等值反磁通瞬變電磁法在地鐵盾構(gòu)孤石探測中的應(yīng)用

趙東東，陳基煒，宗全兵，張寶松，邸兵葉，朱紅兵，王佳龍

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇 南京 210016；2.福州地鐵集團有限公司，福建 福州 350000)

1 引 言

花崗巖風化層中的球狀風化核，俗稱“孤石”，主要是不易風化的石英礦物形成石英角礫質(zhì)殘留核組成，在我國南方沿海地區(qū)廣泛發(fā)育燕山期花崗巖地區(qū)普遍存在[1,2]。未探明的孤石會給地鐵盾構(gòu)施工帶來重大安全隱患,在花崗巖殘積層中鉆遇孤石時，盾構(gòu)掘進非常困難，盾構(gòu)機姿態(tài)難以控制，刀盤頻繁被卡或嚴重變形甚至磨損，即使能通過地面土壤加固、排石或換刀等技術(shù)措施處理，也會極大地增加施工成本，對工期和投資控制產(chǎn)生重大不利影響,更嚴重的情況下時，甚至導致工作面噴涌、塌方，危及地面行車或建筑物安全。因此，必須針對隧道盾構(gòu)施工中的孤石進行精準探測，同時采取合理的措施對孤石進行破碎處理，以確保盾構(gòu)施工作業(yè)的順利進行。

孤石發(fā)育的主要影響因素有花崗巖的礦物組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、巖體節(jié)理發(fā)育情況、溫度、地形、水文條件等，導致其具有埋藏深度不定、粒徑不均等特征，但在空間上也具有以下分布規(guī)律：①孤石一般分布于花崗巖隆起區(qū)兩側(cè)的全-強風化帶中，越靠近花崗巖隆起中心位置，粒徑越大，數(shù)量越多。②隨著與花崗巖風化面的距離變小，孤石分布密度減小但體積增大，即有“上多下少，上小下大”的分布規(guī)律特性。③風化程度增強時，孤石體積減小，數(shù)量會增多，故全風化帶中一般存在體積較小的孤石，強風化帶中一般存在體積較大的孤石。

目前，針對花崗巖風化層中孤石探測主要采取鉆探和物探等方法。其中，鉆探可直觀地揭露地層，對孤石進行采樣，是最為精準的點位探測方法。然而，相對于地鐵工程詳勘階段30～50 m的鉆孔間距而言，孤石尺寸要小得多，故通過詳勘鉆探所揭露的孤石十分有限，即使通過加密鉆孔提高揭露孤石的機率，但受成本、工期、場地條件等限制，難以實現(xiàn)孤石的空間精準定位[3]。由于孤石與圍巖的物性差異主要是電性差異和速度差異，故在實際應(yīng)用中開展孤石探測的物探方法主要有：常規(guī)瞬變電磁法[4]、高密度電法[5,6]、探地雷達法[7]、跨孔電阻率層析成像法[8-11]、淺層反射地震法[12,13]、地震波層析成像法[14]、多道瞬態(tài)面波法[15]、微動探測法[16-22]等。但是，由于地鐵建設(shè)所處的特殊環(huán)境，常規(guī)的物探方法受狹小地面空間和復雜噪聲情況影響較大，會面臨以下問題：①高密度電法受場地條件和接地條件的限制，難以施工；②傳統(tǒng)探地雷達法探測深度有限，且極易受干擾的影響；③淺層反射地震法抗干擾能力弱，分辨能力較差；④跨孔電阻率層析成像法和地震波層析成像法探測結(jié)果直觀，效果較好，但受孔距較小的制約從而增加了成本；⑤多道瞬態(tài)面波法在城市馬路上有噪聲干擾大的問題，且傳感器與地面的耦合也不易克服；⑥微動探測法抗干擾能力強，有效劃分地層結(jié)構(gòu)，對孤石體垂向定位效果明顯，但是對孤石體的橫向分辨能力較弱；⑦常規(guī)瞬變電磁法存在勘探盲區(qū)和收發(fā)互感等問題，縱、橫向分辨率較低，體積效應(yīng)明顯。

