王洪建，李 瑾，趙 菲，張一同，魏芊惠，姬浩然，胡牧云

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，許多高科技軟件和技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，多學(xué)科的交叉發(fā)展也使得各領(lǐng)域都在不斷地開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新。在工程領(lǐng)域，許多學(xué)者在隧道、基坑開(kāi)挖、邊坡支護(hù)等方向不斷探測(cè)，將無(wú)損探測(cè)技術(shù)運(yùn)用在勘察、設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)等方面具有十分重要的意義。巖體工程無(wú)損探測(cè)技術(shù)就是在對(duì)巖體結(jié)構(gòu)不造成影響的前提下，利用某些適當(dāng)?shù)难b備和技術(shù)來(lái)探測(cè)巖體特征及其物性指標(biāo)。無(wú)損探測(cè)技術(shù)不僅被用在礦山的地質(zhì)勘察中，在道路、橋梁、隧道、邊坡、庫(kù)壩等工程中也有涉及。

對(duì)巖體探測(cè)的方法有很許多，主要分為無(wú)損探測(cè)和有損探測(cè)。使用有損探測(cè)的方法操作簡(jiǎn)便，探測(cè)結(jié)果直觀，但不能確保圍巖的整體穩(wěn)定性，此方法效率低、成本高；相比之下，無(wú)損探測(cè)能較好地保護(hù)圍巖的穩(wěn)定性，效率也能得到提高[1]。隨著科技的發(fā)展，工程領(lǐng)域的研究技術(shù)也在發(fā)展，無(wú)損探測(cè)技術(shù)能在工程勘探期間發(fā)揮較高的作用。因此，可以在不同的工程中運(yùn)用適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)技術(shù)。

1 聲發(fā)射技術(shù)

聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)是以彈性波形式釋放的應(yīng)變能現(xiàn)象，這種應(yīng)變能一般來(lái)自于巖土材料在力的作用下變形或破裂的過(guò)程中產(chǎn)生的聲、光、電磁等物理現(xiàn)象[2]。早在1953年，有“聲發(fā)射之父”之稱的德國(guó)金屬物理學(xué)家J.Kaiser[3]就對(duì)常用工程材料進(jìn)行了聲發(fā)射現(xiàn)象的研究，此后，更多的學(xué)者開(kāi)始研究和使用聲發(fā)射技術(shù)，使其更快地發(fā)展并廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域和技術(shù)研究，現(xiàn)已成為實(shí)驗(yàn)室及工程監(jiān)測(cè)的主要手段[4]。例如，劉傳孝等[5]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)比較不同風(fēng)化程度下的片麻巖聲發(fā)射信號(hào)和振鈴計(jì)數(shù)率，研究片麻巖在此種情況下的聲發(fā)射規(guī)律，為建筑地基使用的泰山片麻巖尋求匹配的置換材料提供了依據(jù)；姜德義等[6]做了頁(yè)巖單軸壓縮試驗(yàn)，計(jì)算其破壞過(guò)程中聲發(fā)射能量分布，以此了解脆性巖石破裂過(guò)程及能量變化規(guī)律，并且為礦井中常發(fā)生的動(dòng)力災(zāi)害建立臨界模型，有利于預(yù)測(cè)礦井沖擊地壓等災(zāi)害；楊永杰等[7]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)煤(巖)進(jìn)行了蠕變條件下分級(jí)加載聲發(fā)射試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，煤(巖)蠕變時(shí)的損傷演化能由聲發(fā)射特征表明。聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示[2]。

圖1 聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Acoustic emission test system

聲發(fā)射技術(shù)在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，有航空航天、地質(zhì)勘探和金屬加工等。在巖土工程領(lǐng)域，聲發(fā)射技術(shù)主要應(yīng)用于采場(chǎng)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)[8]、邊坡工程[9]、地應(yīng)力測(cè)量等方面。李利峰等[10]整理分析了近20年來(lái)巖石聲發(fā)射在測(cè)量地應(yīng)力方面的研究及現(xiàn)狀，總結(jié)了目前測(cè)量地應(yīng)力的多種方法、原理和機(jī)制等，并簡(jiǎn)單分析了用聲發(fā)射方法測(cè)量地應(yīng)力中存在的問(wèn)題和研究趨勢(shì)。

