等值反磁通瞬变电磁法和探地雷达法在基坑边坡地面变形勘查中的应用

汤 磊, 张 琦

(湖南省地球物理地球化学勘查院，湖南 长沙 410116)

1 引言

地面变形地质灾害主要是指地面沉降、地裂缝和岩溶地面塌陷等以地面垂直变形破坏或地面标高改变为主的地质灾害。地面变形地质灾害具有成因复杂、发生突然、破坏程度高以及影响范围广等特点。地面变形的成因可分为自然因素和人为因素两大类。随着人类活动的加强，人为因素已经成为地面变形地质灾害的重要原因。在城市大规模建设过程中，地面变形地质灾害现象时有发生，给城市建设和城市居民造成较大的安全隐患，因此必须对地面变形地质灾害及可能造成的危害有充分的认识，加强地面变形地质灾害的成因、预测和防治措施的研究，有效减轻地面变形地质灾害造成的安全和经济损失[1]。

长沙市某地高层建筑基础工程的深基坑开挖时间久远，发现在基坑南部和西部周边边坡旁和马路上出现大面积的地面开裂和地面沉降现象，场地基坑西南角处边坡垮塌，泥浆水不断往边坡外涌出。为确保工程安全，需开展地球物理勘查工作，查明地面变形的分布范围和原因。

城市建设中地面变形的勘查工作，因人文干扰较大、场地受限和物性差异等条件采用地球物理方法探测的种类较多，有天然场源面波和高密度电法相结合的，有地震映像法和探地雷达法相结合的，有联合剖面法和电测深法等方法相结合的，每种方法各有其优缺点。针对本次工作任务，根据场地的环境及条件，拟采用探地雷达法和等值反磁通瞬变电磁法开展工作。

2 地质概况及地球物理特征

根据钻探揭露及参考区域地质资料，场地地表覆盖层主要为第四系人工填土层(Q4ml)、第四系冲积粉质黏土(Qal)及卵石层(Qal)。下伏基岩为白垩系(K)泥质粉砂岩。

2.1 地层岩性

(1)人工填土①(Q4ml)：褐黄、褐灰色，稍湿，主要由黏性土组成，不均匀含碎石、砂卵石等，局部含植物根系，为新近堆填而成，结构松散，未完成自重固结，密实度不均匀。场地部分钻孔揭露该层，揭露层厚为0.5～4.8 m，平均为1.32 m。该层于场地西部分布厚度大，于场地中部及东部分布厚度小。

(2)第四系冲积层：粉质黏土②(Qal)：褐灰、褐黄色，稍湿-湿，可塑，稍有光泽反应，摇震无反应，切面稍光滑，干强度中等及韧性中等，不均匀含少量砂砾石。层厚1.5～3.1 m，平均为2.3 m。

卵石③(Qal):灰黄、灰白等杂色，饱和，稍密为主，颗粒成分主要为石英及长石，略具风化，粒径一般为2～12 cm，最大可达21 cm，含量为50%～60%，充填大量圆砾、中粗砂及黏性土，亚圆形，颗粒级配较好。本次勘察大部分钻孔揭露该层，揭露厚度为0.5～9.3 m，平均为4.13 m。

(3)白垩系(K)泥质粉砂岩：紫红色，泥质结构，中厚层状构造，主要成分为少量碎屑矿物及黏土矿物等，节理裂隙发育。本次钻探揭露全风化岩、强风化岩及中风化岩。

全风化泥质粉砂岩④(K)：紫红色，风化、节理裂隙发育，岩芯呈散土状，局部为碎块状，稍湿，硬塑-坚硬。大部分钻孔揭露该层，钻探揭露厚度为0.7～25.2 m，平均为8.81 m。

强风化泥质粉砂岩⑤(K)：紫红色，泥质结构，中厚层状构造，节理裂隙发育，岩芯呈短柱状、碎块状，遇水易软化，失水易崩解。钻探揭露厚度为1.5～30.9 m，平均为9.67 m。

中风化泥质粉砂岩⑥(K)：紫红色，泥质结构，中厚层状构造，节理裂隙较发育，岩芯呈柱状、长柱状，遇水易软化，失水易崩解。钻探揭露厚度为1.6～4.8 m，平均为3.67 m。

