井间电磁波CT法在工程中的应用

喻 春，段义敏，沈瑞文，赵维新，王 俊

（1.中国人民武装警察部队黄金第十二支队，四川成都611732；2.成都理工大学地球物理学院，四川成都610059；3.中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，云南昆明650011）

井间电磁波CT法在工程中的应用

喻 春1,2，段义敏1，沈瑞文1，赵维新1，王 俊3

（1.中国人民武装警察部队黄金第十二支队，四川成都611732；2.成都理工大学地球物理学院，四川成都610059；3.中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，云南昆明650011）

主要阐述了通过在某公路大桥桥梁桩基附近施工钻孔，然后在钻孔中进行井间电磁波CT法勘察，并且结合钻孔取样资料，验证井间电磁波CT技术探测结果这一工程应用实例，最终证明井间电磁波CT技术在桥梁桩基岩溶探测中是一种切实有效的物探勘察方法。

井间电磁波CT技术；桩基；岩溶；吸收系数

1 概述

在灰岩地区，桥梁的桩基工程设计施工中，地下岩溶是造成桩体不稳定主要的安全隐患之一。在施工中，桩体侧面存在岩溶会造成漏浆；桩体完工后可能还会造成桩体倾斜等问题。而桩体底部5m内的岩溶甚至会造成桩体沉降，危害更大。为确保桥梁工程中桩基的安全，必须要查明地下岩溶相对于桩基的位置[1]。

随着时代进步，施工技术要求的不断提高，传统的电阻率法、高密度电法、地震等传统物探勘察方法均存在一定的局限性，在施工条件等诸多方面难以满足当前工程物探勘查目的需求。然而随着物探勘察技术的不断发展进步，电磁波CT技术的出现与发展正好弥补了传统物探方法的不足[2]。

电磁波CT成像技术最早广泛应用于医学领域，20世纪80年代后期被物探工作人员应用到物探勘查中，目前常用的主要有声波、弹性波、地震波和电磁波、电阻率等几种CT方法[3]。随着相关理论和反演方法的发展与成熟，电磁波CT技术已经广泛用于矿产、能源、工程地质与水文地质的勘察等方面[4]，能够确定异常体的位置和产状，是一种非常有效工程勘察手段。

2 方法原理

井间电磁波CT技术是在钻孔中进行电磁波CT（0.5～32MHz）测量。分别在2个钻孔中A孔放置发射机、B孔放接收机[5]；当A孔沿孔深的发射点依次发射出电磁波，通过钻孔之间介质进行传播，并被不同的介质吸收和衰减之后，在B孔相应接收点被接收。然后AB孔收发进行对调，最终组成1个两孔间的测试剖面[6]。电磁波CT测试原理图见图1。

图1 电磁波CT测试原理图

电磁波涉及在地下半空间的辐射、传播和接收，通过电磁波传播理论表明，在地下介质中电磁波的发射和接收存在以下关系：

式中：E——通过观测取得的场强幅值；

E0——场强的初始辐射值；

R——电磁波沿直线传播的路径长；

dr——路径的积分线元；

β——地下介质的吸收系数；

f——与发射和接收天线有关的方向因子函数[5]。

地下介质对电磁波的衰减系数可用下述公式表示[5]：

式中：ω——天线角频率；

β——地下介质对电磁波的衰减系数；

ur——介质的相对磁导率；

σ——待测介质的电导率；

εr——待测介质的相对介电常数[5]。

通过上式表明，当ur、εr在一定的条件下，β主要与σ有关。σ越大，β就越大，介质的密实性就较差；反过来，σ越小，β就越小，介质的密实性就较好[5]；

得出结论：当电磁波穿越不同的地下介质（如不同的岩矿体、溶洞等）时，由于不同介质对电磁波β的吸收存在差异：电磁波的吸收越强，电阻率越低，反映岩体破碎、完整性差，溶洞内充填粘土或充水等；数值越小，说明岩体对电磁波的吸收越弱，为空洞或完整岩体的反映。从而在电磁波层析成像呈现负异常，如同“阴影”，我们就是通过利用这一“阴影”的特性来判断目标地质体的形态[5]。这种方法与医学上的CT透视相似因此而得名电磁波CT技术[7]。

3 应用实例

3.1 工区概况

在建的某公路大桥桥梁桩基施工中发现位于灰岩地区，地下岩溶较为发育，工区出露地层按照时间顺序由老到新首先第四系转石、卵石等其次是河湖相的沉积粘土再是石炭系威宁组灰岩、白云岩等。

本次探测的区域属灰岩地区，基岩位于地下水位线以下，岩溶发育地段，电磁波能量的吸收相对基岩完整的地段要强，在电磁波吸收系数剖面上为大值反映，据此，可对利用电磁波CT法对岩溶发育规模、位置等进行判断提供了地球物理前提。

