工程物探技术发展前景展望

  未来的5年是工程物探发展的黄金时期，这一方面是由于未来几年国家基本建设投资的势头未减，市场形势较好，另一方面是计算机技术与工程物探技术的融合更加紧密。未来几年国家基本建设规模持续不减，每年有几万亿的工程投资。国家的‘7918'高速公路网建设、1万5千公里的高速铁路建设，水利水电建设、城市地铁网建设等基础建设工程，包括各省地的高速公路建设项目，这些工程建设项目为工程物探技术的应用提供了广阔的市场，不断对工程物探技术提出新的要求，推动着工程勘查、检测新技术和新仪器的开发。除了很多新规划的项目之外，还有很多工程病害治理项目和防灾项目，需要工程物探技术参于，这是推动工程物探技术发展的原动力。

  工程物探技术和仪器水平的提高得益于计算机技术的发展，使得物探信息的采集、存储、处理技术更加高效、成熟。计算机软硬件技术与工程物探技术的融合日益紧密，使得新仪器的创生周期更短、水平更高，使得实时成像的要求得以实现。上述这两种原因使我们有理由对未来5年的工程物探前景表示乐观。虽然经济发展中还有很多不确定的因素，但是有几个需求方向和仪器开发动向是很明确的，现分述如下。

  未来5年国内主要工程物探需求包括：

  1. 高速公路和高速铁路建设的工程勘测与工程检测。高速公路和高速铁路建设是今后几年国内最大的基础建设投资领域，除了实现国家规划的‘7918'高速公路网之外，各省地的高速公路建设比重也很大。国家规划拟建高速铁路网长度超过1万5千公里，投资2万亿。这些工程都是高等级线路，特别是位于西部的工程，翻山越岭，桥梁、隧道比率很高，工程的难度大，需要工程物探技术参与的工作除了工程物探勘查之外，还有大量的施工质量检测和工程病害诊断工作。隧道超前预报、衬砌质量检测、桥基岩溶探查、混凝土浇注质量检测、路基路面检测、岩土边坡评价、桩基锚杆检测等探测与评价工程需要大量的工程物探工作。根据以往工程的经验，工程物探的费用大约占工程总投资的0.2-0.4%，在高速公路和高速铁路建设中，每年工程物探完成的投资超过数十亿。这一巨大的市场需求推动着工程物探技术的发展和工程物探队伍的成长。

  2. 城市地铁与道路建设的地质探测与工程检测。城市交通成为城市建设的重点工程，地铁建设是缓解城市地面交通拥挤、净化城市环境的重要选择，目前省会级城市都开始了兴建地铁的计划。地铁建设中的地质勘查、挖掘中的超前预报、混凝土衬砌的质量检测、地面变形量测等都不能缺少的工程物探工作。路面扩建、新建筑场地选择也都少不了地下管线、地下人防工程的探测，路面塌陷隐患的探测也是很多城市面临的头痛的问题，这些都为工程物探技术提供了展示的机会。

  3. 水利水电建设与病险水库诊断。我国的水利水电建设稳步发展，西部的水电开发步伐加快，三江上游的几座大型水电项目正在同步进行。此外，国家对水利设施的建设与整治的投入明显加大，特别是关系到工农业生产和人民生活的水源保障工程正在加紧进行，每年中央和地方都有大量投资用于病险水库整治与修复。病险水库的坝体质量、坝基渗漏、坝肩渗漏，大型电站的地下厂房岩体稳定、高边坡岩体稳定等检测与评价工作都需要工程物探技术。

  4. 桥梁病害诊断与评价。我国现有存在病害的桥梁近万座，每年新增病害桥梁近千座，这些桥梁绝大多数都是预应力混凝土桥梁，需要检测与评价混凝土的密实性、强度、缺陷、孔隙空洞、预应力、预应力管道注浆密实度、钢筋锈蚀等内部结构状态，正确地诊断分析桥梁病害的原因、部位，以便采取合理的加固处治措施。传统的外观检测技术已经不能满足混凝土结构内部病害诊断的需求，急需发展高分辨的、直观的、反映结构内部状态的地质雷达、声波CT、超声成像等工程物探高技术。目前能从事桥梁结构无损检测的技术队伍并不多，使用的技术手段不够先进与齐全，远不能满足实际的工程需求，这是一个巨大的潜在的技术服务市场和新仪器开发领地。

