瞬变电磁法在平顶山—鲁山大佛景区观光铁路勘察中的应用

田占峰, 李耐宾

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308)

工程勘察是安全施工的基础，也是确保工程运行安全和提高工程服务寿命的前提。为分析平顶山—鲁山大佛景区观光铁路沿线工程地质条件，本文以瞬变电磁法为基础进行了沿线工程地质条件研究，主要目的是查明沿途两个萤石矿采空区的分布规律，为进一步确定治理方案提供详细、可靠的基础资料[1]。针对物探环境及探测深度要求，合理选择物探方法，消减环境干扰，改善耦合条件，准确排除及判释异常是准确寻找采空区的关键[2]。瞬变电磁法是一种成熟的物探方法，在实际应用中取得了良好的探查效果[3]，能满足平顶山—鲁山大佛景区观光铁路工程的勘察需求。

1 工程概况

平顶山—鲁山大佛景区观光铁路线路全长约62.26 km，勘察范围主要位于CK48+580～CK52+100段，其中CK48+580～CK49+080穿越赵村乡鑫钰萤石矿，CK50+830～CK51+800穿越土峰沟萤石矿。两处均为采矿权项目，目前上述两矿区均已关闭废弃。其中，赵村乡鑫钰萤石矿，线路于CK48+580～CK49+080段以路基形式穿越其矿权范围，根据已收集矿区分布图，本矿矿脉位于线路右侧60～70 m处，线路未穿越矿脉，该萤石矿开采采用竖井、横洞及斜井方式；土峰沟萤石矿，线路于CK50+830～CK51+800段以隧道形式分别正穿、斜穿(夹角约30°)该矿两条矿脉，该萤石矿主要采用竖井、横洞及斜井方式开采。为查明平顶山—鲁山大佛景区观光铁路鑫钰萤石矿CK48+950～CK49+300段和土峰沟萤石矿第四矿段CK51+600～CK52+100段采空区的平面位置、埋深、延伸等空间分布情况，本文结合瞬变电磁法进行了研究，可为铁路施工提供基础资料。

2 研究区基本概况

2.1 地形地貌

线路位于华北平原西南缘，所经区域总体地势西高东低，南北为低山丘陵，中部为河岸平原，拟建线路主要穿越山前倾斜平原区及伏牛山中低山丘陵区2个地貌单元。CK00+000～CK08+800段属山前倾斜平原区(高阶地垄岗区)，线路跨越南水北调及既有焦柳铁路；CK08+800～CK18+400段线路穿越丘陵区(傅岭、鲁山坡一带)，位于郑尧高速公路北侧，基本沿其走行；CK18+400～CK30+800线路主要跨越沙河及其支流幔滩及阶地区；CK30+800～CK62+110.061(终点)线路主要穿行于伏牛山东段中低山及山间谷地区，局部地段跨越沙河及其支流阶地区。研究区位于伏牛山东段低山丘陵区，该地区自然坡度25°～50°，植被发育，地面高程130～750 m，相对高差50～500 m，地形起伏，山岳连绵不断，植被茂密，地势起伏较大，工程地质条件较复杂。

2.2 地质特征

CK00+000～CK08+800段高阶地垄岗区地层以第四系中-上更新统(Q2-3)黏土、粉质黏土为主，局部下伏寒武系 (∈) 灰岩、泥灰岩及泥质粉砂岩等；CK09+200～CK18+400段丘陵区以郎店—鲁山坡断层为界(CK12+500左右)，主要出露元古界及寒武系地层。元古界地层主要为震旦系暗紫红色、灰绿色含砾粉砂质页岩，夹石英砂岩、粉砂岩以及中元古界汝阳群云梦山组(Pt2y)含砾石英砂岩及紫红色安山岩等。寒武系地层主要为馒头组(∈1m)灰色中厚层、薄层灰岩、泥质粉砂岩夹钙质泥岩等；CK18+400～CK30+800沙河及其支流河床及河漫滩上部为灰色砂砾石层及含砾砂土层，受人工采砂影响，砂层多被采空，松散状卵砾石层堆积于河床及幔滩区之上；Ⅰ级阶地上部为第四系全新统冲洪积(Q4al+pl)黏土及砂土，下部为砂砾石层；沙河两岸山前平原Ⅱ级阶地上以第四系中、上更新统(Q2-3)褐红色黏土为主。

