劉杰，段煒，王俊，劉成，戴國強

(1.中國電建集團 昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明650000；2.云南省地震局，云南 昆明650000)

0 引言

瞬變電磁法是先利用接地導線或不接地線圈，向地下發(fā)射一次磁場，然后突然關斷一次場以激勵地下導電地質(zhì)體產(chǎn)生渦流，并在一次場關斷間隙觀測該渦流產(chǎn)生的二次磁場隨時間變化的響應，通過分析響應曲線提取地下地質(zhì)體的電阻率、埋深等信息，從而解決相關地質(zhì)問題[1-3]。傳統(tǒng)大定源裝置在城市、公路、鐵路工程勘察中難以快速布線，快速勘探，應用局限性大，近年來國內(nèi)很多專家將小線圈中心回線、小線圈重疊回線應用于工程勘探、隧道超前預報等[4-12]。然而非固定小回線形態(tài)變化對一次磁場影響很大[13]，此外，由于接收天線與發(fā)射天線之間的強耦合關系，造成接收二次場畸變嚴重，反演電阻率失真，反演深度難以把控[14-17]。席振銖等[18-19]提出的等值反磁通瞬變電磁法(OCTEM)采用反向?qū)ε即旁粗行幕鼐€裝置，消除了收發(fā)線圈互感影響，提高了淺層探測分辨率，因而在巖溶探測、鐵路選線、公路病害探測等工程勘察中應用日益廣泛。

本文主要研究OCTEM在某公路隧道塌陷區(qū)的搶險探測應用。針對待探測隧道的探測深度淺、圍巖背景電阻率相對低、地形地貌復雜等特點以及快速勘察的需求，選擇采用OCTEM進行探測。

1 工程概況及物探方法選擇

1.1 工程概況

在建公路隧道位于云南山區(qū)，隧道進口端覆蓋層以第四系殘積的硬塑狀粉質(zhì)黏土為主，電阻率約100 Ω·m，平均厚約10 m；基巖主要為砂巖夾黏土巖，局部夾有褐煤層，屬半成巖，巖質(zhì)極軟，圍巖電阻率200～300 Ω·m，相對低。隧道長約300 m，隧道軸線距離地面高程20～70 m，埋深較淺。在隧道進口左線開挖到里程21 554 m附近時地面發(fā)生塌陷，隧道進口左線內(nèi)出現(xiàn)涌水、涌泥現(xiàn)象。為避免再次出現(xiàn)塌陷和隧道涌水、涌泥，需要對隧道軸線上可能的塌陷區(qū)進行探測，為后期隧道的掘進施工提供依據(jù)。

1.2 物探方法選擇

針對探測深度在幾十米至百米深的工程勘探，常用的物探方法有地震波法、高密度電阻率法、瞬變電磁法等。由于該隧道地面地形差異大，而地震波法在復雜地形測區(qū)施工相對困難，數(shù)據(jù)解釋比較復雜，因而未采用。高密度電阻率法在接地條件良好的地區(qū)適應性強，適用于本次勘察，然其不足在于探測深度與橫向測點密度(橫向分辨率)有時難以兼顧；為了提高高密度電阻率法的探測效果，考慮采用瞬變電磁法作為補充勘察。傳統(tǒng)瞬變電磁法在山區(qū)布線困難，且由于收發(fā)電磁互感影響嚴重，早期信號受一次場影響嚴重失真，導致淺層探測盲區(qū)較大，而等值反磁通瞬變電磁法(OCTEM)克服了收發(fā)線圈互感影響，可大大減小淺層探測盲區(qū)，采用收發(fā)一體固定小回線裝置不僅便攜方便施工，且保證了各測點激發(fā)場源的一致性以及收發(fā)相對位置的一致性，可避免地形差異以及回線形態(tài)變化對一次場的影響，進一步減小觀測噪聲，提高淺層分辨率，因此OCTEM適用于本次勘察。

2 OCTEM方法原理

OCTEM方法原理與傳統(tǒng)回線源瞬變電磁法相同，即先由人工源向發(fā)射回線供入電流產(chǎn)生一次場，然后瞬間關斷電流，激勵大地感應出二次渦流場，再通過感應線圈接收隨時間衰減變化的二次場，根據(jù)其幅值和變化規(guī)律，獲得地下電阻率分布信息。

