瞬變電磁法在公路隧道工程勘測中的應用

何國全

(河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250)

瞬變電磁法在公路隧道工程勘測中的應用

何國全

(河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250)

以唐山市二環隧道工程勘察為例，利用瞬變電磁法進行淺層采空區、巖溶探測的有效性試驗研究。充分利用瞬變電磁法具有抗干擾能力強、橫向分辨率高、受地勢影響小、不受接地條件限制等特點，查明了該測區采空區、巖溶的位置及分布情況，后期鉆探驗證表明所采用的方法是行之有效的。

瞬變電磁法;采空區;巖溶

唐山市二環工程項目是唐山市重點建設項目，該工程的實施對加快推進唐山市路網體系建設、完善城市基礎配套設施意義重大。二環路下穿唐津高速隧道工程，分南北兩幅，北側隧道長410 m，南側隧道長415 m，隧道寬度16 m。該隧道工程位于唐山市開平區二環路與唐津高速交匯處。

根據工地現場情況，沿南北兩側隧道軸線布置了2條剖面，利用瞬變電磁法進行勘測。勘探過程中部分測點受廠房等建筑物影響，探測位置進行了微調或舍棄，查明了溶洞、采空區的位置和分布情況，達到了預期的勘察效果。

1 地質概況與地球物理特征

本勘測區地處中朝準地臺燕山臺褶帶馬蘭峪復式背斜開灤臺凹的中部。基底構造較復雜，新構造運動強烈，本區附近主要褶皺構造為開平向斜，主要斷裂構造有唐山斷裂、陡河斷裂。

隧道路線西端進口為露天采石場，地形起伏較大，地勢陡峭，場坑中無鋪設通路，通行極為困難。隧道路線東端進出口為人工開挖山谷階地，出口為廠區廠房，洞身部位有開鳳路及唐津高速橫穿，擬建隧道主要貫穿于開平向斜西北翼形成的丘陵中，地形起伏較大。

根據收集到的地質及鉆探資料，勘察區情況如下:地表覆蓋第四系(多為雜填土、殘積土、粉質粘土、粘土等組成)，下伏基巖由泥巖、泥灰巖、砂巖、煤巖和石灰巖組成。第四系覆蓋層電阻率不超過70 Ω·m;煤系地層電阻率為25～50 Ω·m，泥巖、泥灰巖電阻率不超過100 Ω·m;采空區由于被采空，在未充水情況下為高阻特征，在充滿水條件下為低阻特征。已知地質資料表明采空區位于潛水面以上，因此采空區內不會充滿水，一般呈高阻反應;巖溶由于充填粘土等物質而呈低阻特征。由此可見本次勘探的目標體與圍巖存在著明顯電性差異，完全具備開展瞬變電磁測深法工作的地球物理前提條件［1］。因此，利用此法查明地下采空區、巖溶及其分布是有效和可行的。

冬末春初勘測，沒有植被和農作物生長，有利于瞬變電磁法收、發線框的進行。不利因素是測區內地形復雜，部分地段為廠房等建筑物，唐津高速和開鳳路橫穿隧道，為外業工作的開展帶來不便;測區內有高壓電線及信號發射塔存在，對瞬變電磁法工作信號帶來不利影響。針對上述不利因素采取了多次疊加增強信號強度等措施確保野外工作的順利完成，并獲取高質量的采集數據。

2 野外工作方法與技術

2.1 方法原理

瞬變電磁法是基于地下探測目標體與圍巖間存在著明顯的導電性差異，利用不接地中心回線向地下發送一次磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，通過測量線圈觀測地下異常體所產生的二次渦流磁場感應電動勢的物探方法。其物理基礎是基于導電介質在階躍變化的激勵磁場激發下引起二次渦流場，通過觀測和研究二次渦流產生的磁場在接收線圈中的感應電動勢強度隨時間的變化規律，獲取探測地電分布的信息。其工作方式如圖1所示:

圖1 瞬變電磁法原理及野外工作布置示意圖Fig.1 The principle of the transient electromagnetic method and its arrangement in field work

