新方法新应用！电磁三维成像法探测地下污染及掩埋障碍物

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电磁三维成像探测技术在城市建设中的应用

吴宇豪，梁思维，崔亚彤，李金伟

天津市勘察设计院集团有限公司

         

第一作者： 吴宇豪 ，硕士，工程师，主要从事工程地球物理理论及应用研究。

         

导读：

地下掩埋障碍物及污染物属于有害资源， 是制约城市土地开发利用的一个重要因素，社会高度关注 ，需要查明其地下的存在状况，物探可以发挥作用。

物探 具有快速扫面普查 地下掩埋障碍物及污染物分布状况 的技术优势， 应用领域不断扩展。

电磁三维成像探测方法，是一种工程物探新方法， 具有快速采集、分辨率高等特点， 能够无损、高效且准确圈定 地下障碍物的 三维位置及污染物扩散范围， 服务于生态环境建设具有广泛应用前景 。 在天津某2个待建更新地块 ， 应用该方法通过三维成像， 针对地下介质电导率异常位置进行开挖验证 ， 快速准确圈定了 地下障碍物和污染物的位置及范围，并提出了处理措施建议。

           

- ----- 内容提纲- -----

         

0 引言

1 电磁三维成像方法原理

2 电磁三维成像方法实例分析

2.1 野外数据采集

2.2 数据处理

2.3 应用实例资料解释

3 结论

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0   引言

近年来，随着我国城市建设快速发展 ，原有城市建筑不断更新， 包括废弃工厂、老旧住房、垃圾填埋场等 ，其下方可能存在地下管线、防空洞、建筑垃圾、构筑物 等地下障碍物及各类污染物质 ， 地下障碍物增加了施工风险，污染物质影响人类健康。 因此在土地重新开发利用前 进行地下地质结构预测和地下污染情况预判， 对后期安全施工及未来人类健康工作生活尤其重要 。

地下障碍物和土壤中污染物质 通常与周围土壤 存在较大物理性质差异 ，如电性、介电常数和磁性差异（刘文辉等，2022；李海涛等，2006；李金伟等，2022）， 因此通过观测电磁场异常可以探测出其大致分布位置 。常用的物探方法 有高密度电阻率法、地质雷达及电磁三维成像技术等 （黎昱等，2017）。高密度电阻率法和地质雷达 每次探测范围有限、工作效率低 ； 电磁三维成像技术具有无损检测、探测范围广、快速便捷、三维成像等优点 ，该技术在土壤成分检测、地下障碍物探测等方面 具有较好应用效果 ， 但应用于城市工程建设前期探测的应用较少 。

本文将电磁三维成像探测技术 应用于天津某2个待建更新地块， 分别进行地下障碍物和地下污染物的探测， 通过 三维成像可以快速准确指出地下障碍物和污染物的位置及范围 ，为后期安全施工和其他处理措施的实施提供建议。

1   电磁三维成像方法原理

电磁三维成像方法 是利用介质电导率差异来探测地质体的赋存情况 ， 具有快速采集、分辨率高等特点 。 电磁三维成像方法 是通过在地表放置发射线圈（ Tx ） 向地下发射交变电流产生随时间变化的一次磁场 H ₁ ， 一次场 H ₁ 在地下介质中感应产生电流， 这些电流又产生二次磁场 H ₂ 。 一次场 H ₁ 和二次场 H ₂ 均被接收线圈（ Rx ）接收 ，如图1所示。

         

图1 电磁三维成像方法示意图

资料来源：据（李金伟等，2022）

         

在感应系数 B ≪ 1情况下，一次磁场与二次磁场完全正交 ，原本复杂的函数简化为（朴华容等，1988）：

式中： V 为垂直偶极模式； H 为水平偶极模式； H _s 为感应产生的二次磁场； H _p 为交变电流产生一次磁场； B 为感应系数； ； ω 为角频率， ω =2 πf ； μ ₀ 为真空磁导率， μ ₀ =4 π ×10 ^-7 H·m ^-1 ； σ 为大地电导率； S 为接收—发射线圈间距。可推导出电导率表示为（Ward，1971；房纯纲等，2002）：

