FCTEM小回線瞬變電磁法在鐵路橋梁基礎(chǔ)勘查中的應(yīng)用

謝昭暉，陳 清，吳牧陽(yáng)，徐正玉

(1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600；2.重慶璀陸探測(cè)技術(shù)有限公司，重慶 402660)

1 引 言

地質(zhì)斷層、地下暗河、隱伏溶洞等不良地質(zhì)體直接影響鐵路的設(shè)計(jì)與施工，查明這些不良地質(zhì)體的位置與規(guī)模是鐵路工程地質(zhì)勘察的重要任務(wù)。目前，鐵路工程中常用的地球物理勘探手段主要有：可控源音頻電磁法(Controllable Source Audio Frequency Magnetotelluric Method,CSAMT)[1]、音頻大地電磁法(Audio Frequency Magnetotelluric Method,AMT)[2]、高密度激電法[3-5]、地震波法[6, 7]以及瞬變電磁法[8-10]等。

可控源音頻電磁法(CSAMT)是一種頻率域電磁測(cè)深[1]，因頻帶范圍限制，存在一定盲區(qū)，且分辨率不高。音頻大地電磁法(AMT)更輕便[2]，但分辨率仍然不足。EH4將可控源與天然源相結(jié)合，兼顧深部與淺部，但仍然存在十幾米以上的盲區(qū)[11, 12]。高密度激電法具有點(diǎn)距小、數(shù)據(jù)密度大、效率較高的優(yōu)點(diǎn)[3]，但探測(cè)深度與分辨率受電極布置限制，地形影響較大，山區(qū)和城市適用性差。

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method, TEM)是利用不接地回線在地表發(fā)射脈沖電流，在脈沖間隙利用接收回線在地表接收地質(zhì)體感應(yīng)渦流場(chǎng)的地球物理勘探方法。一方面，由于發(fā)射電流存在關(guān)斷延時(shí)，接收回線中一、二次場(chǎng)信號(hào)混疊導(dǎo)致的采集延時(shí)，導(dǎo)致反映淺層地質(zhì)信息的早期信號(hào)丟失，故而存在探測(cè)盲區(qū)[13]；另一方面，關(guān)斷電流將使瞬變電磁響應(yīng)發(fā)生畸變，降低TEM方法的分辨能力[14]。

解決盲區(qū)的途徑主要有兩種：第一種是在響應(yīng)信號(hào)處理中校正關(guān)斷時(shí)間影響，國(guó)外學(xué)者從理論上推導(dǎo)了關(guān)斷時(shí)間的影響[15, 16]，國(guó)內(nèi)學(xué)者將其應(yīng)用到實(shí)際處理中，淺層效果有所改善，但仍與實(shí)際結(jié)果仍存在偏差[17, 18]；第二種是通過(guò)硬件縮短儀器關(guān)斷時(shí)間，因其直接改善一次場(chǎng)，更為關(guān)鍵[14]。

相較于以上幾種物探方法，小回線瞬變電磁法具有分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、施工方便的優(yōu)勢(shì)。本文從激發(fā)一次場(chǎng)角度介紹了FCTEM(Fast Cut-off Transient Electromagnetic)小回線瞬變電磁法，利用FCTEM小回線瞬變電磁系統(tǒng)成功在地勢(shì)復(fù)雜的山區(qū)查明淺層巖溶發(fā)育情況，以便于后期的鐵路施工。

2 FCTEM小回線瞬變電磁法

FCTEM小回線瞬變電磁法采用多匝小回線作為線圈裝置，一方面裝置小型化減小了體積效應(yīng)，提高了橫向分辨率；另一方面，隨著儀器采樣率大幅提升，更豐富的縱向地質(zhì)信息被記錄，提高了縱向分辨率。但是裝置小型化也帶來(lái)了線圈自感增大的問(wèn)題，導(dǎo)致關(guān)斷延時(shí)過(guò)長(zhǎng)。

通過(guò)對(duì)發(fā)射電流的頻譜分析可知，瞬變電磁激發(fā)的一次場(chǎng)頻帶寬，但能量集中在低頻段，高頻信號(hào)能量弱，直接影響淺表探測(cè)能力。信號(hào)能量主要受發(fā)射磁矩(線圈固定時(shí)與發(fā)射電流峰值正相關(guān))以及關(guān)斷時(shí)間影響。若關(guān)斷時(shí)間不變，增大發(fā)射電流峰值可以增大信號(hào)強(qiáng)度，各頻段占比不變。若發(fā)射電流峰值不變，縮小關(guān)斷時(shí)間可以提高信號(hào)高頻占比，信號(hào)總強(qiáng)度不變。就激發(fā)的一次場(chǎng)而言，高頻信號(hào)能量越強(qiáng)，淺層目標(biāo)感應(yīng)電流幅值越大，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。

