小線框瞬變電磁法在地下空洞探測(cè)中的應(yīng)用

小線框瞬變電磁法在地下空洞探測(cè)中的應(yīng)用

1小線框瞬變電磁法探測(cè)地質(zhì)體隨著舊城改造工程的實(shí)施，在建筑物基礎(chǔ)設(shè)施的挖掘過(guò)程中通常會(huì)發(fā)現(xiàn)不同類(lèi)型的地下隧道，尤其是小型廢物預(yù)防工程。這些出現(xiàn)將影響重建項(xiàng)目的進(jìn)展。為了消除這種可能造成較大建筑事故的隱患,及時(shí)對(duì)地下掩體工程的規(guī)模和走向進(jìn)行探查并加以治理十分重要。老城區(qū)防空洞探測(cè)屬于地下洞體探測(cè)中的一種特殊工程地質(zhì)問(wèn)題,一方面目標(biāo)體體積較小難以探測(cè),另一方面受城區(qū)場(chǎng)地限制且干擾嚴(yán)重。一般而言,已有的物探手段如高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、瑞利波等技術(shù)可有效地探測(cè)到深度在40m以?xún)?nèi)的洞體。但是,有時(shí)受外在的條件限制,如施工場(chǎng)地狹小不能形成測(cè)線、地面接受器不敏感以及周?chē)鷩?yán)重干擾等因素影響的情況下,不能有效地開(kāi)展工作。這時(shí),小線框瞬變電磁法為探測(cè)這類(lèi)地質(zhì)體提供了一種新的方法和手段。在某中心城區(qū),建筑基坑中出現(xiàn)了一處巷洞和一處小型塌方,為此,提出開(kāi)展地球物理勘探,以了解建筑基坑地下空洞延伸情況,以及廢舊人防工程的分布情況。由于施工場(chǎng)地處于市區(qū),場(chǎng)地已開(kāi)挖,有承臺(tái)等,地面不平,且施工場(chǎng)地很小,面積約為一長(zhǎng)40m、寬28m的長(zhǎng)方形框,采用常規(guī)直流電法難以施展工作。為此,先期投入了探地雷達(dá)技術(shù),實(shí)驗(yàn)表明,由于地表相對(duì)潮濕,探地雷達(dá)不能反應(yīng)所要求的10～15m深度信息的要求。為此投入了回線大小為5m×5m的小線框瞬變電磁技術(shù),目的是探測(cè)10～15m深度范圍的地下結(jié)構(gòu)信息。瞬變電磁探測(cè)結(jié)果和后期鉆探的實(shí)踐表明,小線框瞬變電磁法的勘探與解釋是有效的。2瞬變電磁法t法瞬變電磁法(TransientElectromagneticMethod,TEM)最初由前蘇聯(lián)學(xué)者于20世紀(jì)30年代提出,起初主要應(yīng)用于航空物探領(lǐng)域;20世紀(jì)80～90年代在中國(guó)開(kāi)始得到推廣應(yīng)用,在金屬礦勘探中獲得了較好的效果,并顯示出了明顯的優(yōu)勢(shì)。TEM探測(cè)原理(以重迭回線裝置為例)是在發(fā)送回線上供一個(gè)電流脈沖方波,一般利用方波后沿下降的瞬間產(chǎn)生一個(gè)向地下傳播的一次磁場(chǎng)。在一次場(chǎng)的激勵(lì)下地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流,其大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度。在一次場(chǎng)消失后,該渦流不能立即消失,它將有一個(gè)過(guò)渡(衰減)過(guò)程。該過(guò)渡過(guò)程又產(chǎn)生一個(gè)衰減的二磁場(chǎng)向地表傳播,由地面的接收回線接收二次磁場(chǎng),該二次磁場(chǎng)的變化將反映地下地質(zhì)體的電性分布情況。如按不同的延遲時(shí)間測(cè)量二次感生電動(dòng)勢(shì)V(t)就得到了二次場(chǎng)隨時(shí)間衰減的特性曲線,用發(fā)送電流歸一化后成為V(t)/I特性曲線。瞬變電磁法常用裝置有多種,主要用于地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)及尋找隱伏金屬礦等。探測(cè)地下洞體應(yīng)選擇合適的裝置以獲得較高的分辨能力。