等值反磁通瞬变电磁法在城市轨道交通岩溶勘察中的应用

万小乐

(中国地质环境监测院，北京 100081)

0 引 言

近年来，随着城市轨道交通的快速发展，轨道交通工程建设面临的地质问题愈加复杂。岩溶是一种常见的地质问题，可引发围护结构坍塌、漏水、基底突涌、地表沉降等风险，严重威胁城市轨道交通工程的设计、施工以及后期运营。由于城市轨道交通建设环境复杂，周围建筑物、道路及管线密布，常用的岩溶物探方法容易受到接地条件不好、震动以及电磁波干扰等因素的影响，难以获得较好的探测效果(王斌战等，2021)。因此，发展一种新的适合城市轨道交通岩溶探测的方法十分必要。

等值反磁通瞬变电磁法是由一种探测地下纯二次场的方法(席振铢等，2016)，理论推导和现场试验表明，该方法能避免一次场干扰和早期二次场的采集，从而获取地下的纯二次场响应，克服常规瞬变电磁法探测中的浅表盲区问题，有效提高浅层探测的能力(刘恒达，2021)。该方法抗外界干扰能力强且几乎不受周围地质环境的影响(周超等，2018；谢嘉等，2021)，比较适用于城市轨道交通岩溶勘察工作。

1 方法原理

常规的瞬变电磁法是在发射线圈中通以脉冲电流，在脉冲电流的激发下产生向地下传播的一次脉冲磁场，在传播过程中激发导电地质体产生感应涡流；一次脉冲磁场消失后该感应涡流会随着时间的推移而不断衰减，在衰减过程中激发出新的二次磁场；接收线圈接收此二次磁场，观测并研究二次磁场随着时间的变化特性，进而获得地下地质体的电性特征和分布情况(李貅，2002)。

等值反磁通瞬变电磁法与常规瞬变电磁法原理相同，但为了有效消除一次磁场的干扰，获得地下早期纯二次场的变化特征，克服浅表探测盲区，发射线圈设置为上下2个平行共轴的相同线圈，向其中分别通以反向电流激发一次磁场，接收线圈设置在上下两线圈的几何中心平面上，以保证一次磁场的磁通量为0，因此可接收地下的纯二次磁场响应。这种特殊装置(图1)基本消除了常规瞬变电磁法在浅表勘察中的盲区，获得浅部地质体信息，提高探测能力(王银等，2017；高远，2018；杨建明等，2018)。

图1 反磁通装置示意图Fig.1 Schematic diagram of opposing-coils electromagnetic device

2 应用实例

图2 瞬变电磁法测线布置示意图Fig.2 Schematic diagram of transient electromagnetic line arrangement

2.1 研究区地质概况

研究区位于广东惠州惠城区中西部，地形较为平坦，场地标高13.3～17.9 m，属冲积平原地貌。区内城镇化程度高，房屋密集，道路纵横，场地受限，现状用地主要为民房、建筑工地、道路和水塘。前期钻探资料显示，研究区表层为厚约20～40 m的第四系土层，以冲洪积粉质黏土和砂砾石为主，下伏基岩为泥盆系灰岩，灰岩中发育覆盖型岩溶。勘察目的是查明灰岩区线路经过地段的土石分界线、岩溶发育带、洞穴位置等特征。根据现场调查，地表以硬化路面为主，不适合高密度电法的电极接地，而地质雷达由于探测深度较浅，也无法满足探测需求，因此采用等值反磁通瞬变电磁法进行探测。

2.2 物性特征

根据资料，该区第四系覆盖层电阻率为200～400 Ω·m，泥盆系灰岩电阻率为750～1 500 Ω·m。岩石由于破碎及含水程度不同，电阻率也会随之发生变化，含水比例越大，岩性破碎程度越高，电阻率相应较低(廖友清等，2020)。区内不同岩性之间、溶蚀灰岩与完整灰岩之间的电阻率差异显著，具备地球物理勘探的基本条件。

2.3 仪器设备与数据采集

使用HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统，该系统利用等值反磁通技术解决了接收线圈对二次磁场响应的干扰，具有抗干扰能力强、探测精度高、工作效率高等优点。

