等值反磁通瞬變電磁法在城市軌道交通巖溶勘察中的應(yīng)用

萬(wàn)小樂(lè)

(中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081)

0 引 言

近年來(lái)，隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，軌道交通工程建設(shè)面臨的地質(zhì)問(wèn)題愈加復(fù)雜。巖溶是一種常見(jiàn)的地質(zhì)問(wèn)題，可引發(fā)圍護(hù)結(jié)構(gòu)坍塌、漏水、基底突涌、地表沉降等風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅城市軌道交通工程的設(shè)計(jì)、施工以及后期運(yùn)營(yíng)。由于城市軌道交通建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，周圍建筑物、道路及管線密布，常用的巖溶物探方法容易受到接地條件不好、震動(dòng)以及電磁波干擾等因素的影響，難以獲得較好的探測(cè)效果(王斌戰(zhàn)等，2021)。因此，發(fā)展一種新的適合城市軌道交通巖溶探測(cè)的方法十分必要。

等值反磁通瞬變電磁法是由一種探測(cè)地下純二次場(chǎng)的方法(席振銖等，2016)，理論推導(dǎo)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該方法能避免一次場(chǎng)干擾和早期二次場(chǎng)的采集，從而獲取地下的純二次場(chǎng)響應(yīng)，克服常規(guī)瞬變電磁法探測(cè)中的淺表盲區(qū)問(wèn)題，有效提高淺層探測(cè)的能力(劉恒達(dá)，2021)。該方法抗外界干擾能力強(qiáng)且?guī)缀醪皇苤車刭|(zhì)環(huán)境的影響(周超等，2018；謝嘉等，2021)，比較適用于城市軌道交通巖溶勘察工作。

1 方法原理

常規(guī)的瞬變電磁法是在發(fā)射線圈中通以脈沖電流，在脈沖電流的激發(fā)下產(chǎn)生向地下傳播的一次脈沖磁場(chǎng)，在傳播過(guò)程中激發(fā)導(dǎo)電地質(zhì)體產(chǎn)生感應(yīng)渦流；一次脈沖磁場(chǎng)消失后該感應(yīng)渦流會(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷衰減，在衰減過(guò)程中激發(fā)出新的二次磁場(chǎng)；接收線圈接收此二次磁場(chǎng)，觀測(cè)并研究二次磁場(chǎng)隨著時(shí)間的變化特性，進(jìn)而獲得地下地質(zhì)體的電性特征和分布情況(李貅，2002)。

等值反磁通瞬變電磁法與常規(guī)瞬變電磁法原理相同，但為了有效消除一次磁場(chǎng)的干擾，獲得地下早期純二次場(chǎng)的變化特征，克服淺表探測(cè)盲區(qū)，發(fā)射線圈設(shè)置為上下2個(gè)平行共軸的相同線圈，向其中分別通以反向電流激發(fā)一次磁場(chǎng)，接收線圈設(shè)置在上下兩線圈的幾何中心平面上，以保證一次磁場(chǎng)的磁通量為0，因此可接收地下的純二次磁場(chǎng)響應(yīng)。這種特殊裝置(圖1)基本消除了常規(guī)瞬變電磁法在淺表勘察中的盲區(qū)，獲得淺部地質(zhì)體信息，提高探測(cè)能力(王銀等，2017；高遠(yuǎn)，2018；楊建明等，2018)。

圖1 反磁通裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of opposing-coils electromagnetic device

2 應(yīng)用實(shí)例

圖2 瞬變電磁法測(cè)線布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of transient electromagnetic line arrangement

2.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于廣東惠州惠城區(qū)中西部，地形較為平坦，場(chǎng)地標(biāo)高13.3～17.9 m，屬?zèng)_積平原地貌。區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)化程度高，房屋密集，道路縱橫，場(chǎng)地受限，現(xiàn)狀用地主要為民房、建筑工地、道路和水塘。前期鉆探資料顯示，研究區(qū)表層為厚約20～40 m的第四系土層，以沖洪積粉質(zhì)黏土和砂礫石為主，下伏基巖為泥盆系灰?guī)r，灰?guī)r中發(fā)育覆蓋型巖溶。勘察目的是查明灰?guī)r區(qū)線路經(jīng)過(guò)地段的土石分界線、巖溶發(fā)育帶、洞穴位置等特征。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，地表以硬化路面為主，不適合高密度電法的電極接地，而地質(zhì)雷達(dá)由于探測(cè)深度較淺，也無(wú)法滿足探測(cè)需求，因此采用等值反磁通瞬變電磁法進(jìn)行探測(cè)。

2.2 物性特征

根據(jù)資料，該區(qū)第四系覆蓋層電阻率為200～400 Ω·m，泥盆系灰?guī)r電阻率為750～1 500 Ω·m。巖石由于破碎及含水程度不同，電阻率也會(huì)隨之發(fā)生變化，含水比例越大，巖性破碎程度越高，電阻率相應(yīng)較低(廖友清等，2020)。區(qū)內(nèi)不同巖性之間、溶蝕灰?guī)r與完整灰?guī)r之間的電阻率差異顯著，具備地球物理勘探的基本條件。

2.3 儀器設(shè)備與數(shù)據(jù)采集

使用HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用等值反磁通技術(shù)解決了接收線圈對(duì)二次磁場(chǎng)響應(yīng)的干擾，具有抗干擾能力強(qiáng)、探測(cè)精度高、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。

