瞬变电磁法在铁路路基岩溶勘探中的应用

刘　伟

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉　430063)

岩溶勘探一直是可溶岩地区铁路物探勘察工作的重点。石灰岩地区常见的岩溶形态有[1]:落水洞、竖井、漏斗、溶洞、溶蚀洼地和暗河等。岩溶对新建铁路的危害一般表现为：地下洞穴的顶板坍塌引起既有铁路建筑物下沉或破坏，洞穴或漏斗周期性冒水，淹没路基基底，引起沉陷、翻浆或崩塌，突发性地下涌水，冲毁铁路建筑物等。会给人民的生产和生活带来重大损失。故铁路施工中必须查清可溶岩地区岩溶发育情况，以便施工时进行处理。瞬变电磁法应用于地质研究起源较早[2]，在国内外金属矿勘探、煤田以及水文工程地质及工程检测等领域[3-8]取得了良好的效果。因瞬变电磁法本身对低阻体敏感，分辨率较高，测量速度快，其在浅层岩溶勘探中的应用，越来越得到铁路勘察设计部门的重视[9]。

1　瞬变电磁法正演模拟

对于不同埋深以及不同规模的地下异常体，瞬变电磁响应也有所不同[10]。我们在做数据分析与解释时，必须对各种地质模型熟知，才能对异常进行准确判断。那么就需要正演计算。本文采用一次场二次场分离算法[11]对地下异常体进行正演。

1.1　不同深度异常体正演模拟

因路基岩溶勘探一般位于平地地形，勘探要求一般在地下30 m以上。选取地下埋深分别在5 m,10 m,20 m以及30 m的低阻异常体，异常体边长为10 m的正方体，异常体电阻率ρ=1 Ω·m，围岩电阻率ρ=100 Ω·m，发射线框为10 m×10 m，发射波形为100 Hz的阶跃波，正演结果如图1所示，从正演结果分析，埋深为5 m时，异常响应较大，当埋深为30 m深时，异常响应较小。故对于信号响应而言，异常体埋深越浅，异常响应越强烈，异常体埋深越深，异常响应弱。

1.2　不同大小异常体正演模拟

同样在平地地形条件下，地下10 m埋设边长分别为10 m,5 m和2 m的异常体，异常体电阻率为ρ=1 Ω·m，围岩电阻率ρ=100 Ω·m，发射线框为10 m×10 m，发射波形为100 Hz的阶跃波，正演结果如图2所示。对于同一深度信号响应而言，异常体越大、异常响应越强烈，异常体越小、异常响应越弱。

2　工作方法和参数选取

2.1　装置选择

因本文主要针对铁路路基浅层岩溶勘探。重点关注重叠回线装置与中心回线装置。重叠回线装置与中心回线装置最能发挥瞬变电磁法浅部勘探中的优势，且与目标物耦合最紧密[12]，勘探精度也较高，在实际工作中应大力推广。在良导体分布较多的地区，中心回线组合装置在施工和数据质量方面均优于重叠回线装置，因此在良导体分布较多的地区宜采用中心回线组合装置[13]，在空旷地区，使用重叠回线装置施工要简洁一些，但对于利用边长为20 m以下的小型线框进行收发来说，二者工作效率基本相当。

2.2　发射回线边长选择

在一定的边长范围内，目标体异常幅度随边长的增大而呈线性地增大，最后达到某一饱和值[14]。在实际工作中为提高生产效率，发射回线边长尽量取小。近几年的工作实践表明：采用重叠回线或中心回线装置，寻找几何形状大于发射回线边长，埋深相对较浅的低阻目标体效果较好，但对于几何形状较小，或埋深较大的低阻目标体，效果欠佳。这也正是铁路浅层岩溶勘探选择共中心点回线装置的经验所在。一般发射回线边长与目标体埋深之比L/h约为1∶4。随着回线边长的增大，异常体受地质噪声的干扰强度也随之增大，分辨率降低[15]。就路基岩溶勘探而言，选用发射线圈边长为10 m～20 m重叠回线和中心回线装置效果较好。

