GEM-2多頻電磁技術(shù)在地下護(hù)管橋探測(cè)中的應(yīng)用

周俊峰

（上海元易勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，上海 201203）

隨著城市的發(fā)展，許多既有道路已經(jīng)不能滿足交通量的需求，道路的等級(jí)、定位、路容、景觀效果、市政配套設(shè)施等無(wú)法與新的城市規(guī)劃和發(fā)展理念相匹配，故而需要對(duì)己有道路進(jìn)行改擴(kuò)建及高架快速化改造[1]。然而，在城市道路改擴(kuò)建過(guò)程中，會(huì)遇到各種地下構(gòu)筑物，箱涵（原水、合流污水）護(hù)管橋便是其中之一。護(hù)管橋一般為板狀鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其雖覆土深度不大，但由于其位于道路正下方，并不能像管線那樣通過(guò)道路兩側(cè)綠化帶進(jìn)行探測(cè)并推測(cè)。且由于建設(shè)久遠(yuǎn)，各項(xiàng)資料缺失等原因，致使相關(guān)資料信息缺失，成為道路，特別是高架道路橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中的難點(diǎn)問(wèn)題，給設(shè)計(jì)及施工造成不利影響。為解決此問(wèn)題，需要在設(shè)計(jì)或施工之前對(duì)其進(jìn)行探測(cè)，常用工程物探方法如探地雷達(dá)、地震面波法、高密度電法等[2-3]，因激發(fā)、接收裝置，采集、接收條件，信號(hào)接收原理，采集時(shí)間等原因或影響交通，或無(wú)法接地，或成像效果不明顯，不適宜在高瀝青路面的城市主干道路中，特別是市區(qū)高架區(qū)域進(jìn)行。

GEM-2是一種操作簡(jiǎn)便、測(cè)量效率高的電磁勘探儀器，該儀器采用不同掃描頻率可以對(duì)應(yīng)尋找不同埋深的地下掩埋物。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在多種應(yīng)用條件下對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，證實(shí)了該儀器適用于解決多種探測(cè)問(wèn)題[4-7]。

鑒于GEM-2電磁儀器、方法的簡(jiǎn)便高效性，以及其對(duì)鋼筋結(jié)構(gòu)高導(dǎo)體的敏感性，本文針對(duì)城市主干道路地下護(hù)管橋這種鋼筋混凝土構(gòu)筑物的特性，采用了多頻電磁技術(shù)進(jìn)行快速檢測(cè)的方法與思路，實(shí)踐表明，該方法能夠獲得地下護(hù)管橋的平面位置，為類(lèi)似問(wèn)題的勘察和研究提供實(shí)踐參考。

1 GEM-2方法原理及特點(diǎn)

電磁法探測(cè)以地下介質(zhì)的電、磁性為基礎(chǔ)，通過(guò)發(fā)射不同頻率的一次電磁場(chǎng)，從而使地下的良導(dǎo)體（如鋼筋結(jié)構(gòu)）中感應(yīng)出微弱的渦流電場(chǎng)，由此電場(chǎng)產(chǎn)生二次磁場(chǎng)，被檢測(cè)和記錄[8]（圖1）。

圖1 GEM-2工作原理圖（據(jù)參考文獻(xiàn)[4]修改）Fig.1 The schematic diagram of GEM-2 working principle

數(shù)據(jù)處理之前，須去除一次場(chǎng)，保留能夠反映目標(biāo)介質(zhì)信息的二次場(chǎng)信號(hào)，并通過(guò)二次場(chǎng)信號(hào)和一次場(chǎng)信號(hào)做比乘以106的歸一化（ppm度量）[4,8]，獲得同相分量和正交分量，進(jìn)而獲得電導(dǎo)率及磁導(dǎo)率。

2 測(cè)線布置及數(shù)據(jù)采集

GEM-2電磁儀器通過(guò)手持即可完成探測(cè)任務(wù)。儀器內(nèi)兩個(gè)線圈的固定間距為1.66 m，在實(shí)際測(cè)量中通過(guò)改變發(fā)射頻率來(lái)獲得地下不同深度的信息。

2.1 探測(cè)位置

道路等級(jí)為城市主干路，瀝青路面，限速50 km/h。根據(jù)收集資料及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇沿道路方向穿越原水箱涵進(jìn)行剖面探測(cè)（圖2），剖面起止位置以觀測(cè)至數(shù)據(jù)背景場(chǎng)為準(zhǔn)。