為了消除瞬變電磁法(TEM)收發(fā)線圈互感，實現(xiàn)瞬變電磁早期純二次場響應(yīng)觀測，席振銖等(2016)[23]提出采用反向?qū)ε即旁?由兩個完全相同的平行共軸且相隔一定間距、負載電流等值反向的線圈組成)發(fā)射一次場，且在反向?qū)ε即旁吹恼虚g平面接收二次場信號的方法，簡稱等值反磁通瞬變電磁法(opposing coils transient electromagnetic method,OCTEM)。該方法繼承了TEM觀測純二次場、不接地、近源測量以及具有多種耦合裝置等優(yōu)點；從物理上直接避免了發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感現(xiàn)象，消除了一次場對接收線圈的影響，實現(xiàn)了純二次場觀測；采用反向?qū)ε即旁词挂淮螆瞿芰恐饕劢乖诮乇砟骋恍》秶鷥?nèi)，故其渦流向下擴散的圓環(huán)截面減小，增強了渦流聚集，降低了體積效應(yīng)，從而有效提高了縱、橫向分辨率[24]；淺層信號強度提高3～4個數(shù)量級，大大提高了數(shù)據(jù)信噪比，增強了抗干擾能力[24，25],為開展城市地鐵盾構(gòu)區(qū)間孤石精準探測任務(wù)提供了一種可靠的地球物理探測手段。本文主要將等值反磁通瞬變電磁法應(yīng)用于福州地鐵F1線孤石精準探測試驗中，研究該方法在地鐵盾構(gòu)區(qū)間孤石精準探測的可行性和有效性，并通過福州地鐵F1線機場-大鶴段的等值反磁通瞬變電磁反演成像結(jié)果圈定孤石體的位置、大小和空間分布。

2 基本原理及技術(shù)特點

等值反磁通瞬變電磁法(OCTEM,Opposing Coils Transient Electromagnetic Method)是測量等值反磁通瞬態(tài)電磁場衰減擴散的一種新的瞬變電磁法。該方法以相同兩組線圈通以反向電流時產(chǎn)生等值反向磁通的電磁場時空分布規(guī)律，采用上下平行共軸的兩組相同線圈為發(fā)射源，且在該雙線圈源合成的一次場零磁通平面上，測量對地中心耦合的純二次場，方法原理及裝置示意如圖1所示。

圖1 等值反磁通瞬變電磁方法原理示意圖(席振銖等,2014)Fig.1 Schematic Diagram of OCTEM (Xi et al., 2014)

基于以上基本原理，等值反磁通瞬變電磁法相對常規(guī)瞬變電磁法而言,主要在以下幾個方面有明顯優(yōu)勢：①零磁通面接收純二次場優(yōu)勢。相比于傳統(tǒng)的單線圈源瞬變電磁法，等值反磁通瞬變電磁法的接收線圈處于一次場零磁通平面上，當發(fā)射關(guān)斷時，接收面的一次場磁通不變，不會產(chǎn)生一次場感應(yīng)電動勢，可免受一次場干擾，接收到純二次場信號。②中心耦合優(yōu)勢。等值反磁通瞬變電磁法一般選擇半徑為0.5 m左右的雙發(fā)射線圈(簡稱“微線圈”)。相同磁矩條件下，相對于常用的小線圈中心回線裝置，雙線圈正下方的淺地表磁場能量集中，初始渦流場明顯較強，中心耦合度越高；雙線圈源激勵的感應(yīng)電流密度分布范圍遠小于單獨發(fā)射時的范圍，體積效應(yīng)較弱，橫向分辨率明顯增強。③高密度小間隔采樣優(yōu)勢。采用24 bit，625 ksps 采樣間隔1.6 μs，以多周期疊加采樣取平均值作為實測記錄信號。由于采樣間隔小且無時窗抽道，相對于傳統(tǒng)瞬變電磁系統(tǒng)的大間隔采樣和時窗抽道得到實測記錄信號，其數(shù)據(jù)準確度更高，縱向分辨率更高。④其它優(yōu)勢。等值反磁通瞬變電磁的微線圈為收發(fā)一體天線，設(shè)備體積小，重量輕，施工方便；設(shè)備抗干擾能力強，能夠在城市復雜環(huán)境下作業(yè)；減弱瞬變電磁法早期過渡過程影響，分辨率高。