OCTEM與傳統(tǒng)瞬變電磁法不同之處在于其采用反向?qū)ε即旁葱⌒椭行幕鼐€裝置(圖1)，上下兩個發(fā)射線圈相同且平行共軸，二者電流同步且等值反向，接收線圈在距上下線圈相等的中間平面，在該平面上下兩磁性源產(chǎn)生的垂向磁場大小相等方向相反，矢量疊加后垂向磁場恒為0，磁力線呈水平狀，在該平面一次場總磁通始終為0，根據(jù)法拉第電磁感應定律，在發(fā)射電流關斷前后接收線圈中將不產(chǎn)生一次場感應電動勢，等效于消除了一次場的影響。在接收面以外的大地區(qū)域，關斷電流前后一次場磁通發(fā)生變化激發(fā)感應渦流，被感應線圈接收。可見，OCTEM在早期不受一次場影響，將接收到大地純二次場響應，可減小淺層探測盲區(qū)。

圖1 OCTEM線圈及其徑切面一次場磁力線Fig.1 OCTEM coils and its primary magnetic field line on the diametric plane

OCTEM測深是基于瞬態(tài)電磁場擴散原理。在非磁性(磁導率μ0)導電均勻大地中，當?shù)乇砩戏桨l(fā)射線圈中的電流突然關斷時，首先在距離發(fā)射線圈最近的地表附近產(chǎn)生感應渦流以維持在斷開電流以前存在的磁場。接著由于大地電阻引起歐姆損耗，感應渦流將隨時間衰減變化，隨著延時t增加，感應渦流極大值向下向外形如“煙圈”擴散。擴散速度v和擴散深度δ都與電阻率的平方根成正比：

而在地面接收到的二次磁場時間導數(shù)響應曲線幅值與大地電阻率平方成反比[20]，當大地電阻率減小至原來的1/10，其響應增加至原來的100倍，對低阻體反映較靈敏。綜上，結(jié)合擴散深度和接收到的二次場衰減曲線幅值及其衰減規(guī)律可以分析得到測點下方電阻率的變化規(guī)律，達到測深目的。

3 理論計算

先通過正演計算[21]，為方法可行性提供理論依據(jù)。根據(jù)隧道實際情況建立簡化的三維地電模型(圖2)：圍巖背景設為兩層，第一層電阻率為100 Ω·m，厚10 m，代表淺表覆蓋層；第二層電阻率為200 Ω·m，代表基巖層；塌陷地質(zhì)體電阻率為50 Ω·m，設為規(guī)則長方體，其走向長度1 500 m，遠大于其寬度W、厚度H及頂部埋深D，塌陷體中心在地表投影點對應X0位置，垂直塌陷體走向(沿著X方向)布置測線，點距25 m，剖面范圍-200～200 m;發(fā)射電流1 A,發(fā)射有效面積1 m2，接收有效面積1 m2，激發(fā)場源為單位階躍脈沖。

圖2 塌陷體地電模型Fig.2 Geoelectric model of underground collapse

本文計算了大小不同、埋深不同的4組低阻塌陷體模型的OCTEM響應，塌陷體模型的寬度×厚度(即邊長)分別為：25 m×25 m和50 m×50 m，頂部埋深分別為50 m和25 m，計算結(jié)果見圖3，上圖為磁場時間導數(shù)響應剖面曲線，下圖為相對異常剖面曲線。

圖3 不同厚度、不同埋深塌陷體OCTEM響應Fig.3 OCTEM responses of different size target collapse under different depths

從響應剖面曲線來看，除了邊長25 m、頂深50 m塌陷體模型響應曲線(圖3a)看不出明顯隆起異常，其他3個模型響應曲線隆起異常明顯,塌陷體越大，埋深越淺，異常越明顯,若取相對異常值0.2為臨界可分辨相對異常，則理論上4個塌陷體異常都可以被分辨。邊長25 m的塌陷體，頂深25 m時的相對異常極大值為87.5%(圖3a)，頂深50 m時相對異常極大值30.05%(圖3b)；邊長50 m的塌陷體，頂深25 m時的相對異常極大值為341%(圖3c)，頂深50 m時相對異常極大值116%(圖3d)；粗略測算，塌陷體規(guī)模增加至4倍，相對異常極大值也增加至約4倍;塌陷體埋深增至2倍，相對異常極大值減至約1/3。據(jù)此判斷，在本文所述地電條件下，若以20%相對異常為可分辨閾值，則理論上某塌陷體的最大可探測深度大概為其橫向尺寸的2倍，當圍巖電阻率增加或塌陷體電阻率減小時，相對異常幅度也將增加，探測能力將提升。

