等值反磁通瞬變電磁法和探地雷達法在基坑邊坡地面變形勘查中的應用

湯 磊, 張 琦

(湖南省地球物理地球化學勘查院，湖南 長沙 410116)

1 引言

地面變形地質災害主要是指地面沉降、地裂縫和巖溶地面塌陷等以地面垂直變形破壞或地面標高改變為主的地質災害。地面變形地質災害具有成因復雜、發生突然、破壞程度高以及影響范圍廣等特點。地面變形的成因可分為自然因素和人為因素兩大類。隨著人類活動的加強，人為因素已經成為地面變形地質災害的重要原因。在城市大規模建設過程中，地面變形地質災害現象時有發生，給城市建設和城市居民造成較大的安全隱患，因此必須對地面變形地質災害及可能造成的危害有充分的認識，加強地面變形地質災害的成因、預測和防治措施的研究，有效減輕地面變形地質災害造成的安全和經濟損失[1]。

長沙市某地高層建筑基礎工程的深基坑開挖時間久遠，發現在基坑南部和西部周邊邊坡旁和馬路上出現大面積的地面開裂和地面沉降現象，場地基坑西南角處邊坡垮塌，泥漿水不斷往邊坡外涌出。為確保工程安全，需開展地球物理勘查工作，查明地面變形的分布范圍和原因。

城市建設中地面變形的勘查工作，因人文干擾較大、場地受限和物性差異等條件采用地球物理方法探測的種類較多，有天然場源面波和高密度電法相結合的，有地震映像法和探地雷達法相結合的，有聯合剖面法和電測深法等方法相結合的，每種方法各有其優缺點。針對本次工作任務，根據場地的環境及條件，擬采用探地雷達法和等值反磁通瞬變電磁法開展工作。

2 地質概況及地球物理特征

根據鉆探揭露及參考區域地質資料，場地地表覆蓋層主要為第四系人工填土層(Q4ml)、第四系沖積粉質黏土(Qal)及卵石層(Qal)。下伏基巖為白堊系(K)泥質粉砂巖。

2.1 地層巖性

(1)人工填土①(Q4ml)：褐黃、褐灰色，稍濕，主要由黏性土組成，不均勻含碎石、砂卵石等，局部含植物根系，為新近堆填而成，結構松散，未完成自重固結，密實度不均勻。場地部分鉆孔揭露該層，揭露層厚為0.5～4.8 m，平均為1.32 m。該層于場地西部分布厚度大，于場地中部及東部分布厚度小。

(2)第四系沖積層：粉質黏土②(Qal)：褐灰、褐黃色，稍濕-濕，可塑，稍有光澤反應，搖震無反應，切面稍光滑，干強度中等及韌性中等，不均勻含少量砂礫石。層厚1.5～3.1 m，平均為2.3 m。

卵石③(Qal):灰黃、灰白等雜色，飽和，稍密為主，顆粒成分主要為石英及長石，略具風化，粒徑一般為2～12 cm，最大可達21 cm，含量為50%～60%，充填大量圓礫、中粗砂及黏性土，亞圓形，顆粒級配較好。本次勘察大部分鉆孔揭露該層，揭露厚度為0.5～9.3 m，平均為4.13 m。

(3)白堊系(K)泥質粉砂巖：紫紅色，泥質結構，中厚層狀構造，主要成分為少量碎屑礦物及黏土礦物等，節理裂隙發育。本次鉆探揭露全風化巖、強風化巖及中風化巖。

全風化泥質粉砂巖④(K)：紫紅色，風化、節理裂隙發育，巖芯呈散土狀，局部為碎塊狀，稍濕，硬塑-堅硬。大部分鉆孔揭露該層，鉆探揭露厚度為0.7～25.2 m，平均為8.81 m。

強風化泥質粉砂巖⑤(K)：紫紅色，泥質結構，中厚層狀構造，節理裂隙發育，巖芯呈短柱狀、碎塊狀，遇水易軟化，失水易崩解。鉆探揭露厚度為1.5～30.9 m，平均為9.67 m。

中風化泥質粉砂巖⑥(K)：紫紅色，泥質結構，中厚層狀構造，節理裂隙較發育，巖芯呈柱狀、長柱狀，遇水易軟化，失水易崩解。鉆探揭露厚度為1.6～4.8 m，平均為3.67 m。