由于感應二次場的衰變規律與地下地質體導電性有關，導電性越好，二次場衰減越慢;反之，二次場衰減越快。所以通過研究瞬變場隨時間的變化規律，便可實現探測地下地層、采空區及巖溶分布的目標［2-3］。

2.2 儀器設備及工作參數

此次野外工作投入使用儀器為重慶奔騰數控技術研究所生產的WTEM-2Q瞬變電磁儀。

本次勘探最大深度不超過60 m。野外正式觀測前，進行了多匝小線圈的中心回線裝置和重疊回線裝置的對比試驗，重疊回線裝置的電壓曲線在首支出現了“飽和”現象，其在尾支處亦沒有表現出完整的衰減形態，因此，中心回線裝置更有利于該區工作，因此最終采用了中心回線裝置，多匝小線圈觀測方式，即:發射線圈尺度為2 m×2 m，20匝;接收線圈尺度為1 m× 1 m，20匝，如圖2所示。

圖2 中心回線裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of central loop unit

工作參數主要包括發射頻率、采集時窗和疊加次數、增益、供電電流等。

(1)發射頻率:供電頻率的選擇一般和勘探深度及抑制50 Hz工頻干擾有關。通過現場對4 Hz，8 Hz，16 Hz和32 Hz等四種工作頻率的對比試驗后，確認32 Hz觀測曲線既對目標體的細節反映更靈敏，又能滿足本次探測深度的要求，最終確定工作頻率為32 Hz，控制延時0.2 μs，接收機天線延時0.0 μs。

(2)疊加次數:疊加次數分別選用10、20、30、40、 60、80次進行試驗，疊加次數越多，采集一個測點所需時間越長，但是合適的疊加次數能壓制和整合由天電及其他脈沖干擾源引起的異常，能夠提高數據的信噪比，本次疊加次數≥60次均可獲得較好接收信號。

(3)供電電流:本次為避免瞬變電磁觀測系統早期自感盲區的擴展，經試驗將發射線圈的電流選定在6～9 A，在工作過程當中采用了直徑4 mm2優質導線作為發射線圈材料，從而保證了接收信號質量。

2.3 技術措施

現場觀測做到供電線圈鋪放水平、面積準確，接收線圈擺放在線圈中央并保持水平，正確選擇供電電流、接收頻率;方向誤差＜1°，極距誤差不超過1%，數據采集穩定。

疊加次數與觀測時間范圍的選擇:為了提高觀測資料的信噪比，采用了“累加平均”取數的技術。在干擾嚴重時，增加疊加次數。

供電回線采用電阻率小、絕緣性能好的導線。本次工作采用的導線每千米的視電阻率＜5 Ω·m，以便在有限的供壓下輸出足夠大的電流。

勘測時，沿南、北兩側隧道軸線布置了2條測線，點距為2 m。勘探過程中部分測點受廠房等建筑物影響，探測位置進行了微調或舍棄。

3 瞬變電磁法資料的處理與解釋

3.1 數據處理

過程為:數據導入與格式轉換→數據截斷與光滑→地形數據編輯→視電阻率的計算。

3.2 反演方法

對瞬變電磁資料處理后的多測道電壓剖面數據，利用GeoElectro處理系統的瞬變電磁模塊將其換算成視電阻率數據，而后加入地形參數進行了沿剖面的二維反演計算，選擇了具有平滑功能的最小二乘法反演技術，利用視電阻率數據和地形數據，采取三角網格剖分方式，生成地下二維地電模型，實現迭代循環式反演。各剖面反演電阻率斷面圖見圖3、圖4。縱觀這兩個瞬變電磁反演結果可以看到，在其探測深度范圍內自上而下可劃分高、低、高三個電性層，分別為不同電性的巖層反映特征，將作為地質推斷解釋的主要基礎。

3.3 成果分析

對溶洞、采空區的解釋推斷主要以瞬變電磁法測得的不同地層電阻率分布特征為依據。第四系覆蓋層電阻率不超過70 Ω·m;煤系地層電阻率為25～50 Ω·m，泥巖、泥灰巖電阻率不超過100 Ω·m，采空區、溶洞因充填物等與泥巖、灰巖地層有明顯的電性差異，推測采空區為高阻反映，巖溶為低阻反映。