为保证工程的安全需要进行岩溶探测，对桩基施工钻孔，然后在2个孔之间进行井间的电磁波CT测量施工来进行探测。由于篇幅原因，所以本次探测仅选择由CTZK01～CTZK02和CTZK02～CTZK03 2个剖面共同组成的剖面中的地下岩溶情况进行探测。

通过标本测试和早期钻孔资料统计出工区内探测范围主要岩土层电性特征（表1）。

表1 工区主要地层吸收系数

3.2 采用参数

此次剖面钻孔电磁波CT工作中，在保证能够有效穿透的前提下，根据具体情况，工作时电磁波频率选用了12～32MHz。在不影响图像质量的前提下，观测时采用发射点距为1.0～2.0m，接收点距为0.5～1.0m的互装置观测。

在室外的数据采集使用廊坊物化探所研制的JW-5Q型电磁波CT系统，仪器经过室内标定和野外重复观测检查，读数稳定，一致性好，符合规范対仪器的各项要求。野外数据采集检查观测点数满足相关行业规范要求。

对数据进行网格化处理，按照0.5m×0.5m或1.0m× 1.0m规格划分，进行反演计算时运用代数重建算法（ART）和联合迭代重建算法（SIRT）相结合的综合算法处理采集的数据，得到最终的结果。

3.3 资料解释

本剖面由 CTZK01～CTZK02和 CTZK02～CTZK03 2个剖面组成，实测场值在-50～-110dB，总体上信号随深度增加逐渐增强，电磁波CT反演吸收系数色谱图见图2。

在图2中可以看出电磁波吸收系数大于3.0dB/m的异常区域主要有3个。分别用黑色粗线勾画。按照埋深对异常进行统计，如表2所述。

通过对钻孔CTZK01、CTZK02、CTZK03 3个钻孔进行岩芯取样分析，并绘制出柱状图(图3)，与电磁波CT反演吸收系数色谱图进行异常的对比，显示推断异常位置吻合准确，两者一致性较好。

图2 CTZK01～CTZK02～CTZK03剖面电磁波CT反演吸收系数等值线图及解释成果

表2 电磁波吸收系数异常统计表

综上所述，说明井间电磁波CT法在CTZK01～CTZK02～CTZK03组成的剖面上进行桥梁桩基岩溶探测效果明显、直观、准确。

但是最终成果是孔间介质电磁波吸收系数β值分布的色谱图，它实际反映的是孔间介质在物性（主要是电阻率）方面的差异，是一个相对指标值。经计算得到的各剖面的视吸收系数β值，并不能完全对等起来，只能做对比分析。另外，受测试盲区影响，剖面顶、底部图像精度降低，该部分解释存在不确定性。

4 结论

通过本次井间电磁波CT法在桥梁桩基溶洞探测中应用实例，表明该方法效果显著。说明在岩溶发育地区运用井间电磁波CT法进行工程勘察可以克服常规电法、地震等传统物探方法施工条件苛刻的困难，并且探测结果更直观，信息丰富，是一种高效经济的物探方法[8]。

（1）如果能利用工区初期勘察时的钻孔进行电磁波CT法探测，可以大量节约施工成本并且提供更加详尽的地质资料。

（2）当有足够多的钻孔对某一固定桩基进行探测形成相互交错的剖面探测，可以通过这些剖面数据尝试建立一个三维的空间模型，这样可以了解溶洞在地下的空间三维分布数据[4]。

[1]王晓群.电磁波CT在武汉地铁岩溶勘察中的应用[J].城市建设理论研究（电子版）,2012(28).

[2]李永涛,陶喜林，等.井间电磁波CT技术在长江大堤岩溶探测中的应用[J].CT理论与应用研,2009,18(1):55-62.

[3] 于宁飞.浅析CT技术的发展[J].科技信息,2011(11).

[4]郭贵安,魏柏林.井间电磁波CT技术在溶洞探测中的应用[J].华南地震，1999,19(4):28-34.

[5]周欣,刘涛,尹极，等.电磁波CT技术在溶洞勘察中的应用效果分析[J].CT理论与应用研究,2012,21(4):659-666.

[6] 董亮，等.钻孔电磁波CT技术在帷幕灌浆检测中的应用[J].人民长江，2011(22).

[7]崔春林.钻孔电磁波层析成像CT技术及其应用[J].山西水利科技,2005(1):83-85.

[8]何禹,李永涛,朱亚军.钻孔电磁波CT技术在深部岩溶勘探中的应用[J].工程地球物理学报,2010(4)：451-455.

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1004-5716(2015)09-0167-04

2014-09-23

2014-10-15

喻春（1983-），男（汉族），重庆人，工程师，现从事工程物探与矿产勘查工作。