為了更清楚直觀地了解聲發(fā)射能量的演化規(guī)律，參考趙菲等[11]對(duì)某處煤(巖)體做的真三軸卸載巖爆試驗(yàn)，分析聲發(fā)射能量及能率在巖爆過(guò)程中的變化過(guò)程，如圖2所示。從圖2可以看出，累積聲發(fā)射能量在初始加載時(shí)期較大，在荷載保持階段釋放較少，在卸載最小主應(yīng)力后快速增大，在巖爆時(shí)刻達(dá)到峰值；聲發(fā)射能率在卸載最小主應(yīng)力后密集出現(xiàn)，在煤爆時(shí)刻釋放值達(dá)到最大。

圖2 聲發(fā)射能率及累計(jì)釋放能量隨時(shí)間變化曲線Fig.2 Curve of acoustic emission energy rate and cumulative release energy over time

2 紅外技術(shù)

利用自然界中高于絕對(duì)零度(-273 ℃)的物體會(huì)產(chǎn)生紅外輻射這一特點(diǎn)，通過(guò)紅外熱成像技術(shù)，將這些紅外輻射用可見(jiàn)光圖像的形式，在一個(gè)平面上顯示出物體各部分所產(chǎn)生的紅外輻射的強(qiáng)弱[12]，運(yùn)用這樣的處理方法進(jìn)行探測(cè)，就是紅外無(wú)損探測(cè)技術(shù)。

利用紅外技術(shù)進(jìn)行勘測(cè)具有測(cè)量速度快的特點(diǎn)，由于溫度的測(cè)量與成像轉(zhuǎn)換快，在使用紅外儀器進(jìn)行勘探時(shí)，能立即勘測(cè)出結(jié)果并快速進(jìn)行資料分析。不同于有損探測(cè)技術(shù)，紅外探測(cè)不會(huì)破壞巖體的完整性與穩(wěn)定性，使得此技術(shù)在大量施工工程中得以應(yīng)用[13]。但是在施工工程中，紅外線勘測(cè)在北方地區(qū)的應(yīng)用比南方地區(qū)多，主要是因?yàn)楸狈降臍夂蚋稍铮戏娇諝庵泻兴直容^濕潤(rùn)，紅外技術(shù)在水中測(cè)量會(huì)忽略水量、水壓等要素，使得測(cè)量的數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)，影響施工的進(jìn)度與質(zhì)量[14]。在其他工程領(lǐng)域，紅外技術(shù)也有應(yīng)用，如在隧道工程中，為了防止突涌水及塌方等災(zāi)害發(fā)生，可以利用紅外探測(cè)技術(shù)進(jìn)行超前探水，以提前預(yù)知發(fā)生此類災(zāi)害的可能性。巖溶和斷層地帶是隧道工程中常見(jiàn)的突涌水高危高發(fā)地帶，在使用紅外探測(cè)儀判斷突涌水時(shí)，要結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓こ痰刭|(zhì)條件和水文地質(zhì)情況進(jìn)行全面的綜合性分析。由于紅外探測(cè)會(huì)受到高能熱源場(chǎng)、施工用水和溫差等因素的影響。所以，此方法不適用于構(gòu)造異常場(chǎng)的探測(cè)和軟弱夾層發(fā)育帶的探測(cè)，并且探測(cè)時(shí)距離應(yīng)大于50 m[15]。

