電磁三維成像探測技術(shù)在城市建設(shè)中的應(yīng)用

吳宇豪　梁思維　崔亞彤　李金偉

摘 要：城市更新過程中，面臨原有建筑用地重新開發(fā)利用的問題，若未能及時(shí)對(duì)地下掩埋障礙物及污染物進(jìn)行探測，則在后續(xù)開挖過程中易導(dǎo)致施工的安全性問題。采用電磁三維成像探測技術(shù)探測天津某待建更新地塊地下障礙物和地下污染物，結(jié)合工程實(shí)例實(shí)現(xiàn)了地下介質(zhì)電導(dǎo)率平面圖像，針對(duì)異常位置進(jìn)行開挖驗(yàn)證。該方法能夠無損、高效且準(zhǔn)確圈定地下障礙物的三維位置及污染物擴(kuò)散范圍。

關(guān)鍵詞：電磁三維成像；工程物探；障礙物探測；污染物探測

Application of electromagnetic 3D imaging detection technology in urban construction

WU Yuhao， LIANG Siwei， CUI Yatong， LI Jinwei

（TianJin Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Tianjin 300191， China）

Abstract： Redevelopment and utilization of existing building land is an integral part in urban renewal. If underground obstacles and pollutants are not detected in a timely manner， it can cause safety issues in the subsequent excavation process. This paper used electromagnetic three-dimensional imaging detection technology to detect underground obstacles and pollutants in a newly constructed land parcel in Tianjin. By combining engineering examples， a planar image of underground medium conductivity was achieved， and excavation verification was carried out for abnormal locations. This method efficiently and accurately delineates the three-dimensional position of underground obstacles and the diffusion of pollutants in a non-destructive way.

Keywords： electromagnetic three-dimensional imaging; engineering geophysical prospecting; obstacle detection; pollutant detection

近年來，隨著我國城市建設(shè)快速發(fā)展，原有城市建筑不斷更新，包括廢棄工廠、老舊住房、垃圾填埋場等，其下方可能存在地下管線、防空洞、建筑垃圾、構(gòu)筑物等地下障礙物及各類污染物質(zhì)，地下障礙物增加了施工風(fēng)險(xiǎn)，污染物質(zhì)影響人類健康。因此在土地重新開發(fā)利用前進(jìn)行地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測和地下污染情況預(yù)判，對(duì)后期安全施工及未來人類健康工作生活尤其重要。

地下障礙物和土壤中污染物質(zhì)通常與周圍土壤存在較大物理性質(zhì)差異，如電性、介電常數(shù)和磁性差異（劉文輝等，2022；李海濤等，2006；李金偉等，2022），因此通過觀測電磁場異?？梢蕴綔y出其大致分布位置。常用的物探方法有高密度電阻率法、地質(zhì)雷達(dá)及電磁三維成像技術(shù)等（黎昱等，2017）。高密度電阻率法和地質(zhì)雷達(dá)每次探測范圍有限、工作效率低（葉基瑤等，2008；張家聲等，2023）；電磁三維成像技術(shù)具有無損檢測、探測范圍廣、快速便捷、三維成像等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在土壤成分檢測、地下障礙物探測等方面具有較好應(yīng)用效果，但應(yīng)用于城市工程建設(shè)前期探測的應(yīng)用較少。

本文將電磁三維成像探測技術(shù)應(yīng)用于天津某2個(gè)待建更新地塊，分別進(jìn)行地下障礙物和地下污染物的探測，通過三維成像可以快速準(zhǔn)確指出地下障礙物和污染物的位置及范圍，為后期安全施工和其他處理措施的實(shí)施提供建議。

1? 電磁三維成像方法原理

電磁三維成像方法是利用介質(zhì)電導(dǎo)率差異來探測地質(zhì)體的賦存情況，具有快速采集、分辨率高等特點(diǎn)。電磁三維成像方法是通過在地表放置發(fā)射線圈（Tx）向地下發(fā)射交變電流產(chǎn)生隨時(shí)間變化的一次磁場H 1，一次場H 1在地下介質(zhì)中感應(yīng)產(chǎn)生電流，這些電流又產(chǎn)生二次磁場H 2。一次場H 1和二次場H 2均被接收線圈（Rx）接收，如圖1所示。

Fig. 1 Schematic Diagram of Electromagnetic 3D Imaging Method

在感應(yīng)系數(shù)B?1情況下，一次磁場與二次磁場完全正交，原本復(fù)雜的函數(shù)簡化為（樸華容等，1988）：

式中：V為垂直偶極模式；H為水平偶極模式；H_s為感應(yīng)產(chǎn)生的二次磁場；H_p為交變電流產(chǎn)生一次磁場；B為感應(yīng)系數(shù)；i=√（-1）；ω為角頻率，ω=2? π? f；μ_0為真空磁導(dǎo)率，μ_0=4? π×〖10〗^（-7） H·m-1；σ為大地電導(dǎo)率；S為接收—發(fā)射線圈間距?？赏茖?dǎo)出電導(dǎo)率表示為（Ward，1971；房純綱等，2002）：

利用電磁三維成像方法進(jìn)行地下障礙物和污染物探測，對(duì)測得的電導(dǎo)率進(jìn)行三維成像，通過分析地層中電導(dǎo)率的分布情況，進(jìn)而推測地下障礙物和污染物的大致分布位置。

