分析浅层瞬变电磁法在城市轨道交通建设中的应用

分析浅层瞬变电磁法在城市轨道交通建设中的应用

吴李季 唐志刚 王亦帆

中国建筑材料工业地质勘查中心广东总队 广东广州 510403

摘要：瞬变电磁法因穿过功能强、像素高、不接地等优势普遍使用于勘查、地质环境考察等行业，但其抗干扰性不佳、运用区域受环境要素限制等阻碍了其在城市浅层地质勘探中的运用。经过升级瞬变电磁设备与安装，即时收集不一样回线设备的设定、信息去噪及图像，可完成对轨道构造上覆管道、附近孔洞开展急剧检测及定型衬砌评价，具备不错的应用前景。

关键词：地铁；瞬变电磁；城市轨道交通

0引言

近些年，伴随人口数的大量增加与城镇化进程的进一步发展，我国的城市轨道交通工程建设进入快速发展时期，竣工总公里数持续飞跃，在改善城市交通的时候，因地质环境问题引起的轨道交通建造事故不时发生，导致巨大的人身、经济损失与社会影响。轨道交通通常处在浅层地表，地质条件相对复杂，各类管道与地底构造物遍布，并且因历史因素遗留问题较多（构造物、废旧管道、人防设备、地下暗河等），勘测困难巨大。而目前的地质勘探工艺，如电法、磁测和地震法，检测速率低，费用高，不能为轨道交通项目给予充分具体的勘测材料，地质雷达在地底5m之内的检测中获得了可是运用，可是不能解决深层检测的问题叫根据瞬变电磁原理，运用中间回线、叠加回线等不接地回线设备，经过持续脉冲及信息的持续采集、反演，可完成对轨道构造上覆管道、附近孔洞开展精密检测及成型衬砌功能评价。

1.国内外研究现状及优势

1.1现状

运用电磁感应原理开展项目地质勘探、探矿勘查的方式合称为电磁法。电磁法属于浅部条件及工程检测的关键手段，当中最普遍的为瞬变电磁法、地质雷达法等工艺。两者的差异在于发送脉冲电磁波的中间频率不一样，前一个通常为12.5至1200兆赫兹，后一个通常为0至500赫兹。地质雷达法最先最早能到1905年，至20世纪80年代早期，西方国家陆续推行定型的地质雷达体系，地质雷达的具体运用区域急剧扩大，已经涵盖矿产资源勘查、地质工程考察、工程检测等诸多行业。地质雷达因为应用次数较高，电磁波的能量在岩层中下降很大，检测深度很浅，尤其在具备低阻盖层的地理条件下检测深度更小（通常仅有2~5m)。瞬变电磁法最先于1933年左右出现，直到20世纪50至60年间步入实用阶段，而近十年瞬变电磁法进步极快，设备在性能、规格与项目应用上获取了长足的进步。国内从20世纪70年代中期开展了探究，中南工业大学、长春地质学院等部门相继研发了电磁体系，并开展了概念与方法工艺研究。国内如今的瞬变电磁设备跟世界水准已颇为接近，可是在浅层的瞬变电磁设备领域依旧相差甚远。瞬变电磁法因为发送电流的关断时长不为零，读取的瞬变电磁信息在前期出现失真，进而统计的几乎全都是末期信息，这就导致了地表至地底20m地区的浅部失常不能检测。

1.2瞬变电磁法的优势

（1）常规电磁法易受浅层低阻拦截，瞬变电磁法检测深度大，极容易透过厚大的低阻地质土层；（2）一般瞬变电磁法比直流电法像素高约1/3次方；（3）瞬变电磁法应用集中抽样方法（等算术），抽样数值为万个到几百万个深度数值，极大提高了对勘测目的物空间位置与形状的控制功能。（4）检测深度跨距大：应用NanoTEM最浅可以检测数十厘米；应用一般TEM可以检测6000米以上。（5）信息量大：现在应用对数窗口，这个问题还不突出。假如应用算术等间隔窗口获取测量数值，应用GDP-32II之中NanoTEM性能，用1.6μS进行抽样，用32Hz开展运行，我们可以获得1780个数值。应用GDP-32II之中的TEM性能，用30.52μS窗口间距开展抽样，用4Hz运行，大家最高可以获得4096个数值。（6）应用算术等间隔窗口测量的数值，过后处理功能强大。可以借助清除、过滤的方法提升信噪比，尤其是可以应用当今认为过滤作用的小波过滤工艺。（7）对低阻地质体有更好的检测作用，尤其对磁铁矿类岩层的检测作用更好^[1]。

