GEM-2多頻電磁技術在地下護管橋探測中的應用

周俊峰

（上海元易勘測設計有限公司，上海 201203）

隨著城市的發展，許多既有道路已經不能滿足交通量的需求，道路的等級、定位、路容、景觀效果、市政配套設施等無法與新的城市規劃和發展理念相匹配，故而需要對己有道路進行改擴建及高架快速化改造[1]。然而，在城市道路改擴建過程中，會遇到各種地下構筑物，箱涵（原水、合流污水）護管橋便是其中之一。護管橋一般為板狀鋼筋混凝土結構，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道路兩側綠化帶進行探測并推測。且由于建設久遠，各項資料缺失等原因，致使相關資料信息缺失，成為道路，特別是高架道路橋梁樁基礎設計、施工過程中的難點問題，給設計及施工造成不利影響。為解決此問題，需要在設計或施工之前對其進行探測，常用工程物探方法如探地雷達、地震面波法、高密度電法等[2-3]，因激發、接收裝置，采集、接收條件，信號接收原理，采集時間等原因或影響交通，或無法接地，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，特別是市區高架區域進行。

GEM-2是一種操作簡便、測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應尋找不同埋深的地下掩埋物。國內外學者在多種應用條件下對其進行了測試，證實了該儀器適用于解決多種探測問題[4-7]。

鑒于GEM-2電磁儀器、方法的簡便高效性，以及其對鋼筋結構高導體的敏感性，本文針對城市主干道路地下護管橋這種鋼筋混凝土構筑物的特性，采用了多頻電磁技術進行快速檢測的方法與思路，實踐表明，該方法能夠獲得地下護管橋的平面位置，為類似問題的勘察和研究提供實踐參考。

1 GEM-2方法原理及特點

電磁法探測以地下介質的電、磁性為基礎，通過發射不同頻率的一次電磁場，從而使地下的良導體（如鋼筋結構）中感應出微弱的渦流電場，由此電場產生二次磁場，被檢測和記錄[8]（圖1）。

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

數據處理之前，須去除一次場，保留能夠反映目標介質信息的二次場信號，并通過二次場信號和一次場信號做比乘以106的歸一化（ppm度量）[4,8]，獲得同相分量和正交分量，進而獲得電導率及磁導率。

2 測線布置及數據采集

GEM-2電磁儀器通過手持即可完成探測任務。儀器內兩個線圈的固定間距為1.66 m，在實際測量中通過改變發射頻率來獲得地下不同深度的信息。

2.1 探測位置

道路等級為城市主干路，瀝青路面，限速50 km/h。根據收集資料及現場實際情況，選擇沿道路方向穿越原水箱涵進行剖面探測（圖2），剖面起止位置以觀測至數據背景場為準。

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

2.2 數據采集

采用GEM-2多頻電磁儀，采集同相分量I和正交分量Q，連續自動測量，默認采樣間隔40ms，每3個疊加為一個記錄數據，即每120ms記錄一個數據，選用1525HZ-5325HZ-18325HZ-63025HZ等4個發射頻率。

3 應用效果分析

本次Gem-2數據采用EMExpor和Invertor軟件處理，通過數據轉換，最終得到不同頻率視電導率及相對磁導率。

3.1 平面位置

通過正演模擬可以從理論上證明，GEM-2幾乎是單極的，異常在目標的正上方[4]。從高頻到低頻，由于護管橋是鋼筋混凝土結構，因此電導率和磁導率皆具有很強的數值范圍，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電導率數據Fig.3 Conductivity data of GEM-2 at different frequencies

圖4 不同頻率GEM-2磁導率數據Fig.4 Permeability data of GEM-2 at different frequencies

由于測線是根據已知原水管位置布置，剖面起止位置以觀測至數據背景場為準（圖2），因此判斷該異常為護管橋。

3.2 深度分析

從圖3、圖4中可以看出，4個不同頻率電導率梯度邊界范圍為103～105mS/m，根據“趨膚深度列線圖”[4,6]，可以利用測量中介質電導率和電磁波頻率來計算趨膚深度δ，從而獲得探測深度d=■δ■■[8-9]。由于各頻率異常主體電導率值≥103mS/m，因此判斷護管橋覆土深度很淺，加之鋼筋網對電磁信號的屏蔽作用，低頻信號無法穿透護管橋界面，據此，推斷護管橋覆土深度≤0.6 m（表1）。

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

3.3 護管橋邊界結構界定及驗證

根據不同頻率電導率、磁導率（圖3、圖4），在視電導率60 S/m、相對磁導率-575（1/1000）處明顯存在陡變梯度帶。據此，基本確定了護管橋邊界的實地準確位置，同時勾勒了該橋的結構特征，即推測該護管橋為不同板塊拼接而成（圖5a）。對該異常在北側（道路東側）綠化帶進行了揭露驗證，發現其邊界與GEM-2數據異常邊界完全吻合，埋于地表以下約0.5 m（圖5b）。

圖5 護管橋邊界及結構解譯(a)與護管橋邊界實際驗證(b)Fig.5 The boundary and structure interpretation (a) and the actual validation (b) of protective pipe bridge

4 結語

利用GEM-2電磁儀器方法的高效、高精度，以及其對高導體的敏感性，針對城市主干道路地下護管橋鋼筋混凝土構筑物的特性，可采用以多頻電磁技術進行快速檢測。實踐表明，以多頻電磁法（GEM-2）作為快速掃描手段，可以精準獲得護管橋的邊界位置及結構埋深特征，可作為類似鋼筋混凝土構筑物的快速探測手段。