铁路物探技术概述及问题思考（铁二院 李坚）

铁路物探技术概述及问题思考

第一部分：技 术 概 述

 一、工作阶段

1、勘察阶段
（1）初  测→可行性研究
（2）定  测→初步设计
（3）补定测→施工图设计
特殊情况→线路工程地质条件特别复杂→初测前→进行加深地质工作

2、施工阶段

3、运营阶段

二、解决问题

1、地层岩性探测；

2、地质构造探测；

3、不良地质与特殊岩土探测→溶岩、采空区、滑坡、岩堆、软土、冻土、地热等；

4、参数测试→大地导电率、土壤电阻率、剪切波速度等；

5、隧道超前地质预报→岩溶、断层、破碎软弱富水岩体等；

6、工程质量检测→隧道衬砌、桥墩桩基、路基挡墙、路基基床等。

三、工作特点

1、工作布置→铁路为线状工程→物探布置为条带状或线状；

 2、服务对象→铁路工程→隧道、桥梁、路基、站场等；

 3、工作条件→一般情况下存在地物阻挡、地形起伏、振动及电磁干扰等影响，因此仅部分满足、有时甚至不满足地球物理勘探前提条件；

 4、资料精度→高速铁路（客运专线）的兴建→全线桥梁和隧道比例非常高→如成都至兰州客运专线桥隧比例达85% →名符其实的“山区地铁”→物探主要工作量集中在隧道→为了减少和避免变更设计和施工地质灾害风险→要求物探资料准确可靠。

四、方法应用

    随着技术进步，国内外现在已经发展了众多的物探方法，但每一种物探方法都有它的特点，即有它的优点和缺点。因此在兼顾勘探精度和勘探费用的原则下，选择适宜的物探方法解决特定的铁路工程问题非常重要。

    每种物探方法不是全能的，综合物探可以取长补短，但应用综合物探时，也要考虑费用和工期。

   经验工作模式→解决特定铁路工程问题→优先考虑选用物探方法

1、浅层土石界线勘探

   多次覆盖地震反射波法

   地震折射波法

   直流电测深法

2、浅层断层、滑坡和岩堆勘探

   多次覆盖地震反射波法

   直流电测深法

3、浅层岩溶勘探

   直流电测深电法→普查

   地质雷达法→无覆盖土并且地面平整

   跨孔电磁波层析成像（CT）法→比较精细的探测

4、软土勘探

    瑞雷面波法

   直流电测深法
 

 5、冻土勘探

   直流电测深法

   瑞雷面波法

   地质雷达法

6、中深层勘探（勘探深度大于50m）

   勘探深度小于2km→CSAMT或AMT法

   勘探深度大于2km→MT法

7、水（海）域勘探

   多次覆盖地震反射波法

8、煤窑采空区勘探

分为三个层次探测

   埋深大于50m
    第一层次→音频大地电磁法、放射性测试→进行宏观精度的探测

   埋深小于50m
    第一层次→直流电测深法以及放射性测试→普查

    第二层次→超高密度电法→中等精度的探测
    第二层次→地震反射与散射联合成像法→中等精度的探测

    第三层次→跨孔弹性（地震）波层析成像（CT）法→比较精细的探测

9、隧道掌子面超前地质预报

   地震波反射法→长距离预报→100m

   瞬变电磁法→中长距离预报→70m

   地质雷达探测法→短距离预报→30m

   红外线探测法→短距离预报→30m

10、挡墙检测

   地质雷达法

11、桩基检测

   地震反射波法（小应变）

12、道 床检测

   瑞雷面波法

   地质雷达法

   直流电测深法

13、地下管线探测

   管线探测仪法→探测金属管线

   地质雷达法→探测非金属管线

14、参数测试

   大地导电率→直流电测深法（等比装置）→为通讯、信号等专业提供基础资料 土壤电阻率→直流电测深法→为电力等专业提供基础资料 剪切波速度→地震横波测井→为桥梁等专业提供基础资料 围岩弹性波速度→地震纵波测井→为隧道等专业提供基础资料 放射性辐射→放射性测井→为隧道等专业提供基础资料

