從巖土體原位檢測(cè)、探測(cè)、監(jiān)測(cè)到感知*

施 斌 朱鴻鵠 張 丹 程 剛②

(①南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 南京 210023， 中國(guó)) (②華北科技學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院， 北京 101601， 中國(guó))

0 引 言

今年是劉國(guó)昌先生誕辰110周年，他創(chuàng)立的區(qū)域穩(wěn)定工程地質(zhì)理論為我國(guó)重大工程的區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)奠定了重要的理論基礎(chǔ)。翻開(kāi)劉先生1983年撰寫(xiě)的《區(qū)域穩(wěn)定工程地質(zhì)》一書(shū)，一個(gè)鮮明的特色就是作者從工程地質(zhì)觀點(diǎn)出發(fā)，采用地質(zhì)力學(xué)的原理來(lái)綜合研究區(qū)域穩(wěn)定性的問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)地質(zhì)與力學(xué)的結(jié)合。非常湊巧的是，前段時(shí)間我們團(tuán)隊(duì)部分成員一起重溫了R. E. Goodman撰寫(xiě)的《Karl Terzaghi： The Engineer as Artist》一書(shū)，該書(shū)于2020年已由朱合華和史培新翻譯為中譯本，取名為《工程藝術(shù)大師：卡爾·太沙基》。將太沙基稱(chēng)為工程藝術(shù)大師，我們認(rèn)為非常貼切，點(diǎn)出了巖土工程學(xué)的本質(zhì)特點(diǎn)。作為土力學(xué)之父的太沙基，十分強(qiáng)調(diào)力學(xué)與工程地質(zhì)的結(jié)合。他認(rèn)為：土力學(xué)或巖體力學(xué)中未解決的大部分問(wèn)題，與其依靠理論研究或室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)解決，還不如在野外現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)堅(jiān)強(qiáng)而精細(xì)的觀察與調(diào)查獲得解決。從上述二位大家的論著中，可見(jiàn)無(wú)論是研究區(qū)域穩(wěn)定工程地質(zhì)，還是巖土力學(xué)，只有將力學(xué)與工程地質(zhì)學(xué)密切結(jié)合，才能真正解決巖土工程和地質(zhì)工程問(wèn)題； 同時(shí)，他們都強(qiáng)調(diào)了野外和原位觀測(cè)的重要性，它是推動(dòng)工程地質(zhì)、巖土力學(xué)和巖土工程學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)性工作。

有感于這二位大家的學(xué)術(shù)思想，我們撰寫(xiě)這篇文章，簡(jiǎn)要回顧了巖土體原位觀測(cè)技術(shù)的演化過(guò)程，對(duì)它們進(jìn)行了分類(lèi)，并分析了各類(lèi)別的特點(diǎn)與不足； 提出并闡述了巖土體多場(chǎng)感知的概念、內(nèi)涵與特點(diǎn)，最后介紹了分布式光纖感測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用，以此紀(jì)念劉國(guó)昌先生對(duì)我國(guó)區(qū)域工程地質(zhì)發(fā)展的貢獻(xiàn)。

1 巖土體原位觀測(cè)的重要性

無(wú)論是區(qū)域穩(wěn)定工程地質(zhì)研究，還是巖土力學(xué)與巖土工程穩(wěn)定性研究，都與巖土體有關(guān)。區(qū)域穩(wěn)定性的實(shí)質(zhì)是該區(qū)域內(nèi)巖土體的穩(wěn)定性，而所有巖土工程的基礎(chǔ)都坐落在巖土體上，因此巖土體的穩(wěn)定性決定了巖土工程的穩(wěn)定性。巖土體與土木工程中的人造結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)不同，它是自然歷史的產(chǎn)物，在巖石圈、大氣圈、水圈和生物圈的共同作用下，經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期演化而來(lái)，是一個(gè)固、氣、液多相體系。巖體堅(jiān)硬，構(gòu)造不規(guī)則； 土體松軟，具有多孔和低強(qiáng)度等特征，它們不斷地受到自然界和人類(lèi)工程活動(dòng)的多場(chǎng)作用和影響。巖土體一般規(guī)模大、深度深； 結(jié)構(gòu)界面復(fù)雜、空間變異性大； 多場(chǎng)作用，影響因素混雜。巖土體作為一個(gè)有機(jī)組成的自然體，它的體積大小是一個(gè)相對(duì)概念。作為各類(lèi)基礎(chǔ)工程和人類(lèi)活動(dòng)的載體，巖土體甚至沒(méi)有明確的邊界，它的邊界常常根據(jù)地貌、地質(zhì)條件和力學(xué)性質(zhì)等因素，人為進(jìn)行確定。因此，巖土體的上述特點(diǎn)，使得人們幾乎不可能在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展巖土體的原型試驗(yàn)，沒(méi)有一個(gè)實(shí)驗(yàn)室能容納一個(gè)完整的滑坡，也幾乎無(wú)法復(fù)制巖土體復(fù)雜的原狀結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征。因此，要精準(zhǔn)獲取巖土體在多場(chǎng)作用下的演化信息，唯一的途徑就是加強(qiáng)巖土體的原位觀測(cè)。

