瞬变电磁法在灰岩地基勘查中的应用

杨 伐，张成乾

安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南，232001

地基基础条件是房屋建筑质量之关键，灰岩地层地基基础尤其要重视基础条件探查工作。通常在灰岩地层中存在溶洞、溶沟等隐伏异常体，造成此种现象主要由于灰岩易受地下流水破坏、地面来压扰动、性脆、抗剪切弱，尤其是含高浓度CO2地下流水浸蚀、冲刷等系列因素，对住宅建设具有一定影响，因此需要进行前期的勘查工作。

长期以来，建筑场地地基基础勘探主要采用钻探、钎探、挖掘等开挖式手段，近年来，地质雷达、电阻率法、瑞雷波等地球物理手段得到了应用。由于技术方法的差异性，不同手段也存在一定的差别和不足，诸如钻探、钎探、挖掘等工程量大，耗时长，成本高；地质雷达对于地下溶洞、溶沟的解释要求严格，解释时易出现偏差［1］；电阻率法受建筑场地面积条件限制，现场施工过程中测线难以自由布置［2］；而瞬变电磁探测技术对于低阻异常体响应较为灵敏，分辨率高，现场探查耗时少，有着其他探测手段所不具备的诸多优点，同时也是目前工程勘查中应用较为广泛的技术手段之一［3］，为此，本文尝试采用瞬变电磁探测技术，对淮南某住宅小区的地基基础进行勘查，以期查明其地基基础地质条件，为钻探等方法验证提供靶区。

1 瞬变电磁法测试原理

瞬变电磁法（TEM）作为一种非接触式、人工场源物探技术手段，其主要利用回线形探头接、发一二次场信号。回形探头关断时，接收探头在此以后接收地质体感应信号，其强弱取决于地质体地电性质，采集机以地质体感生电动势V（t）形式进行存储。其探测原理是：基于麦克斯韦理论，变化的电流将在发射探头内产生变化磁场即为一次磁场。在变化磁场激励作用下，地质体将产生电涡流。由于地质体本身物性特征，感生涡流衰减变化将有一个过渡（衰减）过程［4-7］，该过渡期间又产生一个同步变化的二次磁场向地质体周围传播，借助采集机内置系统将探头接收到的信号转化成探头两端的变化感应电动势V（t），按不同的延拓时间测量电动势V（t），可得到二次磁场随时间衰减的特性曲线，以此反映地质体的电性分布情况［5］。

目前，瞬变电磁法在不同类型工程中主要应用于塌陷区、老窑区、采空区、防渗帷幕工程、桥基选址、路基选址、冻土层、金属矿藏等。塌陷区、老窑区、采空区形成之前，由于内部溶洞或断层等地质异常体的存在，无论充水与否，瞬变电磁法都能基于自身优势收到理想的探测效果；防渗帷幕工程中，该方法主要探测断层等低高阻异常体；桥基、路基等类似基础工程探测，该方法能较好地确定地基基础条件，尤其对地下岩溶地质体能准确定位。以上实际探测应用都基于瞬变电磁法诸多优点之上，很好地印证了其广阔的应用前景。

科学家那比吉安将一、二次磁场的等效电流环在介质中传播形象地描述为“烟圈”式传播（图1），因趋肤效应，浅层被探测体主要分布高频信号，较低频信号部分传播到深处，且范围逐渐放大。因此，通过现场逐点数据采集，可以方便地了解测区内的岩土层的电性特征，进一步评价其基础条件与差异。

图1 瞬变电磁场半空间烟圈效应示意图

2 小区灰岩地基勘查工作

2．1 勘查区概况

建筑场区毗邻淮河南岸，八公山北麓，属山前坡积相地貌单元。该处地基岩土层由两部分构成，上部以第四纪松散堆积层为主，坡（洪）积相成因；下部为刚性的寒武纪石灰岩，属岩溶发育地带，不良地质现象较为发育；并且岩溶作用形成的岩溶洞穴对后期地基稳定性会造成较大的不利影响。