15、单孔综合物探测井

    综合测井→划分软弱、破碎、岩溶发育以及富水岩体；

    测试参数→电阻率、声波速度、自然伽玛（γ）、伽玛（γ）—伽玛（γ）、井径、井温、井斜等。 

五、技术进步

1、隧道

 （1）地面：采用的主要物探方法——音频大地电磁法（AMT法或CSAMT法）——探测隧道的断层、岩溶、主要地层界线及采空区等

   音频大地电磁法

   方 法 特 点
        探测深度较大，为50～2000m，但探测精度不高，比较宏观；

   解决地质问题
           宏观探测隧道的岩溶、断层、主要地层岩性界线及采空区等。
 

   代表性仪器—加拿大制造的V8型大地电磁仪

   资料处理——软件研发

   结合铁道部科研项目《铁路长大隧道综合勘探及集成技术研究》，与成都理工大学合作，研发了一套音频大地电磁资料处理软件系统——CSAMT-2D Soft 1.0软件系统。

   隧道地震波预报法（地震波反射法）

   特点→地震波反射法与其它物探方法相比，预报精度较高，预报距离较大，一般为100m，但预报费用较高。

   代表性仪器——瑞士制造的TSP-303型仪器
 

 （2）隧道内：采用的主要物探方法——隧道地震波预报法（地震波反射法）——进行隧道掌子面前方超前地质预报
 

2、大桥

   高墩、大跨、地质条件特别复杂的铁路桥梁物探

   西南地区地形切割剧烈以及地质条件复杂→造就高墩大跨铁路大桥

   采用的物探方法→分为三个层次

    （1）地面：音频大地电磁法→宏观精度探测

     （2）地面：地震反射波法→中等精度探测

                直流电测深法→中等精度探测

     （3）孔中：跨孔电磁波层析成像（CT）法→较细精度探测→岩溶

                跨孔弹性波层析成像（CT）法→较细精度探测→软弱破碎岩体以及采空区

3、海（水）域

   承担的部分海域物探项目

       某海峡跨海通道→含2个隧道方案和2个大桥方案，海域宽度达23～50余公里

      厦门翔安隧道→我国大陆地区第一座海底隧道

      厦门海沧跨海大桥

      海南省海口市人工岛

     主要物探方法→多次覆盖地震反射波法

     方法特点

      探测海（水）底断层、覆盖土及风化层厚度；

      根据地震反射资料，有针对性布置钻探，可节约大量昂贵的海（水）上钻探费用，缩短勘探工期。
 

    代表性仪器:海（水）上定位系统 （C-NAV3050星站差分系统）、地震仪控制系统（美国制造）、浅层多次覆盖地震反射波法激发设备- 法国制造的SIG 5mille电火花震源控制箱等。

4、采空区 

   技 术 难 点

   采空区形态及埋深规律性差；

   在我国南方，由于充水或潮湿，采空区与围岩物性差异非常小；

   采空区勘探属于世界性的地质勘探技术难题。
                         

   三个层次的物探→宏观精度探测→中等精度探测→较细精度探测

（1）宏观精度探测→音频大地电磁法

   成都至贵阳客运专线——新坝煤窑采空区
音频大地电磁资料所对应的采空区（低阻异常）

（2）中等精度探测→超高密度电法

    贵阳枢纽——云关隧道
   超高密度电法资料低阻异常或电阻率梯度较大的区域大致对应了煤窑采空区 

（3）较细精度探测→跨孔弹性（地震）波层析成像法

   玉溪至蒙自铁路——龙排冲隧道煤窑采空区
   跨孔弹性波层析成像（CT）法资料所对应的采空区
  低速异常或速度梯度较大的区域对应了煤窑采空区。
 

 第二部分：问 题 思 考

 一、技术层面

1、环境干扰排除

      物探现场存在地物阻挡、机器及人员的噪声干扰、电磁干扰、隧道洞周及隧底铺设的钢筋干扰等→难以采集到质量合格的物探资料。
      如隧底的岩溶物探等难以达到预期效果。