圖2 電磁法剖面測(cè)線位置圖Fig.2 The location map of electromagnetic section survey line

2.2 數(shù)據(jù)采集

采用GEM-2多頻電磁儀，采集同相分量I和正交分量Q，連續(xù)自動(dòng)測(cè)量，默認(rèn)采樣間隔40ms，每3個(gè)疊加為一個(gè)記錄數(shù)據(jù)，即每120ms記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，選用1525HZ-5325HZ-18325HZ-63025HZ等4個(gè)發(fā)射頻率。

3 應(yīng)用效果分析

本次Gem-2數(shù)據(jù)采用EMExpor和Invertor軟件處理，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最終得到不同頻率視電導(dǎo)率及相對(duì)磁導(dǎo)率。

3.1 平面位置

通過(guò)正演模擬可以從理論上證明，GEM-2幾乎是單極的，異常在目標(biāo)的正上方[4]。從高頻到低頻，由于護(hù)管橋是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因此電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率皆具有很強(qiáng)的數(shù)值范圍，且皆具有清晰的菱形邊界，皆具有相同的邊界范圍（圖3、圖4）。

圖3 不同頻率GEM-2電導(dǎo)率數(shù)據(jù)Fig.3 Conductivity data of GEM-2 at different frequencies

圖4 不同頻率GEM-2磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)Fig.4 Permeability data of GEM-2 at different frequencies

由于測(cè)線是根據(jù)已知原水管位置布置，剖面起止位置以觀測(cè)至數(shù)據(jù)背景場(chǎng)為準(zhǔn)（圖2），因此判斷該異常為護(hù)管橋。

3.2 深度分析

從圖3、圖4中可以看出，4個(gè)不同頻率電導(dǎo)率梯度邊界范圍為103～105mS/m，根據(jù)“趨膚深度列線圖”[4,6]，可以利用測(cè)量中介質(zhì)電導(dǎo)率和電磁波頻率來(lái)計(jì)算趨膚深度δ，從而獲得探測(cè)深度d=■δ■■[8-9]。由于各頻率異常主體電導(dǎo)率值≥103mS/m，因此判斷護(hù)管橋覆土深度很淺，加之鋼筋網(wǎng)對(duì)電磁信號(hào)的屏蔽作用，低頻信號(hào)無(wú)法穿透護(hù)管橋界面，據(jù)此，推斷護(hù)管橋覆土深度≤0.6 m（表1）。

表1 估算探測(cè)深度Table 1 The estimated depth of the electromagnetic wave penetrated into the ground based on the electromagnetic frequency used

3.3 護(hù)管橋邊界結(jié)構(gòu)界定及驗(yàn)證

根據(jù)不同頻率電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率（圖3、圖4），在視電導(dǎo)率60 S/m、相對(duì)磁導(dǎo)率-575（1/1000）處明顯存在陡變梯度帶。據(jù)此，基本確定了護(hù)管橋邊界的實(shí)地準(zhǔn)確位置，同時(shí)勾勒了該橋的結(jié)構(gòu)特征，即推測(cè)該護(hù)管橋?yàn)椴煌鍓K拼接而成（圖5a）。對(duì)該異常在北側(cè)（道路東側(cè)）綠化帶進(jìn)行了揭露驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)其邊界與GEM-2數(shù)據(jù)異常邊界完全吻合，埋于地表以下約0.5 m（圖5b）。

圖5 護(hù)管橋邊界及結(jié)構(gòu)解譯(a)與護(hù)管橋邊界實(shí)際驗(yàn)證(b)Fig.5 The boundary and structure interpretation (a) and the actual validation (b) of protective pipe bridge

4 結(jié)語(yǔ)

利用GEM-2電磁儀器方法的高效、高精度，以及其對(duì)高導(dǎo)體的敏感性，針對(duì)城市主干道路地下護(hù)管橋鋼筋混凝土構(gòu)筑物的特性，可采用以多頻電磁技術(shù)進(jìn)行快速檢測(cè)。實(shí)踐表明，以多頻電磁法（GEM-2）作為快速掃描手段，可以精準(zhǔn)獲得護(hù)管橋的邊界位置及結(jié)構(gòu)埋深特征，可作為類(lèi)似鋼筋混凝土構(gòu)筑物的快速探測(cè)手段。