原位觀測(cè)的重要性還體現(xiàn)在其觀測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。如果觀測(cè)手段可靠準(zhǔn)確，那么所獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果具有巖土體的本征性，而在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)巖土模型試驗(yàn)獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以用來(lái)揭示巖土體的某些變化規(guī)律，但一般不能直接用來(lái)評(píng)價(jià)原位巖土體的穩(wěn)定性和破壞過(guò)程。因此，巖土體原位觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取直接關(guān)系到人們對(duì)巖土體強(qiáng)度與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和災(zāi)害成因機(jī)理認(rèn)知的準(zhǔn)確性。

原位觀測(cè)也是防治地質(zhì)災(zāi)害、解決巖土工程問(wèn)題的關(guān)鍵一環(huán)。目前，防災(zāi)減災(zāi)的途徑主要有兩條：一條是災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)控制，即通過(guò)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害和巖土工程目標(biāo)區(qū)的工程地質(zhì)條件分析、分區(qū)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，采取各種地質(zhì)災(zāi)害防治和巖土工程措施，防患于未然，預(yù)防各類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害和巖土工程問(wèn)題的發(fā)生； 另一條是臨災(zāi)預(yù)警預(yù)報(bào)，即通過(guò)各種監(jiān)測(cè)手段，對(duì)一些具體的地質(zhì)災(zāi)害(如滑坡和泥石流等)及巖土工程問(wèn)題(如基坑失穩(wěn)等)進(jìn)行臨災(zāi)預(yù)警，疏散人群，轉(zhuǎn)移財(cái)產(chǎn)，并采取相應(yīng)的防治措施，以減少損失。顯然，在上述兩條途徑中，始終都離不開(kāi)巖土體原位觀測(cè)這一基礎(chǔ)性工作。

事實(shí)上，巖土體的原位觀測(cè)一直受到工程地質(zhì)、巖土力學(xué)與巖土工程界的高度重視，但由于巖土體組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的高度復(fù)雜性、隨機(jī)性和隱蔽性，以及在多場(chǎng)作用下變化的多樣性，目前原位觀測(cè)技術(shù)在時(shí)間和空間上尚無(wú)法完全覆蓋巖土體內(nèi)部錯(cuò)綜復(fù)雜的物質(zhì)界面、狀態(tài)界面和運(yùn)動(dòng)界面的定位與動(dòng)態(tài)觀測(cè)，而這些界面控制著巖土體的穩(wěn)定性。因此，發(fā)展巖土體多場(chǎng)原位觀測(cè)技術(shù)，創(chuàng)新地質(zhì)與巖土工程觀測(cè)范式，勢(shì)在必行！

2 巖土體原位觀測(cè)技術(shù)的演進(jìn)

