物探磁法在铁路勘察中的应用

2018-03-02

铁道勘察 2018年1期

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

物探方法可分为重力法、磁法、电法、震法四大类，每类方法的使用都有其特定的地球物理勘探前提。磁法作为地球物理勘探的一类方法，在矿产资源勘查中的发展已经相当成熟，应用广泛，但在铁路地质勘察中应用相对较少。究其原因，铁路勘察环境较为复杂，勘探环境中复杂的电磁干扰制约着磁法勘探的应用效果。

近年来，磁法仪器设备、方法技术不断更新，如梯度测量、张量测量等可高分辨率地突出地表及近地表磁性体的异常，扩展了磁法在铁路勘察领域的应用。研究发现，通过合理选择磁测方法及仪器设备，结合现场实际情况，采取有效措施压制干扰场，采用适当的数据处理方法突出磁异常，磁法也能有效地应用于铁路地质勘察工作中，甚至能够解决其他物探方法难以解决的勘探难题，为铁路设计和施工提供更精准的科学依据。

1 磁法勘探工作原理

磁法勘探是通过观测和分析岩石、矿石或其它探测对象磁性差异所引起的磁异常，进而研究其地质构造或分布规律的一种地球物理方法[1]。

地球可以看做是一个位于地球中心并与地球自转轴斜交的磁偶极子，S极位于地理北极附近，N极位于地理南极附近，磁轴与地球自转轴的夹角约为11.5°。对于某一工程而言，研究的只是局部小范围内的磁场，可以近似地把地磁场看作均匀分布。地下介质主要分为抗磁性物质、顺磁性物质及铁磁性物质。抗磁性物质磁化率很小，可以认为没有磁性，而顺磁性物质、铁磁性物质磁化率要大得多。从岩性来说，沉积岩磁性较弱，火成岩磁性较强，而变质岩的磁性与其原来的基质有关。另外，地下介质的磁性还与其所含矿物成分有关，铁磁性矿物含量越多，岩石的磁性越强。这种介质与周围介质之间的磁性差异称为磁异常。各种物体的磁性不同，所产生的磁异常强度也不同；物体空间分布如埋深、大小、形状等不同，也会使其在空间磁场的分布特征有差异。通过高精度的磁测仪器记录研究区域内磁场分布情况，经过数据处理，可以推断出地下各种磁性体的形状、位置等地质信息。

2 磁测方法的选择

每一类物探方法都有一定的地球物理勘探前提，当测区周围电磁干扰较强时，很难得到有效的磁测数据。因此，在外业工作开始前，应对现场进行踏勘，根据现场条件、地层差异及干扰情况，选择合理的磁测方法及仪器设备。选择磁测方法及仪器设备的原则是避开强干扰场，压制较弱干扰场，突出被探测物体的磁异常。

①对电磁干扰较小的测区，应选择测试总强度ΔT或其垂直分量Za探测。

②对电磁干扰较大的测区，应选择磁梯度法探测。

③水上磁测应选择测试总强度ΔT并使磁探头尽量远离船体，减弱船体对磁场的干扰。

④在被测体有露头的情况下，可以在被探测物体侧面0.5～1.0 m处钻孔，采用井中磁梯度或井中磁三分量测试方法[2]。

3 在铁路勘察中的应用

3.1 查找地质构造

为提高勘探效率，一般选择航磁测量。航磁测量是将航空磁力仪及其配套的辅助设备装载在飞行器上，在测区上空按照预先设定的测线和高度对地磁场强度或梯度进行测量的地球物理方法。其测量效率高且不受地形的限制。由于飞行是在距地表一定的高度进行，从而减弱了地表磁性不均匀体的影响，能够更加清楚地反映出深部地质体的磁场特征[3，4]。

根据航磁数据并结合区域内岩矿石磁性资料统计结果，划分区域内的断裂构造。航磁数据划分的主要标志为：①不同磁场特征的分界线位置；②线性的异常梯度带和异常线性过渡带；③串珠状或带状异常带；④切割或截断其他异常的带状异常；⑤异常等值线疏密变异及宽度突变带；⑥异常等值线的规则扭曲带。根据这些标志特征，结合区域地质资料以及磁异常延伸特点，可对断裂构造进行细分。另外，航磁测量可圈定火山岩和侵入岩体，查明侵入体的深部形态，划分岩性界线等。中国已经建立航磁数据库，很多地方已经覆盖了大比例航磁数据成果。由此可见，在铁路勘察中充分利用航磁资料，可提高勘探效率，为铁路前期选线提供更充足的地质依据[5-7]。