3　工程勘察实例

3.1　沪昆高铁路基岩溶勘探

沪昆高铁杭长六测段位于江西省新余市境内，测区内地表覆盖土为第四系全新统残坡积粉质黏土，褐黄色。下伏二叠下统灰岩、炭质灰岩，灰黑色，强～弱风化，岩溶强烈发育。钻孔显示岩溶以溶沟、溶槽为主，填充型。因部分测段黏土导电性极差，地表视电阻率大于5 000 Ω·m，为高阻屏蔽层，常规直流电法无法作业。为探明地下岩溶发育情况，采用瞬变电磁法进行勘探，下面以两条典型剖面说明瞬变电磁法的勘探效果。

DK698+650～DK698+950段分析：

DK698+650～DK698+950段离新余北站站址约1 km，为岩溶强烈发育区，测线布置为铁路中线以及中线右侧10 m，共两条测线，点距10 m，线框边长20 m×20 m，装置为重叠回线装置。图3为中线TEM成果图，从图3可以看出地表电阻率较高，基岩面埋深约为30 m～40 m，这与周边钻孔揭示的覆盖层厚度基本相似，覆盖层附近低阻异常发育，推测以溶沟、溶槽为主，图中推测的五处低阻异常范围为岩溶的影响区域。

图4测线布置为中线右侧10 m，测量参数同上。从图4同样可以看出地表电阻率相对较高，基岩面埋深约为30 m～40 m。推测的五处低阻异常，与图3在形态和深度上都有较好的对应性，说明此段岩溶异常发育强烈，且发育规模较大。

本工点因其地表土的特殊性，导致直流电法勘探无法开展，瞬变电磁法因对高阻屏蔽无影响，且对低阻体敏感的特性，使其在此工点具有其他物探方法不具备的优越性，从上述两个剖面的左右线对比上看，异常的位置，形态和深度都有较好的对应性，说明两段岩溶均较发育，且影响范围较大，属于岩溶强烈发育地段。之后经钻孔验证，验证孔Jz-Ⅵ 09-126位于铁路里程DK698+692.5，钻孔显示覆盖层厚度为32.3 m，岩溶发育位置为钻孔深度34.2 m～39.5 m，为填充型溶洞，溶洞位置位于物探推测的异常范围内，说明瞬变电磁勘探方法效果良好。

3.2　娄邵线DK81+720～DK81+780段路基岩溶勘察

此娄邵线DK81+600～DK81+900段位于湖南省邵阳市境内，测区内地表覆盖土为第四系粉质黏土，下伏灰岩，岩溶发育较强烈。为探明地下岩溶发育情况，采用瞬变电磁法进行勘探，测线沿铁路中心布置，采用中心回线装置测量，点距5 m。并在中线右侧5 m布置一条面波测线，通过两种方法进行综合解释，以提高物探解译精度。

根据临近钻孔资料显示，测区内覆盖厚度层约为6 m～7 m，岩溶类型以填充型岩溶为主。从测量成果图推测覆盖层位于1 400 Ω·m等值线附近，推测的覆盖层厚度如图5所示。推测低阻异常四处，为岩溶影响范围。除岩溶影响范围外，其余测段岩体完整性较好。图6为铁路中线右5 m的多道瞬态面波的测量成果，推测低速异常带3处，为岩溶影响范围。虽然两种方法测量的物性参数不同，但两种方法所划分的异常在形态和深度上一致性较好，说明两种方法在浅层岩溶勘探方面均有良好效果。但又可以看出两种方法的不同特点，瞬变电磁法对低阻岩溶异常较敏感，纵向分辨率好，面波对覆盖层厚度划分效果较好，但对较小的异常，因测量装置原因分辨率较瞬变电磁法弱。

4　结语

通过对路基岩溶常见的形态瞬变电磁正演模拟，并在沪昆高铁以及娄邵线等铁路路基岩溶的大量勘察应用，结合其他物探方法以及钻孔验证，证实了瞬变电磁法在浅层路基岩溶勘探方面具有良好的应用效果：

1)针对浅部岩溶瞬变电磁探测进行正演模拟，根据正演结果分析了在平地地形条件下不同大小和不同埋深的dB/dt场异常响应，对实际的外业勘探、数据处理与解释具有一定的指导意义；

2)瞬变电磁法不受地表接地限制，对地表高阻穿透能力强。对高阻围岩中的低阻体反应灵敏，分辨率较好，工作效率高，在浅层路基岩溶勘探方面具有广泛的应用前景和推广价值。