  5. 煤矿安全开采中的地质病害预测与诊断。我国煤矿安全事故时有发生，突水、瓦斯爆炸夺去了很多矿工的生命，给千万家庭造成痛苦，给国家造成亿万经济损失。这些灾害多数原因是由于地质原因引起的，对富水构造、含气构造的预报是减少和避免煤矿灾害的重要途径。而含水构造、含气构造都与断裂构造有关，因此，对煤矿地质构造的详细探测研究是进行煤矿灾害预测的前提。煤矿精细构造的研究并非易事，一般煤层埋深几百米，从地表探测几百米深处煤层1-2米规模的断裂构造，对于现有的地震反射和高密度电法都是很困难的。从开采巷道内部进行灾害预报相对精度可以提高，但是巷道内观测时地震回波来至不同方向，资料处理中需要认真判别与剔除；电法观测时对空间电场的解释与地表情况也不相同。现行地表的物探方法都不能简单地用于井下勘探，需要进行技术创新。煤矿灾害预报需求迫切，市场巨大，目前的探测技术又不很成熟，需要研究探索，因而这会成为未来几年的研究热点。

  6. 汶川地震灾区重建的工程物探。5.12汶川地震造成了巨大的人员伤亡和建筑破坏，地表开裂、山体滑坡、建筑倒塌、桥梁折断、隧道坍塌、道路倾覆，灾区面貌破烂不堪，国家已经推出1.6万亿的重建规划。要治愈地震创伤，进行灾后重建，首先要面对受灾建筑物损毁程度的检测与评价，重建中地质条件的探查。由于灾后的坍塌破坏，工程勘查条件变得复杂。受害桥梁、隧道、建筑物的受损程度与剩余功能、利用价值、加固措施等一系列检测评价工作，难度大、数量多，都需要工程物探技术参与。这些工作对物探技术提出了新的挑战，也是物探技术发展的良好机遇。  在工程物探巨大市场需求的带动和计算机技术的推动下，未来几年工程物探技术与新仪器的开发将呈现良好的势头，开发水平将大大提高，新仪器将以高分辨、高可靠性、实时成像仪器为主流。如下几个方向的开发将成为研究热点。

  1. 混凝土结构检测的超声成像技术。混凝土的质量检测比金属检测难得多，它是非均质材料，骨料、孔隙等结构的影响，散射与吸收作用强烈，每厘米能量衰减几个分贝，比金属高一个数量级，探测深度和分辨率矛盾突出。目前混凝土桥梁、隧道衬砌都需要高分辨实时成像检测手段，市场需求很大，但是国内没有混凝土成像类的检测设备。俄罗斯和法国已开发出两款用于混凝土结构检测的超声成像技术，前者利用超声散射成像原理和SAFT（合成孔径聚焦扫描）技术，后者利用相控阵扫描技术。分辨率达到厘米级，探测深度超过1米，基本能满足大多数混凝土结构的检测要求。这两种仪器正要进入中国工程物探市场，将给混凝土结构检测提供可靠手段。这必定会促进国内的仪器开发热情，在引进消化的基础上，不久的将来创造出自己的新一代的高分辨、实时超声成像设备。

  2. 煤矿超前地质预测的地震成像技术。煤矿安全生产受到高度重视，目前在煤矿开采过程中普遍开展了超前预报工作，使用的技术有TST地震超前预报技术、瞬变电磁探测技术、直流电法探测技术。这些技术在煤矿超前预报中处于实验阶段，还欠成熟，这是因为煤矿井下的工作条件与地面和隧道有很大差别。对于煤矿的超前预报，要获得高的定位精度和分辨能力，应该首选以波动方程为基础的TST地震方法。煤矿的超前预报比一般的隧道超前预报难度要大得多，因为煤矿开采巷道一般较窄，2m左右，超前预报观测布置横向孔径比隧道小，波速分析和定位精度难度更大；同时煤层与顶底板岩层的界面波、转换波、煤层内槽波、上下层反射波等波相比隧道场合更复杂，更严重，波相判别和滤除难度加大。这些因素都要求在煤矿超前预报中对观测方案、资料处理技术作相应的改进，以便获得更可靠的结果。因此未来的几年内，针对煤矿超前预报的高可靠性的地震成像技术将成为一个研究热点。

