一种高铁岩溶地质段综合参数精细化自动勘探系统及地质分级方法

本发明属于岩溶地质，具体是一种高铁岩溶地质段综合参数精细化自动勘探系统及地质分级方法。

背景技术：

1、岩溶地质区域广泛存在，全球岩溶区高速铁路里程众多，仅中国就占据了近四千公里，且规划待建的高速铁路里程还有三千多公里。这表明岩溶地质对高速铁路建设具有广泛的影响。岩溶灾害难以防控，岩溶具有多发性、随机性特征，岩溶灾害如塌陷、涌水突泥等难以预测和防控，给高速铁路建设带来巨大挑战。岩溶地区地质的精细化勘查关系到高铁路基的合理选型，以及可溶岩支护的合理投入。一旦支护方法不当，轻则影响工程进度，重则造成巨大人员伤亡。

2、瑞雷面波法是近些年发展起来的物探新技术，一般采用人工击打的方法产生瞬时冲击力，进而激发不同频率的瑞雷波。传统瑞雷波检测时使用40磅(或其他重量的)铁锤或其他类型的重锤(如落重、炸药等，但铁锤因其便携性和安全性而常用于浅层勘探)敲击地面，产生一个瞬间的冲击力。这个冲击力会激发出一系列不同频率的波，其中就包括瑞雷波。由于岩溶等地质现象往往伴随着复杂的岩性变化和介质特性差异，面波在这些区域其波速可能较低，形成低速体。然而，该方法对溶洞的埋深及规模大小的判断，容易受到可溶岩发育出低速带的影响，从而产生误差与误判。此外，如果岩溶是由与可溶岩波速差距不大的物质填充，或者在富水区进行勘探时，该方法可能无法准确判断这些类型的溶洞。传统方法检测时按照一定的间距将检波器插入到被检测物体表面，因此，勘探深度不能太深，而且对于较硬地层适应性较差。

3、传统电阻率法在野外测量时，需要将全部电极(通常为数十至上百根)手动放置于观测剖面的各测点上。这在一定程度上增加了野外工作的复杂性和耗时。同时，电极的接触质量也会影响测量结果的准确性。这些电极被插入地层中或特定介质中，以便进行电阻率的测量。传统上的电极基于用人力压入的形式，放置深度极其有限，对于岩溶地区难以使用。岩溶地区，由于地质条件复杂，局部地质体的突变(如岩石破碎带、断层等)可能会对高密度电阻法的探测结果产生较大影响，这可能导致探测结果中出现异常区域。

4、传统瑞雷波法以及电阻率法检测需要多人配合，工作强度大，其布设需要大量时间，而且无法做到自动检测，对于岩溶不良地质条件特别是可溶岩地区危险性大。更重要的是岩溶地区变异性大、检测数据具有多解性，基于浅层的检测误差很大。

5、传统的岩石区域地质的分级方法主要基于岩体完整程度和岩石强度等指标，将无限的岩体序列划分为具有不同稳定程度的有限个类别。这种方法是隧道工程、矿井工程、地下厂房、岩石矿山等工程施工中重要的基础性工作，对于选择施工方法、进行科学管理、评价经济效益、确定结构荷载、制定衬砌结构类型及尺寸、劳动定额、材料消耗标准等都具有重要意义。现有分级方法包括以岩石强度为基础的分级方法、以岩石的物性指标为基础的分级方法(如岩石坚固性系数分级法、泰沙基分级法等)、按弹性波速度的分级方法等。但现阶段没有针对岩溶地质的特殊性发展起来的分级方法。

技术实现思路

1、针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种高铁岩溶地质段综合参数精细化自动勘探系统以及岩溶地质分级方法。本发明采取的技术方案如下：

