物探磁法在鐵路勘察中的應用

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

物探方法可分為重力法、磁法、電法、震法四大類，每類方法的使用都有其特定的地球物理勘探前提。磁法作為地球物理勘探的一類方法，在礦產(chǎn)資源勘查中的發(fā)展已經(jīng)相當成熟，應用廣泛，但在鐵路地質(zhì)勘察中應用相對較少。究其原因，鐵路勘察環(huán)境較為復雜，勘探環(huán)境中復雜的電磁干擾制約著磁法勘探的應用效果。

近年來，磁法儀器設備、方法技術(shù)不斷更新，如梯度測量、張量測量等可高分辨率地突出地表及近地表磁性體的異常，擴展了磁法在鐵路勘察領(lǐng)域的應用。研究發(fā)現(xiàn)，通過合理選擇磁測方法及儀器設備，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，采取有效措施壓制干擾場，采用適當?shù)臄?shù)據(jù)處理方法突出磁異常，磁法也能有效地應用于鐵路地質(zhì)勘察工作中，甚至能夠解決其他物探方法難以解決的勘探難題，為鐵路設計和施工提供更精準的科學依據(jù)。

1 磁法勘探工作原理

磁法勘探是通過觀測和分析巖石、礦石或其它探測對象磁性差異所引起的磁異常，進而研究其地質(zhì)構(gòu)造或分布規(guī)律的一種地球物理方法[1]。

地球可以看做是一個位于地球中心并與地球自轉(zhuǎn)軸斜交的磁偶極子，S極位于地理北極附近，N極位于地理南極附近，磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸的夾角約為11.5°。對于某一工程而言，研究的只是局部小范圍內(nèi)的磁場，可以近似地把地磁場看作均勻分布。地下介質(zhì)主要分為抗磁性物質(zhì)、順磁性物質(zhì)及鐵磁性物質(zhì)?？勾判晕镔|(zhì)磁化率很小，可以認為沒有磁性，而順磁性物質(zhì)、鐵磁性物質(zhì)磁化率要大得多。從巖性來說，沉積巖磁性較弱，火成巖磁性較強，而變質(zhì)巖的磁性與其原來的基質(zhì)有關(guān)。另外，地下介質(zhì)的磁性還與其所含礦物成分有關(guān)，鐵磁性礦物含量越多，巖石的磁性越強。這種介質(zhì)與周圍介質(zhì)之間的磁性差異稱為磁異常。各種物體的磁性不同，所產(chǎn)生的磁異常強度也不同；物體空間分布如埋深、大小、形狀等不同，也會使其在空間磁場的分布特征有差異。通過高精度的磁測儀器記錄研究區(qū)域內(nèi)磁場分布情況，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可以推斷出地下各種磁性體的形狀、位置等地質(zhì)信息。

2 磁測方法的選擇

每一類物探方法都有一定的地球物理勘探前提，當測區(qū)周圍電磁干擾較強時，很難得到有效的磁測數(shù)據(jù)。因此，在外業(yè)工作開始前，應對現(xiàn)場進行踏勘，根據(jù)現(xiàn)場條件、地層差異及干擾情況，選擇合理的磁測方法及儀器設備。選擇磁測方法及儀器設備的原則是避開強干擾場，壓制較弱干擾場，突出被探測物體的磁異常。

①對電磁干擾較小的測區(qū)，應選擇測試總強度ΔT或其垂直分量Za探測。

②對電磁干擾較大的測區(qū)，應選擇磁梯度法探測。

③水上磁測應選擇測試總強度ΔT并使磁探頭盡量遠離船體，減弱船體對磁場的干擾。

④在被測體有露頭的情況下，可以在被探測物體側(cè)面0.5～1.0 m處鉆孔，采用井中磁梯度或井中磁三分量測試方法[2]。

3 在鐵路勘察中的應用

3.1 查找地質(zhì)構(gòu)造

為提高勘探效率，一般選擇航磁測量。航磁測量是將航空磁力儀及其配套的輔助設備裝載在飛行器上，在測區(qū)上空按照預先設定的測線和高度對地磁場強度或梯度進行測量的地球物理方法。其測量效率高且不受地形的限制。由于飛行是在距地表一定的高度進行，從而減弱了地表磁性不均勻體的影響，能夠更加清楚地反映出深部地質(zhì)體的磁場特征[3，4]。