隨著我國(guó)煤礦深部開(kāi)采時(shí)代的來(lái)臨，深部軟巖層狀巷道的穩(wěn)定性成為人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)許多煤礦企業(yè)由于沒(méi)有對(duì)深部巷道所處的復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行針對(duì)性支護(hù)設(shè)計(jì)，產(chǎn)生很多的安全問(wèn)題。為了研究深部軟巖巷道的變形破壞規(guī)律，結(jié)合徐州礦區(qū)旗山礦工程實(shí)際，制作巷道物理模型，設(shè)計(jì)了不同地應(yīng)力條件下的加載實(shí)驗(yàn)，成功模擬了深部煤(巖)體的變形破壞過(guò)程。并通過(guò)紅外圖像記錄應(yīng)力集中區(qū)域以及能量釋放區(qū)域，形象地重現(xiàn)了工程現(xiàn)場(chǎng)變形、底鼓、冒落等破壞現(xiàn)象，這樣可以為深部層狀軟巖巷道工程的穩(wěn)定條件和支護(hù)方式提供參考(圖3)[16]。

圖3 巷道物理模型及紅外熱像Fig.3 Roadway physical model and infrared thermal image

3 粒子成像測(cè)速技術(shù)

20世紀(jì)70年代末，粒子成像測(cè)速(Particle Image Velocimetry，PIV)技術(shù)就發(fā)展起來(lái)了，它是一種非接觸式流場(chǎng)測(cè)速的方法[17]，主要應(yīng)用于液體和氣體的流場(chǎng)測(cè)量，是在原有流動(dòng)顯示技術(shù)使用的基礎(chǔ)上，利用圖像處理等技術(shù)把圖像轉(zhuǎn)為定量化數(shù)據(jù)，繼而形成的一種新的流動(dòng)測(cè)量技術(shù)。和傳統(tǒng)流動(dòng)顯示技術(shù)相比，PIV技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，精度和分辨率都能達(dá)到要求的同時(shí)，還能滿足整體結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)圖像的顯示，擁有單點(diǎn)測(cè)量和流動(dòng)顯示2種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，能更準(zhǔn)確地對(duì)復(fù)雜流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試[18]。其基本原理是將微小示蹤粒子撒布于流場(chǎng)中與流場(chǎng)同步運(yùn)動(dòng)，通過(guò)CCD相機(jī)，連續(xù)2次或多次曝光，使曝光與激光器片光源發(fā)射的脈沖激光吻合，這樣粒子的圖像就可以被CCD相機(jī)所記錄，然后分析系統(tǒng)記錄下的2次曝光圖像。由于選擇的示蹤粒子具有良好的流動(dòng)性、跟隨性和光散射性，從本質(zhì)上講，粒子的速度就是所對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)的流速。分析時(shí)，根據(jù)記錄的曝光時(shí)間間隔及此時(shí)間內(nèi)示蹤粒子移動(dòng)的距離，經(jīng)過(guò)計(jì)算就能得到流體的流動(dòng)速度[19-20]。PIV檢測(cè)系統(tǒng)如圖4所示[20]，PIV測(cè)速系統(tǒng)如圖5所示[21]。

圖4 PIV檢測(cè)系統(tǒng)Fig.4 PIV detection system

圖5 PIV測(cè)速系統(tǒng)Fig.5 PIV velocimetry system

該技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于流體力學(xué)、巖土力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)的研究。例如，田瑞祥等[21]將PIV技術(shù)運(yùn)用到了流體力學(xué)中，對(duì)無(wú)風(fēng)墻軸流風(fēng)機(jī)附近的流場(chǎng)進(jìn)行了研究；李博等[22]將PIV技術(shù)運(yùn)用到巖土力學(xué)中，通過(guò)自行設(shè)計(jì)模型進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，主要研究了樁周?chē)姆弁廖灰茍?chǎng)的變化規(guī)律，該試驗(yàn)有助于對(duì)沉樁過(guò)程中擠土效應(yīng)的研究進(jìn)行進(jìn)一步的了解；龔健等[23]通過(guò)試驗(yàn)探究了含石量對(duì)土石混合體邊坡的影響，運(yùn)用PIV和FLAC3D兩種方法對(duì)比分析，最后發(fā)現(xiàn)2種方法能夠體現(xiàn)礫石對(duì)邊坡的影響特征，而且PIV分析能達(dá)到和FLAC3D相似的結(jié)果。由此看來(lái)，PIV技術(shù)屬于非接觸式無(wú)損探測(cè)技術(shù)，已經(jīng)在巖土工程中得到了應(yīng)用和發(fā)展，并能夠適用于更多的研究領(lǐng)域。