2.2 水文地质条件

地表水：拟建场地无地表水分布。

上层滞水：主要赋存于人工填土层(①)及粉质黏土层(②)中，由大气降水入渗补给及地表水渗入补给，水量极贫乏，水位随季节变化而异。

孔隙水：主要赋存于卵石层(③)中，由地表水和大气降水通过包气带下渗补给，有自由水面，水量较丰富。

基岩裂隙水：主要赋存于强风化及中风化泥质粉砂岩的风化、节理裂隙中，其补给、径流条件主要受岩层地质构造、节理裂隙发育程度控制和影响，其水量一般较小，未形成统一、连续的地下水水面。

2.3 地球物理特征

由于测区覆盖主要是第四系人工填土、第四系冲积粉质黏土和卵石层，下伏基岩为白垩系泥质粉砂岩等，地表第四系土层电阻率一般为50～100 Ω·m，卵石层电阻率一般为100～200 Ω·m，下伏基岩泥质粉砂岩电阻率一般为200～500 Ω·m，空气电阻率为∞。松散土体表现为低阻异常特征，若土洞里充水，表现为低阻异常特征；若土洞为空，充填为空气，表现为高阻异常特征。测区干黏土相对介电常数为2～6，湿黏土相对介电常数为5～40，干泥质粉砂岩相对介电常数为2～5，湿泥质粉砂岩相对介电常数为5～10。以上电阻率和介电常数等物性差异为本次勘查工作提供了较好的地球物理前提条件。

3 基本原理及工作方法

3.1 探地雷达法原理

探地雷达是利用宽频带高频电磁波信号探测介质结构分布的非破坏性的探测仪器，它通过雷达天线对隐蔽目标体进行全断面扫描的方式获得断面的扫描图像。具体工作原理是：通过发射天线、接收天线以及主机共同工作，采集样点时，首先由控制单元分别给发射器和接收器发出一个控制信号，发射器接收到该信号后，通过发射天线(T)向地下某一测点发射一定主频的电磁脉冲波，电磁脉冲波在各种介质的传播过程中，遇到不同介质的物性分界面(电阻率、介电常数的差异分界面)时发生波的反射，反射波由接收天线(R)接收；通过控制单元和计算机接收经光缆由接收天线传送的反射波信号，并在计算机中存储每一个测点上波形序列的振幅及波的双程走时(△t)；根据电磁波在介质中的传播速度及波的双程走时，采用公式S=V×△t/2，求出反射面的深度。沿地面横向布置的测线移动天线，控制单元即可采集到一条测线上的所有测点相应的波形序列，形成一整条测线的雷达剖面记录[2-3]。探地雷达探测成像工作原理如图1所示。

图1 探地雷达成像工作原理

3.2 等值反磁通瞬变电磁法原理

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，且在一次脉冲间歇观测地下涡流场的方法。从原理上讲是测量地质体感应的二次场的时间域电磁法，M.N.Nabighian把涡流极大值面扩散形象比作为“烟圈”。等值反磁通瞬变电磁法消除了接收线圈一次场的影响，从理论上实现了瞬变电磁法0～200 m浅层勘探。方法上采用上下平行共轴的两个相同线圈通以反向电流作为发射源(双线圈源)，并在双线圈源的中间平面接收地下二次场，如图2所示。由于接收面为上下两线圈的等值反磁通平面，其一次场磁通始终为零，而地下空间却仍然存在一次场，因此一次场关断时，接收线圈测量的是地下的纯二次场响应。进行单点测量，将测量结果输入微机，用专业的软件对数据进行处理并得到测线的地电断面剖面图[4-5]。

图2 等值反磁通瞬变电磁法原理示意图

3.3 工作方法技术

本次施工中探地雷达采用瑞典MALA公司生产的RAMAC/GPR型仪器，采用连续测量模式，100 MHZ屏蔽天线采集数据，采样频率1 072 MHz，时窗304 ns，采样间隔0.099 m。

