喻 春，段義敏，沈瑞文，趙維新，王 俊

（1.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)黃金第十二支隊(duì)，四川成都611732；2.成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院，四川成都610059；3.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南昆明650011）

井間電磁波CT法在工程中的應(yīng)用

喻 春1,2，段義敏1，沈瑞文1，趙維新1，王 俊3

（1.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)黃金第十二支隊(duì)，四川成都611732；2.成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院，四川成都610059；3.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南昆明650011）

主要闡述了通過(guò)在某公路大橋橋梁樁基附近施工鉆孔，然后在鉆孔中進(jìn)行井間電磁波CT法勘察，并且結(jié)合鉆孔取樣資料，驗(yàn)證井間電磁波CT技術(shù)探測(cè)結(jié)果這一工程應(yīng)用實(shí)例，最終證明井間電磁波CT技術(shù)在橋梁樁基巖溶探測(cè)中是一種切實(shí)有效的物探勘察方法。

井間電磁波CT技術(shù)；樁基；巖溶；吸收系數(shù)

1 概述

在灰?guī)r地區(qū)，橋梁的樁基工程設(shè)計(jì)施工中，地下巖溶是造成樁體不穩(wěn)定主要的安全隱患之一。在施工中，樁體側(cè)面存在巖溶會(huì)造成漏漿；樁體完工后可能還會(huì)造成樁體傾斜等問(wèn)題。而樁體底部5m內(nèi)的巖溶甚至?xí)斐蓸扼w沉降，危害更大。為確保橋梁工程中樁基的安全，必須要查明地下巖溶相對(duì)于樁基的位置[1]。

隨著時(shí)代進(jìn)步，施工技術(shù)要求的不斷提高，傳統(tǒng)的電阻率法、高密度電法、地震等傳統(tǒng)物探勘察方法均存在一定的局限性，在施工條件等諸多方面難以滿(mǎn)足當(dāng)前工程物探勘查目的需求。然而隨著物探勘察技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，電磁波CT技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展正好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)物探方法的不足[2]。

電磁波CT成像技術(shù)最早廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，20世紀(jì)80年代后期被物探工作人員應(yīng)用到物探勘查中，目前常用的主要有聲波、彈性波、地震波和電磁波、電阻率等幾種CT方法[3]。隨著相關(guān)理論和反演方法的發(fā)展與成熟，電磁波CT技術(shù)已經(jīng)廣泛用于礦產(chǎn)、能源、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)的勘察等方面[4]，能夠確定異常體的位置和產(chǎn)狀，是一種非常有效工程勘察手段。

2 方法原理

井間電磁波CT技術(shù)是在鉆孔中進(jìn)行電磁波CT（0.5～32MHz）測(cè)量。分別在2個(gè)鉆孔中A孔放置發(fā)射機(jī)、B孔放接收機(jī)[5]；當(dāng)A孔沿孔深的發(fā)射點(diǎn)依次發(fā)射出電磁波，通過(guò)鉆孔之間介質(zhì)進(jìn)行傳播，并被不同的介質(zhì)吸收和衰減之后，在B孔相應(yīng)接收點(diǎn)被接收。然后AB孔收發(fā)進(jìn)行對(duì)調(diào)，最終組成1個(gè)兩孔間的測(cè)試剖面[6]。電磁波CT測(cè)試原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 電磁波CT測(cè)試原理圖

電磁波涉及在地下半空間的輻射、傳播和接收，通過(guò)電磁波傳播理論表明，在地下介質(zhì)中電磁波的發(fā)射和接收存在以下關(guān)系：

式中：E——通過(guò)觀(guān)測(cè)取得的場(chǎng)強(qiáng)幅值；

E0——場(chǎng)強(qiáng)的初始輻射值；

R——電磁波沿直線(xiàn)傳播的路徑長(zhǎng)；

dr——路徑的積分線(xiàn)元；

β——地下介質(zhì)的吸收系數(shù)；

f——與發(fā)射和接收天線(xiàn)有關(guān)的方向因子函數(shù)[5]。

地下介質(zhì)對(duì)電磁波的衰減系數(shù)可用下述公式表示[5]：

式中：ω——天線(xiàn)角頻率；

β——地下介質(zhì)對(duì)電磁波的衰減系數(shù)；

ur——介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率；

σ——待測(cè)介質(zhì)的電導(dǎo)率；

εr——待測(cè)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)[5]。

通過(guò)上式表明，當(dāng)ur、εr在一定的條件下，β主要與σ有關(guān)。σ越大，β就越大，介質(zhì)的密實(shí)性就較差；反過(guò)來(lái)，σ越小，β就越小，介質(zhì)的密實(shí)性就較好[5]；

