電磁三維成像探測技術在城市建設中的應用

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利用的問題，若未能及時對地下掩埋障礙物及污染物進行探測，則在后續開挖過程中易導致施工的安全性問題。采用電磁三維成像探測技術探測天津某待建更新地塊地下障礙物和地下污染物，結合工程實例實現了地下介質電導率平面圖像，針對異常位置進行開挖驗證。該方法能夠無損、高效且準確圈定地下障礙物的三維位置及污染物擴散范圍。

關鍵詞：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，隨著我國城市建設快速發展，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、構筑物等地下障礙物及各類污染物質，地下障礙物增加了施工風險，污染物質影響人類健康。因此在土地重新開發利用前進行地下地質結構預測和地下污染情況預判，對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通常與周圍土壤存在較大物理性質差異，如電性、介電常數和磁性差異（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常可以探測出其大致分布位置。常用的物探方法有高密度電阻率法、地質雷達及電磁三維成像技術等（黎昱等，2017）。高密度電阻率法和地質雷達每次探測范圍有限、工作效率低（葉基瑤等，2008；張家聲等，2023）；電磁三維成像技術具有無損檢測、探測范圍廣、快速便捷、三維成像等優點，該技術在土壤成分檢測、地下障礙物探測等方面具有較好應用效果，但應用于城市工程建設前期探測的應用較少。

本文將電磁三維成像探測技術應用于天津某2個待建更新地塊，分別進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電導率差異來探測地質體的賦存情況，具有快速采集、分辨率高等特點。電磁三維成像方法是通過在地表放置發射線圈（Tx）向地下發射交變電流產生隨時間變化的一次磁場H 1，一次場H 1在地下介質中感應產生電流，這些電流又產生二次磁場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

在感應系數B?1情況下，一次磁場與二次磁場完全正交，原本復雜的函數簡化為（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為感應產生的二次磁場；H_p為交變電流產生一次磁場；B為感應系數；i=√（-1）；ω為角頻率，ω=2? π? f；μ_0為真空磁導率，μ_0=4? π×〖10〗^（-7） H·m-1；σ為大地電導率；S為接收—發射線圈間距。可推導出電導率表示為（Ward，1971；房純綱等，2002）：

利用電磁三維成像方法進行地下障礙物和污染物探測，對測得的電導率進行三維成像，通過分析地層中電導率的分布情況，進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例分析

通過2個應用實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個實例為天津某地塊擬建倉庫，該場地原為農藥廠，存在地下污染情況。第2個實例為在天津某工廠原址計劃修建學校，由于場地原有建筑年代久遠，資料缺失，為了保障施工的順利與安全，需準確掌握地下障礙物分布情況。通常情況下，正常土層表現為相對中等電導率，混凝土塊、建筑垃圾及污染物等為相對低電導率，金屬目標體及鋼筋混凝土表現為相對高電導率或負值，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，為后續設計與施工提供指導。

2.1? 野外數據采集

使用的儀器為捷克GF 公司生產的電磁感應土壤電導率測試儀器CMD-Explorer，全深度模式可同時探測3層深度，分別為2.2 m、4.2 m、6.7 m，半深度模式時探測深度分別為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，點距1 m×1 m。

2.2? 數據處理

繪制采集路徑，結合外業記錄表使用CMD軟件進行數據質量檢查，剔除異常點等數據處理步驟。

得到電導率物性數據，使用Surfer進行電導率成像。

2.3? 應用實例資料解釋

2.3.1? 天津市西青區某地地下污染物探測

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

2.3.2? 天津市河北區某地地下障礙物探測

如圖3所示，為探測區域內深度0～4 m電磁三維成像探測電導率結果圖。區域①整體呈低導異常，電導率為50～80 mS·m-1，區域①低導異常呈現沿北北西方向線狀排布，區域②—區域⑤呈低導異常，電導率為30～50 mS·m-1，這些區域的低導異常呈現片狀分布。綜上所述，結合現場實際情況，推測區域①—區域⑤為掩埋廢舊基礎，區域①的廢舊基礎呈現線狀排布。

根據電磁三維成像結果，對異常點進行開挖驗證（圖4），區域①低導異常點開挖驗證結果為廢舊基礎，突出點推測為基礎支撐點。

3? 結論

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

2）根據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，并進行開挖驗證，證實了探測結果與實際情況相吻合。

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結果容易受到影響，可以結合其他物探方法進行綜合分析，降低結果的多解性。

參考文獻

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WARD S H，1971. Electromagnetic theory for geophysical applications［J］. Mining Geophysics. Tulsa： Soc. of Exploration Geophysicists.

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在城市建設中的應用［J］.城市地質，18（3）：96-99