本次施工中瞬变电磁法采用的仪器是湖南五维地质科技有限责任公司生产的HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统，点距分别为3 m和4 m，发送电压：12 V，电流：10 A。本次采用等值反磁通瞬变电磁法进行测试前，首先检查仪器工作是否正常，确保电池电压12 V以上，测试的衰减曲线正常，保证仪器正常工作。然后进行噪声测试，进行不同发送频率的测试，结合测量深度，本次选择25 Hz发送频率；其次，进行叠加次数的测试，经现场测量数据后，选择叠加次数为200。

本次测区共布置测线6条，等值反磁通瞬变电磁法和探地雷达法共用一条测线，选取其中的2条典型测线进行论述与解释，评价方法的可靠性。

4 资料处理与成果解释

4.1 解释方法

综合视电阻率ρs断面图和地质资料，结合电阻率断面图中背景值、低阻异常的形态、低阻异常值及其梯度值等因素，全风化泥质粉砂岩裂隙带中含水或含泥质成分表现为相对低阻特征，并结合测量位置所对应的地层岩性，对深部基岩裂隙体富水分布范围和规模进行评价。

探地雷达主要依据反射的雷达图像进行评价：

密实土层：界面反射信号幅值较弱，波形均匀，甚至没有界面反射信号；

松散土层：界面反射信号为强反射，同相轴不连续，错断，杂乱，一般区域化分布；

空洞：界面反射信号强，呈典型的孤立体相位特征，通常为规整或不规整的双曲线波形特征。

4.2 资料处理

探地雷达数据应用专业软件(ReflexW)将野外采集的数据导入，与野外记录仔细核对后，对数据进行精细处理：静校正—去直流漂移—自动增益设置—1D带通滤波—2D滤波—平均圆滑，生成探地雷达断面图，为资料解释提供基础资料。

瞬变电磁法将各测线测量的数据由仪器传输到计算机，采用HPTEM数据处理系统处理数据，计算测线的深度—视电阻率值，并绘制视电阻率等值线图。处理步骤如下：选择抽道方式为强干扰地区，对参数进行设置，约束系数为0.8，地表电阻率设置为100 Ω·m，反演系数为0.2，目标深度设置为30 m，对坏点或畸变点删除、数据圆滑等一系列处理操作，最后进行反演计算，得出测线的视电阻率值，最后利用Surfer软件绘出成果剖面图。

4.3 1线综合成果解释

1线位于基坑南部马路旁的人行道上，东西走向，测线长170 m。采用等值反磁通瞬变电磁法和探地雷达法，结合地质和钻探资料对地下30 m深度内的地层划分和物性异常进行解释。

从图3等值反磁通瞬变电磁法剖面可看出覆盖层厚度大约10 m，位于水平34～44 m位置，顶底埋深-8～-16 m深度，有两侧相对高阻夹低阻异常，呈“V”字型展布，往深部有延伸，解释该处为基岩裂隙体和富水的表现(异常区编号为S01)；位于水平68～78 m位置，顶底埋深-8～-14 m深度，同样有两侧相对高阻夹低阻异常，呈“V”字型展布，解释该处为基岩裂隙体和富水的表现(异常区编号为S02)；位于水平85～97 m位置，顶底埋深-10～-19 m深度，有两侧相对高阻夹低阻异常，呈低缓的“U”字型，往深部有延伸，解释该处为基岩裂隙体和富水的表现(异常区编号为S03)；位于水平127～143 m位置，顶底埋深-9～-30 m深度，有两侧相对高阻中间夹低阻异常，从浅部一直往深部延伸，低阻圈闭合异常，解释该处为基岩裂隙体和富水的表现(异常区编号为S04)；位于水平163～168 m位置，顶底埋深-12～-30 m深度，有两侧相对高阻中间夹低阻异常，从浅部一直往深部延伸，低阻圈未闭合，解释该处为基岩裂隙体和富水的表现(异常区编号为S05)。

