交通运输论文工程物探技术应用方向论文范文

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发布时间：2013-07-22 10:14:32 更新时间：2013-07-22 10:34:18

　　本文选自国家级期刊《科技致富向导》，《科技致富向导》杂志是经科技部和国家新闻出版总署批准，由中国科学技术协会科普部、山东省科协主管主办的国家级正规刊物，杂志融新闻性、科技性、创新性、可读性、针对性为一体，以“引领科教新潮流，展现科技新成果”为宗旨，坚持对科技创新领域的研究与探讨，汇集高等院校、学术研究机构的研究成果、实战派的宝贵经验，集学术性、前沿性、实践性为一体，为科技、教育工作者打造一个学术交流的平台，提供一个展示学术成果的园地。杂志以一线科教工作者为对象，追踪科教工作新动态，关注基层科教工作者在其领域内的探索、创新实践活动和学术研究成果，是广大科教工作者阐释观点的理论平台。
　　【摘要】：本文介绍了几种常用工程物探技术的原理，通过对具体实例阐述、分析，以论证工程物探技术在长输管道勘察中的有效运用。并总结了不同勘察手段的优缺点，对长线状工程的勘察具有较好的参考价值。

　　【关键词】：工程物探技术,长输管道,勘察

　　引言

　　长输管道工程规模巨大，工程中的地质构造、地质发育复杂多变，所遇的问题较多，只有对管道沿线的各段工程地质进行充分的了解和认知，才能为制定有效的岩土工程勘察方案打下基础。高度重视选线勘察和初步勘察，确保勘察资料的真实和准确是长输管道勘察的首要任务。我国由于自然地理和地质条件差异很大，建设的长输管道地跨区域较大，岩土工程勘察内容随着经过区域的地貌特征的不同也不尽相同，因此采取便捷、有效的勘探手段，提高勘察质量对工程施工至关重要，同时也是为设计施工方案提供了基本依据。工程物探技术是勘察施工中对破碎带、溶洞、浅层构造及某些不良地质现象等分布最为有效的勘探手段，

　　物探具有工效高、成本低、应用广等优点，但各种物探方法的应用存在条件性、多解性等局限，通过对周边环境条件、地球物理条件的调查，合理地选择物探方法技术，并把物探与钻探有机的结合起来，可以大大提高物探解释的精度和可靠性，也可以大大减小由于钻探孔数较少而无法控制局部地质异常体的局限性，从而提高工程勘察工作质量。本文通过对物探勘察手段在长输管道勘察中的运用实例分析，总结了不同勘察手段的优缺点，希望对长线状工程的勘察提供参考。

　　1、高密度电阻率法的应用

　　1.1高密度电阻率法原理

　　高密度电阻率法建立在传统电法基础上，是一种阵列勘探方法，其基本原理与传统的电阻率法完全相同，它仍是以被探测体的导电性差异为基础的电探方法，研究在施加电场的作用下，地下传导电流的分布规律。地下传导电流的分布规律是高阻体(空腔、完整岩体等)排斥电流，低阻体(泥土、夹泥、含水破碎带等)吸收电流，在视电阻率断面上表现为高阻体呈现高阻异常，低阻体呈现低阻异常，异常的大小、形状、位置与实体存在一定对应关系，通过对地下介质体的电阻率差异的研究，可以分析地层的岩性、结构、构造等特征。野外测量时只需将全部电极（几十至上百根）置于测点上，然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现数据的快速和自动采集。当测量结果送入微机后进行数据处理，并给出关于地电断面分布的各种物理解释的结果。

　　图1高密度电法系统示意图

　　高密度电阻率法相对于常规电阻率法而言，它具有以下特点：

　　（1）电极布设一次完成，测量过程中无须更换电极，可以防止因电极设置而引起的故障和干扰；(2)能有效地进行多种电极排列方式的扫描测量，可以获得较丰富的地电断面结构特征的地质信息；(3)野外数据采集实现了自动化(或半自动化)，不仅数据采集快，而且避免了人工操作引起的差错；(4)可以实现资料的实时处理或脱机处理，可以根据需要自动绘制和打印各种成果图件；（5）成本低、效率高，信息丰富，解释方便，勘探能力和智能化程度显著提高。