3.2 水下障碍物探测

水下障碍物一般为沉船等铁磁性物体[8]，产生的磁异常较强。另外，水上相比陆地磁性干扰相对较少。因此，应用磁法来寻找水下障碍物可以获得明显效果。水上磁法必须借助船只作为工作平台。为减少磁干扰，船体应为木结构，但船上仍有铁钉等磁性物。因此，探测时应使磁探头尽量远离船只(如使用竹竿挑离船体)，以减少磁干扰。对于施工过程中的过往船只，应记录会船的时间，以识别水面行船产生的干扰磁异常。水上磁测必须采用导航设备进行实时定位，对同一测线应进行多次重复观测，以确保磁测数据的准确性。图1为长江某处挖泥船丢失的吸泥钯子及连接铁管的磁测成果，经过数据处理后，发现有三处磁异常。根据对所发现的三个磁异常的磁场强度、分布形态、范围及丢失的设备规模等综合分析，认定M1异常为所丢失物件产生的磁异常。打捞结果证实了磁测资料的推测。

图1 长江某处丢失的吸泥钯子及连接的输送铁管的磁异场ΔT等值线

3.3 桩基桩底埋深探测

在轨道交通建设过程中，经常会遇到已有建(构)筑物的桩基阻碍隧洞掘进情形的发生。为了保证隧道盾构施工安全，必须精确测量出这类桩基桩底的埋深。经统计，这类桩基大多是直立钢板桩、钻孔灌注桩等。由于城市电磁干扰大，探测精度要求高(例如H型钢板桩的钢板厚度仅20 mm和10 mm，且探测精度应在30 cm以内)，采用井中磁梯度或井中磁三分量测试能有效解决这类问题。

在被测体有露头的情况下，可在被探测物体侧面0.5～1.0 m处钻孔。以井中磁梯度测试为主，辅以井中磁三分量测试，互相映证，可以精确地探测到这类桩基桩底的深度。为探测上海轨道交通某地H型钢板桩桩底埋深，进行了磁法测孔工作。图2为该孔磁梯度测试结果，从图2中可以看出，从12.2 m处开始磁场梯度快速衰减，至13.0 m处基本恢复到正常场，按照梯度负异常峰值可以推断，距该测孔最近钢板桩的底部距孔口为12.2 m。井中三分量磁测结果也验证了这一结论。该钢板桩被拔除后，确认其测量误差小于0.3 m。

图2 上海轨道交通某处H型钢板桩桩底埋深磁梯度测试曲线

3.4 地下深埋管线探测

在城市轨道交通施工之前，最重要的勘探工作就是进行管线排查。管线探测的物探方法很多，例如电磁感应法、地震映像法、地质雷达法、高密度电法等。对于浅埋管线，很多方法都能解决，但是对于深埋管线，大部分物探方法都无能为力，而磁法是探测深埋管线的有效物探方法之一。

金属管道、通电后的光缆电缆等，其周围空间会产生磁异常，给磁法探测提供了非常好的地球物理前提。在干扰较小时，可以通过观测其磁异常ΔT(或ΔZ)场的变化来探测；而在电磁干扰复杂的情况下，可以采用井中磁梯度测量，来判定异常体的平面位置及埋深。以长沙某地深埋供水管线的磁异常ΔT剖面探测为例，通过现场踏勘大致判定管线方向，布置4条剖面，由图3可见管线产生的磁异常非常明显，准确揭示了管线的平面位置。通过反演解释，推断管线埋深在6 m左右，与设计资料相符。

图3 长沙某地深埋管线探测磁异常ΔT等值线(单位：m)

3.5 地下金属遗弃物探测

铁路站房开挖施工过程中，时常会遇到战争年代遗留下来的炮弹等爆炸物的威胁，给施工带来很大的麻烦，同时也对施工人员的生命财产构成极大的安全隐患。这些爆炸物的特点是埋设时间较长、没有记录、分布无规律性、障碍物的截面尺寸较小等。由于物探方法自身的适用性和局限性，大多数物探方法很难解决上述问题。目前，国内外广泛应用磁法、电磁法、地质雷达和微重力法等探测金属壳爆炸物，而在这些方法中磁法最为有效。

炮弹具有很强的磁性，其磁性以剩余磁化强度为主。由于炮弹的磁性特点和散布方位的不同，在其上方可能产生正异常，也可能产生负异常，也可能产生正负伴生的磁异常，给磁法探测提供了很好的地球物理前提。假如炮弹截面为10 cm×10 cm的正方形，长度为0.5 m，其磁化率设为2SI(k)，埋深为2 m左右。对这样一个炮弹模型进行正演模拟，得出的磁异常曲线剖面如图4所示，产生异常强度最大值为9.1nT(磁法仪一般绝对精度能达到0.2nT，足够分辨出炮弹产生的磁异常)。多个文献介绍了用磁法探测炮弹的工程实例，证明了磁法探测地下金属遗弃物的有效性[9，10]。