  3. 城市道路与管道声波成像技术。城市化发展与改造过程中，经常需要探测地下管线、地下构筑物。如道路扩建、地铁、立交桥及大型建筑物兴建中需要了解地下电力管线、通讯管网、上下水管网、人防工程、地铁线路等的位置、埋深、走向等情况，需要工程物探技术。目前采用的技术主要有地质雷达和金属管线探测仪。这两种技术都对金属管线敏感，对非金属无能为力，探测深度有限，1-2米以内。目前城市地下工程需要了解20m左右深度内的地质情况，这些技术不能满足实际需要。近年由于地下工程施工扰动，地下排水冲刷，常造成地下空洞，在暴雨季节造成路面塌陷，这种隐患的探测需要有超过5m的深度和0.5m的分辨能力。目前的地质雷达的探测深度和分辨率都达不到这种要求。实际上声波的穿透能力和分辨率都优于电磁波，采用相控阵扫描成像技术可以满足20m以内的精细探测要求，分辨率达到0.5m，实现实时声波扫描成像，这是一个很有前途的发展方向。

  4. 地下含水构造探测的高分辨核磁共振成像技术。在隧道、地铁、采矿等地下施工中，发生地质灾害的主要原因多是由于地下水造成的。地下水的探测成为灾害预测的主要对象。目前的地下水探测主要是构造探测，通过地质构造分析含水的可能，称为间接探水方法。核磁共振是一种直接探水方法，前苏联和法国已经开发出核磁找水仪器。该仪器利用水中的氢质子在地磁场强度下产生核磁共振。因为地磁场强度低，0.3-0.6高斯，核磁共振的拉莫尔频率较低，仅为0.8-3KHZ，自由衰减信号的能量较低，信噪比低，不易接收。此外在局部场地内地磁场是均匀场，核磁共振是区域性的，无法区分含水体的具体位置。在医学诊断的核磁共振MRI方法中，主磁场是高强度的梯度场，一般为0.15-3T，各部位磁场强度不同，核磁共振频率不同，在6.3-136MHZ之间，可以通过频率扫描或场强扫描进行不同部位的成像，空间分辨率可达10微米[8]。在隧道、地铁、煤矿等地下水的超前预报中核磁共振是一个有力的工具，有巨大的需求。如果用直流线圈产生足够强的梯度磁场，就可象医学MRI一样，获得不同深度的核磁共振成像。这在技术上没有太大的困难，相信几年之内可以实现隧道、煤矿内含水体的核磁共振预报。

  5. IBIS微变形测量技术。融合航天遥感的频率步进、干涉和合成孔径三大技术的IBIS测量技术开创了结构动静态变位高精度、高分辨率、遥测的新时代。它可以用于桥梁、建筑物、大坝、边坡的动静态检测，桥梁等线形结构的测量精度可达0.01mm, 边坡、坝体等二维测量的精度可达0.1mm。该技术的一个特点是高精度，另一特点是空间和时间上的连续测量，具有广阔的应用前景。

  6. 高速铁路钢轨裂损电磁检测技术。目前高速铁路采用长轨，列车运行速度高，铁轨的裂损是高速列车运行的隐患。在铁路工务检测中也包含钢轨裂损的检测，但使用的方法是超声波反射法，设备陈旧、技术落后、检测效率低。因此客观上需要高技术的钢轨检测设备。英国和法国分别开发出两款以电磁感应原理为基础的钢轨检测设备，图像显示、数字存储、测量速度快，很适合高速检测需求。目前因售价格较高，国内还未引进。该方法技术难度不大，市场需求迫切，近期国内会有企业投入开发，相信几年内会有国内开发仪器上市。

  7. 超声导波检测技术。超声导波检测技术的试验与应用已经证明了它的特殊效能与魅力，对金属管道、压力容器、薄板等结构缺陷检测疑难问题的解决展现了新的希望，特别是使用英国生产的TELEST超声导波检测仪进行的L（0,2）模态低频段对输油气管道内外腐蚀进行的检测实验，对长期以来寻求油气管道内外腐蚀检测技术的石油输送系统是不小的一个福音。英美等国开发的超声导波检测仪器将会大量进入中国，这也会诱发国内对超声导波检测仪器的研究与开发热情。应用超声导波技术进行油气输送管道内外腐蚀检测的工程项目将大量展开，同时也会带动国内超声导波检测技术的研究热潮。