FCTEM60-1型瞬变电磁仪在隧道仰拱钢筋施作情况检测中的应用*

季洪伟，刘秋卓，袁 超，李 科

招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067

仰拱是公路隧道的重要组成部分，也是隧道整体结构的基础，可用于改善隧道上部支护结构的受力条件，通常设置在隧道底部的反向拱形结构中。隧道仰拱是隧道结构的主要组成部分，它可以将隧道上部的地层压力通过隧道的边墙结构或者路面上的荷载有效传递到地下，同时还能有效抵抗隧道下部地层传来的反向压力。隧道仰拱与二次衬砌所构成的隧道整体，增加了隧道结构的稳定性。但在实际的工程建设中，技术人员往往由于对仰拱的认知和重视程度不足，对隧址区的地质条件不够了解，造成隧道仰拱结构存在各类型缺陷，导致隧道出现结构失稳、路面沉陷或隆起、开裂、翻浆冒泥等多种病害，因此对隧道仰拱进行无损检测工作格外重要，可以帮助建设单位控制仰拱施工质量，保障隧道运营安全，节约因病害处治工作产生的养护成本。

目前工程上通常采用地质雷达方法对隧道仰拱进行检测。大量事实证明，地质雷达的检测效果往往受现场情况及仰拱自身设计参数的影响较大，并且由于地质雷达采用电磁波原理的技术特性，虽然有不同频率的天线可供选择，但其探测深度与分辨率互相制约，高分辨率的电磁波在仰拱浅部损耗严重，而低频电磁波虽然穿透深度大，但分辨率不高。这就造成了检测人员在使用雷达进行仰拱质量检测时，当遇到仰拱深度较深，或者浅部回填层部分虚渣较多的情况时，感应电磁波在浅部的损耗过大，无法正确判断仰拱结构中钢筋的施作情况，也无法达到仰拱质量无损检测的根本目的。

文章以隧道仰拱结构中的钢筋施作情况检测为研究背景，采用瞬变电磁法对隧道仰拱结构中的钢筋施作情况进行检测，以此弥补既有检测方法中的不足，提高仰拱质量检测工作的可靠性。

1 瞬变电磁法

1.1 基本原理

瞬变电磁法（TEM）属于时间域人工源电磁方法，是以大地中岩（矿）石的导电性和导磁性为物性前提，根据电磁感应原理观测、研究电磁场空间和时间分布规律，以寻找地下良导矿体或解决相关地质问题的一种勘察方法。该方法以不接地回线或接地长导线供以双极性脉冲电流产生激发电磁场，激发电磁场随时间产生的电场强度如图1所示。在该电磁场的激励下，导电地质体受感应而产生涡旋电流。由于导电地质体是非线性的，脉冲电流从峰值跃变到零，一次磁场立即消失，而涡流并不立即消失，有一个瞬变过程，这个过程的快慢与导体的电性参数有关。地质体的导电性越好，涡流的热耗损越小，瞬变过程则越长。这种涡流瞬变过程，在空间形成相应的瞬变磁场如图2所示，脉冲电流关断期间在地面观测瞬变磁场及观测二次磁场可发现地下异常地质体的存在，从而确定地下导体的电性结构和空间分布形态。一次电场产生涡流并形成瞬变电磁场过程示意图如图3所示。

图1 激发电磁场随时间产生的电场强度

图2 接受线圈观测到的二次感应磁场

图3 一次电场产生涡流并形成瞬变电磁场过程示意图

1.2 传统方法存在的技术缺陷

根据瞬变电磁法的理论依据，该方法原理上可以实现近地表的勘探工作，但是目前国内外的仪器主要针对矿产勘探，均存在一定的关断时间，存在浅层勘探盲区。由于发射电路的关断时间通常会有几十微秒到几百微秒，造成接收装置所测量的瞬变电磁信号在相当长的一段时间内会受到其发射电流的影响，从而使结果产生畸变，不能用于解释。因此，实际探测工作中，检测人员会舍弃这段畸变的早期信号，只记录彻底关断之后的晚期信号，这就限制了浅层探测能力，使得探测存在盲区。

1.3 瞬变电磁方法新技术的介绍

该研究采用的是重庆大学研究开发的FCTEM60-1型瞬变电磁仪，该仪器在系统操作性能、高速关断技术、高动态信号采集、GPS同步控制、有源磁探头设计等方面都有着显著的技术优势。特别是该仪器的恒压钳位高速关断技术，该技术的发射电路框如图4所示，发射电路的组成部分包括全桥电路、钳位电路、直流稳压电源。在脉冲电流输出时，全桥电路进行正向供电，同时停止钳位电路的工作，负载电压等于供电电源的电压；而在停止供电时，钳位电路发挥其作用，使负载电压等于钳位电压源的电压，此时负载电流线性下降。在此次试验中，采用的发射电流为60A，发射线圈直径为45cm，发射线圈匝数为24匝，关断延时为70μs。