CK30+800～CK62+262.08(终点)段地层主要为燕山期中粗粒黑云母二长花岗岩，局部地段少量出露有中元古界熊耳群马家河组(Pt2m)黑云斜长片岩、绿泥片岩等，局部为绿色安山岩夹紫红色泥质粉砂岩。拟建区域不良地质及特殊岩土主要有矿区采空区、危岩落石及堆积体等。

2.3 地球物理特征

采空区的电阻率与围岩存在明显的差异，这是采用电磁类方法的前提[3]。根据矿区现有资料和现场踏勘，采空区埋深基本在50～120 m范围内，地下水位高程为210 m左右，推断采空区内充满积水，呈低阻特征。研究区内基岩主要为花岗岩，结合现场实测，较完整花岗岩的电阻率值在1 000 Ω·m以上，采空区的电阻率值在0～720 Ω·m之间。

3 测线布设及仪器设备特征

3.1 测线布设及数据处理

本次瞬变电磁探测区域为山体段落，根据萤石矿采空区既有调查资料和探测现场具体环境条件，沿线位中线或平行线位布设测线(表1)，测点间距10 m。采用HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统配套处理软件进行处理，反演方法为瞬态弛豫反演法，约束系数为0.6，光滑系数为0.05，初始地表电阻率值为100 Ω·m。

表1 萤石矿采空区瞬变电磁测线布设统计表

3.2 仪器设备

本次瞬变电磁探测设备采用国产HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统，主要包括测试主机、控制电脑及发射、接收一体化天线。

HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统是以等值反磁通法为基本原理，采用统一标准垂直发射磁源、高灵敏磁感应接收传感器、高速24位采集卡以及高密度测量等技术实现浅层高精度瞬变电磁勘探，综合性能处于国际领先地位[4]。该系统发送机采用高度集成的电路结构和高速的开关器件，实现大梯度线性关断，保证了每次关断的一致性，形成稳定的一次磁场和涡流，同时，大梯度线性关断有效缩短了关断时间，减少了浅层数据的失真。接收机采用程控分段放大，提高了系统的动态范围，24bit、625KSPS的采样率保证了数据精度和信号带宽；传感器采用超低噪声放大器，降低了系统噪声，整个信号通路采用全差分结构，能有效压制各种外界环境干扰[5]。HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统的主要性能指标为：①天线类型为收发一体化等值反磁通天线，具备零互感特性；②发送等效面积为200 m × 200 m；③接收等效面积大于200 m2；④谐振频率大于200 kHz；过渡过程时间为0 μs；工作温度介于-40～+70 ℃之间；⑤主机的发送波形为占空比50%的双极性方波，发送电压为12 V，发送电流为10 A，发送频率为0.1～250 Hz，关断时间为0.5 μs@阻性负载，接收分辨率为24位，接收采样率为625 kHz，时间道采用最大1 250时间道。

3.3 数据采集

本次数据采集主要参数指标为：发送频率为6.25 Hz，发送电流为7.0～15.0 A，关断时间为50 μs，接收频率为625 000 Hz，叠加次数为400次，重复采样2次，采用定点测量方式。HPTEM-18系统通过Wi-Fi无线连接主机与平板电脑实现数据采集显示控制，可实时查看二次场衰减曲线。如发现曲线震荡畸变情况，立即进行场地环境及设备检查，排除干扰因素，保证数据采集质量。现场采集时尽量避免强电磁干扰源如大型金属物体，保持天线水平并与地表耦合紧密。