3 工程應(yīng)用案例

3.1 試驗區(qū)地質(zhì)和物性特征

根據(jù)福州地鐵F1線工程詳勘報告[26]及工程鉆孔地質(zhì)剖面附圖等地質(zhì)資料，系統(tǒng)總結(jié)福州地鐵沿線自上而下地層、孤石波速和電阻率特征。從表1統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出：①孤石電阻率是圍巖(殘積土層及全-強風化花崗巖)電阻率的3～7倍，有比較明顯的電性差異，具備電磁法(高密度電法、等值反磁通瞬變電磁法和大深度探地雷達法等)進行孤石探測的物性條件；②填砂、粉質(zhì)黏土、粉細砂可以劃為一個電性層，(泥質(zhì))粉細砂、(含泥)粉細砂、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、殘積砂質(zhì)黏性土、全風化花崗巖可以劃為一個電性層，二者之間有1.5～9倍的電阻率差異，全風化花崗巖與砂土狀強風化花崗巖之間的電阻率差異近3倍，砂土狀強風化花崗巖與中風化花崗巖之間的電阻率差異近6倍，具備電磁法進行地層巖性分層的物性條件。

表1 福州地鐵F1沿線機場-大鶴段鉆孔電阻率

3.2 野外數(shù)據(jù)采集

等值反磁通瞬變電磁野外數(shù)據(jù)使用的儀器設(shè)備為中南大學和湖南五維地質(zhì)科技有限公司聯(lián)合研發(fā)的HPTEM-18型高精度等值反磁通瞬變電磁儀(如圖2所示)，測量二次磁場的感應(yīng)電壓計算視電阻率。該儀器設(shè)備主要由四部分組成：①HPTEM-18儀器主機；②一體式發(fā)送接收線框；③專用傳輸纜；④操作筆記本一臺。本次試驗采用收發(fā)一體反磁通天線定點測量方式，數(shù)據(jù)采集之前調(diào)節(jié)接收天線至零磁通面，數(shù)據(jù)采集過程保持天線水平放置，操作筆記本與天線、主機及傳輸線保持5 m以上距離，盡量避免對數(shù)據(jù)造成干擾。本次測量工作的主要儀器采集參數(shù)為：發(fā)射基頻為25 Hz，發(fā)送電壓為14 V，最大發(fā)送電流為14 A，疊加周期為500次，測量重復次數(shù)為2次。

圖2 HPTEM-18工作示意圖Fig.2 Work diagram of HPTEM-18

3.3 數(shù)據(jù)處理

采用HPTEM-18型儀器配套的專用軟件對野外采集的數(shù)據(jù)資料進行抽道、地形校正、去噪濾波、一維反演及二維反演等處理。圖3為等值反磁通瞬變電磁數(shù)據(jù)處理流程示意圖，結(jié)合圖3對數(shù)據(jù)處理的幾個主要環(huán)節(jié)步驟進行說明：

圖3 等值反磁通瞬變電磁數(shù)據(jù)處理流程示意圖Fig.3 Data processing flow diagram of OCTEM

1)采用任意時間抽道方式有利于根據(jù)野外實測數(shù)據(jù)特點選取合適的抽道方式，便于原始數(shù)據(jù)編輯。

2)在數(shù)據(jù)預處理過程中，根據(jù)對稱四極法測量的地表電阻率和等值反磁通瞬變電磁測量初始值的耦合相關(guān)性，建立設(shè)置地表初始電阻率與初始幅值的關(guān)系，提高參與反演成像數(shù)據(jù)的可靠性[24]。

3)參考已知地質(zhì)、巖性和鉆孔資料建立二維反演成像的初始模型，進一步提升二維反演成像的可靠性。

4)將上述步驟3)建立的初始模型代入二維反演成像模塊。其中，二維反演成像算法中數(shù)值模擬采用自適應(yīng)有限單元法，有利于在模型突變區(qū)域自動加密網(wǎng)格，二維反演成像算法采用共軛梯度法，保證迭代穩(wěn)定收斂。

5)反演完成后，判斷反演結(jié)果是否滿足探測孤石所需達到的精度，若滿足則直接對反演結(jié)果進行分析解釋，若不滿足則返回到步驟1)中，直到滿足探測孤石所需要的精度，再進行分析解釋。