2.瞬变电磁法应用条件

(1）按照目标差异，选用恰当的瞬变电磁方法。按照瞬变电磁分析的目标和概念着重点的差异可分成2类：类根据烟圈扩散理论，关键分析地壳结构、断层深层形状，并用以找水等工作，深入又可分成可控源音频地面电磁法、地面电磁法与音频地面电磁法测深法；第二种是根据瞬变电磁感应技术，集中分析部分导电体，并将其用在地质勘察之中，便是通常所讲的时间与电磁法，按照研究对象的差异，有目的性地选用方法，进而实现地质目的。
(2）瞬变电磁法主要用于含良导体的金、铜、镍、铅、锌地质.瞬变电磁法所探测的地质中几乎毫无例外地具备较高的硫化物成分。先辈的成功案例中以镍矿和铜、铅、锌矿居多。
(3）依据工作区域的范围及勘测作业环节，选用适合的载体体系。现在，瞬变电磁法依据应用的体系载体的差异，可分成航天瞬变电磁体系、半航天瞬变电磁体系、地表瞬变电磁体系和矿井瞬变电磁体系4类，并各自有其优势.依据作业的不同时期正确选择系统载体对取得好的勘探作用至关重要.比如预查环节，通常可以运用大规模的地球物理作业来找寻可能的调查靶区，这时选用航天瞬变电磁体系，能以高效益迅速进行靶区的挑选.在选用航天瞬变电磁体系后，还可进一步依据调查范围和海拔环境来选用固定翼航天瞬变电磁体系或直升机航天瞬变电磁体系。在调查和勘探作业环节，在地势平坦的地方，可立即实行地表瞬变电磁剖面作业；而在检测环境比较复杂的地方，如地形波动的山区地带等，为提升效率，并取得较航天瞬变电磁体系更佳的信噪比和更佳的空间分辨率，应选用半航天瞬变电磁体系；此外，在地表瞬变电磁检测中，依据检测深度的差异，正确选择线框尺寸

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（4）选用适合的设备。以地表瞬变电磁体系来分析，现在，世界各地商业化的设备大概有十多种，如澳洲的SIROTEM—III型，加拿大的DiginalPEM体系以及EM系列设备，多伦多大学的ETM体系，凤凰企业的V8多用途电法仪等与美国的GDP一32多用途电法仪；中国研发的IG—GETEM一20型，西安市物化探研究室的EMRS一2型，长沙市的SD一50型，吉林市的ATEM—II型，重庆市的WTEM型，地质大学（武汉）的CUGTEM一4型与CUGTEM—GK1型，及其北京市地质勘查研究室的TEMS一3瞬变电磁仪等.吕国印教授强调，与国外同类设备相对比，国内设备具有以下的基本瑕疵：①迄今未研发出应用于复杂环境条件下的高精密石英钟同步体系，大部分设备的同步方式为线缆，只可以用叠加回线作业装置，在大部分地质环境下，叠加回线装置的本身过渡环节较长，促使获得的电性断面呈现较低的电阻率，尤其是深层，测算的电阻率比具体情况低数十倍，乃至一千倍；②缺乏匹配的、功能稳定、频率特点符合TEM方式标准的感应摄像头；③稳定度差。因而在勘测深度大、成矿种类比较复杂时，选用应用适合设备的团队是确保勘测行动顺利的条件。

3.方式介绍

3.1原理

瞬变电磁法，即使用不接地回线向地底传输一回脉冲磁场，在该磁场的激发下目标体里形成感应电流，其力度依赖于该目标体的导电能力。一次磁场消退后，并且形成减弱的二次磁磁场，在地表使用传输线圈传输二次磁磁场，该磁场的变动将体现地底物质的电性状况（即视电阻率），进而获得二次磁场随时间减弱的特点。北京市政建设研究所研发的TER瞬变电磁雷达体系，由持续发送脉冲式低频电磁数据的波型发射器、导出级、信号增强器、过滤器、电磁感应天线等设备及编辑软件构成，电磁发送机送电时导出方波、半正弦、三角形等送电波型的电路至发送天线并形成一次磁场，并且使用同步线缆将数据同步至FPGA操控收集电路；发送机停电后目标体里形成感应电流并形成二次磁场，使用持续脉冲及图形的即时收集，可开展对物质体的快捷扫描式检测，即传输天线监测到二次磁场形成感应电流并发送至数据收集器，根据持续的脉冲发送及即时收集，并使用瞬变电磁处理分析方式开展数据分析及影像，辨别电磁波传播通过物质的地理状况^[3]。

3.2全时域检测

针对时间与电磁方式而言，检测深度是由监测时间的早晚确定的，可是世界各国研发的测量系统都无法实现零时间断开。当前因为电流断开效应，时间域瞬变电磁法设备统计的几近全都是后期数据，浅部构造的数据通常由前期数据携带，因而损失了TEM方式检测浅部构造的功能，又因为断开电流的损害将使瞬变响应出现改变，大幅降低TEM方式的辨别功能。因而，从地表到地底20米上下也便是瞬变电磁法检测的弱视区（或叫半盲点）。TER瞬变电磁雷达体系在电流断开完毕后的前期就能进行传输数据，并适当减少发射机关段时间，以获得全时域的检测数据。