2.2 水文地質條件

地表水：擬建場地無地表水分布。

上層滯水：主要賦存于人工填土層(①)及粉質黏土層(②)中，由大氣降水入滲補給及地表水滲入補給，水量極貧乏，水位隨季節變化而異。

孔隙水：主要賦存于卵石層(③)中，由地表水和大氣降水通過包氣帶下滲補給，有自由水面，水量較豐富。

基巖裂隙水：主要賦存于強風化及中風化泥質粉砂巖的風化、節理裂隙中，其補給、徑流條件主要受巖層地質構造、節理裂隙發育程度控制和影響，其水量一般較小，未形成統一、連續的地下水水面。

2.3 地球物理特征

由于測區覆蓋主要是第四系人工填土、第四系沖積粉質黏土和卵石層，下伏基巖為白堊系泥質粉砂巖等，地表第四系土層電阻率一般為50～100 Ω·m，卵石層電阻率一般為100～200 Ω·m，下伏基巖泥質粉砂巖電阻率一般為200～500 Ω·m，空氣電阻率為∞。松散土體表現為低阻異常特征，若土洞里充水，表現為低阻異常特征；若土洞為空，充填為空氣，表現為高阻異常特征。測區干黏土相對介電常數為2～6，濕黏土相對介電常數為5～40，干泥質粉砂巖相對介電常數為2～5，濕泥質粉砂巖相對介電常數為5～10。以上電阻率和介電常數等物性差異為本次勘查工作提供了較好的地球物理前提條件。

3 基本原理及工作方法

3.1 探地雷達法原理

探地雷達是利用寬頻帶高頻電磁波信號探測介質結構分布的非破壞性的探測儀器，它通過雷達天線對隱蔽目標體進行全斷面掃描的方式獲得斷面的掃描圖像。具體工作原理是：通過發射天線、接收天線以及主機共同工作，采集樣點時，首先由控制單元分別給發射器和接收器發出一個控制信號，發射器接收到該信號后，通過發射天線(T)向地下某一測點發射一定主頻的電磁脈沖波，電磁脈沖波在各種介質的傳播過程中，遇到不同介質的物性分界面(電阻率、介電常數的差異分界面)時發生波的反射，反射波由接收天線(R)接收；通過控制單元和計算機接收經光纜由接收天線傳送的反射波信號，并在計算機中存儲每一個測點上波形序列的振幅及波的雙程走時(△t)；根據電磁波在介質中的傳播速度及波的雙程走時，采用公式S=V×△t/2，求出反射面的深度。沿地面橫向布置的測線移動天線，控制單元即可采集到一條測線上的所有測點相應的波形序列，形成一整條測線的雷達剖面記錄[2-3]。探地雷達探測成像工作原理如圖1所示。

圖1 探地雷達成像工作原理

3.2 等值反磁通瞬變電磁法原理

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖電磁場，且在一次脈沖間歇觀測地下渦流場的方法。從原理上講是測量地質體感應的二次場的時間域電磁法，M.N.Nabighian把渦流極大值面擴散形象比作為“煙圈”。等值反磁通瞬變電磁法消除了接收線圈一次場的影響，從理論上實現了瞬變電磁法0～200 m淺層勘探。方法上采用上下平行共軸的兩個相同線圈通以反向電流作為發射源(雙線圈源)，并在雙線圈源的中間平面接收地下二次場，如圖2所示。由于接收面為上下兩線圈的等值反磁通平面，其一次場磁通始終為零，而地下空間卻仍然存在一次場，因此一次場關斷時，接收線圈測量的是地下的純二次場響應。進行單點測量，將測量結果輸入微機，用專業的軟件對數據進行處理并得到測線的地電斷面剖面圖[4-5]。

圖2 等值反磁通瞬變電磁法原理示意圖

3.3 工作方法技術

本次施工中探地雷達采用瑞典MALA公司生產的RAMAC/GPR型儀器，采用連續測量模式，100 MHZ屏蔽天線采集數據，采樣頻率1 072 MHz，時窗304 ns，采樣間隔0.099 m。