3.4 資料解釋

試驗區(qū)位于福州市長樂區(qū)葫蘆山北側(cè)的農(nóng)田荒地，周邊電磁干擾相對較少，地表主要上覆填砂，中間第四系巖性地層依次為粉質(zhì)黏土、粉細砂、(含泥)粉細砂、淤泥質(zhì)土、殘積砂質(zhì)黏性土等，下伏基巖依次為全風化花崗巖、砂土狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖、中風化花崗巖。本次工作主要目的是查明盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)孤石發(fā)育位置，分布范圍，為保障地鐵盾構(gòu)安全施工提供基礎(chǔ)資料。試驗區(qū)隸屬于福州地鐵F1線機場-大鶴段鉆MJKZ3-25-163～MJKZ3-25-172盾構(gòu)區(qū)間，雙向盾構(gòu)中心線完成6條等值反磁通瞬變電磁測線，點距1 m，線距3 m，測線長度均為140 m。8-2線為穿過詳勘鉆孔MJKZ3-25-165～MJKZ3-25-169的測線，故下面以8-2線的反演電阻率斷面圖為例進行分析。

圖4為8-2線反演電阻率斷面圖。從圖中可以看出：淺部電阻率相對較低，橫向連續(xù)性較好，垂向分層比較明顯，海拔高10 m以淺的相對低阻層為填土層和含泥粉細砂。深部電阻率很高，且橫向連續(xù)性較好，海拔-15 m以下的高電阻層為中風化花崗巖，局部表現(xiàn)為基巖凸起。盾構(gòu)區(qū)間深度(海拔-15～5 m)表現(xiàn)為中-高阻，且橫向連續(xù)性相對較差，主要為殘積砂質(zhì)黏性土、全-強風化花崗巖發(fā)育層，局部高阻異常為推測孤石體引起的。根據(jù)已知詳勘鉆孔資料可以看出MJKZ3-25-165～MJKZ3-25-169鉆遇孤石與反演電阻率斷面圖顯示的高阻異常吻合度較高，尤其橫向位置分辨率較高。但是，當鉆孔位置正下方存在多層孤石，且孤石體在垂向上間隔較小時，在垂向上難以區(qū)分鉆遇的多個孤石體，僅表現(xiàn)為一個整體高阻凸起異常。8-2線累計推斷孤石體12個，與三個鉆孔鉆遇孤石體吻合較好的有7個，表明采用該方法探測孤石體可行、有效，且可靠性相對較高。

圖4 8-2線反演電阻率斷面Fig.4 Inversion resistivity profile of line 8-2

根據(jù)葫蘆山北側(cè)6條等值反磁通瞬變電磁測線的反演結(jié)果建立三維電阻率模型，如圖5所示。從圖5中可以看出明顯的電性界面和高電阻率異常，根據(jù)高電阻率異常和低電阻率異常等值線圈出比較明顯的孤石體和破碎富水帶。

圖5 葫蘆山北三維電阻率模型Fig.5 Three-dimensional resistivity model of the north of Calabash mountain

結(jié)合已知地質(zhì)、鉆孔資料和微動橫波視速度模型建立了該地區(qū)的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，從圖6可以看出：相對于二維地質(zhì)解譯剖面，三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型刻畫了各地層的空間展布特征、雕刻出盾構(gòu)區(qū)間孤石的空間分布形態(tài)，表達方式更直觀、清晰。此段共計推斷孤石體39個，破碎帶8個，得到已知鉆孔驗證的孤石體共計13個。

圖6 葫蘆山北三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Three-dimensional geological structure model of the north of Calabash Mountain

4 結(jié) 語

等值反磁通瞬變電磁法采用更小的發(fā)射和接收一體式線圈，設(shè)備體積小，重量輕，野外數(shù)據(jù)采集施工相對方便，改善了傳統(tǒng)瞬變電磁法的勘探效率和精度。該方法在地鐵盾構(gòu)區(qū)間孤石探測中的應(yīng)用試驗,表明其獲得的反演電阻率剖面分層明顯，淺部信息豐富，分辨率相對較高，推測孤石與鉆孔驗證吻合度較好。但在資料綜合解釋中，需要充分結(jié)合已知鉆孔、地質(zhì)和其他物探方法用于克服瞬變電磁成果的多解性，提高地質(zhì)解譯精度。