3.3信号处理与成像

瞬变电磁法数据具备动态范围大，频段宽，在早、中、末时期的减弱速率区别大的特点。在城市强影响环境下检测地底较小微伏级的实用数据，不仅要控制环境噪声，另一方面需要降低各类数据误差，才可以发现特殊异常。TER瞬变电磁雷达开展双极性并且取样，可合理控制50赫兹工频影响与谐波影响，并对较弱的有用数据开展强化处置，并且开展不同回线设备搭配和全波集中高取样，可清除瞬变电磁读取天线的互感，提升信噪比，有助于城市地底工程之中处置不同现场的各类地理问题^[4]。对读取设备测出的二次感应电压弧线，开展电脑的反演迭代可得到不同目标体的视电阻率数据。TER瞬变电磁雷达模拟地震检波器的变磁通数据可对失效数据开展挑选、去除，将扩散的瞬变电磁场转换为波场处置并开展瞬变电磁移位，便可得瞬变电磁雷达影像。

4.应用

以地铁线某区段隧道举例，该次检测目标是地铁线结构周围及成型隧道的问题检测，开展TER瞬变电磁雷达，勘探材料表明0至2.5米为杂填土、2.5至10米为粉质泥土，10至15米为淤泥质土，地铁隧道顶填土3至6米前后。为获得地区内地铁线构造具体地址及大概地理情形，检测开展10米测线距离，框型天线（发送5米X5米，5匝；读取5米X5米，5匝），设备发送次数为1.25赫兹，发送时长8毫秒，占空比0.1，取样道数330，采样频率1kHz。开展增强发送回线和读取回线的周长，强化网络信号，并延长有效进行时间，进而有助于扩大检测深度，适宜对深层的大目标体开展检测。测量时，因为横切地铁线区段得到地铁线构造的视电阻率图，隧道构造及周围岩土体比较均质，同相轴显著。框型天线fPK/m横切区段测线L1视电阻横断面为获得更细部的框架图，开展扩大发送次数6.25赫兹）、提升采样频率（10kHz)，运用TER瞬变电磁雷达系统优化低阻异常分辨敏感的特性，可对轨道上覆土层中的构造物、孔洞、管道与松软体等不良体开展精密检测。管道呈拱形常见双曲线特点，同相轴持续，混凝土管在截面竖向较短，而钢管在截面竖向延展较长；孔洞及松软体相位不连续，松软体波阻抗界面不显著，孔洞在纵面竖向延展更短，且双曲线特点均不显著。将TER瞬变电磁雷达设计更加微型化，使用过阻尼中心回线设备，加强发送频率25赫兹），提升采样频率26千赫兹），可对地铁衬砌的薄厚与品质瑕疵状况开展检测。以这个项目举例，使用TER瞬变电磁雷达对定型隧道的拱腰位置开展检测，利用变密度图提取，获得隧道二衬品质瑕疵的框架截面图，视电阻率横断面反映隧道衬砌（低阻体）以及围岩（高阻体的页面显著，便于标记，可精准检测衬砌薄厚，并且使用瞬变电磁穿透力强的特点，可对衬砌后面的孔洞及脱空开展合理检测并精准定位，其波形特点为位置不连续、波阻抗页面不显著

^[5]。

5. 结语

TER浅层瞬变电磁雷达利用延迟调整，能统计更前期数据，探测到浅层的电性改变不正常（地表），完成瞬变场前期纯二次场数据的直接检测，检测深度较大，并且利用电磁场转换为波场处置、全波密集高取样，拥有良好的竖向分辨率，对岩土体的框架不正常、低阻不正常识别灵敏。实操反映，浅层瞬变电磁法便捷、有效，适宜在城市轨道交通的各个时期对异常地质提早预测或品质瑕疵开展高质量检测。

参考资料：
[1]崔方智, 周韬. 瞬变电磁法在浅部地层分层划分中的应用[J]. 中州煤炭, 2020, 042(001):109-112,120.

2. 孟 磊. 瞬变电磁法在城市地下管线调查中的应用研究[J]. 应用物理， 2021, 11(12):7.

3. 赵明宣. 瞬变电磁法中减小勘探盲区的一次尝试[J]. 山西焦煤科技， 2020, 44(11):4.

4. 李正， 庞成宝， 高晓丰，等. 大定源回线装置瞬变电磁法在浅层煤矿采空区勘查中的应用[J]. 山东国土资源， 2021, 37(4):6.

5. 王志昊. 煤矿采空区瞬变电磁法物探应用实例[J]. 陕西煤炭， 2020, 39(3):5.