　　1.2实例应用分析

　　四川普光气田是国内最大的气田之一，川气东送工程长输管线隧道工程地质勘察中，选用了高密度电阻率法对隧道轴线进行了连续探测，取得了较好的探测效果。

　　图2隧道轴线高密度电法勘探反演断面图

　　图3工程地质剖面图

　　通过对图2隧道轴线高密度电法探测结果与图3工程地质剖面对比分析，可以看出连续高视电阻率区域地层岩性较完整，裂隙不发育；局部的低视电阻率区域则地层岩性不完整、裂隙发育并存在裂隙水。当高电阻率区域转变为低电阻率区域，反映了地层出现了异常现象，在图2的隧道出口侧有一个明显的低视电阻率异常区，异常范围较宽，延伸较深，呈上小下大似仰头的鸡嘴状，推断为存在裂隙水的岩层破碎带。在发现电阻异常区后，普光气田通过地质测绘与钻探分析证实，异常区裂隙发育程度强烈，岩层脆弱易碎。如果隧道出口位置接近电性低阻区域，施工过程可能出现掉块或坍塌，会给施工安全带来很大的隐患。本次采用高密度电阻率法圈定出了隧道轴线经过区域的岩层破碎带分布情况，为隧道安全施工提供了保证，为隧道加固处理提供了依据。由此可见高电阻率法在探测岩层破碎带方面具有便捷高效性，尤其是在残积土和风化岩场地的勘察中使用，有着较大的发展前景和经济效益。

　　2地质雷达的应用

　　地质雷达是一种非破坏性的探测技术，以指向性强、分辩率高、抗干扰能力强等的优势在浅层地质勘察中显示了强大的生命力，并被广泛应用于浅层与超浅层地层调查、地质构造及其它地质特征等，将地质雷达技术和传统工程地质勘察手段相结合，为岩土勘察开辟了一条经济、快捷的新途径。

　　2.1地质雷达技术原理

　　地质雷达是以高频脉冲电磁波为探测场源，通过一个发射天线向地下发射一定中心频率的无载波电磁脉冲波，电磁波在地下传播过程中遇到介质的电性分界面后便发生反射或折射,反射回地面的电磁波被接收天线所接收。根据目标形态的差异、介质电性质不同，结合回波时间、幅度等信息，可探测地下目标体的结构和位置信息。

　　地质雷达探测原理示意图局部异常体图像图

　　根据电磁波传播理论，当电磁波垂直于介质1、介质2界面入射时，其反射系数的模可表示为：

　　由关系式可见，反射系数与界面两边介质的电磁性质和频率ω（=2πf）有关，若介质的电磁参数差别大则反射系数也大，反射能量也大;若介质间无差别，则反射波幅为零。通过对反射波的波形特征分析，可提取地下介质性质变化信息。在一定的发射功率保证的前提下，地质雷达可适用于浅层岩土电磁性质变化明显的界面探测，并当发射频率在50MHz～100MHz范围内时，探测深度可达到20m～50m。常见媒质的相对介电常数、电导率及传播速度与衰减地下反射体理深（H）和地质雷达波旅行时（T）的关系为：

　　式中，X为发、收天线距，V为电磁波在介质中的传播速度。

　　2.2实例应用分析

　　在鲁皖管道穿越京杭运河的工程勘察时，为寻找较好的穿越位置，结合地质雷达探测技术取得了较好的勘察效果，图3为原定穿越方案地质雷达探测结果。

　　图3原定穿越方案地质雷达探测结果

　　从探测图中可看出，从地表层向下8m~10m可看到基岩，基岩面表面起伏，并伴有小的破碎断裂；下伏稳定基岩起伏变化较大，夹有大的基岩断裂或断层破碎带。在20m深度左右地质发育有大的孔洞，管道如从此处施工穿越，一方面定向钻施工穿越难度大，另一方面定向钻易卡钻或定位调整较为困难，此处不适合管道穿越，以原穿越点为基准，通过对东西方向进行多条测线探测，在原定穿越点西部70m左右的位置地质雷达扫描图显示出连续、均匀的剖面（如图4），经过综合分析认为该处地层均匀、稳定，可作为定向钻穿越场地，最终顺利地进行了管道穿越铺设，验证了探测结果的准确性。

　　图4最终穿越方案雷达探测结果

　　3、浅层地震映像的应用

　　高密度地震映像法是一种地震波采集方法，通过合理选择偏移距，单点激发和接收，避免了其他波的干扰。该方法的数据处理较为简便，不需作动校正，避免了因做动校正造成的波形拉伸畸变。当地形起伏较大或剖面严重不均时，应进行静校正。当地震映像技术应用于水上时，如果产生的多次波能量较强，可通过一维数字滤波进行处理。

　　3.1浅层地震映像技术原理及特点

　　浅层高密度地震映像(共偏移距技术)，是建立在反射波法中的最佳偏移距技术基础上，利用一种或多种有效波、面波或转换波进行探测，采用相同的偏移距激发和接收来记录波形，通过共偏移距观测查明地质条件。在野外工作时，首先确定声波、面波等干扰波的范围及有效反射波出现的位置，确定最佳偏移距已达到最好的接收效果。

