井間電磁波CT法在工程中的應用

喻 春，段義敏，沈瑞文，趙維新，王 俊

（1.中國人民武裝警察部隊黃金第十二支隊，四川成都611732；2.成都理工大學地球物理學院，四川成都610059；3.中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，云南昆明650011）

井間電磁波CT法在工程中的應用

喻 春1,2，段義敏1，沈瑞文1，趙維新1，王 俊3

（1.中國人民武裝警察部隊黃金第十二支隊，四川成都611732；2.成都理工大學地球物理學院，四川成都610059；3.中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，云南昆明650011）

主要闡述了通過在某公路大橋橋梁樁基附近施工鉆孔，然后在鉆孔中進行井間電磁波CT法勘察，并且結合鉆孔取樣資料，驗證井間電磁波CT技術探測結果這一工程應用實例，最終證明井間電磁波CT技術在橋梁樁基巖溶探測中是一種切實有效的物探勘察方法。

井間電磁波CT技術；樁基；巖溶；吸收系數(shù)

1 概述

在灰?guī)r地區(qū)，橋梁的樁基工程設計施工中，地下巖溶是造成樁體不穩(wěn)定主要的安全隱患之一。在施工中，樁體側面存在巖溶會造成漏漿；樁體完工后可能還會造成樁體傾斜等問題。而樁體底部5m內的巖溶甚至會造成樁體沉降，危害更大。為確保橋梁工程中樁基的安全，必須要查明地下巖溶相對于樁基的位置[1]。

隨著時代進步，施工技術要求的不斷提高，傳統(tǒng)的電阻率法、高密度電法、地震等傳統(tǒng)物探勘察方法均存在一定的局限性，在施工條件等諸多方面難以滿足當前工程物探勘查目的需求。然而隨著物探勘察技術的不斷發(fā)展進步，電磁波CT技術的出現(xiàn)與發(fā)展正好彌補了傳統(tǒng)物探方法的不足[2]。

電磁波CT成像技術最早廣泛應用于醫(yī)學領域，20世紀80年代后期被物探工作人員應用到物探勘查中，目前常用的主要有聲波、彈性波、地震波和電磁波、電阻率等幾種CT方法[3]。隨著相關理論和反演方法的發(fā)展與成熟，電磁波CT技術已經廣泛用于礦產、能源、工程地質與水文地質的勘察等方面[4]，能夠確定異常體的位置和產狀，是一種非常有效工程勘察手段。

2 方法原理

井間電磁波CT技術是在鉆孔中進行電磁波CT（0.5～32MHz）測量。分別在2個鉆孔中A孔放置發(fā)射機、B孔放接收機[5]；當A孔沿孔深的發(fā)射點依次發(fā)射出電磁波，通過鉆孔之間介質進行傳播，并被不同的介質吸收和衰減之后，在B孔相應接收點被接收。然后AB孔收發(fā)進行對調，最終組成1個兩孔間的測試剖面[6]。電磁波CT測試原理圖見圖1。

圖1 電磁波CT測試原理圖

電磁波涉及在地下半空間的輻射、傳播和接收，通過電磁波傳播理論表明，在地下介質中電磁波的發(fā)射和接收存在以下關系：

式中：E——通過觀測取得的場強幅值；

E0——場強的初始輻射值；

R——電磁波沿直線傳播的路徑長；

dr——路徑的積分線元；

β——地下介質的吸收系數(shù)；

f——與發(fā)射和接收天線有關的方向因子函數(shù)[5]。

地下介質對電磁波的衰減系數(shù)可用下述公式表示[5]：

式中：ω——天線角頻率；

β——地下介質對電磁波的衰減系數(shù)；

ur——介質的相對磁導率；

σ——待測介質的電導率；

εr——待測介質的相對介電常數(shù)[5]。

通過上式表明，當ur、εr在一定的條件下，β主要與σ有關。σ越大，β就越大，介質的密實性就較差；反過來，σ越小，β就越小，介質的密實性就較好[5]；

得出結論：當電磁波穿越不同的地下介質（如不同的巖礦體、溶洞等）時，由于不同介質對電磁波β的吸收存在差異：電磁波的吸收越強，電阻率越低，反映巖體破碎、完整性差，溶洞內充填粘土或充水等；數(shù)值越小，說明巖體對電磁波的吸收越弱，為空洞或完整巖體的反映。從而在電磁波層析成像呈現(xiàn)負異常，如同“陰影”，我們就是通過利用這一“陰影”的特性來判斷目標地質體的形態(tài)[5]。這種方法與醫(yī)學上的CT透視相似因此而得名電磁波CT技術[7]。

3 應用實例

3.1 工區(qū)概況

在建的某公路大橋橋梁樁基施工中發(fā)現(xiàn)位于灰?guī)r地區(qū)，地下巖溶較為發(fā)育，工區(qū)出露地層按照時間順序由老到新首先第四系轉石、卵石等其次是河湖相的沉積粘土再是石炭系威寧組灰?guī)r、白云巖等。

本次探測的區(qū)域屬灰?guī)r地區(qū)，基巖位于地下水位線以下，巖溶發(fā)育地段，電磁波能量的吸收相對基巖完整的地段要強，在電磁波吸收系數(shù)剖面上為大值反映，據(jù)此，可對利用電磁波CT法對巖溶發(fā)育規(guī)模、位置等進行判斷提供了地球物理前提。