得出結(jié)論：當(dāng)電磁波穿越不同的地下介質(zhì)（如不同的巖礦體、溶洞等）時(shí)，由于不同介質(zhì)對(duì)電磁波β的吸收存在差異：電磁波的吸收越強(qiáng)，電阻率越低，反映巖體破碎、完整性差，溶洞內(nèi)充填粘土或充水等；數(shù)值越小，說(shuō)明巖體對(duì)電磁波的吸收越弱，為空洞或完整巖體的反映。從而在電磁波層析成像呈現(xiàn)負(fù)異常，如同“陰影”，我們就是通過(guò)利用這一“陰影”的特性來(lái)判斷目標(biāo)地質(zhì)體的形態(tài)[5]。這種方法與醫(yī)學(xué)上的CT透視相似因此而得名電磁波CT技術(shù)[7]。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工區(qū)概況

在建的某公路大橋橋梁樁基施工中發(fā)現(xiàn)位于灰?guī)r地區(qū)，地下巖溶較為發(fā)育，工區(qū)出露地層按照時(shí)間順序由老到新首先第四系轉(zhuǎn)石、卵石等其次是河湖相的沉積粘土再是石炭系威寧組灰?guī)r、白云巖等。

本次探測(cè)的區(qū)域?qū)倩規(guī)r地區(qū)，基巖位于地下水位線(xiàn)以下，巖溶發(fā)育地段，電磁波能量的吸收相對(duì)基巖完整的地段要強(qiáng)，在電磁波吸收系數(shù)剖面上為大值反映，據(jù)此，可對(duì)利用電磁波CT法對(duì)巖溶發(fā)育規(guī)模、位置等進(jìn)行判斷提供了地球物理前提。

為保證工程的安全需要進(jìn)行巖溶探測(cè)，對(duì)樁基施工鉆孔，然后在2個(gè)孔之間進(jìn)行井間的電磁波CT測(cè)量施工來(lái)進(jìn)行探測(cè)。由于篇幅原因，所以本次探測(cè)僅選擇由CTZK01～CTZK02和CTZK02～CTZK03 2個(gè)剖面共同組成的剖面中的地下巖溶情況進(jìn)行探測(cè)。

通過(guò)標(biāo)本測(cè)試和早期鉆孔資料統(tǒng)計(jì)出工區(qū)內(nèi)探測(cè)范圍主要巖土層電性特征（表1）。

表1 工區(qū)主要地層吸收系數(shù)

3.2 采用參數(shù)

此次剖面鉆孔電磁波CT工作中，在保證能夠有效穿透的前提下，根據(jù)具體情況，工作時(shí)電磁波頻率選用了12～32MHz。在不影響圖像質(zhì)量的前提下，觀(guān)測(cè)時(shí)采用發(fā)射點(diǎn)距為1.0～2.0m，接收點(diǎn)距為0.5～1.0m的互裝置觀(guān)測(cè)。

在室外的數(shù)據(jù)采集使用廊坊物化探所研制的JW-5Q型電磁波CT系統(tǒng)，儀器經(jīng)過(guò)室內(nèi)標(biāo)定和野外重復(fù)觀(guān)測(cè)檢查，讀數(shù)穩(wěn)定，一致性好，符合規(guī)范対儀器的各項(xiàng)要求。野外數(shù)據(jù)采集檢查觀(guān)測(cè)點(diǎn)數(shù)滿(mǎn)足相關(guān)行業(yè)規(guī)范要求。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，按照0.5m×0.5m或1.0m× 1.0m規(guī)格劃分，進(jìn)行反演計(jì)算時(shí)運(yùn)用代數(shù)重建算法（ART）和聯(lián)合迭代重建算法（SIRT）相結(jié)合的綜合算法處理采集的數(shù)據(jù)，得到最終的結(jié)果。

3.3 資料解釋

本剖面由 CTZK01～CTZK02和 CTZK02～CTZK03 2個(gè)剖面組成，實(shí)測(cè)場(chǎng)值在-50～-110dB，總體上信號(hào)隨深度增加逐漸增強(qiáng)，電磁波CT反演吸收系數(shù)色譜圖見(jiàn)圖2。

