巖體工程無損探測技術(shù)研究綜述

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)域都在不斷地開發(fā)和創(chuàng)新。在工程領(lǐng)域，許多學(xué)者在隧道、基坑開挖、邊坡支護(hù)等方向不斷探測，將無損探測技術(shù)運用在勘察、設(shè)計、施工和監(jiān)測等方面具有十分重要的意義。巖體工程無損探測技術(shù)就是在對巖體結(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)來探測巖體特征及其物性指標(biāo)。無損探測技術(shù)不僅被用在礦山的地質(zhì)勘察中，在道路、橋梁、隧道、邊坡、庫壩等工程中也有涉及。

對巖體探測的方法有很許多，主要分為無損探測和有損探測。使用有損探測的方法操作簡便，探測結(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，無損探測能較好地保護(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，無損探測技術(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用適當(dāng)?shù)奶綔y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)變能一般來自于巖土材料在力的作用下變形或破裂的過程中產(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”之稱的德國金屬物理學(xué)家J.Kaiser[3]就對常用工程材料進(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)已成為實驗室及工程監(jiān)測的主要手段[4]。例如，劉傳孝等[5]通過室內(nèi)試驗比較不同風(fēng)化程度下的片麻巖聲發(fā)射信號和振鈴計數(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]做了頁巖單軸壓縮試驗，計算其破壞過程中聲發(fā)射能量分布，以此了解脆性巖石破裂過程及能量變化規(guī)律，并且為礦井中常發(fā)生的動力災(zāi)害建立臨界模型，有利于預(yù)測礦井沖擊地壓等災(zāi)害；楊永杰等[7]通過室內(nèi)試驗對煤(巖)進(jìn)行了蠕變條件下分級加載聲發(fā)射試驗，分析試驗結(jié)果時，煤(巖)蠕變時的損傷演化能由聲發(fā)射特征表明。聲發(fā)射試驗系統(tǒng)如圖1所示[2]。

圖1 聲發(fā)射試驗系統(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)用于采場穩(wěn)定性監(jiān)測[8]、邊坡工程[9]、地應(yīng)力測量等方面。李利峰等[10]整理分析了近20年來巖石聲發(fā)射在測量地應(yīng)力方面的研究及現(xiàn)狀，總結(jié)了目前測量地應(yīng)力的多種方法、原理和機制等，并簡單分析了用聲發(fā)射方法測量地應(yīng)力中存在的問題和研究趨勢。

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]對某處煤(巖)體做的真三軸卸載巖爆試驗，分析聲發(fā)射能量及能率在巖爆過程中的變化過程，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)，在煤爆時刻釋放值達(dá)到最大。

圖2 聲發(fā)射能率及累計釋放能量隨時間變化曲線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零度(-273 ℃)的物體會產(chǎn)生紅外輻射這一特點，通過紅外熱成像技術(shù)，將這些紅外輻射用可見光圖像的形式，在一個平面上顯示出物體各部分所產(chǎn)生的紅外輻射的強弱[12]，運用這樣的處理方法進(jìn)行探測，就是紅外無損探測技術(shù)。

利用紅外技術(shù)進(jìn)行勘測具有測量速度快的特點，由于溫度的測量與成像轉(zhuǎn)換快，在使用紅外儀器進(jìn)行勘探時，能立即勘測出結(jié)果并快速進(jìn)行資料分析。不同于有損探測技術(shù)，紅外探測不會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，紅外線勘測在北方地區(qū)的應(yīng)用比南方地區(qū)多，主要是因為北方的氣候干燥，南方空氣中含有水分比較濕潤，紅外技術(shù)在水中測量會忽略水量、水壓等要素，使得測量的數(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的突涌水高危高發(fā)地帶，在使用紅外探測儀判斷突涌水時，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。由于紅外探測會受到高能熱源場、施工用水和溫差等因素的影響。所以，此方法不適用于構(gòu)造異常場的探測和軟弱夾層發(fā)育帶的探測，并且探測時距離應(yīng)大于50 m[15]。

隨著我國煤礦深部開采時代的來臨，深部軟巖層狀巷道的穩(wěn)定性成為人們越來越關(guān)注的問題。國內(nèi)許多煤礦企業(yè)由于沒有對深部巷道所處的復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行針對性支護(hù)設(shè)計，產(chǎn)生很多的安全問題。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)旗山礦工程實際，制作巷道物理模型，設(shè)計了不同地應(yīng)力條件下的加載實驗，成功模擬了深部煤(巖)體的變形破壞過程。并通過紅外圖像記錄應(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 粒子成像測速技術(shù)