图4 恒压钳位发射电路框图

2 隧道仰拱质量检测工程现场试验

2.1 工程现场试验情况概述

该工程位于重庆市区，在某隧道的洞口进入段和隧道内部分别选取42m和32m进行测量，按照点测的方式，每隔2m进行一次测量，对比隧道入口和内部地下仰拱钢筋的分布情况。

第一次试验测线1的俯视图如图5所示，试验仪器在洞外检测测线长度为16m，在洞内检测测线长度为26m。之所以此次试验要在洞外与洞内各检测一段，是因为瞬变电磁方法存在全空间和半空间两种不同的情况，在全空间中，因为隧道路面上方同样属于隧道的结构物，所以需要了解上方结构物对试验检测过程的影响，从而判定试验结果。试验现场测线1起始处现场图如图6所示。

图5 测线1俯视图

图6 测线1起始处现场图

测线2的俯视图如图7所示，测线经过了有仰拱的段落16m，无仰拱的段落14m，图中阴影区域位置为地面少量积水区域，测线2经过的降尘雾炮机现场位置图如图8所示。

图7 测线2俯视图

图8 测线2经过的降尘雾炮机现场位置图

2.2 工程现场试验结果

试验中，测线1长度为42m，沿测线方向每隔2m为一个测点，共测得22个点。测线2长度为30m，沿测线方向每隔2m为一个测点，共测得16个点。测线1成像图如图9所示。

图9 测线1成像图

由于测线1前半段（测点1～8）分布在隧道洞口前方的桥上，其底部为轨道交通高架桥且深度较浅，表现为局部低阻。后半段（测点9～22）为隧道进入段且底部无钢筋，表现为高阻，表层视电阻率在2000Ω·m以上。

测线2成像图如图10所示，由图10可知，前半段（测点1～9）在隧道正洞内测量，底部有钢筋，且有仰拱。后半段（测点10～16）也在隧道内测量，没有仰拱，但路面铺设有钢板，且后半段测量过程中有一降尘雾炮机一直处于工作状态，导致空气中有大量水雾，且地表含水丰富，对测量的影响较大，因此其视电阻率相对于前半段较低。从综合测线1后半段（底部无钢筋）和测线2前半段（底部有钢筋）来看，测线2前半段的表层视电阻率在1600Ω·m左右，相对于测线1后半段的2100Ω·m仍然较小。

图10 测线2成像图

2.3 试验结论

通过试验研究发现，在地下有低阻体与无低阻体两种情况下，视电阻率会表现出较大差别，且可实行浅部信息的分辨，符合隧道仰拱探测的技术要求。对于地下视电阻率较为均匀的地段，可推测地下钢筋分布也较为连续，但对于地下钢筋分布不均的情况，成像结果如何有待进一步验证。试验中隧道附近的风机房、值班室等结构物的存在对试验的结果几乎没有影响，可见该方法对于隧道内的检测环境具有一定的适应性，但对于过多干扰物的存在，其抗干扰能力还有待验证。通常运营隧道的环境中干扰物较少，因此该试验中的仰拱结构钢筋检测法具有一定的可行性。

3 结束语

由于瞬变电磁法探测的是导体内涡流场的过渡过程，观测是在脉冲间歇期间进行的，不存在一次场源的干扰，同时通过开发者自主研发的弱感应线圈技术，可在一定程度上消除线框自感互感效应，使观测参数几乎为纯二次场，是包括地质雷达法在内的各类型电磁勘探方法中唯一可采用同点装置的方法，探测目标耦合最紧，获得的响应最强，磁性源激发，不受接地条件限制。该方法非常适合在运营隧道中的混凝土沥青路面或水泥路面的无损勘探工作中应用，且其非接触式的勘探特点非常符合现代公路工程无损快速检测技术的发展趋势，具有一定的前沿性。

该研究中基于FCTEM60-1型瞬变电磁仪的恒压钳位高速关断技术的成功应用，成功解决了传统瞬变电磁方法中地下浅部盲区的问题，验证了瞬变电磁法在公路工程检测工作中的适用性，利用其早期信号的解读可充分分析浅层位置的视电阻率差异，且不会存在雷达探测时因电磁波频率的不同，造成的探测精度与探测深度成反比的情况。综上所述，该瞬变电磁仪不仅可以对公路隧道仰拱钢筋施作情况进行检测，还能够在公路工程无损检测工作中发挥出更大的发展潜力，帮助解决更多的公路工程质量检测问题。