铁路工程物探的发展与应用价值

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铁路工程物探走过了半个世纪。物探工作者用艰辛的劳动、无私的奉献，在50个春秋中为铁路建设做出了贡献，同时也锻炼出了一支具有技术水平先进、特别能战斗的探测地质信息、工程信息的物理勘探队伍。铁路工程物探是工程物探界的中坚，始终站在专业的前沿，在技术方法上、仪器设备上、应用领域上起着领头羊的作用。铁路工程物探是铁路工程地质勘探中不可缺少的重要手段。在中国铁路工程总公司“综合勘探”技术政策推行中，铁路工程物探得到了稳步健康的发展。铁路工程物探探测的主要对象是与工程有关的地质问题和工程结构质量。它是在地表、空中或井下通过仪表测试地球物理场物性参数及其变化(如电性、磁性、电磁性、弹性、放射性等)，通过对所获得的物性资料的分析、研究，推断、解释地质体、岩土体和工程结构的形态、性状、分布等。由于物探设备轻便，勘测周期短，成本低，成果质量直观形象，可用二维或三维表现，在勘测中应用的范围逐渐扩大。

1历史回顾

1.1铁路工程物探的出现、兴衰和发展与铁路建设、国家建设的形势、规模相关，也与国家的宏观政策紧密相连国家第一个五年计划实施，百业待兴，铁路旧线改造，新线建设，均要求有一种新的勘探方法。在当时苏联专家萨瓦连斯基、扎瓦里申、鲁金娜的建议下，开始了铁路工程物探。1954年铁一院在兰新线成立了铁路工程物探的第一个物探队，也是我国组建最早的专业工程物探队。随之各铁路设计院和水电、交通等部门先后派员到兰新线学习物探并开始开展物探工作。兰新线是工程物探的摇篮。这个时期采用的物探方法只有直流方法，使用的仪器是仿苏3几一1型电位差计，解决的工程问题主要是找水和简单的工程地质中的土石界线划分。

1.2经过1，58和1，60年，直至20世纪70年代后期铁路工程物探迎来了快速发展的新局面从路外调人一批有经验的中青年技术骨干和分配一批大学生，并对在职技术人员举办短训提高班，在西南交大和河北地院组织三期代培班，派技术骨干出国学习和考察，人才的培养，使铁路工程物探具备了基础条件。从日本、美国、法国、英国、加拿大引进了一批数字化物探仪器，提高了野外数据采集能力和精度，使铁路工程物探装备与世界水平同步;计算机技术引入铁路工程物探，对物探资料进行处理、分析、解释和成图，使物探技术水平进人世界先进行列。使用的技术方法有:直流电法系列、磁法、浅层地震纵横反射法、地震折射表层剥离法、瑞雷面波法(稳态与瞬态)、地震影像法、浅海剖面法(声呐法)、频率测探法、高密度电流、大地电磁测探法、地质雷达法、综合测井、剪切波速测试、地脉动测试、土体震动测试、地下管网测试、桩基检测等，形成了开展铁路工程综合物探的生产能力。编写制定了《铁路地质综合勘探暂行规定》，作为中国铁路工程总公司企业技术规定颁发。建立了地质物探试验研究中心，推动铁路工程物探技术的发展。

1.3进入新世纪，提商了特殊自身的应用价值进人新世纪至2005年初，铁路系统从事工程物探的队伍有31个，技术人员710人;引进高精度仪器设备132台套，总价值630万美元。铁路工程物探从提取地质信息跨越到了直接提取工程信息阶段，扩展了物探应用领域，提高了物探自身的应用价值。

1.4铁路物探会议推动，铁路工程物探的不断进步和发展铁路工程物探工作会议自1978年召开第一次会议至今的26年中已召开n次，这是一个全路性的专业工作会议，每两年召开一次，由中国铁路工程总公司(前铁道部基建总局)主持、各设计院轮流主办。工作会议是铁路工程物探工作者交流和总结技术经验和管理经验，研讨生产中存在的问题、物探的发展规划和计划的聚会，它把全路分散的物探工作者像纽带一样的凝聚在一起。人才的培养、设备的引进、科研立项、重大的合作项目都是在历届工作会议上提出建议，写会议纪要，具体实施。n次工作会议n个主题思想，推动着铁路工程物探的不断进步和发展。

