FCTEM小回线瞬变电磁法在铁路桥梁基础勘查中的应用

谢昭晖，陈 清，吴牧阳，徐正玉

(1.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600；2.重庆璀陆探测技术有限公司，重庆 402660)

1 引 言

地质断层、地下暗河、隐伏溶洞等不良地质体直接影响铁路的设计与施工，查明这些不良地质体的位置与规模是铁路工程地质勘察的重要任务。目前，铁路工程中常用的地球物理勘探手段主要有：可控源音频电磁法(Controllable Source Audio Frequency Magnetotelluric Method,CSAMT)[1]、音频大地电磁法(Audio Frequency Magnetotelluric Method,AMT)[2]、高密度激电法[3-5]、地震波法[6, 7]以及瞬变电磁法[8-10]等。

可控源音频电磁法(CSAMT)是一种频率域电磁测深[1]，因频带范围限制，存在一定盲区，且分辨率不高。音频大地电磁法(AMT)更轻便[2]，但分辨率仍然不足。EH4将可控源与天然源相结合，兼顾深部与浅部，但仍然存在十几米以上的盲区[11, 12]。高密度激电法具有点距小、数据密度大、效率较高的优点[3]，但探测深度与分辨率受电极布置限制，地形影响较大，山区和城市适用性差。

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method, TEM)是利用不接地回线在地表发射脉冲电流，在脉冲间隙利用接收回线在地表接收地质体感应涡流场的地球物理勘探方法。一方面，由于发射电流存在关断延时，接收回线中一、二次场信号混叠导致的采集延时，导致反映浅层地质信息的早期信号丢失，故而存在探测盲区[13]；另一方面，关断电流将使瞬变电磁响应发生畸变，降低TEM方法的分辨能力[14]。

解决盲区的途径主要有两种：第一种是在响应信号处理中校正关断时间影响，国外学者从理论上推导了关断时间的影响[15, 16]，国内学者将其应用到实际处理中，浅层效果有所改善，但仍与实际结果仍存在偏差[17, 18]；第二种是通过硬件缩短仪器关断时间，因其直接改善一次场，更为关键[14]。

相较于以上几种物探方法，小回线瞬变电磁法具有分辨率高、抗干扰能力强、施工方便的优势。本文从激发一次场角度介绍了FCTEM(Fast Cut-off Transient Electromagnetic)小回线瞬变电磁法，利用FCTEM小回线瞬变电磁系统成功在地势复杂的山区查明浅层岩溶发育情况，以便于后期的铁路施工。

2 FCTEM小回线瞬变电磁法

FCTEM小回线瞬变电磁法采用多匝小回线作为线圈装置，一方面装置小型化减小了体积效应，提高了横向分辨率；另一方面，随着仪器采样率大幅提升，更丰富的纵向地质信息被记录，提高了纵向分辨率。但是装置小型化也带来了线圈自感增大的问题，导致关断延时过长。

通过对发射电流的频谱分析可知，瞬变电磁激发的一次场频带宽，但能量集中在低频段，高频信号能量弱，直接影响浅表探测能力。信号能量主要受发射磁矩(线圈固定时与发射电流峰值正相关)以及关断时间影响。若关断时间不变，增大发射电流峰值可以增大信号强度，各频段占比不变。若发射电流峰值不变，缩小关断时间可以提高信号高频占比，信号总强度不变。就激发的一次场而言，高频信号能量越强，浅层目标感应电流幅值越大，持续时间越长。

增大发射磁矩且缩短关断时间可增强浅层目标响应，但由于多匝小回线的电感特性，发射电流峰值增大，其关断时间也会增大。所以增大发射电流峰值的同时缩短关断时间比较困难，FCTEM瞬变电磁系统利用高速线性关断技术[19]，该技术基于恒压钳位原理获取线性度高的下降沿波形，实现了大电流下的高速关断[20]，在保证探测深度的同时减小了瞬变电磁探测盲区。该系统由收发一体瞬变电磁主机、外接电池、一体化消耦线圈、采集电脑、RTK-GPS(拖曳时使用)组成，如图1所示。

图1 FCTEM小回线瞬变电磁系统组成Fig.1 Composition of FCTEM small loop transient electromagnetic system

主要参数如下：

1)发射电流：60 A，关断时间72 μs。系统最大电流可达100 A，高速关断的大电流既压制人文电磁噪音,又不丢失浅表地质信息。

2)采样率：1.25 MHz。0.8 μs的采样间隔能记录更丰富的纵向地质信息，提高瞬变电磁法的纵向分辨率，满足精细化探测的要求。

3)实时动态范围： 150 dB。瞬变电磁响应早晚期响应信号差异达几个数量级，大动态范围能保障晚期信号不失真采集。

4)线圈装置：直径0.9 m，发射磁矩达1 000 Am2。通过线圈装置小型化减小体积效应，提高横向分辨率。

3 应用实例

工区位于湖南湘西凤凰县内，属于溶蚀-侵蚀构造低山丘陵区。本次工作为定勘补测，主要针对地形起伏较大，施工不便的区域进行探测。工区内地层岩性主要为新生界第四系粉质黏土、红黏土、碎石类土；下古生界奥陶系及寒武系白云岩、灰岩、页岩等。

