （1）.陕西省临潼Ⅰ区三元洞上下坡体电阻率剖面法探测结果

  （2）.深汕高速公路K101滑坡

  （3）. 江油624研究所高台区滑坡视电阻率等值线图及其趋势性滑动面示意图

 （4）西宁至格尔木关角隧道东洞口边坡滑坡

3.2 物探在高边坡方面的应用

   (1).深圳月亮湾岩石高边坡视电阻率等值线断面图和地质化断面示意图

   (2).梅河高速公路K111+300~ +455高边坡高密度电法视电阻率等值线图

   (3).浙江丽水龙庆高速公路 Ⅰ号边坡

3.3 物探在泥石流方面的应用

     泥石流是由于降水或溶雪等而发生在山区的一种挟带大量泥砂、石块等松散固体物质的特殊洪流。根据泥石流的形成、流动、沉积特点，流域内发育有明显的滑坡体、崩塌体，山坡大部被各种成因的松散堆积物覆盖。用工程物探技术方法可以查明泥石流堆积物的分布、厚度及其下伏基岩的起伏情况，为泥石流的治理防治措施提供可靠的地质化依据。

地质雷达探测泥石流层的厚度

3.4 物探在路基病害检测方面的应用

   (1).北疆四棵树铁路路基下沉地质雷达图像

   (2).道碴陷槽雷达图像

   (3).地质雷达路基检测车系统

3.5物探在隧道病害检测方面的应用

     初期支护内有拱架，二次衬砌内无钢筋，每50米要求布设一5米的加强段布设钢筋，以供通风设施使用，取其中一段分析，二次衬砌无钢筋的段落拱架信息清晰，而在加强的5米区域，拱架信息模糊，甚至很难辨识，一般情况下在二次衬砌存在钢筋的情况下，拱架信息受到二次衬砌钢筋屏蔽影响非常大，很难判定拱架的准确信息。

     在空洞所在区域，拱架判定特征易见，而拱架背后形成反射很强的同相轴界面，拱架判定特征下部分波形受空洞特征波形影响。空洞反射波的起始位置在拱架判定特征之后，判定初期支护背后存在大的空洞

    该检测部位，由于拱架与钢筋间距偏大，钢筋的二次反射与拱架反射信息不重叠，对拱架的特征波形屏蔽作用大大降低，可以检测到清晰的拱架判定特征。

4.工程物探在文物保护方面中的应用

     从上世纪80年代末以来，中铁西北科学研究院有限公司文物保护与特殊工程中心主要致力于文物周边环境整治（山体滑坡、泥石流、崖体崩坍、地基沉陷等地质灾害防治）、岩土文物遗址保护、石刻和石窟寺加固、古（塔）建筑结构补强加固、纠偏、平移等，目前多个技术层面的工作已达到国内先进水平。同时还可承担古建筑测绘监测、文物保护项目科研与保护规划编制、保护工程检测评估等技术工作 。

  1.敦煌莫高窟、永靖炳灵寺等石窟崖体加固

  2.兰州白塔、都江堰奎光塔等建筑纠偏加固

  3.徐州龟山汉墓、楚王陵古墓葬、北京戒台寺等古建筑物病害治理工程的咨询、勘察、设计、施工，有力地推动了文物保护工程技术的创新和进步。

     首次将锚固理论和技术、危岩体、滑坡计算的理论和防治技术应用到石窟治理工程之中。
完成了许多卓有成效的抢险加固工程，积累了丰富的经验，体现了文物保护工程的新水平，填补了多项国内技术空白。

（1）.高密度电法对崖壁裂隙加固效果的无损检测

（2）.云岗石窟结构体的面波探测

（3）.地质雷达探测崖壁孔洞与被掩埋洞窟

5.工程物探技术在地质病害应用中存在的问题及体会

   地质病害工程物探技术的条件性

   地质病害工程物探技术的多解性

   工程物探技术资料的定量解释问题有待加强

     在隧道衬砌检测方面：钢筋屏蔽作用对检测工作的影响很大，在存在钢筋的情况下很难保证检测到准确的拱架信息，拱架数量信息最好在二次衬砌施工前检测确定。

     在多年冻土勘察及病害检测方面：虽然物探技术在划分地层、确定多年冻土上限及其分布范围方面效果显著，但对冻土物探理论及数字处理技术研究还不够深入，尤其是对冻土中含冰层的位置、含冰量的大小、冻土的结构特征等关键数据还没有很好的解决办法，建议加强多年冻土探地雷达图像的数字处理、解释分析和冻土电性特征、电磁特征方面的系统研究，进一步提高雷达资料解释精度和可靠度，更好地指导工程实践。

     为更准确地确定灾害体的特征, 应用多种技术手段从不同的侧面进行综合分析;从而提高勘查工作效果和精度。
地质人员与物探人员紧密结合，方可发挥物探技术应有的作用（地质人员应当学习和掌握必要的工程物探技术知识，认识到地质与地质病害工程物探技术方法结合的必要性，才能使用好物探技术；另一方面，工程物探技术人员必须熟悉测区的地质情况和工程技术要求，才能克服多解性造成的错误，提高解释精度和地质病害工程物探技术的效果。 ）

     针对已掌握的地球物理方法要合理进行运用，要从待解决的问题和待测对象特点入手，选择最适合的方法，现场工作进行灵活而合理的布置。有时要根据实际任务情况出发，对现有的地球物理技术进行必要的调整。