2技术进步

铁路工程物探50年，共立院级以上重点科研项目46个，引进先进技术方法10多个。大多是填补工程物探空白和推动工程物探技术进步的项目。

2.1电测探t板研究与计算20世纪50年代电测探曲线定量解释所用的量板是苏联达哈诸夫量板或贝拉也夫量板，曲线类型不全、标准曲线数量不多，无法满足生产需要。为解决全国工程物探界难题，部立项“对称四级电测法曲线二层及三层量板”的研究与计算，经2年时间，精确计算并绘制了二层和三层量板162张，辅助量板和作图量板23幅，理论曲线1994条。这是我国自行研制的第一套电测探曲线解释工具，是对电法资料定量分析的一大贡献。由路内使用到公开出版发行，并纳人高校专业教材。1978年获“全国科技大会奖”。

2.2离密度电法高密度电法是电测探和电剖面的有机结合，改变了传统电法的诸多边界条件要求，有极高的抗干扰能力，直观地的成果图形，现已被工程界普遍应用，并制造有专用的高密度电法仪。这一方法是铁路工程物探赴日本研究组，于1981年引进，并首先在铁路工程中推广使用后，推向路外。

2.3激发极化法找水和二次时差法20世纪60年代提出激发极化发找水的新思路，铁三院立部科研项目，对理论方法和专用仪器制造进行研究，铁一院提出了激发极化法的二次时差的参数并制造了专用仪器。激发极化法在干早和半干旱地区找水，有特殊效果。

2.4垂直磁偶源电磁频率测探法与直流电法相比有地形影响小、旁侧影响小、接地电阻影响小、抗干扰能力强、分辨能力强等特点。铁三院和铁一院率先于1982年引进了法国梅洛斯频率测探仪，开创了我国工程物探界应用频率测探法的先例。该方法获南昆线“科技进步二等奖”、中国铁路工程总公司“科技进步三等奖”。

2.5大地电磁测探法1992年铁一院引进加拿大VS音频大地电磁测探仪，首次应用于秦岭特长深埋隧道，后又引进了VS，在宁西线、渝怀线、新兰线应用都取得了良好的效果。该方法的推广应用，解决了深埋800~1500m隧道的探测。

2.6地屁折射衰层剥去法铁路工程物探20世纪60年代初开始应用地震折射法，是一种常规的方法。1981年铁路工程物探赴日本物探研究组引进了“表层剩去法”，使用多重远距离观测和“表层剥去法”消除地形影响。改变了过去只能顺地形等高线布测线，而不能顺线路中线贯通的传统，为地震折射法开辟了新思路，扩大了应用领域。

2.7地及浅层反射法20世纪80年代初，地震浅层反射法列部科研项目，经一年时间的攻关，地震浅层反射在工程物探中应用得到了成功，扩大了地震方法在工程中的应用领域，该方法获“铁道部科技进步二等奖”。

2.8稳态地屁瑞霄面波法铁四院率先于1985年从日本佐藤公司引进GR一810面波仪。开创了我国工程物探界应用面波的先例。该方法可较精确的对地层厚度分层，并使每一层瑞雷波速与横波、触探等资料相关，可取得分层的承载力，计算出各种相关动态参数。该方法在路基地场检测中应用极广，在特定条件下可替代钻探。稳态地震瑞雷面波法的引进，也促进了我国瞬态瑞雷波法的发展。

2.9地下埋藏物探测主要包括地下通讯电缆、动力线、给水排水管和采岩区、人防工程、古墓及一切地下埋藏障碍物。铁路开展该项目工作原于上世纪60年代，大面积开展工作是80年代天津百年老站改造，之后较大站、枢纽工程在勘测前均规定了作地下埋藏物探测的程序。在路外地铁和城市规划每年均有大量探测工作，并绘有城市管网图。水域的地下埋藏物的探测也较成功。

2.10隧道掌子面施工前方超前预报及负视速度法该项目20世纪80年代列部科研项目，主要采用地质雷达法，地震极小偏移法和地展反射负视度法。负视度速度法由于不占用施工掌子面，已成了超前预报的常规方法，是达到世界领先水平的方法。该方法研究成功时间，早于由瑞典引进的TSP202型隧道超前地质预报仪。