2、地质体（物探异常）边界确定

   （1）确定地质体（物探异常）边界的依据
       等值线梯度较大（等值线密集）处→与等值线或色标的选取有关；
       异常值比背景值高（低）n倍→与统计值的选取有关；

   （2）大地电磁法资料处理中的概率成像技术有了发展，但离实用还有相当差距。

   （3）现在根据物探资料难以直接对断层破碎带或溶洞等地质体的边界（规模）进行判释，仅是准定量解释。

3、物探参数标定

   同一地质体→不同的仪器→不同的物探方法→不同的资料处理软件→可能得到不同的电阻率或地震波速等→标定物性参数可能很困难甚至没有意义→涉及仪器型号、方法原理、软件计算方法等。

4、地层岩性确定

   物探是属于间接性勘探方法，目前根据物探资料直接确定地层岩性还十分困难。如电阻率或地震波速→灰岩、砂岩、花岗岩→构造、风化、破碎、含水有关→单凭电阻率或地震波速直接确定地层岩性还十分困难。低电阻或低波速可能对应→岩溶、断层、含水、破碎→多解性。

      在油气勘探中，利用地震反射资料已经可以进行地层岩相解释。
 

5、隧道掌子面前方超前地质预报（物探部分）

   在超前地质预报的物探工作中，特别是预报三维复杂形体溶洞形态和规模的精度距施工要求差距较大。

   另目前客运专线隧道施工推行的非全断面（上道坑或下道坑）开挖施工，与全断面开挖的标准模型预报差距较大，难以控制预报误差。TSP303系统在这方面已经有所改进。
 

6、中深层物探方法选择

   在被探测体埋深50～100m范围内，没有比较适宜的物探方法可供选择；

       直流电测深法、瑞雷面波法、地质雷达法等探测深度小，一般小于30m，特别是直流电测深法施测效率低，深部资料可信度差；

       音频大地电磁法→在50～100m深度→即在音频大地电磁资料所对应的1000Hz频率附近→地球大气电离层干扰→资料可信度不高。

       地震反射波法在50～100m埋深范围内，由于锤击激发能量较小，需要炸药或其它笨重的可控震源，使用时受到较大限制。

7、音频大地电磁法

   确定断层的倾角及预测水量难度大；
       资料的垂向分辨率不高，难以定量确定断层、岩溶等地质体的底界面；
       反演方法存在多解性，不同的反演方法结果在细节上存在差异；

8、小煤窑采空区及岩溶的精细探测

   考虑到探测成本等因素，一般不采用跨孔弹性波层析成像（CT）法进行煤窑采空区的精细勘探、不采用跨孔电磁波层析成像（CT）法进行岩溶的精细勘探。

        目前主要采用地面物探方法对煤窑采空区和溶洞进行探测，而地面物探方法难以定量查清小煤窑采空区以及溶洞的顶底板埋深、形态、延伸等情况，这些要素是施工防范和病害整治所必需的资料。