按照發(fā)送與接收相對(duì)位置的不同瞬變電磁法的裝置可分為同點(diǎn)裝置與非同點(diǎn)裝置。非同點(diǎn)裝置都存在記錄點(diǎn)問(wèn)題,即異常所對(duì)應(yīng)的地質(zhì)體的實(shí)際位置。在瞬變電磁法中由于觀測(cè)的是一次場(chǎng)斷開(kāi)后的二次場(chǎng),故可實(shí)現(xiàn)頻率域中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的同點(diǎn)裝置,它與地質(zhì)探測(cè)對(duì)象有最佳耦合,回線的中心點(diǎn)就是記錄點(diǎn),同點(diǎn)裝置是時(shí)間域方法本質(zhì)上的優(yōu)點(diǎn),這也是在時(shí)間域?qū)で筇綔y(cè)地下洞體的原因。除了采用同點(diǎn)裝置外,探測(cè)地下洞體還應(yīng)使用盡可能小的發(fā)送回線、盡可能大的發(fā)送電流、高靈敏度的探頭及高靈敏度抗干擾能力強(qiáng)的接收機(jī)。3瞬變衰減曲線地下各種空洞可近似看成是球體和圓柱體或它們的組合,因此可用球體或圓柱體作為空洞的模型。設(shè)有一球體位于同點(diǎn)裝置正下方,電導(dǎo)率為σ,半徑為a,球心埋深為h(h>a),在重疊回線下其感生電動(dòng)勢(shì)為:V(t)=3πμ0IR4a3(R2+h2)τ?∑n=1∞exp(?n2t/τ)(1)V(t)=3πμ0ΙR4a3(R2+h2)τ?∑n=1∞exp(-n2t/τ)(1)式中τ=μ0σa2/π,R、r分別為發(fā)送回線、接收回線的半徑。在將瞬變電磁法應(yīng)用于地下洞體的探測(cè)時(shí)所依據(jù)的地球物理前提仍是空洞與圍巖的電阻率差異,據(jù)此把空洞從地質(zhì)背景中區(qū)分出來(lái)。因此實(shí)測(cè)V(t)/I瞬變衰減曲線還應(yīng)將其轉(zhuǎn)換成視電阻率曲線。由早期或晚期定義計(jì)算的視電阻率當(dāng)不滿(mǎn)足極限條件時(shí)與真實(shí)電阻率有較大差異,在地下空洞的探測(cè)中采用全期視電阻率定義。全區(qū)視電阻率的計(jì)算采用文獻(xiàn)中的方法。4野外作業(yè)方法和技術(shù)4.1觀測(cè)系統(tǒng)及測(cè)點(diǎn)布置本次瞬變電磁測(cè)深工作重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的QTEM—1Q淺部勘探型瞬變電磁勘探系統(tǒng),該儀器具有輕便、反映異常靈敏且重復(fù)性好的特點(diǎn)并配備有較完善的數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng),其工作技術(shù)參數(shù)在野外施工前通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)確定。工作中,根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)和工區(qū)條件,本次采用了重疊回線裝置開(kāi)展工作?；鼐€大小為5m×5m,點(diǎn)距為2.5m。測(cè)線的布設(shè)主要根據(jù)地表穿越條件來(lái)布設(shè)。具體測(cè)線和測(cè)點(diǎn)位置參見(jiàn)平面布置示意圖(圖1)。本次探測(cè)設(shè)計(jì)了兩條平行測(cè)線(點(diǎn)位平面布置示意圖中的1號(hào)線和2號(hào)線),各14個(gè)點(diǎn),32.5m,點(diǎn)距2.5m,共計(jì)28個(gè)測(cè)點(diǎn)。在防空洞(巷洞)的西地表面,設(shè)計(jì)兩條平行測(cè)線(點(diǎn)位平面布置示意圖中3號(hào)線和4號(hào)線),各11個(gè)點(diǎn),25m;點(diǎn)距2.5m,共計(jì)22個(gè)測(cè)點(diǎn)。使用WTEM—1Q淺部瞬變電磁儀開(kāi)展工作時(shí)的具體基本參數(shù)為發(fā)射頻率32Hz,供電電流9.97A,關(guān)斷時(shí)間0.7us,采樣間隔1us,采樣時(shí)間5.5us～2ms。