根據(jù)航磁數(shù)據(jù)并結(jié)合區(qū)域內(nèi)巖礦石磁性資料統(tǒng)計結(jié)果，劃分區(qū)域內(nèi)的斷裂構(gòu)造。航磁數(shù)據(jù)劃分的主要標志為：①不同磁場特征的分界線位置；②線性的異常梯度帶和異常線性過渡帶；③串珠狀或帶狀異常帶；④切割或截斷其他異常的帶狀異常；⑤異常等值線疏密變異及寬度突變帶；⑥異常等值線的規(guī)則扭曲帶。根據(jù)這些標志特征，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料以及磁異常延伸特點，可對斷裂構(gòu)造進行細分。另外，航磁測量可圈定火山巖和侵入巖體，查明侵入體的深部形態(tài)，劃分巖性界線等。中國已經(jīng)建立航磁數(shù)據(jù)庫，很多地方已經(jīng)覆蓋了大比例航磁數(shù)據(jù)成果。由此可見，在鐵路勘察中充分利用航磁資料，可提高勘探效率，為鐵路前期選線提供更充足的地質(zhì)依據(jù)[5-7]。

3.2 水下障礙物探測

水下障礙物一般為沉船等鐵磁性物體[8]，產(chǎn)生的磁異常較強。另外，水上相比陸地磁性干擾相對較少。因此，應用磁法來尋找水下障礙物可以獲得明顯效果。水上磁法必須借助船只作為工作平臺。為減少磁干擾，船體應為木結(jié)構(gòu)，但船上仍有鐵釘?shù)却判晕?。因此，探測時應使磁探頭盡量遠離船只(如使用竹竿挑離船體)，以減少磁干擾。對于施工過程中的過往船只，應記錄會船的時間，以識別水面行船產(chǎn)生的干擾磁異常。水上磁測必須采用導航設備進行實時定位，對同一測線應進行多次重復觀測，以確保磁測數(shù)據(jù)的準確性。圖1為長江某處挖泥船丟失的吸泥鈀子及連接鐵管的磁測成果，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，發(fā)現(xiàn)有三處磁異常。根據(jù)對所發(fā)現(xiàn)的三個磁異常的磁場強度、分布形態(tài)、范圍及丟失的設備規(guī)模等綜合分析，認定M1異常為所丟失物件產(chǎn)生的磁異常。打撈結(jié)果證實了磁測資料的推測。

圖1 長江某處丟失的吸泥鈀子及連接的輸送鐵管的磁異場ΔT等值線

3.3 樁基樁底埋深探測

在軌道交通建設過程中，經(jīng)常會遇到已有建(構(gòu))筑物的樁基阻礙隧洞掘進情形的發(fā)生。為了保證隧道盾構(gòu)施工安全，必須精確測量出這類樁基樁底的埋深。經(jīng)統(tǒng)計，這類樁基大多是直立鋼板樁、鉆孔灌注樁等。由于城市電磁干擾大，探測精度要求高(例如H型鋼板樁的鋼板厚度僅20 mm和10 mm，且探測精度應在30 cm以內(nèi))，采用井中磁梯度或井中磁三分量測試能有效解決這類問題。

在被測體有露頭的情況下，可在被探測物體側(cè)面0.5～1.0 m處鉆孔。以井中磁梯度測試為主，輔以井中磁三分量測試，互相映證，可以精確地探測到這類樁基樁底的深度。為探測上海軌道交通某地H型鋼板樁樁底埋深，進行了磁法測孔工作。圖2為該孔磁梯度測試結(jié)果，從圖2中可以看出，從12.2 m處開始磁場梯度快速衰減，至13.0 m處基本恢復到正常場，按照梯度負異常峰值可以推斷，距該測孔最近鋼板樁的底部距孔口為12.2 m。井中三分量磁測結(jié)果也驗證了這一結(jié)論。該鋼板樁被拔除后，確認其測量誤差小于0.3 m。