2、一种高铁岩溶地质段综合参数精细化自动勘探系统，带钻头电极，带钻头检波器，带钻头磁致激振系统，电极旋进系统，检波器旋进系统，行走轮，电源系统，通信系统；

3、所述带钻头磁致激振系统，用于旋进特定深度地层产生特定瑞雷波；

4、所述注液系统主要用于确保电极与地层的导电接触；

5、所述控制系统，主要用于控制电极的旋进、行走轮的定位、以及磁激振系统的可控激发。

6、所述多参数解译系统，主要通过电阻率法与波速法的联合自动化解读，从而实现精细化地勘探。

7、所述电源系统，主要用于为电阻率法提供大小可控的电信号，以及为旋进系统以及钻头的钻进提供动力，在缺乏通电条件的地区，为行走轮提供驱动力。

8、所述通信系统，主要用于勘查信号的远程传输。并用于控制电极与检波器的定位。

9、作为本发明再进一步的方案：所述控制单元适于控制所述多个电极的电位，激发可控制的瑞雷波。使得在特定时刻所述多个电极中两个相邻的电极被激励以提供具有相反极性的电位，或者多种瑞类波相互教验；

10、所述控制电路适于控制所述多个电极的电位，使得当所述多个电极中两个相邻的电极被激励时，其余的电极可具有浮置电位。

11、基于高铁岩溶地质段综合参数精细化自动勘探系统的岩溶地质分级方法，包括以下步骤：

12、s1、根据高铁岩溶地质段工程初步勘探钻孔信息，在完成场地初步平整后，将需要精细化勘查的钻孔，标记为探查孔；

13、s2、以探查孔为中心，定位行走轮，通过高铁岩溶地质段综合参数精细化自动勘探系统规划勘查区域。浅层通过自动钻孔布置磁致激振系统与检波器，深层则通过钻孔布置电极，并通过波速差异以及电阻率层析图像进行综合解译；

14、s3、通过控制系统，旋进带钻头电极，带钻头检波器，布置高密度电阻率法剖面以及高密度瑞雷波检测剖面，借助高密度电阻率法测试，获取地下50米范围内各剖面地下介质的视电阻率分布，形成物探剖面电阻率图像，基于高帝母瑞雷波监测剖面，形成物探剖面反射波图像；

15、s4、由于在物探剖面上，溶洞、溶蚀裂隙表现出与周岩溶岩体有明显的电性差异与反射波速差异，根据电性差异与波速差异，利用s1获取的钻孔信息和s2获取的波速差异以及电阻率层析图像，对s3的物探剖面进行解译，获取物探剖面上岩溶水平及纵向上岩溶发育范围、溶洞顶板埋深、溶洞底板埋深的基本信息，用于物探线岩溶率、物探面岩溶率、物探体岩溶率的计算；

16、s5、在s4的基础上，依据物探线岩溶率、物探面岩溶率、物探体岩溶率确定场地岩溶的发育程度，场地岩溶的发育程度分为强发育、中等发育和微发育，当物探线岩溶率、物探面岩溶率、物探体岩溶率中的任意一项满足相应发育程度的判断标准时，即可判定该场地岩溶的为相应的发育程度，其中强发育的判断标准为：物探线岩溶率>20％、物探面岩溶率>4％或物探体岩溶率>0.8％；中等发育的判断标准为：物探线岩溶率为5％～20％、物探面岩溶率为0.25％～4％或物探体岩溶率为0.0125％～0.8％；微发育的判断标准为：物探线岩溶率<5％、物探面岩溶率<0.25％或物探体岩溶率<0.0125％。

17、作为本发明再进一步的方案：基于一种高铁岩溶地质段综合参数精细化自动勘探系统的岩溶地质分级方法，所述s2中，综合地质信息包括地表岩溶发育地层及产状、地下水位、推出的岩溶发育主方向及场址区内各岩土体的一般视电阻率变化范围以及波速变化范围。

18、作为本发明再进一步的方案：基于一种高铁岩溶地质段综合参数精细化自动勘探系统的岩溶地质分级方法，所述s3中，高密度电阻率法以及高密度检波法剖面的布置方式为：首先沿岩溶发育主方向布设若干测线，岩溶发育主方向上，测线间距以实际工程区域大小，按照精度要求与工程的经济性等距布设测线；其次垂直于岩溶发育主方向上，测线的布置依据物探剖面解译后岩溶发育主方向上电阻率以及反射波异常区域进行加密布设；也可与岩溶发育主方向测线布置相同，采取等间距一次性布置。