2.11工程质t检侧工程质量检测是铁路工程物探开展的又一新领域，也是工程监理的重要数据依据，是一项极有前景的工作。铁道部在上世纪90年代初，连续列多个部级科研项目，率先利用物探无损的特性检测铁路工程结构物，这些成果均成了今天检测的通用方法，早于全国工程质量检测5~10年。(l)路基无损检测。1993立项，1998年通过建筑学会和动力学会鉴定，在全路推广应用。(2)支挡建筑物无损检测。1998年立项，1999年通过部级鉴定，获中国铁路工程总公司“科研进步二等奖”。(3)隧道混凝土衬砌无损检测。1992年立项，1997年通过部级鉴定。

2.12综合勘探综合勘探是要求以最佳的勘探方法组合模式，达到高质量、高效率和低成本之目的。其中所指合理选用勘探手段进行最佳组合，主要是指物探方法，在综合勘探中解决综合物探方法的选择和物探资料分析中。由于地面测绘资料、钻探资料和大量试验资料，作为解决参数，解决了长期物探资料解决中的“等值原理”、“多解性”和“定性错误”、“定量不准”等难题，使成果贴近地质和工程的实际需要。1992年部建设司立项“铁路地质综合勘探技术研究”;1997年部建设司立项“铁路地质综合勘探应用技术指南”研究;1998年部科技司立项“铁路地质综合勘探专家决策支持系统”研究。10年的研究成果，使铁路地质综合勘探形模式成为铁路工程勘探的一项技术政策。

2.13铁路物探技术规范20世纪50年代使用苏联物探规范，60年代使用地矿部物探规范。1973年部基建总局指令由铁四院主持其他各院参加撰写了第一部铁路系统的行业规范《铁路物理勘探规范》，1976年作为部标颁发试行;80年代进行第一次修订，1985年以(85)铁基字925号文批准《铁路物探技术规则》作为行业标准实施;90年代进行第二次全面修编，并升格为“规程”，《铁路工程物理勘探规程》(TBTool3一98)，作为国家行业标准，以铁建函(1”8)15号文实施;2002年进行第三次修编，为《铁路工程物理勘探技术规程))(TB10003一2004);2002年编制了《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》(TBI。。。3一2004)。

2.14铁路物探取费定额标准1977年国家建委制定《全国基建系统工程勘察取费标准》时，委托铁道部制定了工程物探部分《工程物探系统一工作量的计费办法》，1978年国家建委以(78)建发改字26号文颁布试行;1983年部基建总局委托铁四院主持制定《铁路工程物探计费标准》;1999年中国铁路工程总公司修订了《铁路工程物探计费标准》，在路内试行，并提供建设部修订物探收费标准时参考使用。

2.15外事活动(1)1981年部基建总局组织赴日本物探研修组，到日本地质计测株式会社、日本地质调查研究所、日本物理探矿株式会社研修工程物探，带回了物探与地质紧密结合的新思路，学到了山区物探技术、地震折射表层剥去法，高密度电法新技术。1988年部基建总局再次组织赴日本研修稳态瑞雷面波技术和地质雷达技术。(2)1986年日本地质计测株式会社派坚间强和伊藤先生到大秦线景中山隧道和占马王隧道进行山区物探技术合作。中方由铁三院主持各院派员参加。本次技术合作，解决了铁路工程物探争执多年“物探不能上山”的老问题，山区物探从此展开。1989年日本地质计测株式会社与铁三院在唐山古治，进行了采空区地震层析成像技术合作。1987年铁四院与日方在京广线南岭隧道进行岩溶物探技术合作。(3)1976年铁三院派人赴坦赞铁路进行找水物探和桥基物探。(4)1982年铁三院派人赴尼日利亚进行找水物探。(5)1996年中国铁路工程总公司派人员赴缅甸进行桥梁选线和基础物探。

3应用领域

初期铁路工程物探只应用于找水和土石界线划分，现在的应用领域已深人至从初测到定测的铁路勘测各个阶段，并已延伸至施工和运营的工程质量检测中。按解决的地质问题分类，应用领域有:划分土石界线;进行第四系松散地层和岩石的分层;测定断裂构造的存在，产状和富水状况;圈定密集节理带;不良地质中岩溶、滑坡、岩堆和地下洞穴探测;特殊土中软土、裂土、冻土、膨胀土探测;在找水中圈定富水带、划分咸淡水界线，寻找热水等。按应用于工程分类，应用领域有:选线工程物探潞基工程物探;隧道工程物探;桥梁工程物探;站场工程物探;地铁工程物探;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。按应用于工程质量检测分类，应用领域有:隧道衬砌混凝土质量检测;支挡建筑物质量检测;公路路面和铁路路基质量检测;地基灌浆等处理效果检测;管线、堤坝、渗漏检测;桩基检测等。按测定物理参数分类，应用领域有:测定大地导电率;测定土壤电阻率、测定剪切波速率;测定常时微动;土石密度;弹性模量及有关土体动力学参数等。