利用电磁三维成像方法 进行地下障碍物和污染物探测， 对测得的电导率进行三维成像 ，通过分析地层中电导率的分布情况， 进而推测地下障碍物和污染物的大致分布位置。

2   电磁三维成像方法实例分析

通过2个应用实例分析电磁三维成像方法探测地下障碍物和污染物的效果。 第1个实例为天津某地块拟建仓库， 该场地 原为农药厂，存在地下污染情况 。 第2个实例为在天津某工厂原址计划修建学校， 由于场地原有建筑年代久远，资料缺失，为了保障施工的顺利与安全 ，需准确掌握地下障碍物分布情况。 通常情况下， 正常土层表现为相对中等电导率 ， 混凝土块、建筑垃圾及污染物等为相对低电导率 ， 金属目标体及钢筋混凝土表现为相对高电导率或负值 ，因此采用电磁三维成像方法探测， 圈定地下障碍物和污染物分布情况 ，为后续设计与施工提供指导。

2.1 野外数据采集

使用的仪器为捷克GF公司生产的电磁感应土壤电导率测试仪器CMDExplorer， 全深度模式可同时探测3层深度，分别为2.2m、4.2m、6.7m，半深度模式时探测深度分别为1.1m、2.1m、3.3m。 本次探测采用全深度模式 ，采样频率1s，点距1m×1m。

2.2 数据处理

绘制采集路径， 结合外业记录表使用CMD软件进行数据质量检查 ，剔除异常点等数据处理步骤。

得到电导率物性数据， 使用Surfer进行电导率成像 。

2.3 应用实例资料解释

2.3.1 天津市西青区某地地下污染物探测

图2为不同深度大地电导率平面图 。从图2a和图2b可以看出， 0～2m深度和0～4m深度的土层电导率值为60～95mS·m ^-1 ， 存 在多处电导率明显低于土层平均值的异常区域。 红色线圈出的异常区域电导率值为35～60mS·m ^-1 ， 为苯污染重污染区域 。从图2c中可以看出，0～6m深度的土层电导率为80～105mS·m ^-1 ， 明显低于土层电导率平均值的异常区域基本消失 。 场地内0～2m内存在多处苯浓度较高的污染区域，污染范围大 ，随着深度增加，污染范围减小。

图2 不同深度大地电导率平面图

2.3.2 天津市河北区某地地下障碍物探测

如图3-所示， 为探测区域内深度0～4m电磁三维成像探测电导率结果图 。区域①整体呈低导异常，电导率为50～80mS·m ^-1 ， 区域①低导异常呈现沿北北西方向线状排布， 区域②—区域⑤呈低导异常，电导率为30～50mS·m ^-1 ， 这些区域的低导异常呈现片状分布。 综上所述，结合现场实际情况， 推测区域①—区域⑤为掩埋废旧基础， 区域①的废旧基础呈现线状排布。

图3 深度0～4m电磁三维平面成像图

         

根据电磁三维成像结果， 对异常点进行开挖验证 （图4）， 区域①低导异常点开挖验证结果为废旧基础 ， 突出点推测为基础支撑点。

图4 区域①开挖验证

3   结论

1）电磁三维成像探测技术 具有无损探测、携带轻便、场地因素影响小、探测范围广、采集效率高的优点。

2）根据电磁三维平面成像图， 圈定了地下障碍物和地下污染物位置， 并进行开挖验证，证实了探测结果与实际情况相吻合。

3）城市工程场地附近存在高压线缆等干扰源 ， 电磁三维成像探测技术结果容易受到影响， 可以结合其他物探方法进行综合分析，降低结果的多解性。

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原文来源： 吴宇豪，梁思维，崔亚彤，李金伟，2023. 电磁三维成像探测技术在城市建设中的应用［J］ . 城市地质，18（3）：9 6  

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