       在低阻异常中，难以把采空区从煤层、泥岩、破碎软弱岩体中区分出来；

       物探资料作为采空区和岩溶病害整治设计的基础资料还存在较大差距。 
9、高寒艰险山区铁路物探

   川藏铁路和滇藏铁路沿线地形陡峻，相对高差约1000～2000m，地面高程大多在5000m以上，唯有登山运动员才能做现场物探工作。

       在勘察设计阶段，选择适宜的物探方法成为一大难题。

       正在实施的大理至瑞丽铁路、丽江至香格里拉铁路、成都至兰州客专等线已初见困难的端倪。

小 结： 铁路工程物探技术问题归纳起来表现在以下三个方面：

       （1）干扰与分辨率的矛盾；

       （2）物性差异与分辨率的矛盾；

       （3）勘探深度与分辨率的矛盾。

二、体制层面

1、人才培养和引进

   培养和引进高素质、高学历的物探专业人才；

        适应现在物探技术的飞速发展→在快速消化吸收新方法、新技术方面，特别是编程技术等方面，人才应该担当技术骨干和发挥引领作用；

        人才的培养和引进是今后铁路物探事业发展的保证和最大希望所在。
 

2、扩展专业知识

   目前一些技术人员知识面不广，在充分利用和结合地质资料方面、在综合分析和利用各种物探资料方面做得不够，要么“死搬硬套”地质或物探资料，要么不用地质或物探资料。

    在多种物探资料中，对各物探方法资料的综合分析程度不高，特别是两方法的判释结果有差异时，由于对每一种方法了解的深细度不同，综合分析差异的原因和怎样利用哪一种资料的权重取舍作得不够。

    技术人员要拓展专业知识面，一是熟练掌握2～3种物探方法，熟悉各种常用的物探方法；二是学习了解地质和工程方面的相关知识，并融会贯通在实际的物探工作中。建议多参加资料会审。

3、物探专业隶属管理

   在专业和行政上，物探所应该隶属于地路处或地勘公司；

        专业和行政隶属关系顺畅→物探任务一般由地质专业下达→物探成果资料主要为地质专业使用→否则隶属关系不顺畅→物探专业可能被边缘化。

4、仪器及时更新

   物探技术发展离不开仪器→类似军队打仗→战斗力与武器的关系；

    目前铁路物探处于国内工程物探界的先进水平→这与上世纪80年代以来当时的铁路工程总公司给予政策扶持、大量引进国内外先进的物探仪器分不开；

    要保持目前的技术优势，包括仪器优势，各院必须及时更新物探仪器。

5、设置专业设计负责人

   建议在工程地质条件特别复杂、物探工作量非常大的线路总体组→尝试设置物探专业设计负责人（专测）；

        过去由于历史的原因→物探技术水平不高→在工程地质勘察中所起作用不大→原来不设物探专业设计负责人是合理的；

        现在随着技术的进步→物探在地质勘察中所发挥的作用越来越大→特别是在隧道物探方面；

        物探人员和地质人员在专业知识结构上存在较大差异；

    设置物探专业设计负责人→是物探人员提高专业沟通协调能力和综合技术水平的一个大好机会→通过直接与地质、隧道、路基、桥梁、站场等专业的协调沟通→可以更好的开展物探工作和利用物探成果→使物探技术人员有融入单位主流、而不是被边缘化的归宿感。

6、项目获奖

   与其它行业的工程物探、特别是与水电工程物探相比，铁路物探单独获奖的科研和勘察项目较少、等级不高；与铁路物探达到的实际工作技术水平不相称；

    由于铁路物探人员自身不够重视，加之铁路系统评奖体制的原因，铁路物探项目单独获奖难度大、数量少。
 
    今后铁路物探人员应重视并积极参加科研项目和勘察项目的单独报奖工作。

7、计费清算

   目前各设计院与铁路建设指挥部进行勘察工作计费清算时，物探工作计费隐含在钻探工作中，物探工作不参与清算和计费；

    计费和清算关系不顺→一些设计院可能尽量少作物探、多作钻探→不利于调动和发挥物探作用的积极性→最终也可能导致物探专业边缘化。

结 束 语

   一、经过60年的发展，铁路物探技术取得了长足进步，宏观或部份解决一些工程地质问题；

   二、根据物探异常，有针对性地布置钻孔，特别是深孔，节约了一定数量的钻探工作量，缩短了工期；

   三、上述思考问题的解决过程是铁路物探的进步和发展过程；

   四、作为设计基础资料，物探与铁路工程设计所要求的精度还有相当距离，因此尚需不断努力，提高物探资料精度。