增大發(fā)射磁矩且縮短關(guān)斷時(shí)間可增強(qiáng)淺層目標(biāo)響應(yīng)，但由于多匝小回線的電感特性，發(fā)射電流峰值增大，其關(guān)斷時(shí)間也會(huì)增大。所以增大發(fā)射電流峰值的同時(shí)縮短關(guān)斷時(shí)間比較困難，F(xiàn)CTEM瞬變電磁系統(tǒng)利用高速線性關(guān)斷技術(shù)[19]，該技術(shù)基于恒壓鉗位原理獲取線性度高的下降沿波形，實(shí)現(xiàn)了大電流下的高速關(guān)斷[20]，在保證探測(cè)深度的同時(shí)減小了瞬變電磁探測(cè)盲區(qū)。該系統(tǒng)由收發(fā)一體瞬變電磁主機(jī)、外接電池、一體化消耦線圈、采集電腦、RTK-GPS(拖曳時(shí)使用)組成，如圖1所示。

圖1 FCTEM小回線瞬變電磁系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of FCTEM small loop transient electromagnetic system

主要參數(shù)如下：

1)發(fā)射電流：60 A，關(guān)斷時(shí)間72 μs。系統(tǒng)最大電流可達(dá)100 A，高速關(guān)斷的大電流既壓制人文電磁噪音,又不丟失淺表地質(zhì)信息。

2)采樣率：1.25 MHz。0.8 μs的采樣間隔能記錄更豐富的縱向地質(zhì)信息，提高瞬變電磁法的縱向分辨率，滿足精細(xì)化探測(cè)的要求。

3)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)范圍： 150 dB。瞬變電磁響應(yīng)早晚期響應(yīng)信號(hào)差異達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)，大動(dòng)態(tài)范圍能保障晚期信號(hào)不失真采集。

4)線圈裝置：直徑0.9 m，發(fā)射磁矩達(dá)1 000 Am2。通過(guò)線圈裝置小型化減小體積效應(yīng)，提高橫向分辨率。

3 應(yīng)用實(shí)例

工區(qū)位于湖南湘西鳳凰縣內(nèi)，屬于溶蝕-侵蝕構(gòu)造低山丘陵區(qū)。本次工作為定勘補(bǔ)測(cè)，主要針對(duì)地形起伏較大，施工不便的區(qū)域進(jìn)行探測(cè)。工區(qū)內(nèi)地層巖性主要為新生界第四系粉質(zhì)黏土、紅黏土、碎石類土；下古生界奧陶系及寒武系白云巖、灰?guī)r、頁(yè)巖等。

3.1 斷層調(diào)查

在跨鳳凰磁浮鐵路特大橋(左線)DK01+950至DK02+200段按5 m點(diǎn)距布置瞬變電磁測(cè)線，探測(cè)地表以下100 m范圍的地質(zhì)情況。該物探測(cè)線地形起伏大，工況復(fù)雜，涉及在建磁浮大橋、濕地、茂密山林等。瞬變電磁探測(cè)反演結(jié)果如圖2所示。

圖2 斷層調(diào)查反演剖面Fig.2 Inversion profile of geological faults investigation

根據(jù)已有地質(zhì)資料以及鉆孔跨磁浮ZDZ11-1與跨磁浮ZDZ11-3，覆蓋層較淺，主要為粉質(zhì)黏土與細(xì)角礫土為主；基巖主要為薄層狀頁(yè)巖。里程DK02+013.08(高程362.54～368.14 m)與里程DK02+021.08(高程334.51～365.11 m)存在斷層破碎帶，角礫主要成分為頁(yè)巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)差。從圖2中可以看出，里程DK02+010～DK02+040段存在連續(xù)的低阻凹陷，代表該區(qū)域內(nèi)巖石較為破碎，結(jié)合地質(zhì)資料判斷為斜向斷層破碎帶Ffj1，與鉆孔資料十分吻合。

3.2 巖溶精細(xì)化探查

根據(jù)已有地質(zhì)資料與前期物探成果，柳坳洞大橋里程DK13+200至DK13+400巖溶發(fā)育豐富，覆蓋層多為粉質(zhì)黏土,厚度較淺，基巖為層狀構(gòu)造石灰?guī)r，裂隙較發(fā)育。在柳坳洞大橋(左線)DK13+200至DK13+400段按5 m點(diǎn)距(重點(diǎn)區(qū)域點(diǎn)距加密為2.5 m)布置瞬變電磁測(cè)線(圖3)，探測(cè)地表以下50 m范圍的地質(zhì)情況。