　　浅层高密度地震映像具有以下特点：

　　（1）数据采集速度快，并且可以利用多种波形反映地质条件变化。

　　（2）探测目的单一，只需研究横向地质情况变化，在浅层地质下，能够很好的确定最佳偏移距，效果较好。

　　（3）由于记录方式均采用相同偏移距，记录的时间变化主要是地质异常体的反映，为资料的分析解释带来极大的方便。

　　3.2实例应用分析

　　四川某油田在管道集输工程中，由于面临构造体系褶带背斜，隧道区域构造复杂，勘察中采用浅层地震映像法为辅助勘察手段，得出水平叠加时间剖面图（如图5所示），在测线13m～23m之间，同向轴不连续，振幅变小，初步判断由岩体含水破碎带所形成，综合判定该段为断层，经地质测绘和钻探验证了方法的有效性。本次通过对浅层地震法测试结果的分析，发现测区内构造复杂，不仅存在断层，并且山体发育有背斜、向斜，构造发育区内岩体易破碎、坍塌，对于隧道施工方案的确定提供了重要依据。

　　图5浅层地震映像探测时间剖面图

　　5工程物探技术在长输管道勘察中应注意的问题及不同勘察手段的特点

　　5.1工程物探技术在实际运用中应注意以下几个问题：

　　1）要遵循《输油气管道岩土工程勘察规范》(SY/T0053-97)，规范最低技术、安全和工作量标准，为管道工程制定安全施工方案提供科学依据。

　　2）长输管道工程地质复杂，问题较多，仅靠一两种勘探手段，难以达到预期目的，应综合开展多种勘探技术,将遥感、工程物探和钻探联合使用，取长补短，提高勘察水平。

　　3）长输管道建设穿跨越河流问题一直是工程施工的关键，选择合适的工程物探技术，准确的判断地貌特征，避开地质灾害的集中发育地段是物探技术应重点研究的方向。

　　5.2不同勘察手段的特点

　　物探技术作为岩土工程勘察的辅助手段，在多数重点工程勘察项目中被广泛应用，取得了十分满意的地质勘察效果，但不同物探方法有不同的优缺点。从表2可以看出，高密度电阻率法、探地雷达、浅层高密度地震映像法等都是非破坏性的原位探测技术，探测效率和精度较高，可以获得连续的探测剖面，优点明显，但他们又都有一定局限性和数据解释的多解性，实际工作中要扬长避短，合理选择物探方法技术，并需要结合地质、钻探、物探三方面资料，建立地质—地球物理模型进行综合分析，才能得到对探测区域地质模式的正确判断，提高工程勘察工作质量，更好的满足客户需要。

　　表２不同勘察手段的优缺点及适用条件

　　勘察方法优点缺点适用条件

　　高密度电阻率法探测剖面连续，工作效率较高，探测结果分辨率和精度较高；集电测深和电剖面装置于一体,一次布多个电极，可获得更丰富的信息，能有效判断地质变化规律，能发现规模性趋势。探测效果受周围介质电磁场影响较大，探测深度受电极排列长度限制，探测精度与电极距有关，视电阻率反演结果存在多解性。探测对象与围岩有明显电性差异；探测对象直径D与埋深H比≥0.2；信噪比大于3。

　　地质雷达数据采集速度快，可获得连续的扫描剖面，探测结果分辨率和精度较高。探测仪器成本高，易受外界金属物体或电磁场干扰，探测深度（有限）、精度与电磁波频率有关，地质解释存在多解性。

　　浅层高密度地震映像法能获得连续的时间剖面，数据采集较可靠，数据处理相对简便，勘探深度较大，可利用多波列获得较丰富的反射波信息，便于地质解释。易受振动波的干扰，存在多解性，探测分辨率与地震波长有关，对于尺寸小于1/4波长的地质体可能无法分辨；探测深度的精度受地层平均波速（估算）影响。探测界面两边介质有明显的波阻抗差异；反射界面视倾角小于30°。

　　钻探钻探深度较大、精度高，可以钻取芯获得直观的地层分布剖面和岩性特征。钻机笨重，受施工场地限制有时无法实施；成本高、效率较低；无法获得连续的地质剖面，有时会漏掉较小的不良地质体。

　　6结束语

　　工程物探技术在长输管道工程中应用取得了较好地质效果，其探测能力所得深度能满足工程需要，其探测结果所反映的是整条剖面的图象，不仅使它有钻探、触探等手段的功能，还极大地补充了钻探、触探未能了解的区段，使其提供的资料反映实际变化的地下连续剖面。物探技术受地形限制较少，并且具有耗时短、高效快捷等优点，但也有各自的局限性和多解性，在岩土工程勘察中合理的选择使用，不仅能更有效的解决工程地质问题，提高工作质量，还能减少工程投资，增加经济效益。因此工程物探技术应当随着科技的进步，不断开发新技术手段，在长距离管道勘察中发挥越来越大的作用。

　　参考文献

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