4 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)可以用于隧道質(zhì)量檢測(cè)、地下埋藏物的深度確定、礦產(chǎn)勘探、考古等方面，是一種物理探測(cè)方法，其中，此技術(shù)在隧道工程中應(yīng)用最為廣泛。在隧道檢測(cè)過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)欠厚、空洞、或是由于隧道建成長(zhǎng)時(shí)間后出現(xiàn)的裂紋和滲漏等問(wèn)題。為了全面提高隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，在檢測(cè)中應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損探測(cè)技術(shù)具有極其重要的意義，并且地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)也可以節(jié)約隧道質(zhì)量檢測(cè)的時(shí)間。

地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損探測(cè)技術(shù)的工作原理是麥克斯韋電磁場(chǎng)理論。雷達(dá)工作時(shí)主要是電磁波的發(fā)射、反射和接收的過(guò)程，主要用到主機(jī)和天線，具體過(guò)程為雷達(dá)主機(jī)通過(guò)天線將特高頻段電磁波發(fā)到地下，當(dāng)電磁波遇到地下的物體或是不同界面就會(huì)反射回去并由天線接收，根據(jù)天線接收到的反射信號(hào)以及接收時(shí)間來(lái)判斷反射目標(biāo)的性質(zhì)[24]。其中，主機(jī)負(fù)責(zé)控制信號(hào)，天線負(fù)責(zé)電磁波的發(fā)射與接收。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的工作原理如圖6所示。在隧道工程中，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)過(guò)程一般是天線將高頻電磁波發(fā)到隧道內(nèi)壁，電磁波在傳播過(guò)程中碰到裂縫、空洞或是襯砌邊界時(shí)反射回去，反射信號(hào)依然由天線接收并傳至主機(jī)，主機(jī)會(huì)記錄這些反射回來(lái)的數(shù)據(jù)，以此作為查找隧道需要修補(bǔ)的地方[25]。

圖6 探測(cè)原理示意Fig.6 Detection schematic illustration

地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損探測(cè)技術(shù)在隧道工程中應(yīng)用最為廣泛，例如，楊桂權(quán)[26]在對(duì)水利工程隧洞的質(zhì)量檢測(cè)中運(yùn)用了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)方法，選擇新疆某一水庫(kù)進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，該技術(shù)能探測(cè)到工程隧洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而可以分析出隧道內(nèi)部缺陷的類型和位置，對(duì)隧道的修補(bǔ)提供了幫助；吳尚杰[27]研究了高速公路隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中的雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，該研究可以有效地檢測(cè)出隧道初期支護(hù)拱背空洞、混凝土厚度不足和型鋼間距不達(dá)標(biāo)等常見(jiàn)問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有的巖體工程探測(cè)技術(shù)有很多，隨著科技和多學(xué)科的交叉發(fā)展，無(wú)損探測(cè)技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)，但仍然存在許多不足，需要完善與改進(jìn)。為了確保無(wú)損探測(cè)技術(shù)在巖體工程中的應(yīng)用發(fā)展，要更好地了解各方法技術(shù)的原理和特點(diǎn)?？紤]到道路、橋梁、隧道、邊坡、庫(kù)壩等工程實(shí)際，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)技術(shù)，從而保證工程的安全高效和施工質(zhì)量，使得無(wú)損探測(cè)技術(shù)有效地服務(wù)于社會(huì)。研究無(wú)損探測(cè)技術(shù)，不僅對(duì)施工工程有極大的幫助，也對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到了一定的推動(dòng)作用。