等值反磁通瞬變電磁法在城市軌道交通巖溶勘察中的應用

萬小樂

(中國地質環境監測院，北京 100081)

0 引 言

近年來，隨著城市軌道交通的快速發展，軌道交通工程建設面臨的地質問題愈加復雜。巖溶是一種常見的地質問題，可引發圍護結構坍塌、漏水、基底突涌、地表沉降等風險，嚴重威脅城市軌道交通工程的設計、施工以及后期運營。由于城市軌道交通建設環境復雜，周圍建筑物、道路及管線密布，常用的巖溶物探方法容易受到接地條件不好、震動以及電磁波干擾等因素的影響，難以獲得較好的探測效果(王斌戰等，2021)。因此，發展一種新的適合城市軌道交通巖溶探測的方法十分必要。

等值反磁通瞬變電磁法是由一種探測地下純二次場的方法(席振銖等，2016)，理論推導和現場試驗表明，該方法能避免一次場干擾和早期二次場的采集，從而獲取地下的純二次場響應，克服常規瞬變電磁法探測中的淺表盲區問題，有效提高淺層探測的能力(劉恒達，2021)。該方法抗外界干擾能力強且幾乎不受周圍地質環境的影響(周超等，2018；謝嘉等，2021)，比較適用于城市軌道交通巖溶勘察工作。

1 方法原理

常規的瞬變電磁法是在發射線圈中通以脈沖電流，在脈沖電流的激發下產生向地下傳播的一次脈沖磁場，在傳播過程中激發導電地質體產生感應渦流；一次脈沖磁場消失后該感應渦流會隨著時間的推移而不斷衰減，在衰減過程中激發出新的二次磁場；接收線圈接收此二次磁場，觀測并研究二次磁場隨著時間的變化特性，進而獲得地下地質體的電性特征和分布情況(李貅，2002)。

等值反磁通瞬變電磁法與常規瞬變電磁法原理相同，但為了有效消除一次磁場的干擾，獲得地下早期純二次場的變化特征，克服淺表探測盲區，發射線圈設置為上下2個平行共軸的相同線圈，向其中分別通以反向電流激發一次磁場，接收線圈設置在上下兩線圈的幾何中心平面上，以保證一次磁場的磁通量為0，因此可接收地下的純二次磁場響應。這種特殊裝置(圖1)基本消除了常規瞬變電磁法在淺表勘察中的盲區，獲得淺部地質體信息，提高探測能力(王銀等，2017；高遠，2018；楊建明等，2018)。

圖1 反磁通裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of opposing-coils electromagnetic device

2 應用實例

圖2 瞬變電磁法測線布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of transient electromagnetic line arrangement

2.1 研究區地質概況

研究區位于廣東惠州惠城區中西部，地形較為平坦，場地標高13.3～17.9 m，屬沖積平原地貌。區內城鎮化程度高，房屋密集，道路縱橫，場地受限，現狀用地主要為民房、建筑工地、道路和水塘。前期鉆探資料顯示，研究區表層為厚約20～40 m的第四系土層，以沖洪積粉質黏土和砂礫石為主，下伏基巖為泥盆系灰巖，灰巖中發育覆蓋型巖溶。勘察目的是查明灰巖區線路經過地段的土石分界線、巖溶發育帶、洞穴位置等特征。根據現場調查，地表以硬化路面為主，不適合高密度電法的電極接地，而地質雷達由于探測深度較淺，也無法滿足探測需求，因此采用等值反磁通瞬變電磁法進行探測。

2.2 物性特征

根據資料，該區第四系覆蓋層電阻率為200～400 Ω·m，泥盆系灰巖電阻率為750～1 500 Ω·m。巖石由于破碎及含水程度不同，電阻率也會隨之發生變化，含水比例越大，巖性破碎程度越高，電阻率相應較低(廖友清等，2020)。區內不同巖性之間、溶蝕灰巖與完整灰巖之間的電阻率差異顯著，具備地球物理勘探的基本條件。

2.3 儀器設備與數據采集

使用HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統，該系統利用等值反磁通技術解決了接收線圈對二次磁場響應的干擾，具有抗干擾能力強、探測精度高、工作效率高等優點。