為保證工程的安全需要進行巖溶探測，對樁基施工鉆孔，然后在2個孔之間進行井間的電磁波CT測量施工來進行探測。由于篇幅原因，所以本次探測僅選擇由CTZK01～CTZK02和CTZK02～CTZK03 2個剖面共同組成的剖面中的地下巖溶情況進行探測。

通過標本測試和早期鉆孔資料統(tǒng)計出工區(qū)內探測范圍主要巖土層電性特征（表1）。

表1 工區(qū)主要地層吸收系數(shù)

3.2 采用參數(shù)

此次剖面鉆孔電磁波CT工作中，在保證能夠有效穿透的前提下，根據(jù)具體情況，工作時電磁波頻率選用了12～32MHz。在不影響圖像質量的前提下，觀測時采用發(fā)射點距為1.0～2.0m，接收點距為0.5～1.0m的互裝置觀測。

在室外的數(shù)據(jù)采集使用廊坊物化探所研制的JW-5Q型電磁波CT系統(tǒng)，儀器經過室內標定和野外重復觀測檢查，讀數(shù)穩(wěn)定，一致性好，符合規(guī)范対儀器的各項要求。野外數(shù)據(jù)采集檢查觀測點數(shù)滿足相關行業(yè)規(guī)范要求。

對數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理，按照0.5m×0.5m或1.0m× 1.0m規(guī)格劃分，進行反演計算時運用代數(shù)重建算法（ART）和聯(lián)合迭代重建算法（SIRT）相結合的綜合算法處理采集的數(shù)據(jù)，得到最終的結果。

3.3 資料解釋

本剖面由 CTZK01～CTZK02和 CTZK02～CTZK03 2個剖面組成，實測場值在-50～-110dB，總體上信號隨深度增加逐漸增強，電磁波CT反演吸收系數(shù)色譜圖見圖2。

在圖2中可以看出電磁波吸收系數(shù)大于3.0dB/m的異常區(qū)域主要有3個。分別用黑色粗線勾畫。按照埋深對異常進行統(tǒng)計，如表2所述。

通過對鉆孔CTZK01、CTZK02、CTZK03 3個鉆孔進行巖芯取樣分析，并繪制出柱狀圖(圖3)，與電磁波CT反演吸收系數(shù)色譜圖進行異常的對比，顯示推斷異常位置吻合準確，兩者一致性較好。

圖2 CTZK01～CTZK02～CTZK03剖面電磁波CT反演吸收系數(shù)等值線圖及解釋成果

表2 電磁波吸收系數(shù)異常統(tǒng)計表

綜上所述，說明井間電磁波CT法在CTZK01～CTZK02～CTZK03組成的剖面上進行橋梁樁基巖溶探測效果明顯、直觀、準確。

但是最終成果是孔間介質電磁波吸收系數(shù)β值分布的色譜圖，它實際反映的是孔間介質在物性（主要是電阻率）方面的差異，是一個相對指標值。經計算得到的各剖面的視吸收系數(shù)β值，并不能完全對等起來，只能做對比分析。另外，受測試盲區(qū)影響，剖面頂、底部圖像精度降低，該部分解釋存在不確定性。

4 結論

通過本次井間電磁波CT法在橋梁樁基溶洞探測中應用實例，表明該方法效果顯著。說明在巖溶發(fā)育地區(qū)運用井間電磁波CT法進行工程勘察可以克服常規(guī)電法、地震等傳統(tǒng)物探方法施工條件苛刻的困難，并且探測結果更直觀，信息豐富，是一種高效經濟的物探方法[8]。

（1）如果能利用工區(qū)初期勘察時的鉆孔進行電磁波CT法探測，可以大量節(jié)約施工成本并且提供更加詳盡的地質資料。

（2）當有足夠多的鉆孔對某一固定樁基進行探測形成相互交錯的剖面探測，可以通過這些剖面數(shù)據(jù)嘗試建立一個三維的空間模型，這樣可以了解溶洞在地下的空間三維分布數(shù)據(jù)[4]。

[1]王曉群.電磁波CT在武漢地鐵巖溶勘察中的應用[J].城市建設理論研究（電子版）,2012(28).

[2]李永濤,陶喜林，等.井間電磁波CT技術在長江大堤巖溶探測中的應用[J].CT理論與應用研,2009,18(1):55-62.

[3] 于寧飛.淺析CT技術的發(fā)展[J].科技信息,2011(11).

[4]郭貴安,魏柏林.井間電磁波CT技術在溶洞探測中的應用[J].華南地震，1999,19(4):28-34.

[5]周欣,劉濤,尹極，等.電磁波CT技術在溶洞勘察中的應用效果分析[J].CT理論與應用研究,2012,21(4):659-666.

[6] 董亮，等.鉆孔電磁波CT技術在帷幕灌漿檢測中的應用[J].人民長江，2011(22).

[7]崔春林.鉆孔電磁波層析成像CT技術及其應用[J].山西水利科技,2005(1):83-85.

[8]何禹,李永濤,朱亞軍.鉆孔電磁波CT技術在深部巖溶勘探中的應用[J].工程地球物理學報,2010(4)：451-455.

P631.8

B

1004-5716(2015)09-0167-04

2014-09-23

2014-10-15

喻春（1983-），男（漢族），重慶人，工程師，現(xiàn)從事工程物探與礦產勘查工作。