圖3 瞬變測(cè)點(diǎn)與鉆孔布置平面Fig.3 The plan sketch of borehole and measure point of FCTEM

在該區(qū)段內(nèi)6個(gè)重點(diǎn)區(qū)域各布置8個(gè)鉆孔(圖3)。該物探測(cè)線地形起伏較小，電磁干擾較小。瞬變電磁探測(cè)反演結(jié)果如圖4所示。

圖4 巖溶調(diào)查反演剖面Fig.4 Inversion profile of karst caves investigation注：低阻為全填充溶洞，高阻為無(wú)填充溶洞

區(qū)域①的黏土填充溶洞在反演結(jié)果中表現(xiàn)為封閉低阻。與鉆孔結(jié)果存在沿測(cè)線方向2.64 m的偏差，根據(jù)煙圈傳播理論[21]，瞬變電磁法存在體積效應(yīng)，電磁場(chǎng)沿47°錐面向下傳播，雖然物探測(cè)線位于左線，距鉆孔2.3 m，此處溶洞仍能被探測(cè)到，且體現(xiàn)在距離最近的DK13+225測(cè)點(diǎn)處。

區(qū)域②的粉質(zhì)黏土填充溶洞在反演結(jié)果中表現(xiàn)為DK13+265處封閉低阻。由于瞬變電磁法的低阻屏蔽效應(yīng)，無(wú)填充溶洞特征湮沒(méi)在距測(cè)點(diǎn)(DK13+265)更近的低阻填充溶洞特征中。

區(qū)域③的粉質(zhì)黏土填充溶洞在反演結(jié)果中表現(xiàn)為DK13+295封閉低阻；無(wú)填充溶洞表現(xiàn)為DK13+294(高程411.8～417.9 m)處的封閉高阻，信號(hào)受旁側(cè)(測(cè)點(diǎn)DK13+295)低阻影響，反演深度深于實(shí)際值(高程420 m)。

區(qū)域④、⑤存在粉質(zhì)黏土填充溶洞，反演結(jié)果中相應(yīng)位置存在低阻填充溶洞含水率高，表現(xiàn)為封閉低阻，但與實(shí)際位置存在偏差。這是因?yàn)? m點(diǎn)距過(guò)大，溶洞反應(yīng)在相鄰測(cè)點(diǎn)更強(qiáng)。

區(qū)域⑥內(nèi)存在粉質(zhì)黏土填充溶洞，反演結(jié)果中出現(xiàn)封閉低阻異常，在里程DK13+395(高程417.0～422.0 m)出現(xiàn)低阻塌陷，可能原因是地表測(cè)點(diǎn)附近存在少量金屬干擾，導(dǎo)致淺表低阻層層厚更大。

此外，反演結(jié)果中DK13+212.5、235、250、300、325、330、360等處出現(xiàn)低阻異常，推測(cè)存在破碎富水或粉質(zhì)黏土填充溶洞。

柳坳洞大橋里程DK13+200至DK13+400巖溶較淺，集中在地表以下10 m左右，厚度僅有1～2 m。采用常規(guī)瞬變電磁儀器難以發(fā)現(xiàn)這樣的淺層小目標(biāo)。本文使用的FCTEM瞬變電磁系統(tǒng)對(duì)于6處全填充小型溶洞均有不同程度的體現(xiàn)，橫向定位較為準(zhǔn)確，縱向定深受原理限制，誤差較大，但也在可接受范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

1)增大發(fā)射磁矩能增大地質(zhì)不良體響應(yīng)，壓制噪音；縮短關(guān)斷時(shí)間能增大激發(fā)一次場(chǎng)中高頻分量占比。恒壓鉗位電路能保證發(fā)射電流高速線性關(guān)斷，激發(fā)高頻分量更強(qiáng)的一次場(chǎng)，改善瞬變電磁淺地表探測(cè)能力。

2)FCTEM小回線瞬變電磁法能有效解決淺層盲區(qū)的技術(shù)瓶頸，對(duì)于填充性溶洞優(yōu)勢(shì)明顯，能夠清晰分辨地表10 m以淺的直徑不足1 m小型溶洞以及50 m以內(nèi)的小型斷層。對(duì)于未填充的高阻空洞探測(cè)時(shí)，需注意旁側(cè)低阻影響。橫向分辨率可由測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距決定，可以通過(guò)重點(diǎn)區(qū)域加密探測(cè)的方法進(jìn)行精細(xì)化探測(cè)。