岩土工程勘察中物探技术及数字化发展

肖 刚

（甘肃省建筑科学研究院(集团)有限公司，甘肃 兰州 730070）

物探技术作为一种非侵入性的测试方法，通过测量和分析地下的物理场数据，揭示地下介质的性质和结构特征，为工程设计和施工提供可靠的依据。传统物探技术如地震勘探、电法勘探等已经取得了丰硕的成果，但随着科学技术的发展和数字化时代的到来，数字化发展为岩土工程勘察带来了革命性的改变。传统的物探技术需要进行大量的人工操作和数据处理，效率低下且易受主观因素的影响。而随着计算机和信息技术的迅猛发展，数字化物探技术应运而生。通过将物探数据数字化处理，采用先进的算法和模型，可以实现对地下介质更加准确、全面的识别和分析。数字化技术还使勘察数据的处理、存储和传输更加高效、便捷，极大地提高了勘察工作的效率和精度。

1 物探技术概述

物探技术是一种应用于地质勘探、矿产勘查、工程建设、环境监测等领域的技术手段。它通过对自然界中存在的各种物质进行探测和分析，以获取有关地下构造、岩性、矿产资源储量、水文地质条件等信息，为人们的科学研究和生产活动提供有效的支持。物探技术的原理主要基于地球物理学的相关理论与方法。在物探的应用过程中，常见的方法包括地震勘探、电法勘探、重力勘探、磁法勘探和电磁法勘探等。物探技术在岩土工程中应用的优势包括以下几方面：

第一，非破坏性。传统的勘察方法常常需要进行大量开挖和钻探，这不仅浪费时间和资源，还可能对地下结构造成破坏。而物探技术可以通过无需破坏地表或仅需少量开挖的方式获取地下信息，避免了对工程现场的干扰和损坏，保护了环境和景观的完整性。

第二，高效性。传统的综合勘察方法往往需要耗费大量的人力、物力和时间，而物探技术采用先进的仪器设备和数据处理技术，能够在相对较短的时间内获取大量的地下信息。这样不仅加快了勘察进度，提高了工程效率，还为后续设计和施工提供了及时准确的数据支持。

第三，广泛适用性。无论是在岩石地质、土壤力学还是地下水等方面，物探技术都能提供丰富的地下信息。通过物探技术可以了解到地层属性、岩土体性质、地下水位与流动情况等关键参数，为工程设计和施工提供可靠的依据。无论是在建筑工程、交通工程还是水利工程中，物探技术都能发挥重要作用。

第四，准确性。采用现代物探仪器和先进的数据处理方法，可以获得高分辨率的地下图像和数据，使得勘察结果更加准确。这对于确定地下隐患、预测地质灾害、评估地基承载力等关键问题具有重要意义，能够有效降低工程风险，保障工程安全。

2 岩土工程勘察中物探技术的影响因素

2.1 信号质量分析

信号质量分析是评价物探数据质量的一种方法，通过对采集到的信号进行分析，可以评估信号的清晰度、噪声干扰、信噪比等指标，从而判断数据的可靠性和有效性。

在物探勘察中，由于各种干扰源的存在，如电磁干扰、地质背景噪声等，容易使得数据受到干扰，导致信号质量下降。通过信号质量分析，可以准确地检测出噪声干扰，并对其进行抑制或者滤波处理，从而提高了数据的准确性和可靠性。在岩土工程勘察中，清晰的信号能够提供更多的地下信息，而模糊或不清晰的信号则无法准确反映地下情况。通过对信号质量进行分析，可以评估信号的清晰度和解析度，进而判断数据是否足够可靠，是否能够满足岩土工程勘察的需求。信噪比是衡量信号中有用信息与噪声信息之间关系的指标，高信噪比表示有用信息较多，而低信噪比则表示噪声干扰相对较多。通过对信号的信噪比进行分析，可以判断数据的可靠性，并进一步优化勘察方案，提高勘察效果。