20世紀(jì)70年代末，粒子成像測速(Particle Image Velocimetry，PIV)技術(shù)就發(fā)展起來了，它是一種非接觸式流場測速的方法[17]，主要應(yīng)用于液體和氣體的流場測量，是在原有流動顯示技術(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測量技術(shù)。和傳統(tǒng)流動顯示技術(shù)相比，PIV技術(shù)的優(yōu)點在于，精度和分辨率都能達(dá)到要求的同時，還能滿足整體結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)圖像的顯示，擁有單點測量和流動顯示2種技術(shù)的優(yōu)點，能更準(zhǔn)確地對復(fù)雜流場進(jìn)行測試[18]。其基本原理是將微小示蹤粒子撒布于流場中與流場同步運動，通過CCD相機，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性、跟隨性和光散射性，從本質(zhì)上講，粒子的速度就是所對應(yīng)的流場的流速。分析時，根據(jù)記錄的曝光時間間隔及此時間內(nèi)示蹤粒子移動的距離，經(jīng)過計算就能得到流體的流動速度[19-20]。PIV檢測系統(tǒng)如圖4所示[20]，PIV測速系統(tǒng)如圖5所示[21]。

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

圖5 PIV測速系統(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)和空氣動力學(xué)的研究。例如，田瑞祥等[21]將PIV技術(shù)運用到了流體力學(xué)中，對無風(fēng)墻軸流風(fēng)機附近的流場進(jìn)行了研究；李博等[22]將PIV技術(shù)運用到巖土力學(xué)中，通過自行設(shè)計模型進(jìn)行室內(nèi)試驗研究，主要研究了樁周圍的粉土位移場的變化規(guī)律，該試驗有助于對沉樁過程中擠土效應(yīng)的研究進(jìn)行進(jìn)一步的了解；龔健等[23]通過試驗探究了含石量對土石混合體邊坡的影響，運用PIV和FLAC3D兩種方法對比分析，最后發(fā)現(xiàn)2種方法能夠體現(xiàn)礫石對邊坡的影響特征，而且PIV分析能達(dá)到和FLAC3D相似的結(jié)果。由此看來，PIV技術(shù)屬于非接觸式無損探測技術(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)探測技術(shù)

地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)可以用于隧道質(zhì)量檢測、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。在隧道檢測過程中，可能會出現(xiàn)欠厚、空洞、或是由于隧道建成長時間后出現(xiàn)的裂紋和滲漏等問題。為了全面提高隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，在檢測中應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)無損探測技術(shù)具有極其重要的意義，并且地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)也可以節(jié)約隧道質(zhì)量檢測的時間。

地質(zhì)雷達(dá)無損探測技術(shù)的工作原理是麥克斯韋電磁場理論。雷達(dá)工作時主要是電磁波的發(fā)射、反射和接收的過程，主要用到主機和天線，具體過程為雷達(dá)主機通過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反射回去并由天線接收，根據(jù)天線接收到的反射信號以及接收時間來判斷反射目標(biāo)的性質(zhì)[24]。其中，主機負(fù)責(zé)控制信號，天線負(fù)責(zé)電磁波的發(fā)射與接收。地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)的工作原理如圖6所示。在隧道工程中，地質(zhì)雷達(dá)探測過程一般是天線將高頻電磁波發(fā)到隧道內(nèi)壁，電磁波在傳播過程中碰到裂縫、空洞或是襯砌邊界時反射回去，反射信號依然由天線接收并傳至主機，主機會記錄這些反射回來的數(shù)據(jù)，以此作為查找隧道需要修補的地方[25]。

圖6 探測原理示意Fig.6 Detection schematic illustration

地質(zhì)雷達(dá)無損探測技術(shù)在隧道工程中應(yīng)用最為廣泛，例如，楊桂權(quán)[26]在對水利工程隧洞的質(zhì)量檢測中運用了地質(zhì)雷達(dá)檢測方法，選擇新疆某一水庫進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測，該技術(shù)能探測到工程隧洞內(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，對隧道的修補提供了幫助；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)探測技術(shù)，該研究可以有效地檢測出隧道初期支護(hù)拱背空洞、混凝土厚度不足和型鋼間距不達(dá)標(biāo)等常見問題。

5 結(jié)語

現(xiàn)有的巖體工程探測技術(shù)有很多，隨著科技和多學(xué)科的交叉發(fā)展，無損探測技術(shù)也越來越先進(jìn)，但仍然存在許多不足，需要完善與改進(jìn)。為了確保無損探測技術(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?？紤]到道路、橋梁、隧道、邊坡、庫壩等工程實際，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)奶綔y技術(shù)，從而保證工程的安全高效和施工質(zhì)量，使得無損探測技術(shù)有效地服務(wù)于社會。研究無損探測技術(shù)，不僅對施工工程有極大的幫助，也對我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到了一定的推動作用。