19、作为本发明再进一步的方案：基于一种高铁岩溶地质段综合参数精细化自动勘探系统的岩溶地质分级方法，其特征在于，所述s5中的物探线岩溶率、物探面岩溶率、物探体岩溶率的确定方法如下：其中物探线岩溶率是通过测量物探剖面竖直方向岩溶异常段的长度之和与竖直方向物探总长之比得到；物探面岩溶率是通过计算物探剖面岩溶异常段的面积之和与物探剖面总面积之比得到；物探体岩溶率是通过计算物探剖面岩溶异常段体积之和与物探剖面可溶岩体积之比得到；

20、上述物探剖面岩溶异常段体积的确定，其方法为：通过对多个物探剖面进行解译，分别计算每个物探剖面中岩溶低阻异常段的面积，并获取岩溶边界特征点高程，然后结合多个物探剖面岩溶边界特征点，连面成体，通过空间插值计算连续的低阻异常段岩溶体积；

21、上述物探剖面可溶岩体积的确定，其方法为：利用两个物探剖面间的面积平均值乘以物探剖面间距，可获取两个物探剖面间的可溶岩体积，用同样的方法，获取其他剖面与剖面之间可溶岩的体积，通过累加，即可获得物探剖面可溶岩的体积。

22、作为本发明再进一步的方案：基于一种高铁岩溶地质段综合参数精细化自动勘探系统的岩溶地质分级方法，还包括以下步骤：

23、a、以岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水、主要结构面产状和岩溶发育程度六项因素之和的总评分tk为基本判据，岩溶岩强度应力比s为限定判据，对岩溶区域岩溶岩类别进行分级；其中：tk＝a+b+c+d+e+f；s＝rb/σm。

24、式中，a为岩石强度的评分，b为岩石完整程度的评分，c为结构面状态的评分，d为地下水的评分，e为主要结构面产状的评分，f为岩溶发育程度评分，f＝αk，k为岩溶发育等级；α为评分系数，根据岩体的等级确定；rb为岩体的饱和单轴抗压强度(mpa)，kv为岩体完整性系数，σm为岩溶岩的最大主应力；

25、b、当tk＞85、s＞4时，判定岩溶岩类别为ι类；当85≥tk＞65、s＞4时，判定岩溶岩类别为ιι类；

26、c、当65≥tk＞45、s＞2时，判定岩溶岩类别为ιiι类；当45≥tk＞25、s＞2时，判定岩溶岩类别为iv类；当tk≤25时，判定岩溶岩类别为v类。

27、作为本发明再进一步的方案：基于高铁岩溶地质段综合参数精细化自动勘探系统的岩溶地质分级方法，所述a的确定过程包括：基于岩石饱和单轴抗压强度试验，得到所述rb，按照rb＞60、60≥rb＞30、30≥rb＞15、rb≤15，对岩石强度评分进行赋值，从而确定所述a。

28、作为本发明再进一步的方案：基于高铁岩溶地质段综合参数精细化自动勘探系统的岩溶地质分级方法，所述b的确定过程包括：通过岩体波速试验，得到岩体纵波波速及岩石纵波波速，以岩体纵波波速与岩石纵波波速比值的平方求得所述岩体完整性系数kv，根据所述岩体完整性系数kv确定所述b。

29、实施本发明的技术方案，将具有如下有益效果：

30、本发明通过结合波速法与电阻率法的联合自动化解读，从而实现精细化勘探。本发明通过带钻头磁致激振系统，用于旋进特定深度地层产生特定瑞雷波，比传统方法击打方式准确率提高并能够深入岩溶地质区域特定深度。带钻头电极能实现电极系统的灵活布置。基于控制系统控制电极的旋进、行走轮的定位、以及磁激振系统的可控激发，可以实现自动化勘探，而无需配置大量人员。因此，本系统的开发使得较深岩溶区域地质勘探操作方便、并极大提高了传统方法的准确性。

31、本发明利用波速差异和电阻差异综合，改进传统方法瑞雷波与电流激发方式，并能够钻进任意地层，能够准确识别溶洞、溶蚀裂隙的位置和规模，提高了岩溶发育范围和参数的测定精度。

32、本发明通过标准化的物探线、物探面和物探体岩溶率，将复杂的地质现象转化为可量化的指标，便于对场地岩溶发育程度进行客观评价，便于工程设计和风险评估。

33、上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。

34、为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。