2．2 测试布置

基于探测范围（15m×120m）及探测仪器线框的边长（2m）、一次电磁场足以覆盖测线间全部地基基础区域以及建筑地基主基坑方位，故在10＃楼、11＃楼基槽布置三条测线（图2）。根据线框规格和基坑实际尺以及浅层探测范围，故线距定为5．4m，测线长120m，测线方向由北偏东75°，每条测线上探测点距2m，单条测线共布置60个测点，从测线1起点起为1号测点，至测线3结束为180号测点。由于探测线框边长为2m×2m，为了探测区域不遗漏，又保证探测效率，故选择点距2m，探测线框距水平放置地面进行探测。

图2 瞬变电磁观测系统布置

2．3 数据采集

数据采集仪器为YCS40（A）瞬变电磁仪器系统，它是一种便携式、宽时窗范围、智能化的通用型仪器。在探测前设置好仪器和装置参数，探测过程中保持参数不变，其中发射边长2m，发射匝数9匝，接收匝数18匝，接收边长2m。

根据现场条件，按平行方式在基槽内布置三条测线，以基槽东西两边边界中点的连线为第二条测线，在该测线两边与其相距5．5m由南向北依次为第一、二测线。10＃、11＃楼基槽范围内实施TEM数据采集，每条测线分布间隔为2m的60个测点，每个数据点处实施一个水平方向观测。现场瞬变电磁探测10＃楼、11＃楼基槽采集物理点为180个。由于待建场区11＃和10＃楼基槽中间有挖掘机工作留下的一个大约4m×12m低洼积水区域，该区域对该处的探测数据采集产生一定的影响，经开挖10＃、11＃楼基槽表层岩土发现10＃楼基槽灰岩相当干燥。三条测线的废点率为4．76%，总体数据较好。

3 结果分析

3．1 数据处理

数据处理的主要流程包括工程建立、数据重组、道参设置、畸变值剔除、晚期电阻率计算等。一般来说，建筑地基基础不良地质体与周围介质存在物性差异是瞬变电磁探测方法的物性前提。瞬变电磁法是利用不良地质体相对电阻率的“异常”，即不良地质体相对电阻率与正常地基（均一稳定或稳定互层地质体）相对电阻率的差异。比方说，由灰岩溶蚀形成溶牙、溶沟、溶槽或隐伏洞体等原因造成的不良地质体，在含水的情况下表现为低阻，介质的导电性能变好；在不含水的情况下表现为高阻，介质的导电性能变差。建筑地基基础不良地质体与周围介质之间存在明显导电性能差异，使该部位电性差异呈均一稳定或稳定层状分布规律遭受破坏，这是瞬变电磁法探测建筑地基基础不良地质体的地球物理前提。图3为探测区域不同深度电阻率切片结果，该图直接反映了地下介质在电性上的差异，利用此进行地质条件解释，判断建筑地基基础优劣。

3．2 结果解释

从该住宅小区地质和地球物理条件分析可知，建筑场区属山前坡积相地貌单元，地层由基岩土构成且在空间分布变化较大；地基岩土层由第四纪松散堆积层和寒武纪石灰岩两部分构成；不良地质现象较为发育，其中岩溶作用形成的陷落坑穴、膨胀土对地基稳定造成影响均有发生。本区灰岩地层溶洞和溶隙较发育，有一定的富水性。表现在地球物理条件上，完整的灰岩阻值要高于泥岩和砂质泥岩［8］；在溶洞和溶隙发育时，如果溶洞和溶隙富水性较强，则表现为低阻，反之，则表现为高阻；且过高阻值具有裂隙发育可能，属建筑不稳定场区；从各条视电阻率剖面可见浅表岩土层电性参数中视电阻率值介于0～55Ω·m。根据视电阻率变化规律来划分岩溶异常区，将大于30Ω·m区域作为相对高阻区解释为完整灰岩，将基岩中相对低阻区解释为溶洞、溶沟、溶槽发育区。依据上述解释原则，对10＃、11＃楼基槽岩溶发育程度进行地质解释。