圖2 上海軌道交通某處H型鋼板樁樁底埋深磁梯度測試曲線

3.4 地下深埋管線探測

在城市軌道交通施工之前，最重要的勘探工作就是進行管線排查。管線探測的物探方法很多，例如電磁感應法、地震映像法、地質(zhì)雷達法、高密度電法等。對于淺埋管線，很多方法都能解決，但是對于深埋管線，大部分物探方法都無能為力，而磁法是探測深埋管線的有效物探方法之一。

金屬管道、通電后的光纜電纜等，其周圍空間會產(chǎn)生磁異常，給磁法探測提供了非常好的地球物理前提。在干擾較小時，可以通過觀測其磁異常ΔT(或ΔZ)場的變化來探測；而在電磁干擾復雜的情況下，可以采用井中磁梯度測量，來判定異常體的平面位置及埋深。以長沙某地深埋供水管線的磁異常ΔT剖面探測為例，通過現(xiàn)場踏勘大致判定管線方向，布置4條剖面，由圖3可見管線產(chǎn)生的磁異常非常明顯，準確揭示了管線的平面位置。通過反演解釋，推斷管線埋深在6 m左右，與設計資料相符。

圖3 長沙某地深埋管線探測磁異常ΔT等值線(單位：m)

3.5 地下金屬遺棄物探測

鐵路站房開挖施工過程中，時常會遇到戰(zhàn)爭年代遺留下來的炮彈等爆炸物的威脅，給施工帶來很大的麻煩，同時也對施工人員的生命財產(chǎn)構(gòu)成極大的安全隱患。這些爆炸物的特點是埋設時間較長、沒有記錄、分布無規(guī)律性、障礙物的截面尺寸較小等。由于物探方法自身的適用性和局限性，大多數(shù)物探方法很難解決上述問題。目前，國內(nèi)外廣泛應用磁法、電磁法、地質(zhì)雷達和微重力法等探測金屬殼爆炸物，而在這些方法中磁法最為有效。

炮彈具有很強的磁性，其磁性以剩余磁化強度為主。由于炮彈的磁性特點和散布方位的不同，在其上方可能產(chǎn)生正異常，也可能產(chǎn)生負異常，也可能產(chǎn)生正負伴生的磁異常，給磁法探測提供了很好的地球物理前提。假如炮彈截面為10 cm×10 cm的正方形，長度為0.5 m，其磁化率設為2SI(k)，埋深為2 m左右。對這樣一個炮彈模型進行正演模擬，得出的磁異常曲線剖面如圖4所示，產(chǎn)生異常強度最大值為9.1nT(磁法儀一般絕對精度能達到0.2nT，足夠分辨出炮彈產(chǎn)生的磁異常)。多個文獻介紹了用磁法探測炮彈的工程實例，證明了磁法探測地下金屬遺棄物的有效性[9，10]。

圖4 對10 cm×10 cm橫截面炮彈的磁異常正演模擬曲線

4 結(jié)論

(1)上述鐵路勘察實例證明，磁測技術(shù)在查找地質(zhì)構(gòu)造、探測水下障礙物、探測樁基樁底埋深、探測深埋管線、探測地下金屬遺棄物等方面有較好的勘探效果。另外，磁法技術(shù)與其他物探方法結(jié)合，還可應用在防空洞勘察[11]、圈定垃圾填埋場的堆積范圍[12]、滑坡檢測等方面。

(2)磁法勘探有輕便易用、效率高、成本低、不受地域限制等優(yōu)點，在鐵路勘察中充分利用磁法勘探技術(shù)，有利于提高地質(zhì)勘察效率，為鐵路設計和施工提供更精準的地質(zhì)依據(jù)。

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