瞬变电磁法在公路隧道工程勘测中的应用

何国全

(河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250)

瞬变电磁法在公路隧道工程勘测中的应用

何国全

(河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250)

以唐山市二环隧道工程勘察为例，利用瞬变电磁法进行浅层采空区、岩溶探测的有效性试验研究。充分利用瞬变电磁法具有抗干扰能力强、横向分辨率高、受地势影响小、不受接地条件限制等特点，查明了该测区采空区、岩溶的位置及分布情况，后期钻探验证表明所采用的方法是行之有效的。

瞬变电磁法;采空区;岩溶

唐山市二环工程项目是唐山市重点建设项目，该工程的实施对加快推进唐山市路网体系建设、完善城市基础配套设施意义重大。二环路下穿唐津高速隧道工程，分南北两幅，北侧隧道长410 m，南侧隧道长415 m，隧道宽度16 m。该隧道工程位于唐山市开平区二环路与唐津高速交汇处。

根据工地现场情况，沿南北两侧隧道轴线布置了2条剖面，利用瞬变电磁法进行勘测。勘探过程中部分测点受厂房等建筑物影响，探测位置进行了微调或舍弃，查明了溶洞、采空区的位置和分布情况，达到了预期的勘察效果。

1 地质概况与地球物理特征

本勘测区地处中朝准地台燕山台褶带马兰峪复式背斜开滦台凹的中部。基底构造较复杂，新构造运动强烈，本区附近主要褶皱构造为开平向斜，主要断裂构造有唐山断裂、陡河断裂。

隧道路线西端进口为露天采石场，地形起伏较大，地势陡峭，场坑中无铺设通路，通行极为困难。隧道路线东端进出口为人工开挖山谷阶地，出口为厂区厂房，洞身部位有开凤路及唐津高速横穿，拟建隧道主要贯穿于开平向斜西北翼形成的丘陵中，地形起伏较大。

根据收集到的地质及钻探资料，勘察区情况如下:地表覆盖第四系(多为杂填土、残积土、粉质粘土、粘土等组成)，下伏基岩由泥岩、泥灰岩、砂岩、煤岩和石灰岩组成。第四系覆盖层电阻率不超过70 Ω·m;煤系地层电阻率为25～50 Ω·m，泥岩、泥灰岩电阻率不超过100 Ω·m;采空区由于被采空，在未充水情况下为高阻特征，在充满水条件下为低阻特征。已知地质资料表明采空区位于潜水面以上，因此采空区内不会充满水，一般呈高阻反应;岩溶由于充填粘土等物质而呈低阻特征。由此可见本次勘探的目标体与围岩存在着明显电性差异，完全具备开展瞬变电磁测深法工作的地球物理前提条件［1］。因此，利用此法查明地下采空区、岩溶及其分布是有效和可行的。

冬末春初勘测，没有植被和农作物生长，有利于瞬变电磁法收、发线框的进行。不利因素是测区内地形复杂，部分地段为厂房等建筑物，唐津高速和开凤路横穿隧道，为外业工作的开展带来不便;测区内有高压电线及信号发射塔存在，对瞬变电磁法工作信号带来不利影响。针对上述不利因素采取了多次叠加增强信号强度等措施确保野外工作的顺利完成，并获取高质量的采集数据。

2 野外工作方法与技术

2.1 方法原理

瞬变电磁法是基于地下探测目标体与围岩间存在着明显的导电性差异，利用不接地中心回线向地下发送一次磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，通过测量线圈观测地下异常体所产生的二次涡流磁场感应电动势的物探方法。其物理基础是基于导电介质在阶跃变化的激励磁场激发下引起二次涡流场，通过观测和研究二次涡流产生的磁场在接收线圈中的感应电动势强度随时间的变化规律，获取探测地电分布的信息。其工作方式如图1所示:

图1 瞬变电磁法原理及野外工作布置示意图Fig.1 The principle of the transient electromagnetic method and its arrangement in field work

由于感应二次场的衰变规律与地下地质体导电性有关，导电性越好，二次场衰减越慢;反之，二次场衰减越快。所以通过研究瞬变场随时间的变化规律，便可实现探测地下地层、采空区及岩溶分布的目标［2-3］。

2.2 仪器设备及工作参数

此次野外工作投入使用仪器为重庆奔腾数控技术研究所生产的WTEM-2Q瞬变电磁仪。

本次勘探最大深度不超过60 m。野外正式观测前，进行了多匝小线圈的中心回线装置和重叠回线装置的对比试验，重叠回线装置的电压曲线在首支出现了“饱和”现象，其在尾支处亦没有表现出完整的衰减形态，因此，中心回线装置更有利于该区工作，因此最终采用了中心回线装置，多匝小线圈观测方式，即:发射线圈尺度为2 m×2 m，20匝;接收线圈尺度为1 m× 1 m，20匝，如图2所示。

图2 中心回线装置示意图Fig.2 Schematic diagram of central loop unit

工作参数主要包括发射频率、采集时窗和叠加次数、增益、供电电流等。

(1)发射频率:供电频率的选择一般和勘探深度及抑制50 Hz工频干扰有关。通过现场对4 Hz，8 Hz，16 Hz和32 Hz等四种工作频率的对比试验后，确认32 Hz观测曲线既对目标体的细节反映更灵敏，又能满足本次探测深度的要求，最终确定工作频率为32 Hz，控制延时0.2 μs，接收机天线延时0.0 μs。

(2)叠加次数:叠加次数分别选用10、20、30、40、 60、80次进行试验，叠加次数越多，采集一个测点所需时间越长，但是合适的叠加次数能压制和整合由天电及其他脉冲干扰源引起的异常，能够提高数据的信噪比，本次叠加次数≥60次均可获得较好接收信号。