以剖面解釋為依據，將地質解釋結果分別展布在相應的平面位置圖上，結合本區已知的地質和鉆孔資料，按相鄰剖面地質、構造具有連續和延展性的原則，進行了測區平面內巖溶、采空區展布的空間推斷解釋。

根據同一巖溶、采空區在相鄰剖面上分布的可比性，本著相鄰形態相似的原則，由線到面確定地下巖溶、采空區的展布形態。圖3、圖4分別為隧道南、北側測線的瞬變電磁視電阻率反演及地質解釋斷面圖，隧道上部為厚度近5 m左右的地表雜填土、殘積土;其下部為強風化的基巖，厚度5～20 m;進口側基巖為石灰巖，出口側基巖為泥巖和砂巖，測區共發現2處巖溶區，3處采空區。

圖3 北側隧道剖面(1-1'剖面)瞬變電磁視電阻率反演及地質解釋斷面圖Fig.3 The sectional view for TEM apparent resistivity inversion of the north tunnel profile(1-1'profile)and its geological interpretation

巖溶區主要分布在隧道進口剖面及北側隧道剖面上。分別為:北側隧道剖面(1-1'剖面)368 m左右位置，埋深為6～8 m，30～32 m;南側隧道剖面(2-2'剖面)360 m左右位置，埋深為7～9 m左右。

采空區主要分布于兩條隧洞測線的東部。分別為:北側剖面(1-1'剖面)70 m左右位置，埋深31～33 m;南側隧道(1-1'剖面)20 m左右位置，埋深為30～32 m左右;南側隧道(1-1'剖面)105 m左右位置，埋深為19～21 m。

圖4 南側隧道剖面(2-2'剖面)瞬變電磁視電阻率反演及地質解釋斷面圖ig.4 The sectional view for TEM apparent resistivity inversion of the south tunnel profile(2-2'profile)and its geological interpretation

所發現的的巖溶發育區為低阻異常，溶洞、溶隙中充填有粘土等物質，可采取灌漿等加固處理措施;推測的采空區異常為高阻異常，據調查原高速公路建設時曾在附近進行過注漿處理，處理范圍不詳。本次物探對該高阻異常推測范圍，可結合原高速公路灌漿治理情況，采用“探治結合”方式進行灌漿處理。

4 結論

(1)本次勘察共發現2處巖溶，3處采空區，后經打鉆證實，其成果可為巖溶、采空區的治理提供依據。

(2)利用多匝小線圈瞬變電磁法進行淺層工程勘察是可靠有效的，可為以后同類工程勘察提供借鑒。

［1］ 李志剛，劉國華，邱方勝，等.二環路下穿唐津高速隧道工程地球物理勘探報告［R］.天津:河北省水利水電勘測設計研究院，2014.

［2］ 蔣邦遠.瞬變電磁法勘探［M］.北京:地質出版社，1998.

［3］ 王興泰.工程與環境物探新方法新技術［M］.北京:地質出版社，1996.

(責任編輯:陳姣霞)

Application of Transient Electromagnetic Method in Highway Tunnel Engineering Surveying

HE Guoquan
(Hebei Research Institute of Investigation＆Design of Water Conservancy＆Hydropower，Tianjin 300250)

Taking tunnel engineering investigation of Second Ring Road of Tangshan for example，this paper utilizes the transient electromagnetic method to do an effective experiment of detecting shallow goaf and karst.It makes full use of the transient electromagnetic method with a strong anti-interference ability，the high transverse resolution，little impacted by terrain，not restriction by grounding conditions and other characteristics.It detects the position and distribution of the goaf and karst.Finally，through drilling which has tested effectively that the comprehensive integrated geophysical exploration is useful.

transient electromagnetic method;goaf;karst

P631.3+25;U459.2

:A

:1671-1211(2015)05-0640-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201505027

2015-06-05;改回日期:2015-07-28

何國全 (1971-)，男，高級工程師，應用地球物理專業，從事水利水電工程物探應用及工程檢測工作。E-mail:13502125518@163.com

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150821.1530.026.html數字出版日期:2015-08-21 15:30