3.1选线工程在宏观上查清地质结构和构造格局，发挥工程物探优势，避免在线路比选上的失误。例如在西安至南京线越秦岭选线中使用了航磁、地磁、直流电法、高密度电法、大地电磁测探、地震折射、反射和测井等10种物探方法，充分发挥了综合物探具有点、线、面、体、多层次、多参数的特色。在面积2250kmZ测区内，查清了深大构造6条;冰水层沉积、黄土滑坡、崩塌、泥石流、岩溶等不良地质范围，为埋深1700m、长nkm的特长隧道提供了可靠资料;又如充石线在通过郊庐大断裂中段时，在沂沐河高烈度地震区应用直流电法、地震折射法、磁法查清了桥渡区隐患断裂构造的位置、规模、产状和岩石破碎程度，为特大桥选出了相对比较稳定的“安全岛”。

3.2路鑫工程探测深度较浅，探测精度要求较高，主要需查清软土、膨胀土、裂土、冻土等特殊土的分布范围，垂向分层，各层厚度，岩性、成因类型、物理力学指标、下卧层工程地质条件等。例如在南昆线百色段，用地质雷达探测了膨胀土路基的分层、岩性，施工时土工布的分布情况;用瑞雷面波速度与静力触探相关，给出分层，分段的承载力;又如在南昆线用电阻率法，地震反射法查清了龙床地裂的红土分布规律和性质。

3.3健道工程由于地形复杂埋藏深，钻探等方法有一定困难，因此物探手段尤为重要。物探可提供隧道设计高程部位的岩性、围岩类别、构造破碎带、富水带、软弱层等，一般探测深度以400~600m居多，近年来超过千米的深埋隧道也多次出现。例如京九线孟良山隧道长1.78km、埋深300m，岩性以变质岩为主。应用地震折射法确定全隧道的围岩分类，查出6条低速岩石破碎带和软土带;用高密度电法、自然电磁法、甚低频法查出7处岩石破碎含水异常带，并追踪了地下水的补给、排泄和分布。南昆线米花岭隧道长9380m，最大埋深700m，岩性主要是泥岩、页岩。用地震法、电法和测井，查清了隧道设计高程部位的岩层、岩性、断裂构造，构造储水性质，水量大小，并对施工过程中能否发生突泥突水和围岩稳定性作了评价。渝怀线圆梁山隧道长gkm、最大埋深1400m，岩性以灰岩为主，断裂破碎密集，岩溶发育，地表有较大泉水出露，物探采用可控源大地电磁探测法，前后经四次勘测，查清了多条断裂破碎带的分布，并与岩溶相同，提出了隧道洞身设计高程处存在有大面积富水带，经施工验证准确无误。例如宜万线加深地质工作中，有8座隧道使用了可控源大地电磁检测法，探查岩性、构造和含水情况均有较好的效果。

3.4桥梁工程主要查清水下第四系松散层的厚度，岩性、分布和相关动参数，基岩的分层、岩性、风化层、断裂构造。上世纪五、六十年代大桥设计院曾在黄河禹门口大桥、黄河济南大桥、长江枝城大桥上作水上电测探法和电剖面法。现在常规使用的方法是浅海剖面法(声纳法)、水上地震反射法、地震折射法、地震影像法等，在京沪高速铁路南京长江大桥、大连开发区浅海湾大桥、厦门跨海大桥工程、鲁宁输油管线等工程的勘测中，均取得良好效果。

3.5水源工程物探找水在铁路系统最早、应用最广、使用效果也最佳。使用的物探方法以直流电法为主，辅之以激发极化法、地震法、磁法。物探找水，实质是找储水构造，找含水层，找隔水层，找地下水运动通道。在第四系找含水沙层和隔水粘性土不透水层，在基岩中找含水的各种裂隙、破碎、风化层和隔水的泥岩、页岩等。例如京广线韶关区段站找水，采用电测法和电剖面法圈定了隐伏岩的溶洞分布及富水区;又如充石线泅水站找水，应用电侧探法、电剖面法、音频大地电流法、自然电场法、激发极化法和测井，在缺水山区找到了日产水量800t的井位;再如在兰州铁路局洛门疗养院用四条电测深剖面找到了埋深15Om的热水水源;再如在尼日利亚拉格斯，用电测深法在海滨咸水区找到了埋深120m的淡水水源。