3.1 断层调查

在跨凤凰磁浮铁路特大桥(左线)DK01+950至DK02+200段按5 m点距布置瞬变电磁测线，探测地表以下100 m范围的地质情况。该物探测线地形起伏大，工况复杂，涉及在建磁浮大桥、湿地、茂密山林等。瞬变电磁探测反演结果如图2所示。

图2 断层调查反演剖面Fig.2 Inversion profile of geological faults investigation

根据已有地质资料以及钻孔跨磁浮ZDZ11-1与跨磁浮ZDZ11-3，覆盖层较浅，主要为粉质黏土与细角砾土为主；基岩主要为薄层状页岩。里程DK02+013.08(高程362.54～368.14 m)与里程DK02+021.08(高程334.51～365.11 m)存在断层破碎带，角砾主要成分为页岩，钙质胶结，胶结差。从图2中可以看出，里程DK02+010～DK02+040段存在连续的低阻凹陷，代表该区域内岩石较为破碎，结合地质资料判断为斜向断层破碎带Ffj1，与钻孔资料十分吻合。

3.2 岩溶精细化探查

根据已有地质资料与前期物探成果，柳坳洞大桥里程DK13+200至DK13+400岩溶发育丰富，覆盖层多为粉质黏土,厚度较浅，基岩为层状构造石灰岩，裂隙较发育。在柳坳洞大桥(左线)DK13+200至DK13+400段按5 m点距(重点区域点距加密为2.5 m)布置瞬变电磁测线(图3)，探测地表以下50 m范围的地质情况。

图3 瞬变测点与钻孔布置平面Fig.3 The plan sketch of borehole and measure point of FCTEM

在该区段内6个重点区域各布置8个钻孔(图3)。该物探测线地形起伏较小，电磁干扰较小。瞬变电磁探测反演结果如图4所示。

图4 岩溶调查反演剖面Fig.4 Inversion profile of karst caves investigation注：低阻为全填充溶洞，高阻为无填充溶洞

区域①的黏土填充溶洞在反演结果中表现为封闭低阻。与钻孔结果存在沿测线方向2.64 m的偏差，根据烟圈传播理论[21]，瞬变电磁法存在体积效应，电磁场沿47°锥面向下传播，虽然物探测线位于左线，距钻孔2.3 m，此处溶洞仍能被探测到，且体现在距离最近的DK13+225测点处。

区域②的粉质黏土填充溶洞在反演结果中表现为DK13+265处封闭低阻。由于瞬变电磁法的低阻屏蔽效应，无填充溶洞特征湮没在距测点(DK13+265)更近的低阻填充溶洞特征中。

区域③的粉质黏土填充溶洞在反演结果中表现为DK13+295封闭低阻；无填充溶洞表现为DK13+294(高程411.8～417.9 m)处的封闭高阻，信号受旁侧(测点DK13+295)低阻影响，反演深度深于实际值(高程420 m)。

区域④、⑤存在粉质黏土填充溶洞，反演结果中相应位置存在低阻填充溶洞含水率高，表现为封闭低阻，但与实际位置存在偏差。这是因为5 m点距过大，溶洞反应在相邻测点更强。

区域⑥内存在粉质黏土填充溶洞，反演结果中出现封闭低阻异常，在里程DK13+395(高程417.0～422.0 m)出现低阻塌陷，可能原因是地表测点附近存在少量金属干扰，导致浅表低阻层层厚更大。

此外，反演结果中DK13+212.5、235、250、300、325、330、360等处出现低阻异常，推测存在破碎富水或粉质黏土填充溶洞。

柳坳洞大桥里程DK13+200至DK13+400岩溶较浅，集中在地表以下10 m左右，厚度仅有1～2 m。采用常规瞬变电磁仪器难以发现这样的浅层小目标。本文使用的FCTEM瞬变电磁系统对于6处全填充小型溶洞均有不同程度的体现，横向定位较为准确，纵向定深受原理限制，误差较大，但也在可接受范围内。

4 结 论

1)增大发射磁矩能增大地质不良体响应，压制噪音；缩短关断时间能增大激发一次场中高频分量占比。恒压钳位电路能保证发射电流高速线性关断，激发高频分量更强的一次场，改善瞬变电磁浅地表探测能力。

2)FCTEM小回线瞬变电磁法能有效解决浅层盲区的技术瓶颈，对于填充性溶洞优势明显，能够清晰分辨地表10 m以浅的直径不足1 m小型溶洞以及50 m以内的小型断层。对于未填充的高阻空洞探测时，需注意旁侧低阻影响。横向分辨率可由测点点距决定，可以通过重点区域加密探测的方法进行精细化探测。