岩体工程无损探测技术研究综述

王洪建，李 瑾，赵 菲，张一同，魏芊惠，姬浩然，胡牧云

(华北水利水电大学，河南 郑州 450046)

随着我国经济建设的快速发展，许多高科技软件和技术应运而生，多学科的交叉发展也使得各领域都在不断地开发和创新。在工程领域，许多学者在隧道、基坑开挖、边坡支护等方向不断探测，将无损探测技术运用在勘察、设计、施工和监测等方面具有十分重要的意义。岩体工程无损探测技术就是在对岩体结构不造成影响的前提下，利用某些适当的装备和技术来探测岩体特征及其物性指标。无损探测技术不仅被用在矿山的地质勘察中，在道路、桥梁、隧道、边坡、库坝等工程中也有涉及。

对岩体探测的方法有很许多，主要分为无损探测和有损探测。使用有损探测的方法操作简便，探测结果直观，但不能确保围岩的整体稳定性，此方法效率低、成本高；相比之下，无损探测能较好地保护围岩的稳定性，效率也能得到提高[1]。随着科技的发展，工程领域的研究技术也在发展，无损探测技术能在工程勘探期间发挥较高的作用。因此，可以在不同的工程中运用适当的探测技术。

1 声发射技术

声发射(Acoustic Emission，AE)是以弹性波形式释放的应变能现象，这种应变能一般来自于岩土材料在力的作用下变形或破裂的过程中产生的声、光、电磁等物理现象[2]。早在1953年，有“声发射之父”之称的德国金属物理学家J.Kaiser[3]就对常用工程材料进行了声发射现象的研究，此后，更多的学者开始研究和使用声发射技术，使其更快地发展并广泛应用于工程领域和技术研究，现已成为实验室及工程监测的主要手段[4]。例如，刘传孝等[5]通过室内试验比较不同风化程度下的片麻岩声发射信号和振铃计数率，研究片麻岩在此种情况下的声发射规律，为建筑地基使用的泰山片麻岩寻求匹配的置换材料提供了依据；姜德义等[6]做了页岩单轴压缩试验，计算其破坏过程中声发射能量分布，以此了解脆性岩石破裂过程及能量变化规律，并且为矿井中常发生的动力灾害建立临界模型，有利于预测矿井冲击地压等灾害；杨永杰等[7]通过室内试验对煤(岩)进行了蠕变条件下分级加载声发射试验，分析试验结果时，煤(岩)蠕变时的损伤演化能由声发射特征表明。声发射试验系统如图1所示[2]。

图1 声发射试验系统Fig.1 Acoustic emission test system

声发射技术在许多领域都有应用，有航空航天、地质勘探和金属加工等。在岩土工程领域，声发射技术主要应用于采场稳定性监测[8]、边坡工程[9]、地应力测量等方面。李利峰等[10]整理分析了近20年来岩石声发射在测量地应力方面的研究及现状，总结了目前测量地应力的多种方法、原理和机制等，并简单分析了用声发射方法测量地应力中存在的问题和研究趋势。

为了更清楚直观地了解声发射能量的演化规律，参考赵菲等[11]对某处煤(岩)体做的真三轴卸载岩爆试验，分析声发射能量及能率在岩爆过程中的变化过程，如图2所示。从图2可以看出，累积声发射能量在初始加载时期较大，在荷载保持阶段释放较少，在卸载最小主应力后快速增大，在岩爆时刻达到峰值；声发射能率在卸载最小主应力后密集出现，在煤爆时刻释放值达到最大。

图2 声发射能率及累计释放能量随时间变化曲线Fig.2 Curve of acoustic emission energy rate and cumulative release energy over time

2 红外技术

利用自然界中高于绝对零度(-273 ℃)的物体会产生红外辐射这一特点，通过红外热成像技术，将这些红外辐射用可见光图像的形式，在一个平面上显示出物体各部分所产生的红外辐射的强弱[12]，运用这样的处理方法进行探测，就是红外无损探测技术。

利用红外技术进行勘测具有测量速度快的特点，由于温度的测量与成像转换快，在使用红外仪器进行勘探时，能立即勘测出结果并快速进行资料分析。不同于有损探测技术，红外探测不会破坏岩体的完整性与稳定性，使得此技术在大量施工工程中得以应用[13]。但是在施工工程中，红外线勘测在北方地区的应用比南方地区多，主要是因为北方的气候干燥，南方空气中含有水分比较湿润，红外技术在水中测量会忽略水量、水压等要素，使得测量的数据不精准，影响施工的进度与质量[14]。在其他工程领域，红外技术也有应用，如在隧道工程中，为了防止突涌水及塌方等灾害发生，可以利用红外探测技术进行超前探水，以提前预知发生此类灾害的可能性。岩溶和断层地带是隧道工程中常见的突涌水高危高发地带，在使用红外探测仪判断突涌水时，要结合当地的工程地质条件和水文地质情况进行全面的综合性分析。由于红外探测会受到高能热源场、施工用水和温差等因素的影响。所以，此方法不适用于构造异常场的探测和软弱夹层发育带的探测，并且探测时距离应大于50 m[15]。