3.6地铁工程需探查地下管网和古建筑基础，对第四系进行分层并给出相关的物理系数。例如北京地铁西单车站，位于繁华的长安街上，建筑密集，车水马龙，钻探布孔位置有限，物探作了大量工作补充其钻探量之不足，用地质雷达和管线探测仪查清了地下各种管网和古建筑基础，用高密度地震影像提供连续的地层剖面，用地震纵横波速度划分围岩分类和计算有关动力参数;又如广州地铁用瑞雷面波法，查明第四系松散推积层厚度和岩性、下伏岩的起伏和风化深度，并提供了用于围岩分类的波速值。上海地铁的勘测中也做了大量物探工作。

3.7岩溶物探查清岩溶发育范围，埋藏深度和厚度及所处的水文地质环境。例如京沪线泰安站区段，出现严重的地面坍陷，采用以电测深法为主，地震法、激发极化法、音频法、降低频法为辅综合物探方法，对塌陷区进行探查。查清了岩溶分布范围、形态、特征、发育规律和填充情况，提出了治理建议。浙赣线分宜站用以电测探为主的综合物探方法查清了岩溶坍陷原因;再如南昆线用频率测探法、地展反射法和瑞雷面波法对200km长的岩溶路基全面进行了普查。京广线大瑶山隧道岩溶整治工程，用综合物探方法查清了岩溶发育规律及与断层的关系，为岩溶整治提供了可靠的依据。

3.8滑坡物探查清滑坡体的范围、规律、滑动面位置、形态特征和地下水等。例如南昆线八渡滑坡应用瑞雷面波法与电测探、地震反射法配合，查清了深埋70m的滑动面。陇海线DK1370路堤滑坡，用电测探法查清了路堤滑坡与老滑坡的边界、规模、滑面、和形态。探查西安骊山滑坡时，使用了新技术声发射法，取得了良好效果。

3.9工程质t检测为确保工程质量，对隐蔽性工程采用无损检测方法已成趋势。铁路工程物探于20世纪80年代进人该领域，已有20年历史，在5个检测项目中，有35个成就的检测内容。并编制了技术标准。已做隧道检测930km、路基检测240km、挡墙检测260km。(l)路基无损检测，主要含道床、基床、基底3个方面的内容。(2)支挡建筑物无损检测，主要含上挡墙、下挡墙、墙基础3个方面的内容。(3)隧道无损检测，主要含隧道衬砌、隧道背后回填和地质环境3个方面的内容。(4)桥梁无损检测，主要含桥基础、桥基台和桥梁3个方面的内容。(5)基桩无损检测，主要含路基基桩、桥基桩和锚索桩3个方面的内容。

3.10考古物探该项工程从20世纪60年代开始，初期使用电测探法，进而增加了地质雷达法。主要是探测古建筑风化厚度，古建筑物基础、地下埋藏的文物等，曾做过大同石窟大佛风化厚度、四川乐山大佛风化厚度、少林寺古塔基础、西安古墓群、火车震动对龙门石窟影响、北京故宫地下埋藏分布状况等。

4展望

4.1物探是地质信息产业，随着工程物探后50年的到来，地质信息的探测领域将不断扩大，探测精度也不断提高。工程信息的探测，将有一个较大的飞跃。环保信息的探测将有所涉及和发展。

4.2使用物探成果的地质、工程、环保专业技术人员，对物探取得的信息将十分了解，对其成果资料能运用自如，物探专业技术人员也必将十分了解地质、工程、环保对物探的要求，专业之间互相渗透已是趋势，但专业之间不能互相取而代之。

4.3对不同的信息技术，应采取不同的技术方法和仪器设备。应当有探测lm之间的厘米级精度仪器，也应当有探测千米以上的仪器，仪器的探测深度与精度要求不能两全。

4.4物探提取的信息，其载体现在仍以纸为主，成果图在纸上，技术报告在纸上。今后载体是计算机，野外数据采集在计算机上，资料分析在计算机上，成图在计算机上，成果在计算机上，计算机形成网站，资料提供给全路，提供给全社会。

4.5物探有别于钻探，是体积勘探，信息量极大，现以二维剖面为展示主体，今后应以三维立体或四维为展示主体。