为查清灰岩区线路经过路段岩溶的发育程度和分布特征，沿线路中心线设置了1条物探测线(图2)，测线长度约为800 m，点间距为5 m。结合工作要求及现场探测条件，设定数据采集参数为：电源电压12 V，发射电流8.5 A，发射频率6.25 Hz，关断时间为28.5 μs，叠加周期为600次。

2.4 数据处理

采用与HPTEM-18系统配套的数据处理软件，通过数据预处理、定性分析、定量解释和综合推断等步骤，结合已知地质资料进行综合解释，得到视电阻率断面图。数据处理流程见图3。

图3 HPTEM系统数据处理与解释流程图Fig.3 Flow chart of data processing and interpretation of HPTEM system

2.5 解释推断

A线反演视电阻率断面(图4)显示，色调由冷至暖反映了视电阻率值由小变大的趋势，可见探测成果并未在浅表地带形成明显盲区，而是清晰展现了地下不同位置和深度地层的电阻率变化，体现了等值反磁通技术的有效性。

图4 A线反演视电阻率剖面图Fig.4 Inversion apparent resistivity profile of line A

图4显示，浅部视电阻率明显偏低，等值线横向连续性较好，垂向差异明显，推测浅表低阻层为第四系覆盖层的电性反映；深部视电阻率明显偏高，推测为下伏泥盆系基岩的电性反映。综合反演成果和研究区地质情况，第四系覆盖层和基岩的划分大致以电阻率值500 Ω·m为界，地层表现为双层结构。

(1)表层第四系覆盖层电阻率偏低，电阻率数值在横向上连续分布，垂向上差异显著，覆盖层和下伏基岩的电阻率界限明显，覆盖层厚度大致在20～40 m之间，局部地段(DK4+150)厚度达80 m，推测是溶槽和溶沟的影响。

(2)下伏基岩电阻率表现为持续增大的高阻，图4显示，横向上存在不同深度和宽度的低电阻率异常区10处(DK3700—DK3750段3处、DK3850、DK3950、DK4200、DK4300、DK4375、DK4420、DK4440)，异常深度处于40～70 m之间，视电阻率约为400～600 Ω·m，推测这几处低电阻率异常区附近存在岩溶或溶蚀裂隙。

2.6 钻孔验证

物探工作完成后，在低电阻率异常区布置钻孔进行验证，通过钻取的岩芯以及施钻过程中的掉钻和漏水等现象判断地下岩土分界线、溶洞顶底板标高和溶洞的充填情况。部分低阻异常区的钻孔剖面见图5，钻探验证成果与等值反磁通瞬变电磁法反演成果的对比见表1。

经钻探揭示，各低电阻率异常区中均发现不同程度的岩溶存在，以溶洞为主，洞高约0.4～9.3 m，充填物以软塑—可塑状的黏性土为主，部分为黏性土夹杂灰岩碎块充填。钻探验证成果与等值反磁通瞬变电磁法反演成果较为一致。

由此可见，在建筑物密布、人文环境扰动大、常规地球物理探测方法使用受限时，等值反磁通瞬变电磁法能有效探测地下岩溶的发育情况和分布特征。

图5 DK3700—DK3750钻孔剖面图1-灰岩；2-溶洞；3-钻孔；粉质黏土；6-砂土；7-地层分界线；8-物探解译溶洞Fig. 5 Section of drill hole (DK3700—DK3750)

表1 钻探验证成果与等值反磁通瞬变电磁法反演成果的对比Table 1 Comparison of drilling validation results and opposing-coils transient electromagnetic inversion results

3 结 论

(1)采用等值反磁通瞬变电磁法在城市轨道交通岩溶勘察中圈定了多处低电阻率异常区，经钻孔验证由岩溶引起，钻探与物探结果较为吻合，取得了较好的探测效果。

(2)此次岩溶勘察实践表明等值反磁通瞬变电磁法设备轻便，施工方便，抗干扰能力强，且消除了常规瞬变电磁法在浅层的“盲区”，在人文环境复杂的城市区域岩溶探测中可以发挥较大的优势。