本次施工中瞬變電磁法采用的儀器是湖南五維地質科技有限責任公司生產的HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統，點距分別為3 m和4 m，發送電壓：12 V，電流：10 A。本次采用等值反磁通瞬變電磁法進行測試前，首先檢查儀器工作是否正常，確保電池電壓12 V以上，測試的衰減曲線正常，保證儀器正常工作。然后進行噪聲測試，進行不同發送頻率的測試，結合測量深度，本次選擇25 Hz發送頻率；其次，進行疊加次數的測試，經現場測量數據后，選擇疊加次數為200。

本次測區共布置測線6條，等值反磁通瞬變電磁法和探地雷達法共用一條測線，選取其中的2條典型測線進行論述與解釋，評價方法的可靠性。

4 資料處理與成果解釋

4.1 解釋方法

綜合視電阻率ρs斷面圖和地質資料，結合電阻率斷面圖中背景值、低阻異常的形態、低阻異常值及其梯度值等因素，全風化泥質粉砂巖裂隙帶中含水或含泥質成分表現為相對低阻特征，并結合測量位置所對應的地層巖性，對深部基巖裂隙體富水分布范圍和規模進行評價。

探地雷達主要依據反射的雷達圖像進行評價：

密實土層：界面反射信號幅值較弱，波形均勻，甚至沒有界面反射信號；

松散土層：界面反射信號為強反射，同相軸不連續，錯斷，雜亂，一般區域化分布；

空洞：界面反射信號強，呈典型的孤立體相位特征，通常為規整或不規整的雙曲線波形特征。

4.2 資料處理

探地雷達數據應用專業軟件(ReflexW)將野外采集的數據導入，與野外記錄仔細核對后，對數據進行精細處理：靜校正—去直流漂移—自動增益設置—1D帶通濾波—2D濾波—平均圓滑，生成探地雷達斷面圖，為資料解釋提供基礎資料。

瞬變電磁法將各測線測量的數據由儀器傳輸到計算機，采用HPTEM數據處理系統處理數據，計算測線的深度—視電阻率值，并繪制視電阻率等值線圖。處理步驟如下：選擇抽道方式為強干擾地區，對參數進行設置，約束系數為0.8，地表電阻率設置為100 Ω·m，反演系數為0.2，目標深度設置為30 m，對壞點或畸變點刪除、數據圓滑等一系列處理操作，最后進行反演計算，得出測線的視電阻率值，最后利用Surfer軟件繪出成果剖面圖。

4.3 1線綜合成果解釋

1線位于基坑南部馬路旁的人行道上，東西走向，測線長170 m。采用等值反磁通瞬變電磁法和探地雷達法，結合地質和鉆探資料對地下30 m深度內的地層劃分和物性異常進行解釋。

從圖3等值反磁通瞬變電磁法剖面可看出覆蓋層厚度大約10 m，位于水平34～44 m位置，頂底埋深-8～-16 m深度，有兩側相對高阻夾低阻異常，呈“V”字型展布，往深部有延伸，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(異常區編號為S01)；位于水平68～78 m位置，頂底埋深-8～-14 m深度，同樣有兩側相對高阻夾低阻異常，呈“V”字型展布，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(異常區編號為S02)；位于水平85～97 m位置，頂底埋深-10～-19 m深度，有兩側相對高阻夾低阻異常，呈低緩的“U”字型，往深部有延伸，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(異常區編號為S03)；位于水平127～143 m位置，頂底埋深-9～-30 m深度，有兩側相對高阻中間夾低阻異常，從淺部一直往深部延伸，低阻圈閉合異常，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(異常區編號為S04)；位于水平163～168 m位置，頂底埋深-12～-30 m深度，有兩側相對高阻中間夾低阻異常，從淺部一直往深部延伸，低阻圈未閉合，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(異常區編號為S05)。