随着我国煤矿深部开采时代的来临，深部软岩层状巷道的稳定性成为人们越来越关注的问题。国内许多煤矿企业由于没有对深部巷道所处的复杂环境进行针对性支护设计，产生很多的安全问题。为了研究深部软岩巷道的变形破坏规律，结合徐州矿区旗山矿工程实际，制作巷道物理模型，设计了不同地应力条件下的加载实验，成功模拟了深部煤(岩)体的变形破坏过程。并通过红外图像记录应力集中区域以及能量释放区域，形象地重现了工程现场变形、底鼓、冒落等破坏现象，这样可以为深部层状软岩巷道工程的稳定条件和支护方式提供参考(图3)[16]。

图3 巷道物理模型及红外热像Fig.3 Roadway physical model and infrared thermal image

3 粒子成像测速技术

20世纪70年代末，粒子成像测速(Particle Image Velocimetry，PIV)技术就发展起来了，它是一种非接触式流场测速的方法[17]，主要应用于液体和气体的流场测量，是在原有流动显示技术使用的基础上，利用图像处理等技术把图像转为定量化数据，继而形成的一种新的流动测量技术。和传统流动显示技术相比，PIV技术的优点在于，精度和分辨率都能达到要求的同时，还能满足整体结构和瞬态图像的显示，拥有单点测量和流动显示2种技术的优点，能更准确地对复杂流场进行测试[18]。其基本原理是将微小示踪粒子撒布于流场中与流场同步运动，通过CCD相机，连续2次或多次曝光，使曝光与激光器片光源发射的脉冲激光吻合，这样粒子的图像就可以被CCD相机所记录，然后分析系统记录下的2次曝光图像。由于选择的示踪粒子具有良好的流动性、跟随性和光散射性，从本质上讲，粒子的速度就是所对应的流场的流速。分析时，根据记录的曝光时间间隔及此时间内示踪粒子移动的距离，经过计算就能得到流体的流动速度[19-20]。PIV检测系统如图4所示[20]，PIV测速系统如图5所示[21]。

图4 PIV检测系统Fig.4 PIV detection system

图5 PIV测速系统Fig.5 PIV velocimetry system

该技术被广泛地应用于流体力学、岩土力学和空气动力学的研究。例如，田瑞祥等[21]将PIV技术运用到了流体力学中，对无风墙轴流风机附近的流场进行了研究；李博等[22]将PIV技术运用到岩土力学中，通过自行设计模型进行室内试验研究，主要研究了桩周围的粉土位移场的变化规律，该试验有助于对沉桩过程中挤土效应的研究进行进一步的了解；龚健等[23]通过试验探究了含石量对土石混合体边坡的影响，运用PIV和FLAC3D两种方法对比分析，最后发现2种方法能够体现砾石对边坡的影响特征，而且PIV分析能达到和FLAC3D相似的结果。由此看来，PIV技术属于非接触式无损探测技术，已经在岩土工程中得到了应用和发展，并能够适用于更多的研究领域。

4 地质雷达探测技术

地质雷达探测技术可以用于隧道质量检测、地下埋藏物的深度确定、矿产勘探、考古等方面，是一种物理探测方法，其中，此技术在隧道工程中应用最为广泛。在隧道检测过程中，可能会出现欠厚、空洞、或是由于隧道建成长时间后出现的裂纹和渗漏等问题。为了全面提高隧道支护结构的质量，在检测中应用地质雷达无损探测技术具有极其重要的意义，并且地质雷达探测技术也可以节约隧道质量检测的时间。

地质雷达无损探测技术的工作原理是麦克斯韦电磁场理论。雷达工作时主要是电磁波的发射、反射和接收的过程，主要用到主机和天线，具体过程为雷达主机通过天线将特高频段电磁波发到地下，当电磁波遇到地下的物体或是不同界面就会反射回去并由天线接收，根据天线接收到的反射信号以及接收时间来判断反射目标的性质[24]。其中，主机负责控制信号，天线负责电磁波的发射与接收。地质雷达探测技术的工作原理如图6所示。在隧道工程中，地质雷达探测过程一般是天线将高频电磁波发到隧道内壁，电磁波在传播过程中碰到裂缝、空洞或是衬砌边界时反射回去，反射信号依然由天线接收并传至主机，主机会记录这些反射回来的数据，以此作为查找隧道需要修补的地方[25]。

图6 探测原理示意Fig.6 Detection schematic illustration

地质雷达无损探测技术在隧道工程中应用最为广泛，例如，杨桂权[26]在对水利工程隧洞的质量检测中运用了地质雷达检测方法，选择新疆某一水库进行地质雷达探测，该技术能探测到工程隧洞内部结构，从而可以分析出隧道内部缺陷的类型和位置，对隧道的修补提供了帮助；吴尚杰[27]研究了高速公路隧道支护结构中的雷达探测技术，该研究可以有效地检测出隧道初期支护拱背空洞、混凝土厚度不足和型钢间距不达标等常见问题。

5 结语

现有的岩体工程探测技术有很多，随着科技和多学科的交叉发展，无损探测技术也越来越先进，但仍然存在许多不足，需要完善与改进。为了确保无损探测技术在岩体工程中的应用发展，要更好地了解各方法技术的原理和特点。考虑到道路、桥梁、隧道、边坡、库坝等工程实际，应采用适当的探测技术，从而保证工程的安全高效和施工质量，使得无损探测技术有效地服务于社会。研究无损探测技术，不仅对施工工程有极大的帮助，也对我国的经济建设起到了一定的推动作用。