為查清灰?guī)r區(qū)線路經(jīng)過(guò)路段巖溶的發(fā)育程度和分布特征，沿線路中心線設(shè)置了1條物探測(cè)線(圖2)，測(cè)線長(zhǎng)度約為800 m，點(diǎn)間距為5 m。結(jié)合工作要求及現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)條件，設(shè)定數(shù)據(jù)采集參數(shù)為：電源電壓12 V，發(fā)射電流8.5 A，發(fā)射頻率6.25 Hz，關(guān)斷時(shí)間為28.5 μs，疊加周期為600次。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用與HPTEM-18系統(tǒng)配套的數(shù)據(jù)處理軟件，通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理、定性分析、定量解釋和綜合推斷等步驟，結(jié)合已知地質(zhì)資料進(jìn)行綜合解釋，得到視電阻率斷面圖。數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖3。

圖3 HPTEM系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與解釋流程圖Fig.3 Flow chart of data processing and interpretation of HPTEM system

2.5 解釋推斷

A線反演視電阻率斷面(圖4)顯示，色調(diào)由冷至暖反映了視電阻率值由小變大的趨勢(shì)，可見(jiàn)探測(cè)成果并未在淺表地帶形成明顯盲區(qū)，而是清晰展現(xiàn)了地下不同位置和深度地層的電阻率變化，體現(xiàn)了等值反磁通技術(shù)的有效性。

圖4 A線反演視電阻率剖面圖Fig.4 Inversion apparent resistivity profile of line A

圖4顯示，淺部視電阻率明顯偏低，等值線橫向連續(xù)性較好，垂向差異明顯，推測(cè)淺表低阻層為第四系覆蓋層的電性反映；深部視電阻率明顯偏高，推測(cè)為下伏泥盆系基巖的電性反映。綜合反演成果和研究區(qū)地質(zhì)情況，第四系覆蓋層和基巖的劃分大致以電阻率值500 Ω·m為界，地層表現(xiàn)為雙層結(jié)構(gòu)。

(1)表層第四系覆蓋層電阻率偏低，電阻率數(shù)值在橫向上連續(xù)分布，垂向上差異顯著，覆蓋層和下伏基巖的電阻率界限明顯，覆蓋層厚度大致在20～40 m之間，局部地段(DK4+150)厚度達(dá)80 m，推測(cè)是溶槽和溶溝的影響。

(2)下伏基巖電阻率表現(xiàn)為持續(xù)增大的高阻，圖4顯示，橫向上存在不同深度和寬度的低電阻率異常區(qū)10處(DK3700—DK3750段3處、DK3850、DK3950、DK4200、DK4300、DK4375、DK4420、DK4440)，異常深度處于40～70 m之間，視電阻率約為400～600 Ω·m，推測(cè)這幾處低電阻率異常區(qū)附近存在巖溶或溶蝕裂隙。

2.6 鉆孔驗(yàn)證

物探工作完成后，在低電阻率異常區(qū)布置鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)鉆取的巖芯以及施鉆過(guò)程中的掉鉆和漏水等現(xiàn)象判斷地下巖土分界線、溶洞頂?shù)装鍢?biāo)高和溶洞的充填情況。部分低阻異常區(qū)的鉆孔剖面見(jiàn)圖5，鉆探驗(yàn)證成果與等值反磁通瞬變電磁法反演成果的對(duì)比見(jiàn)表1。

經(jīng)鉆探揭示，各低電阻率異常區(qū)中均發(fā)現(xiàn)不同程度的巖溶存在，以溶洞為主，洞高約0.4～9.3 m，充填物以軟塑—可塑狀的黏性土為主，部分為黏性土夾雜灰?guī)r碎塊充填。鉆探驗(yàn)證成果與等值反磁通瞬變電磁法反演成果較為一致。

由此可見(jiàn)，在建筑物密布、人文環(huán)境擾動(dòng)大、常規(guī)地球物理探測(cè)方法使用受限時(shí)，等值反磁通瞬變電磁法能有效探測(cè)地下巖溶的發(fā)育情況和分布特征。

圖5 DK3700—DK3750鉆孔剖面圖1-灰?guī)r；2-溶洞；3-鉆孔；粉質(zhì)黏土；6-砂土；7-地層分界線；8-物探解譯溶洞Fig. 5 Section of drill hole (DK3700—DK3750)

表1 鉆探驗(yàn)證成果與等值反磁通瞬變電磁法反演成果的對(duì)比Table 1 Comparison of drilling validation results and opposing-coils transient electromagnetic inversion results

3 結(jié) 論

(1)采用等值反磁通瞬變電磁法在城市軌道交通巖溶勘察中圈定了多處低電阻率異常區(qū)，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證由巖溶引起，鉆探與物探結(jié)果較為吻合，取得了較好的探測(cè)效果。

(2)此次巖溶勘察實(shí)踐表明等值反磁通瞬變電磁法設(shè)備輕便，施工方便，抗干擾能力強(qiáng)，且消除了常規(guī)瞬變電磁法在淺層的“盲區(qū)”，在人文環(huán)境復(fù)雜的城市區(qū)域巖溶探測(cè)中可以發(fā)揮較大的優(yōu)勢(shì)。