2.2 信息数据的有效处理

在物探技术中，大量的信息数据需要进行收集、分析和处理，包括地下水位、电阻率、声波速度等多种物理量的测量值。通过合理的数据处理方法，可以降低因噪声、干扰等因素带来的误差，提高数据的精确度。同时，对数据进行统计分析和模型拟合，可以揭示地下介质的内在规律，为工程设计提供更加科学的依据。传统的物探勘察需要耗费大量的时间和人力进行数据处理和分析，而采用先进的信息处理技术，则可以实现自动化处理和大规模数据的快速分析。这样，不仅可以提高工作效率，也能够更及时地获取岩土地质信息，为工程决策提供实时支持。通过将不同类型的信息数据进行综合分析和整合，可以更全面地了解地下介质的特征和变化，为工程设计提供更全面、准确的依据。同时，有效处理的数据可以为岩土工程施工过程中的安全预警和现场监控提供有效支持。

3 岩土工程勘察中常用的物探技术

3.1 横波反射物探技术

横波反射物探技术是一种非破坏性的地球物理勘探方法，它利用地震波经过地下介质时的反射、折射和透射等特性，来推断地下层位和边界的存在及其物理性质，其中不同介质的电性参数如表1所示。相比其他物探方法，横波反射具有高分辨率、远距离传播等优点，在岩土工程中的应用主要体现在以下几个方面。

表1 不同介质的电性参数

地下地质分析：利用横波反射物探技术可以获取地下结构的信息，如土层厚度、岩层走向、断裂带位置等。这对地质工程的设计和施工非常重要，可以为隧道、地下管线等工程项目提供可靠的地质数据。

岩土层性质评估：横波反射物探技术可以通过分析波形特征和振幅变化来推断地下岩土层的性质，如固结度、孔隙比、密实度等。这些参数对于土壤工程和基础设计至关重要，能够帮助工程师合理选择施工方法和材料。

地下水位检测：横波反射物探技术还可以用于检测地下水位的位置和深度，从而评估地下水资源分布情况。这对于水利工程和地下水开发具有重要意义，可以指导井位布置和水资源的合理利用。

工程质量检测：横波反射物探技术在岩土工程中还可以用于工程质量的检测和评估。通过监测地下结构的变化和异常，可以及时发现地下涌水、地层破裂等问题，保证工程的安全和稳定性。

3.2 GIS勘察技术

GIS技术是一种将空间数据与属性数据相结合的技术，它可以对各类数据进行集成、管理和分析。在岩土工程勘察中，GIS技术能够提供以下几方面的应用。

勘察区域的数据收集与管理。通过GPS定位技术和无人机影像获取技术，可以实现对勘察范围内土地利用、地形地貌、植被覆盖等现场信息的快速采集。通过将这些数据导入GIS系统，可以高效管理、存储和检索数据，实现数据的统一化和协同化管理。

勘察区域的地质地球化学数据分析。地质地球化学数据是岩土工程勘察中重要的依据，通过将不同来源的地质地球化学数据输入GIS系统，可以利用GIS强大的空间分析功能，对这些数据进行整合、叠加和分析，得出有效的结果。例如，可以通过GIS技术生成地质剖面图、地质构造图等，帮助工程师更好地理解勘察区域的地质特征。

勘察风险评估与决策支持。在勘察过程中，GIS可以结合其他辅助数据，如气象数据、水文数据等，进行灾害风险评估和预测。基于这些数据，可以利用GIS技术进行空间分析，为工程决策提供科学依据。例如，在选择工程建设区域时，可以使用GIS技术评估地震、滑坡等地质灾害的潜在风险，帮助选址和规划。

勘察结果的可视化与展示。利用GIS技术，可以将勘察结果以地图、图表等形式进行可视化展示，使工程师和相关决策者更直观地了解勘察区域的情况。这有助于信息的传递和共享，提高沟通效率，同时也方便其他相关人员对勘察结果的理解和利用。

3.3 多道瞬态面波物态技术

多道瞬态面波物态技术是一种现代化的岩土勘察方法，广泛应用于地质、地震和工程勘察领域。该技术结合了传统面波法和瞬态信号处理技术，能够提供更准确、可靠的地下介质参数信息。

该技术基本原理是通过在地表上布置多个传感器，记录并分析地震激发的多道面波信号。这些面波信号具有不同的传播速度和振幅，可以反映地下各层介质的性质和结构。在勘察过程中，将多道面波信号进行采集和处理，可以得到地下介质的剪切波速度、剪切波衰减系数和压缩波速度等重要参数。