4 應用分析

4.1 儀器設備

本次探測采用湖南五維地質(zhì)科技有限公司研制的HPTEM18系統(tǒng)。設備由收發(fā)一體天線、主機、天線與主機連接電纜及移動PC組成，主機與移動PC通過WIFI連接。該系統(tǒng)運用等值反磁通原理消除收發(fā)線圈之間的感應耦合；利用對偶中心耦合原理提高橫向分辨率；采用統(tǒng)一標準的微線圈對偶磁源、高靈敏度磁感應傳感器、高速24位數(shù)據(jù)采集卡以及高密度測量技術(shù)實現(xiàn)淺層高精度瞬變電磁勘探。

4.2 數(shù)據(jù)采集與處理

本次數(shù)據(jù)采集采用定點測量模式，測點距2 m，發(fā)射頻率6.25 Hz，發(fā)射電流10 A，關斷時間50 μs，疊加周期400次。

采用HPTEM系統(tǒng)自帶處理軟件進行數(shù)據(jù)處理，主要包含信號校正、平滑濾波和電阻率成像三個步驟：①信號校正：收發(fā)一體小回線瞬變電磁系統(tǒng)具有施工靈活方便的特征，但是其振蕩耦合噪聲增強，包含了信號線纜耦合、接收與發(fā)射之間的殘余感應耦合等噪聲，需要對實測信號進行校正。②平滑濾波：瞬變電磁法在實際觀測數(shù)據(jù)時，由于某一周期性的干擾或氣候等其他因素的影響，無法通過多次疊加統(tǒng)計的方法將其剔除，導致衰減曲線在晚期出現(xiàn)跳變，出現(xiàn)不正常衰減，不利于數(shù)據(jù)的進一步處理和解釋，因此需要對數(shù)據(jù)進行平滑濾波。③電阻率成像：類似于傳統(tǒng)瞬變電磁法，HPTEM系統(tǒng)針對等值反磁通瞬變電磁法響應曲線特點提供了電阻率快速成像方法。該方法基于瞬變電磁“煙圈”擴散理論，綜合考慮了實測電壓幅值及其隨時間衰減速率特征，能很好地反映局部電阻率變化特征，適合本次勘察目的。

4.3 成果圖分析

圖4為在該公路隧道軸線上里程21 502～21 810 m段的OCTEM探測結(jié)果，剖面長308 m。實測感應電壓剖面(圖4a)呈現(xiàn)多處大大小小的局部隆起異常，對應在電阻率斷面(圖4b)中出現(xiàn)電阻率等值線下凹或局部低阻異常區(qū)，推測為巖體塌陷或節(jié)理裂隙集中發(fā)育區(qū)。將OCTEM探測結(jié)果與高密度電法(電極距5 m，單個排列長295 m)探測結(jié)果(圖5)進行對比分析：OCTEM異常S-1與高密度電法異常G-1對應，反映了已知塌陷，證明了兩者方法的有效性；另外OCTEM異常S-2與高密度電法異常G-2接近；此外高密度電法異常G-3在OCTEM電阻率斷面上呈現(xiàn)獨立的3個異常S-4、S-5、S-6，OCTEM異常S-3在高密度電法圖上沒有明顯對應，原因一方面是OCTEM反映電阻率變化靈敏度更高，另一方面因為其點距更小，橫向分辨率更高。所以OCTEM能夠彌補高密度電法分辨率與探測深度難以兼顧的問題。

圖4 OCTEM感應電壓剖面(a)及反演電阻率斷面解釋成果(b)Fig.4 Induced voltage profile (a) and resistivity section (b) of OCTEM

圖5 高密度電阻率法反演電阻率斷面及解釋Fig.5 Resistivity section of high density electrical resistivity

5 結(jié)論

OCTEM接收發(fā)射固定一體，設備輕便，野外施工便捷，作業(yè)效率高，其采用反向?qū)ε即旁粗行鸟詈涎b置從物理上直接消除了一次場影響，大大減小了淺層探測盲區(qū)。另外正演計算表明：均勻?qū)щ姶蟮刂蠴CTEM對地電阻率變化反應靈敏，針對該隧道建立的良導圍巖下的局部低阻塌陷體模型，當其埋深不大于其橫向尺寸2倍時OCTEM相對異常大于20%。在本次公路隧道塌陷區(qū)的探測應用中，OCTEM對已知塌陷反應明顯，與高密度電法探測結(jié)果異常吻合，證明了方法的有效性。

致謝：向中南大學瞬變電磁法研究團隊成員提供的幫助表示感謝。