从不同深度地质水平剖面图（图3）和后期钻探、静力触探孔揭示地质情况如下：

（1）-3m～-20m深度范围内视电阻率水平剖面图均有低阻出现。

图3 测区不同深度地质体立体层析图

（2）-7m～-20m深度水平剖面图显示电阻率具有连续性，无大范围断带出现，局部出现小范围低阻（20～28Ω·m）和极低阻区（12～14Ω·m）。

综合分析知：-3m～-5m两水平切片图显示了占全场区四分之三的低阻区，由剖面图分析可能为含水性较好的土质体或充水洞穴，后经钻探等技术验证为含水较高且质地较松软、含少量砾石、土质松软、均匀性差粉质粘土；由前期该场区勘察地质概况推断，该深度范围（-7m～-20m）可能为石灰岩地层，剖面图内有均一且规模较小的低阻区。-7 m、-13m、-20m深度剖面图中极低阻区应为溶洞，结合-5m和-9m深度剖面图可知，-7m处溶洞垂直方向半径不大于4m，从-13m和-20m深度剖面图分析出的溶洞规模相对较小；-9m、-11m深度剖面图显示的低阻区可能为溶沟，结合-7m和-13m深度剖面图可知溶沟垂向高度不大于6m，水平范围显示明显；结合（2）分析，极低阻（12～14Ω·m）可能是充水松散粘土、溶洞（溶芽）、溶沟等；从低阻区分布范围和特点可以推断出：低阻区（20～28Ω·m）域的出现可能是松散粘土层、溶洞（溶芽）、溶沟充水长期浸润围岩造成的。结合本次勘察建筑物类型、特点及场地条件，共设计钻探孔11个（含取土孔7个，鉴别孔4个）、静探孔17个，经钻探等手段验证，本次利用瞬变电磁探测技术进行该建筑场区地基基础探测中，其解释结果与地质验证一致性好，且取土样验证了探测推断地层条件、地基基础物性与实际揭露相吻合。

4 结束语

（1）瞬变电磁技术在淮南某建筑场地灰岩地基基础探测中应用效果较为理想，实现了快速检测。

（2）经钻探、钎探、基槽开挖对比验证，基槽地质条件与解释结果较为一致，表明现场操作方便、快捷、准确性较高的瞬变电磁法可在小区建设场区地基勘查中发挥作用，为建设施工提供有效的技术手段和参数。

（3）瞬变电磁本身存在探测盲区，存在其局限性。对于浅层地基基础的地质情况，其探测效果往往受到限制，难以获得表层1～2m地基基础地质状况，无法实现数据采集及电阻率反演，还有待进一步研究。

［1］张宇．地质雷达在地下洞穴探测中的应用［J］．地质装备，2001，2（4）：16-19

［2］胡雄武，张平松，江晓益．并行电法在快速检测水坝渗漏通道中的应用［J］．水利水电技术，2012，43（11）：51-54

［3］张开元，韩自豪，周涛．瞬变电磁法在探测煤矿采空区的应用［J］．工程地球物理学报，2007，4（4）：341-344

［4］张平松，李永盛．坑道掘进瞬变电磁超前探水技术应用分析［J］．岩土力学，2012，33（9）：2749-2753

［5］任永彬．瞬变电磁法在板集煤矿井底车场防治水中的应用［J］．科技世界，2012（16）：255-257

［6］叶英．岩溶隧道施工超前地质预报方法研究［D］．北京：北京交通大学土木建筑工程学院，2006：132-133

［7］张跃彬．瞬变电磁法勘探在住宅小区采空区勘查中的应用［J］．煤炭科技，2011，30（9）：164-165

［8］程锐．三维电法在潘二煤矿瓦斯渗流通道探查中的应用［J］．矿业科学技术，2010，12（4）：17-19