2? 電磁三維成像方法實(shí)例分析

通過2個(gè)應(yīng)用實(shí)例分析電磁三維成像方法探測地下障礙物和污染物的效果。第1個(gè)實(shí)例為天津某地塊擬建倉庫，該場地原為農(nóng)藥廠，存在地下污染情況。第2個(gè)實(shí)例為在天津某工廠原址計(jì)劃修建學(xué)校，由于場地原有建筑年代久遠(yuǎn)，資料缺失，為了保障施工的順利與安全，需準(zhǔn)確掌握地下障礙物分布情況。通常情況下，正常土層表現(xiàn)為相對(duì)中等電導(dǎo)率，混凝土塊、建筑垃圾及污染物等為相對(duì)低電導(dǎo)率，金屬目標(biāo)體及鋼筋混凝土表現(xiàn)為相對(duì)高電導(dǎo)率或負(fù)值，因此采用電磁三維成像方法探測，圈定地下障礙物和污染物分布情況，為后續(xù)設(shè)計(jì)與施工提供指導(dǎo)。

2.1? 野外數(shù)據(jù)采集

使用的儀器為捷克GF 公司生產(chǎn)的電磁感應(yīng)土壤電導(dǎo)率測試儀器CMD-Explorer，全深度模式可同時(shí)探測3層深度，分別為2.2 m、4.2 m、6.7 m，半深度模式時(shí)探測深度分別為1.1 m、2.1 m、3.3 m。本次探測采用全深度模式，采樣頻率1 s，點(diǎn)距1 m×1 m。

2.2? 數(shù)據(jù)處理

繪制采集路徑，結(jié)合外業(yè)記錄表使用CMD軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，剔除異常點(diǎn)等數(shù)據(jù)處理步驟。

得到電導(dǎo)率物性數(shù)據(jù)，使用Surfer進(jìn)行電導(dǎo)率成像。

2.3? 應(yīng)用實(shí)例資料解釋

2.3.1? 天津市西青區(qū)某地地下污染物探測

圖2為不同深度大地電導(dǎo)率平面圖。從圖2-a和圖2-b可以看出，0～2 m深度和0～4 m深度的土層電導(dǎo)率值為60～95 mS·m-1，存在多處電導(dǎo)率明顯低于土層平均值的異常區(qū)域。紅色線圈出的異常區(qū)域電導(dǎo)率值為35～60 mS·m-1，為苯污染重污染區(qū)域。從圖2-c中可以看出，0～6 m深度的土層電導(dǎo)率為80～105 mS·m-1，明顯低于土層電導(dǎo)率平均值的異常區(qū)域基本消失。場地內(nèi)0～2 m 內(nèi)存在多處苯濃度較高的污染區(qū)域，污染范圍大，隨著深度增加，污染范圍減小。

2.3.2? 天津市河北區(qū)某地地下障礙物探測

如圖3所示，為探測區(qū)域內(nèi)深度0～4 m電磁三維成像探測電導(dǎo)率結(jié)果圖。區(qū)域①整體呈低導(dǎo)異常，電導(dǎo)率為50～80 mS·m-1，區(qū)域①低導(dǎo)異常呈現(xiàn)沿北北西方向線狀排布，區(qū)域②—區(qū)域⑤呈低導(dǎo)異常，電導(dǎo)率為30～50 mS·m-1，這些區(qū)域的低導(dǎo)異常呈現(xiàn)片狀分布。綜上所述，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，推測區(qū)域①—區(qū)域⑤為掩埋廢舊基礎(chǔ)，區(qū)域①的廢舊基礎(chǔ)呈現(xiàn)線狀排布。

根據(jù)電磁三維成像結(jié)果，對(duì)異常點(diǎn)進(jìn)行開挖驗(yàn)證（圖4），區(qū)域①低導(dǎo)異常點(diǎn)開挖驗(yàn)證結(jié)果為廢舊基礎(chǔ)，突出點(diǎn)推測為基礎(chǔ)支撐點(diǎn)。

3? 結(jié)論

1）電磁三維成像探測技術(shù)具有無損探測、攜帶輕便、場地因素影響小、探測范圍廣、采集效率高的優(yōu)點(diǎn)。

2）根據(jù)電磁三維平面成像圖，圈定了地下障礙物和地下污染物位置，并進(jìn)行開挖驗(yàn)證，證實(shí)了探測結(jié)果與實(shí)際情況相吻合。

3）城市工程場地附近存在高壓線纜等干擾源，電磁三維成像探測技術(shù)結(jié)果容易受到影響，可以結(jié)合其他物探方法進(jìn)行綜合分析，降低結(jié)果的多解性。

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收稿日期：2022-12-11；修回日期：2023-03-14

第一作者簡介：吳宇豪（1991- ），男，碩士，工程師，主要從事工程地球物理理論及應(yīng)用研究。E-mail：wuyuhao_geo@163.com

引用格式：吳宇豪，梁思維，崔亞彤，李金偉，2023.電磁三維成像探測技術(shù)在城市建設(shè)中的應(yīng)用［J］.城市地質(zhì)，18（3）：96-99