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

摘 要：城市更新过程中，面临原有建筑用地重新开发利用的问题，若未能及时对地下掩埋障碍物及污染物进行探测，则在后续开挖过程中易导致施工的安全性问题。采用电磁三维成像探测技术探测天津某待建更新地块地下障碍物和地下污染物，结合工程实例实现了地下介质电导率平面图像，针对异常位置进行开挖验证。该方法能够无损、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。

关键词：电磁三维成像；工程物探；障碍物探测；污染物探测

Application of electromagnetic 3D imaging detection technology in urban construction

WU Yuhao， LIANG Siwei， CUI Yatong， LI Jinwei

（TianJin Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Tianjin 300191， China）

Abstract： Redevelopment and utilization of existing building land is an integral part in urban renewal. If underground obstacles and pollutants are not detected in a timely manner， it can cause safety issues in the subsequent excavation process. This paper used electromagnetic three-dimensional imaging detection technology to detect underground obstacles and pollutants in a newly constructed land parcel in Tianjin. By combining engineering examples， a planar image of underground medium conductivity was achieved， and excavation verification was carried out for abnormal locations. This method efficiently and accurately delineates the three-dimensional position of underground obstacles and the diffusion of pollutants in a non-destructive way.

Keywords： electromagnetic three-dimensional imaging; engineering geophysical prospecting; obstacle detection; pollutant detection

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）。高密度電阻率法和地质雷达每次探测范围有限、工作效率低（叶基瑶等，2008；张家声等，2023）；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。

Fig. 1 Schematic Diagram of Electromagnetic 3D Imaging Method

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；i=√（-1）；ω为角频率，ω=2  π  f；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CMD-Explorer，全深度模式可同时探测3层深度，分别为2.2 m、4.2 m、6.7 m，半深度模式时探测深度分别为1.1 m、2.1 m、3.3 m。本次探测采用全深度模式，采样频率1 s，点距1 m×1 m。

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2-a和图2-b可以看出，0～2 m深度和0～4 m深度的土层电导率值为60～95 mS·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35～60 mS·m-1，为苯污染重污染区域。从图2-c中可以看出，0～6 m深度的土层电导率为80～105 mS·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0～2 m 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。

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0～4 m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50～80 mS·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30～50 mS·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。

根據电磁三维成像结果，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。

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。

参考文献

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李金伟，蔡克俭，崔亚彤，吴宇豪，张春晓，谭永华，2022. 大地电导率平面成像与地质雷达在地下障碍物探测中的应用［J］. 勘察科学技术（2）：54-58+64.

刘文辉，乔翠平，索奎，王博林，赵烨，2022. 综合物探方法在锌污染场地探测中的应用［J］. 华北水利水电大学学报（自然科学版），43（2）：77-83.

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张家声，张广德，王恒祎，袁振兴，刘永东，2023.新型四维遥测高密度极化率仪在物探中的应用研究［J］.城市地质，18（1）：97-103.

WARD S H，1971. Electromagnetic theory for geophysical applications［J］. Mining Geophysics. Tulsa： Soc. of Exploration Geophysicists.

收稿日期：2022-12-11；修回日期：2023-03-14

第一作者简介：吴宇豪（1991- ），男，硕士，工程师，主要从事工程地球物理理论及应用研究。E-mail：wuyuhao_geo@163.com

引用格式：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）：96-99