在圖2中可以看出電磁波吸收系數(shù)大于3.0dB/m的異常區(qū)域主要有3個(gè)。分別用黑色粗線(xiàn)勾畫(huà)。按照埋深對(duì)異常進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所述。

通過(guò)對(duì)鉆孔CTZK01、CTZK02、CTZK03 3個(gè)鉆孔進(jìn)行巖芯取樣分析，并繪制出柱狀圖(圖3)，與電磁波CT反演吸收系數(shù)色譜圖進(jìn)行異常的對(duì)比，顯示推斷異常位置吻合準(zhǔn)確，兩者一致性較好。

圖2 CTZK01～CTZK02～CTZK03剖面電磁波CT反演吸收系數(shù)等值線(xiàn)圖及解釋成果

表2 電磁波吸收系數(shù)異常統(tǒng)計(jì)表

綜上所述，說(shuō)明井間電磁波CT法在CTZK01～CTZK02～CTZK03組成的剖面上進(jìn)行橋梁樁基巖溶探測(cè)效果明顯、直觀(guān)、準(zhǔn)確。

但是最終成果是孔間介質(zhì)電磁波吸收系數(shù)β值分布的色譜圖，它實(shí)際反映的是孔間介質(zhì)在物性（主要是電阻率）方面的差異，是一個(gè)相對(duì)指標(biāo)值。經(jīng)計(jì)算得到的各剖面的視吸收系數(shù)β值，并不能完全對(duì)等起來(lái)，只能做對(duì)比分析。另外，受測(cè)試盲區(qū)影響，剖面頂、底部圖像精度降低，該部分解釋存在不確定性。

4 結(jié)論

通過(guò)本次井間電磁波CT法在橋梁樁基溶洞探測(cè)中應(yīng)用實(shí)例，表明該方法效果顯著。說(shuō)明在巖溶發(fā)育地區(qū)運(yùn)用井間電磁波CT法進(jìn)行工程勘察可以克服常規(guī)電法、地震等傳統(tǒng)物探方法施工條件苛刻的困難，并且探測(cè)結(jié)果更直觀(guān)，信息豐富，是一種高效經(jīng)濟(jì)的物探方法[8]。

（1）如果能利用工區(qū)初期勘察時(shí)的鉆孔進(jìn)行電磁波CT法探測(cè)，可以大量節(jié)約施工成本并且提供更加詳盡的地質(zhì)資料。

（2）當(dāng)有足夠多的鉆孔對(duì)某一固定樁基進(jìn)行探測(cè)形成相互交錯(cuò)的剖面探測(cè)，可以通過(guò)這些剖面數(shù)據(jù)嘗試建立一個(gè)三維的空間模型，這樣可以了解溶洞在地下的空間三維分布數(shù)據(jù)[4]。

[1]王曉群.電磁波CT在武漢地鐵巖溶勘察中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究（電子版）,2012(28).

[2]李永濤,陶喜林，等.井間電磁波CT技術(shù)在長(zhǎng)江大堤巖溶探測(cè)中的應(yīng)用[J].CT理論與應(yīng)用研,2009,18(1):55-62.

[3] 于寧飛.淺析CT技術(shù)的發(fā)展[J].科技信息,2011(11).

[4]郭貴安,魏柏林.井間電磁波CT技術(shù)在溶洞探測(cè)中的應(yīng)用[J].華南地震，1999,19(4):28-34.

[5]周欣,劉濤,尹極，等.電磁波CT技術(shù)在溶洞勘察中的應(yīng)用效果分析[J].CT理論與應(yīng)用研究,2012,21(4):659-666.

[6] 董亮，等.鉆孔電磁波CT技術(shù)在帷幕灌漿檢測(cè)中的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江，2011(22).

[7]崔春林.鉆孔電磁波層析成像CT技術(shù)及其應(yīng)用[J].山西水利科技,2005(1):83-85.

[8]何禹,李永濤,朱亞軍.鉆孔電磁波CT技術(shù)在深部巖溶勘探中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2010(4)：451-455.

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1004-5716(2015)09-0167-04

2014-09-23

2014-10-15

喻春（1983-），男（漢族），重慶人，工程師，現(xiàn)從事工程物探與礦產(chǎn)勘查工作。