4 应用成果解译

4.1 成果分析形式

结合区域水文地质资料和矿区既有资料等，对采空区的判定原则为：在视电阻率剖面中相对于围岩而言，以较大片状、带状较低阻异常闭合区(横、竖向梯度变化较大)存在时，推断为采空区。图1为TMP-xy-04测线成果图，以该测线为例，图中蓝色低阻异常区推断为采空区，标识为XCK-06。

图1 TMP-xy-04测线成果图

4.2 推断解译成果

4.2.1 鑫钰萤石矿区

由表1可知，在鑫钰萤石矿区范围内共布设了4条瞬变电磁测线，根据上文成果分析原则分别对4条测线沿途的采空区进行了推断解译。根据视电阻率剖面特征，沿线地层层状特征较为明显，结合地勘资料，地表以下140 m深度范围可分为3层。其中，第1层为第四系覆盖层，ρs=0～520 Ω·m；第2层为风化基岩，ρs=520～1 000 Ω·m；第3层为较完整基岩，ρs>1 000 Ω·m。依据物探分析解释原则，对明显片状及条带状闭合低阻异常区推断解释为采空区。TMP-xy-01测线共解译出采空区2处，按里程由小到大依次标识为XCK-01和XCK-02，两处采空区的视电阻率值均为0～400 Ω·m，其发育位置中心里程分别为CK49+188.0 m和CK49+212.0 m，发育中心埋深分别为54.2 m和79.7 m；TMP-xy-02测线共解译出采空区1处，标识为XCK-03，其视电阻率值为0～400 Ω·m，其发育位置中心桩号为245.0 m，发育中心埋深为89.8 m；TMP-xy-03测线共解译出采空区2处，按桩号由小到大依次标识为XCK-04和XCK-05，其视电阻率值分别为0～400 Ω·m和480～720 Ω·m，其发育位置中心桩号分别为34.0 m和60 m，发育中心埋深分别为58.9 m和75.7 m；TMP-xy-04测线共解译出采空区1处，标识为XCK-06，视电阻率值为0～400 Ω·m，其发育位置中心桩号为98.0 m，发育中心埋深为71.6 m。

4.2.2 土峰沟萤石矿区

由表1可知，在土峰沟萤石矿区内共布设4条测线，解译成果表明：TMP-tf-01测线共解译出采空区2处，按桩号由小到大依次标识为TCK-01、TCK-02，其视电阻率值分别为0～400 Ω·m和440～640 Ω·m，其发育位置中心桩号分别为122.0 m和214.0 m，发育中心埋深分别为71.1 m和81.9 m；TMP-tf-02测线共解译出采空区2处，按桩号由小到大依次标识为TCK-03、TCK-04，其视电阻率值分别为560～720 Ω·m和0～400 Ω·m，其发育位置中心里程分别为CK51+776.0 m和CK51+959.0 m，发育中心埋深分别为77.2 m和70.5 m；TMP-tf-03测线共解译出采空区4处，按桩号由小到大依次标识为TCK-05、TCK-06、TCK-07、TCK-08，其中TCK-05、TCK-06、TCK-08视电阻率值均为0～400 Ω·m，TCK-07视电阻率值为320～520 Ω·m，其发育位置中心桩号分别为99.0、131.0、196.0和219.0 m，发育中心埋深分别为103.4、104.9、79.5和83.2 m；TMP-tf-04测线无明显采空区异常。

5 结论及建议

综上所述，本次在铁路线位途径萤石矿采空区附近进行了瞬变电磁法探测工作，在鑫钰萤石矿CK48+950～CK49+300段共推断6处采空区异常，在土峰沟萤石矿第四矿段CK51+600～CK52+100段共推断8处采空区异常，采空区中心埋深大部分在60～90 m之间。但是由于地面物探工作会受到场地环境与复杂介质的影响，因此存在一定的多解性和测试误差。同时，该地区萤石矿开采秩序较为混乱，开采时间久远，且埋深大，隐伏性强，非法无序的乱采滥挖导致地下采空区空间分布特征规律性差，建议对推断的采空区进行钻探验证，根据验证情况，综合分析解译物探资料，从而为铁路设计提供了更详实的基础地质资料。