在岩土工程中，可以用于地基承载力评估，通过分析地下介质的特性和变化，判断地基承载力的分布情况，为工程设计提供准确的依据。其次可用于地下水资源勘察，通过测量地下含水层的传播速度和衰减系数等参数，揭示地下水文条件，为工程建设和水资源管理提供重要信息。此外，该技术在地震灾害评估和地质灾害预测中也有广泛的应用。通过实时监测地下介质的变化和动态响应，可以提前预警地震风险和地质灾害隐患，减少人员伤亡和财产损失。

3.4 探地雷达技术

探地雷达技术通过电磁波的辐射和接收，能够获取地下结构和地质特征的数据，对于勘察人员进行岩土分析和工程设计提供了有力支持。

首先，探地雷达技术可以识别地下障碍物和管线。由于城市发展迅猛，地下埋设了大量的管道和电缆，它们会对工程的施工和稳定性产生潜在影响。通过探地雷达技术，勘察人员能够精确定位这些障碍物，并避免因为施工过程中损坏而导致的安全事故。其次，探地雷达技术可以确定地下土层及其性质。岩土层的特性对于工程建设至关重要，包括土壤的密度、含水量、压实程度等。使用探地雷达技术，勘察人员可以快速获得这些数据，并绘制出地下剖面图，以便更好地评估地质风险和确定相应的工程设计参数。此外，探地雷达技术还可以检测地下空洞或裂隙。地下空洞和裂隙是潜在的灾害源，会对工程建设造成严重威胁。通过探地雷达技术，勘察人员可以精确地发现这些地下空洞或裂隙的位置和大小，从而采取相应的地质处理措施，确保工程的安全性和稳定性。

4 岩土工程勘察技术数字化发展前景

4.1 数字化建模法的推广应用

数字化建模法使用先进的计算机技术和软件工具，将传统的手工绘图、纸质文档和人工测量等方法替代为数字化的数据采集、处理和分析过程。这种方法极大地提高了勘察效率和精度，同时减少了人力资源和时间成本。

首先，数字化建模法提供了更全面、准确的勘察数据。传统的勘察工作需要依赖人工测量和手工绘图，容易出现误差和遗漏。而数字化建模法通过激光扫描、无人机摄影等先进技术，可以快速获取高精度的三维模型和地形数据，使得勘察结果更加真实可信。其次，数字化建模法支持多学科数据集成和分析。岩土工程勘察需要考虑地质、水文、地形等多个学科的数据，而传统的方法往往需要分别进行采集和处理。而数字化建模法可以将各种数据进行集成，并通过三维模型的可视化和分析工具，实现多学科数据的交叉验证和综合分析，提供更全面的工程决策支持。此外，数字化建模法还可以进行虚拟仿真和风险评估。在岩土工程勘察中，对地下工程的风险评估十分重要。传统的方法通常需要进行大量的物理试验和现场观测，而数字化建模法可以通过模拟真实的环境和荷载条件，进行虚拟仿真和风险评估，提前发现潜在的问题和隐患。

4.2 计算机技术与勘察紧密结合

计算机技术提供了高效的数据处理和分析能力。过去，勘察工作需要手动收集、整理和分析大量的数据，费时费力且容易出错。而现在，通过使用计算机软件和数据库，可以自动化地收集、存储和管理数据，大大提高了数据的质量和精确度。同时，计算机还能够进行复杂的数据分析和模型计算，快速得出勘察结论和预测结果。计算机技术使勘察工作更加安全和便捷。在传统的岩土工程勘察中，工程师需要亲自深入现场进行勘察，面对危险和困难。而现在，通过使用无人机、激光扫描仪等现代化设备，可以对复杂的地形和地貌进行高精度的三维扫描和测量，减少了勘察人员的风险。此外，计算机技术还使得勘察数据的传输和共享更加方便，勘察人员可以通过互联网远程获取和处理数据，节省了时间和精力。最后，计算机技术推动了岩土工程勘察的智能化发展。

5 结束语

物探技术的应用为岩土工程提供了更准确、高效的数据支持，为工程设计和施工提供了更可靠的依据。数字化的普及与推广，使得数据采集、处理和分析变得更加智能化和自动化，提高了勘察工作的效率和质量。随着物探技术与数字化的发展，岩土工程勘察能够更准确地了解地下土层的性质、工程地质风险的分布，并能提前预测和评估工程风险。这将为城市建设、交通基础设施、能源开发等领域提供强有力的支持，保障工程安全，推动社会进步。