从图3探地雷达剖面可看出：位于水平22～45 m位置，顶底埋深-1～-6 m深度，近水平长条状，发现同相轴能量较强，同相轴横向不连续，波形结构局部错断、扭曲，较凌乱，反射信号有向深部延伸的异常特征，解释该处为松散土体(异常区编号为R01)；位于水平58～78 m位置，顶底埋深-2～-6 m深度，近水平长条状，发现同相轴能量较强，同相轴横向较不连续，波形结构在异常区中间严重错断、扭曲，较凌乱，反射信号有向深部延伸的异常特征，解释该处为松散土体(异常区编号为R02)；异常位于水平102～130 m位置，顶底埋深-1～-5 m深度，近水平长条状，发现同相轴能量较强，同相轴横向较不连续，波形结构局部错断、扭曲，较凌乱，反射信号有向深部延伸的异常特征，解释该处为松散土体(异常区编号为R03)；异常位于水平138～148 m位置，顶底埋深-2～-6 m深度，似圆形状，发现同相轴能量较强，同相轴横向较不连续，波形结构局部错断、扭曲，有较凌乱的异常特征，解释该处为松散土体(异常区编号为R04)。

图3 1线综合解释剖面

4.4 2线综合成果解释

2线位于基坑西部马路旁的人行道上，南北走向，测线长170 m，采用等值反磁通瞬变电磁法和探地雷达法，结合地质和钻探资料对地下30 m深度内的地层划分和物性异常进行解释。

从图4等值反磁通瞬变电磁法剖面可看出：覆盖层厚度大约10 m，顶部位于水平16～30 m位置，底部位于水平9～20 m位置，顶底埋深-10～-30 m深度，有两侧相对高阻夹低阻异常，呈条带状低阻异常，从浅部一直往深部延伸，深部低阻圈未闭合，解释该处为基岩裂隙体和富水的表现(异常区编号为S06)；顶部位于水平47～72 m位置，底部位于水平66～72 m位置，顶底埋深-8～-30 m深度，有两侧相对高阻夹低阻异常，呈条带状低阻异常，从浅部一直往深部延伸，深部低阻圈未闭合，解释该处为基岩裂隙体和富水的表现(异常区编号为S07)；位于水平75～96 m位置，顶底埋深-10～-17 m深度，有两侧相对高阻夹低阻异常，呈低缓的“U”字型，解释该处为基岩裂隙体和富水的表现(异常区编号为S08)；顶部位于水平111～129 m深度，底部位于水平108～117 m位置，顶底埋深-12～-30 m，有两侧相对高阻夹低阻异常，呈条带状低阻异常，从浅部一直往深部延伸，低阻圈未闭合，解释该处为基岩裂隙体和富水的表现(异常区编号为S09)；位于水平147～163 m，顶底埋深-11～-14 m，两侧相对高阻夹低阻异常，呈宽缓的“U”字型，异常往深部延伸，解释该处为基岩裂隙体和富水的表现(异常区编号为S10)。

从图4探地雷达剖面可看出：位于水平30～75 m位置，顶底埋深-2～-7 m深度，近水平长条状，发现同相轴能量较强，同相轴横向不连续，波形结构较凌乱，反射信号往深部略有延伸的异常特征，解释为松散土体(异常区编号为R05)；位于水平138～148 m，顶底埋深-2～-7 m，反向的凸字形，发现同相轴能量较强，同相轴横向不连续，波形结构局部扭曲，且较凌乱，反射信号一直往深部延伸的异常特征，解释为松散土体(异常区编号为R06)。

图4 2线综合解释剖面

5 结论

基坑边坡地面变形发生以后经现场地质灾害调查，主要原因为部分支护结构失稳，加之地下水长期侵蚀表层土层，将土体里的颗粒成分运移带走，使土体失去稳定性导致基坑周边地面变形。

本次根据实际情况，采用探地雷达和等值反磁通瞬变电磁相结合的方法基本查明了松散土体及基岩裂隙体和富水的分布范围与规模，对物探异常区域进行了钻孔验证，均为软塑状黏性土和岩体裂隙的表现，取得了良好的勘查效果，完成了地球物理勘查的具体任务要求，达到了本次勘查的目的，并对其物探异常区域进行注浆处理，经处理后地面变形地质灾害得到明显的减弱。

城市地质灾害勘查受场地限制、环境干扰较大等因素，常规的物探方法难以达到理想的勘查效果，而探地雷达法反映浅部的异常特征，等值反磁通瞬变电磁法反映深部的异常特征，两种方法相结合精度高，抗干扰能力强，工作效率高，取长补短，能达到勘查的目的要求，为基坑边坡治理提供了可靠的科学依据，证明此两种方法的结合是城市物探中行之有效的方法。