為查清灰巖區線路經過路段巖溶的發育程度和分布特征，沿線路中心線設置了1條物探測線(圖2)，測線長度約為800 m，點間距為5 m。結合工作要求及現場探測條件，設定數據采集參數為：電源電壓12 V，發射電流8.5 A，發射頻率6.25 Hz，關斷時間為28.5 μs，疊加周期為600次。

2.4 數據處理

采用與HPTEM-18系統配套的數據處理軟件，通過數據預處理、定性分析、定量解釋和綜合推斷等步驟，結合已知地質資料進行綜合解釋，得到視電阻率斷面圖。數據處理流程見圖3。

圖3 HPTEM系統數據處理與解釋流程圖Fig.3 Flow chart of data processing and interpretation of HPTEM system

2.5 解釋推斷

A線反演視電阻率斷面(圖4)顯示，色調由冷至暖反映了視電阻率值由小變大的趨勢，可見探測成果并未在淺表地帶形成明顯盲區，而是清晰展現了地下不同位置和深度地層的電阻率變化，體現了等值反磁通技術的有效性。

圖4 A線反演視電阻率剖面圖Fig.4 Inversion apparent resistivity profile of line A

圖4顯示，淺部視電阻率明顯偏低，等值線橫向連續性較好，垂向差異明顯，推測淺表低阻層為第四系覆蓋層的電性反映；深部視電阻率明顯偏高，推測為下伏泥盆系基巖的電性反映。綜合反演成果和研究區地質情況，第四系覆蓋層和基巖的劃分大致以電阻率值500 Ω·m為界，地層表現為雙層結構。

(1)表層第四系覆蓋層電阻率偏低，電阻率數值在橫向上連續分布，垂向上差異顯著，覆蓋層和下伏基巖的電阻率界限明顯，覆蓋層厚度大致在20～40 m之間，局部地段(DK4+150)厚度達80 m，推測是溶槽和溶溝的影響。

(2)下伏基巖電阻率表現為持續增大的高阻，圖4顯示，橫向上存在不同深度和寬度的低電阻率異常區10處(DK3700—DK3750段3處、DK3850、DK3950、DK4200、DK4300、DK4375、DK4420、DK4440)，異常深度處于40～70 m之間，視電阻率約為400～600 Ω·m，推測這幾處低電阻率異常區附近存在巖溶或溶蝕裂隙。

2.6 鉆孔驗證

物探工作完成后，在低電阻率異常區布置鉆孔進行驗證，通過鉆取的巖芯以及施鉆過程中的掉鉆和漏水等現象判斷地下巖土分界線、溶洞頂底板標高和溶洞的充填情況。部分低阻異常區的鉆孔剖面見圖5，鉆探驗證成果與等值反磁通瞬變電磁法反演成果的對比見表1。

經鉆探揭示，各低電阻率異常區中均發現不同程度的巖溶存在，以溶洞為主，洞高約0.4～9.3 m，充填物以軟塑—可塑狀的黏性土為主，部分為黏性土夾雜灰巖碎塊充填。鉆探驗證成果與等值反磁通瞬變電磁法反演成果較為一致。

由此可見，在建筑物密布、人文環境擾動大、常規地球物理探測方法使用受限時，等值反磁通瞬變電磁法能有效探測地下巖溶的發育情況和分布特征。

圖5 DK3700—DK3750鉆孔剖面圖1-灰巖；2-溶洞；3-鉆孔；粉質黏土；6-砂土；7-地層分界線；8-物探解譯溶洞Fig. 5 Section of drill hole (DK3700—DK3750)

表1 鉆探驗證成果與等值反磁通瞬變電磁法反演成果的對比Table 1 Comparison of drilling validation results and opposing-coils transient electromagnetic inversion results

3 結 論

(1)采用等值反磁通瞬變電磁法在城市軌道交通巖溶勘察中圈定了多處低電阻率異常區，經鉆孔驗證由巖溶引起，鉆探與物探結果較為吻合，取得了較好的探測效果。

(2)此次巖溶勘察實踐表明等值反磁通瞬變電磁法設備輕便，施工方便，抗干擾能力強，且消除了常規瞬變電磁法在淺層的“盲區”，在人文環境復雜的城市區域巖溶探測中可以發揮較大的優勢。