從圖3探地雷達剖面可看出：位于水平22～45 m位置，頂底埋深-1～-6 m深度，近水平長條狀，發現同相軸能量較強，同相軸橫向不連續，波形結構局部錯斷、扭曲，較凌亂，反射信號有向深部延伸的異常特征，解釋該處為松散土體(異常區編號為R01)；位于水平58～78 m位置，頂底埋深-2～-6 m深度，近水平長條狀，發現同相軸能量較強，同相軸橫向較不連續，波形結構在異常區中間嚴重錯斷、扭曲，較凌亂，反射信號有向深部延伸的異常特征，解釋該處為松散土體(異常區編號為R02)；異常位于水平102～130 m位置，頂底埋深-1～-5 m深度，近水平長條狀，發現同相軸能量較強，同相軸橫向較不連續，波形結構局部錯斷、扭曲，較凌亂，反射信號有向深部延伸的異常特征，解釋該處為松散土體(異常區編號為R03)；異常位于水平138～148 m位置，頂底埋深-2～-6 m深度，似圓形狀，發現同相軸能量較強，同相軸橫向較不連續，波形結構局部錯斷、扭曲，有較凌亂的異常特征，解釋該處為松散土體(異常區編號為R04)。

圖3 1線綜合解釋剖面

4.4 2線綜合成果解釋

2線位于基坑西部馬路旁的人行道上，南北走向，測線長170 m，采用等值反磁通瞬變電磁法和探地雷達法，結合地質和鉆探資料對地下30 m深度內的地層劃分和物性異常進行解釋。

從圖4等值反磁通瞬變電磁法剖面可看出：覆蓋層厚度大約10 m，頂部位于水平16～30 m位置，底部位于水平9～20 m位置，頂底埋深-10～-30 m深度，有兩側相對高阻夾低阻異常，呈條帶狀低阻異常，從淺部一直往深部延伸，深部低阻圈未閉合，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(異常區編號為S06)；頂部位于水平47～72 m位置，底部位于水平66～72 m位置，頂底埋深-8～-30 m深度，有兩側相對高阻夾低阻異常，呈條帶狀低阻異常，從淺部一直往深部延伸，深部低阻圈未閉合，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(異常區編號為S07)；位于水平75～96 m位置，頂底埋深-10～-17 m深度，有兩側相對高阻夾低阻異常，呈低緩的“U”字型，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(異常區編號為S08)；頂部位于水平111～129 m深度，底部位于水平108～117 m位置，頂底埋深-12～-30 m，有兩側相對高阻夾低阻異常，呈條帶狀低阻異常，從淺部一直往深部延伸，低阻圈未閉合，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(異常區編號為S09)；位于水平147～163 m，頂底埋深-11～-14 m，兩側相對高阻夾低阻異常，呈寬緩的“U”字型，異常往深部延伸，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(異常區編號為S10)。

從圖4探地雷達剖面可看出：位于水平30～75 m位置，頂底埋深-2～-7 m深度，近水平長條狀，發現同相軸能量較強，同相軸橫向不連續，波形結構較凌亂，反射信號往深部略有延伸的異常特征，解釋為松散土體(異常區編號為R05)；位于水平138～148 m，頂底埋深-2～-7 m，反向的凸字形，發現同相軸能量較強，同相軸橫向不連續，波形結構局部扭曲，且較凌亂，反射信號一直往深部延伸的異常特征，解釋為松散土體(異常區編號為R06)。

圖4 2線綜合解釋剖面

5 結論

基坑邊坡地面變形發生以后經現場地質災害調查，主要原因為部分支護結構失穩，加之地下水長期侵蝕表層土層，將土體里的顆粒成分運移帶走，使土體失去穩定性導致基坑周邊地面變形。

本次根據實際情況，采用探地雷達和等值反磁通瞬變電磁相結合的方法基本查明了松散土體及基巖裂隙體和富水的分布范圍與規模，對物探異常區域進行了鉆孔驗證，均為軟塑狀黏性土和巖體裂隙的表現，取得了良好的勘查效果，完成了地球物理勘查的具體任務要求，達到了本次勘查的目的，并對其物探異常區域進行注漿處理，經處理后地面變形地質災害得到明顯的減弱。

城市地質災害勘查受場地限制、環境干擾較大等因素，常規的物探方法難以達到理想的勘查效果，而探地雷達法反映淺部的異常特征，等值反磁通瞬變電磁法反映深部的異常特征，兩種方法相結合精度高，抗干擾能力強，工作效率高，取長補短，能達到勘查的目的要求，為基坑邊坡治理提供了可靠的科學依據，證明此兩種方法的結合是城市物探中行之有效的方法。