(3)供电电流:本次为避免瞬变电磁观测系统早期自感盲区的扩展，经试验将发射线圈的电流选定在6～9 A，在工作过程当中采用了直径4 mm2优质导线作为发射线圈材料，从而保证了接收信号质量。

2.3 技术措施

现场观测做到供电线圈铺放水平、面积准确，接收线圈摆放在线圈中央并保持水平，正确选择供电电流、接收频率;方向误差＜1°，极距误差不超过1%，数据采集稳定。

叠加次数与观测时间范围的选择:为了提高观测资料的信噪比，采用了“累加平均”取数的技术。在干扰严重时，增加叠加次数。

供电回线采用电阻率小、绝缘性能好的导线。本次工作采用的导线每千米的视电阻率＜5 Ω·m，以便在有限的供压下输出足够大的电流。

勘测时，沿南、北两侧隧道轴线布置了2条测线，点距为2 m。勘探过程中部分测点受厂房等建筑物影响，探测位置进行了微调或舍弃。

3 瞬变电磁法资料的处理与解释

3.1 数据处理

过程为:数据导入与格式转换→数据截断与光滑→地形数据编辑→视电阻率的计算。

3.2 反演方法

对瞬变电磁资料处理后的多测道电压剖面数据，利用GeoElectro处理系统的瞬变电磁模块将其换算成视电阻率数据，而后加入地形参数进行了沿剖面的二维反演计算，选择了具有平滑功能的最小二乘法反演技术，利用视电阻率数据和地形数据，采取三角网格剖分方式，生成地下二维地电模型，实现迭代循环式反演。各剖面反演电阻率断面图见图3、图4。纵观这两个瞬变电磁反演结果可以看到，在其探测深度范围内自上而下可划分高、低、高三个电性层，分别为不同电性的岩层反映特征，将作为地质推断解释的主要基础。

3.3 成果分析

对溶洞、采空区的解释推断主要以瞬变电磁法测得的不同地层电阻率分布特征为依据。第四系覆盖层电阻率不超过70 Ω·m;煤系地层电阻率为25～50 Ω·m，泥岩、泥灰岩电阻率不超过100 Ω·m，采空区、溶洞因充填物等与泥岩、灰岩地层有明显的电性差异，推测采空区为高阻反映，岩溶为低阻反映。

以剖面解释为依据，将地质解释结果分别展布在相应的平面位置图上，结合本区已知的地质和钻孔资料，按相邻剖面地质、构造具有连续和延展性的原则，进行了测区平面内岩溶、采空区展布的空间推断解释。

根据同一岩溶、采空区在相邻剖面上分布的可比性，本着相邻形态相似的原则，由线到面确定地下岩溶、采空区的展布形态。图3、图4分别为隧道南、北侧测线的瞬变电磁视电阻率反演及地质解释断面图，隧道上部为厚度近5 m左右的地表杂填土、残积土;其下部为强风化的基岩，厚度5～20 m;进口侧基岩为石灰岩，出口侧基岩为泥岩和砂岩，测区共发现2处岩溶区，3处采空区。

图3 北侧隧道剖面(1-1'剖面)瞬变电磁视电阻率反演及地质解释断面图Fig.3 The sectional view for TEM apparent resistivity inversion of the north tunnel profile(1-1'profile)and its geological interpretation

岩溶区主要分布在隧道进口剖面及北侧隧道剖面上。分别为:北侧隧道剖面(1-1'剖面)368 m左右位置，埋深为6～8 m，30～32 m;南侧隧道剖面(2-2'剖面)360 m左右位置，埋深为7～9 m左右。

采空区主要分布于两条隧洞测线的东部。分别为:北侧剖面(1-1'剖面)70 m左右位置，埋深31～33 m;南侧隧道(1-1'剖面)20 m左右位置，埋深为30～32 m左右;南侧隧道(1-1'剖面)105 m左右位置，埋深为19～21 m。

图4 南侧隧道剖面(2-2'剖面)瞬变电磁视电阻率反演及地质解释断面图ig.4 The sectional view for TEM apparent resistivity inversion of the south tunnel profile(2-2'profile)and its geological interpretation

所发现的的岩溶发育区为低阻异常，溶洞、溶隙中充填有粘土等物质，可采取灌浆等加固处理措施;推测的采空区异常为高阻异常，据调查原高速公路建设时曾在附近进行过注浆处理，处理范围不详。本次物探对该高阻异常推测范围，可结合原高速公路灌浆治理情况，采用“探治结合”方式进行灌浆处理。

4 结论

(1)本次勘察共发现2处岩溶，3处采空区，后经打钻证实，其成果可为岩溶、采空区的治理提供依据。

(2)利用多匝小线圈瞬变电磁法进行浅层工程勘察是可靠有效的，可为以后同类工程勘察提供借鉴。

［1］ 李志刚，刘国华，邱方胜，等.二环路下穿唐津高速隧道工程地球物理勘探报告［R］.天津:河北省水利水电勘测设计研究院，2014.

［2］ 蒋邦远.瞬变电磁法勘探［M］.北京:地质出版社，1998.

［3］ 王兴泰.工程与环境物探新方法新技术［M］.北京:地质出版社，1996.

(责任编辑:陈姣霞)

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

何国全 (1971-)，男，高级工程师，应用地球物理专业，从事水利水电工程物探应用及工程检测工作。E-mail:13502125518@163.com

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150821.1530.026.html数字出版日期:2015-08-21 15:30