4.2測(cè)線中心位點(diǎn)在塌方的兩側(cè)地表面,沿塌方西方向布設(shè)兩條測(cè)線(測(cè)線方向由東向西)。北面的測(cè)線為1號(hào)測(cè)線,南面的測(cè)線為2號(hào)測(cè)線,線距9m,1號(hào)測(cè)線距控制點(diǎn)距離為2m。測(cè)線中心點(diǎn)位在圖中用圓點(diǎn)標(biāo)識(shí)。第1點(diǎn)記為0m處,第2點(diǎn)記在2.5m處(點(diǎn)距2.5m),……第14點(diǎn)即在32.5m處。在巷洞的西側(cè),沿塌方南方向布設(shè)兩條測(cè)線(測(cè)線方向由北向南),靠近東邊的測(cè)線為3號(hào)測(cè)線,另一條測(cè)線為4號(hào)測(cè)線。線距6m,三號(hào)線距巷洞約有7m。測(cè)線中心點(diǎn)位在圖中用圓點(diǎn)標(biāo)識(shí)。第1點(diǎn)記為0m處,第2點(diǎn)記在2.5m處(點(diǎn)距2.5m),……第11點(diǎn)即在25m處。5分層膠結(jié)充填法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和全期視電阻率定義計(jì)算后,作出的4條測(cè)線的視電阻率斷面等值線圖如圖2,圖3,圖4和圖5(縱向?yàn)樯疃?單位:m;橫向?yàn)榫嚯x,單位:m)。第1號(hào)線上(圖2):在淺部,視電阻率相對(duì)較高,在水平位置20～25m處,發(fā)現(xiàn)一相對(duì)的高阻帶,此區(qū)域離塌方較近,可能由空洞引起。在深部,視電阻率相對(duì)較低,分析可能由于測(cè)線距離旁邊墻壁太近,墻壁對(duì)電磁感應(yīng)信號(hào)有強(qiáng)烈衰減致使信號(hào)未能有效穿透深部。第2號(hào)線上(圖3):在水平位置20～25m之間,發(fā)現(xiàn)一相對(duì)的高阻帶,2號(hào)線和1號(hào)線是平行布置的,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),在這個(gè)區(qū)域位置,剛好中間有一塌方的空洞,由此可以準(zhǔn)確判斷,1號(hào)線和2號(hào)線在水平位置20～25m處的高阻異常是由于空洞所引起的。由此也可以判斷,資料是準(zhǔn)確可信的。同時(shí)在2號(hào)線,在水平位置10m處,發(fā)現(xiàn)一夾帶的細(xì)長(zhǎng)低阻帶,經(jīng)推斷,此區(qū)域可能為一含水的巷洞,可能與已發(fā)現(xiàn)巷洞相連通。此區(qū)域在施工時(shí)值得注意。第3號(hào)線上(圖4):在水平位置7.5～10m之間,發(fā)現(xiàn)一相對(duì)低阻帶,從測(cè)線位置可以看出,此位置剛好和2號(hào)線圖中的低阻帶在同一區(qū)域。所以說(shuō)明資料是吻合的,因此結(jié)論和2號(hào)線相同,此區(qū)域在施工時(shí)值得注意。在水平位置12.5m左右發(fā)現(xiàn)一高阻帶,通過(guò)比對(duì)實(shí)地空洞情況,此區(qū)域初步判斷為水泥空洞所處地段所引起。第4號(hào)線上(圖5):通過(guò)圖像可以看出,視電阻率由淺變深逐步降低,初步判斷下面的低阻帶是由含水層所引起的。點(diǎn)號(hào)由小到大,即由北向南,水位面由高向低。6小型鉆孔工程驗(yàn)證通過(guò)對(duì)建筑基坑塌方和巷洞周?chē)闹攸c(diǎn)地段進(jìn)行瞬變電磁探測(cè)和資料分析,圈出塌方的范圍和幾個(gè)值得關(guān)注的地方。第1號(hào)線上:點(diǎn)位20～22.5m處;第2號(hào)線上:點(diǎn)位7.5～12.5m處,20～25m處;第3號(hào)線上:點(diǎn)位7.5～10m處;其中,以塌方為半徑4.5m靠東的半圓區(qū)域內(nèi)可能是塌方的分布帶。在第2號(hào)測(cè)線7.5～10m和第3號(hào)測(cè)線上10m左右