根據(jù)一些資料，作者簡(jiǎn)要地總結(jié)了巖土體原位觀測(cè)技術(shù)的演化歷史，見(jiàn)圖 1。據(jù)《史記 · 夏本紀(jì)》記載，早在4000多年前，大禹采用了“準(zhǔn)”、“繩”、“規(guī)”、“矩”等一些最古老的工具治理洪水，開(kāi)展了有歷史記錄以來(lái)最早的大地測(cè)量工作。相對(duì)于目測(cè)方法，工具的應(yīng)用使巖土體的觀測(cè)更加客觀、準(zhǔn)確。公元前5世紀(jì)有了關(guān)于放大鏡的記載(Kriss et al.， 1998)，后來(lái)放大鏡作為地質(zhì)工作者的“三大件”之一，用于巖土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的野外觀察和巖性的現(xiàn)場(chǎng)鑒別。之后，相繼出現(xiàn)了放大倍率更高的光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖土體在微觀尺度下的精細(xì)觀測(cè)。1608年，荷蘭出現(xiàn)了最早的望遠(yuǎn)鏡。望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明推動(dòng)了光學(xué)測(cè)量?jī)x器(如光學(xué)水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀)的發(fā)展和廣泛使用，成為大地測(cè)量工作中的重要工具，為研究地球的形狀和大小以及精準(zhǔn)確定地面(包含空中、地下和水下)點(diǎn)空間位置、觀測(cè)巖土體的時(shí)空變化提供了科學(xué)技術(shù)手段(張正祿， 2005)。1947年,第一臺(tái)光電測(cè)距儀在瑞典誕生，從此，世界進(jìn)入了電子大地測(cè)量時(shí)代，大大提高了巖土體測(cè)量精度和自動(dòng)化程度。

圖 1 巖土體原位觀測(cè)技術(shù)的演化之路Fig. 1 Evolution of in-situ observation technology of rock-and-soil

對(duì)深部巖土體的觀測(cè)應(yīng)歸功于鉆探技術(shù)的發(fā)展。鉆探技術(shù)始于我國(guó)秦代(公元前255年)四川自貢，當(dāng)時(shí)主要是為了解決喝水和吃鹽的問(wèn)題，到1835年我國(guó)的鉆探技術(shù)已非常先進(jìn)，鉆成了世界上第一口深超千米的天然氣鹵水井，而且對(duì)西方勘探與開(kāi)發(fā)石油天然氣起到了啟迪促進(jìn)作用(劉廣志， 1998)。利用鉆孔可以對(duì)地球深部巖土體進(jìn)行取樣、觀察、測(cè)試和試驗(yàn)工作，鉆探技術(shù)成為了解地球深部物質(zhì)與結(jié)構(gòu)，解決礦產(chǎn)資源安全高效利用的重要技術(shù)手段。同時(shí)，也應(yīng)注意到，鉆孔本身也是一類(lèi)非常寶貴的觀測(cè)資源，通過(guò)在鉆孔內(nèi)安裝各類(lèi)觀測(cè)儀器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)深部巖土體的長(zhǎng)期觀測(cè)。雖然鉆探技術(shù)發(fā)展迅速，但萬(wàn)米以上鉆孔的技術(shù)難度依然很大，受鉆探造價(jià)的制約，鉆孔的密度也不會(huì)很大。可見(jiàn)，鉆探技術(shù)難以滿(mǎn)足對(duì)巖土體更深、更大范圍的觀測(cè)要求。

地球物理勘探簡(jiǎn)稱(chēng)物探，它是指通過(guò)研究和觀測(cè)各種地球物理場(chǎng)的變化來(lái)探測(cè)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)條件，反演巖土體的分布、特征和變化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖土體在更深、更大尺度上的觀測(cè)。物探兼有勘探與試驗(yàn)兩種功能，與鉆探相比，具有設(shè)備輕便、成本低、效率高、工作空間廣等優(yōu)點(diǎn)，但由于地球物理場(chǎng)固有的等效性，觀測(cè)數(shù)據(jù)的離散性和有限性，以及觀測(cè)場(chǎng)包含的誤差和其他場(chǎng)源的影響，導(dǎo)致了地球物理反演結(jié)果具有多解性，通常需要鉆探數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。此外，物探方法的空間分辨率不高，在解決巖土體空間分布及時(shí)間變化高精度探測(cè)方面仍存在不足。

隨著人類(lèi)對(duì)天空和太空探索，通過(guò)一定的觀測(cè)平臺(tái)，如衛(wèi)星、飛機(jī)、無(wú)人機(jī)等，從空中獲取大量地表信息成為可能，從而產(chǎn)生了一種不接觸物體而感知和觀測(cè)物體，并測(cè)量、分析和判定該物體或目標(biāo)的性質(zhì)、空間展布、類(lèi)型和數(shù)量的感知技術(shù)——遙感(童慶禧等， 2018)。借助于遙感技術(shù)，可以在更大尺度，甚至是在全球尺度下對(duì)巖土體進(jìn)行感測(cè)。遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)也非常豐富，包括可見(jiàn)光、紫外、紅外，甚至更長(zhǎng)或更短波段的電磁波。民用衛(wèi)星的空間分辨率已達(dá)0.25m，時(shí)間分辨率可達(dá)秒級(jí)； 合成孔徑雷達(dá)也已突破了云霧的限制，可以實(shí)現(xiàn)巖土體地表形變的高精度觀測(cè)。我國(guó)已建成了由空、天、地3個(gè)層次觀測(cè)平臺(tái)組成的大氣、陸地、海洋高分辨率先進(jìn)對(duì)地觀測(cè)體系(李德仁， 2013)。由于電磁波的穿透能力弱，目前遙感技術(shù)還難以對(duì)深部巖土體進(jìn)行有效的觀測(cè)。

傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律(數(shù)學(xué)函數(shù)法則)轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成(中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組，2005)。1870年前后，人類(lèi)進(jìn)入了電氣自動(dòng)化時(shí)代，電測(cè)式傳感技術(shù)得到飛速的發(fā)展，如今，集成化、多功能化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的傳感技術(shù)已遍布社會(huì)各個(gè)角落。通過(guò)在巖土體中安裝各類(lèi)傳感器，可以對(duì)巖土體物理、力學(xué)狀態(tài)的時(shí)空變化進(jìn)行觀測(cè)或連續(xù)監(jiān)測(cè)，從而對(duì)巖土體的災(zāi)變過(guò)程、劣化程度進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估，預(yù)測(cè)各類(lèi)工程災(zāi)害發(fā)生的可能性，以降低工程事故風(fēng)險(xiǎn)、減少工程災(zāi)害損失，其中： 20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的光纖傳感器相對(duì)于電測(cè)式傳感器，具有靈敏度高、體積小、耐高溫、防水、防潮、抗電磁干擾，可以遠(yuǎn)距離傳輸，易于實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量等特點(diǎn)，成為解決復(fù)雜條件下深部巖土體觀測(cè)的極具發(fā)展?jié)摿Φ男录夹g(shù)(施斌等， 2019)。

除了上述原位觀測(cè)技術(shù)外，地質(zhì)體中物質(zhì)組成和化學(xué)成分的原位檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)也在不斷發(fā)展，如常規(guī)地球化學(xué)方法、深穿透技術(shù)等。這些方法是利用地球化學(xué)的原理，研究一定區(qū)域內(nèi)甚至全球范圍內(nèi)，包括巖石、土壤、水系沉積物、地表水、植物及空氣中元素的分布情況，找出它們的地球化學(xué)規(guī)律，用于各類(lèi)礦產(chǎn)資源的勘查(謝學(xué)錦， 2002)。

從上述巖土體原位觀測(cè)技術(shù)(Observation)演化過(guò)程來(lái)看，作者將巖土體原位觀測(cè)技術(shù)大致分為5類(lèi)：第1類(lèi)是測(cè)量(Survey)技術(shù)，如水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀等； 第2類(lèi)是遙測(cè)(Remote sensing)技術(shù)，如遙感、航測(cè)等； 第3類(lèi)是檢測(cè)(Testing)技術(shù)，如現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等； 第4類(lèi)是探測(cè)(Exploration)技術(shù)，如鉆探和物探等； 第5類(lèi)是監(jiān)測(cè)(Monitoring)技術(shù)，如深部測(cè)斜、靜力水準(zhǔn)技術(shù)等。其中前兩類(lèi)技術(shù)主要屬于巖土體表面或淺表面的觀測(cè)，后3類(lèi)可深入巖土體內(nèi)部進(jìn)行觀測(cè)。

從所獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空連續(xù)性來(lái)看，目前這些技術(shù)還存在以下4個(gè)方面的不足：(1)時(shí)空都不連續(xù)，如常規(guī)測(cè)量技術(shù)； (2)時(shí)間不連續(xù)、空間連續(xù)，如探測(cè)和檢測(cè)技術(shù)； (3)時(shí)間連續(xù)、空間不連續(xù)，如點(diǎn)式類(lèi)監(jiān)測(cè)技術(shù)； (4)難以獲取巖土體深部的變化信息，如遙測(cè)技術(shù)。巖土體原位觀測(cè)技術(shù)的上述不足，阻礙了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，也是各種地質(zhì)災(zāi)害和巖土工程問(wèn)題難以準(zhǔn)確風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)預(yù)警的技術(shù)瓶頸。因此，發(fā)展巖土體時(shí)空連續(xù)的原位觀測(cè)技術(shù)，以滿(mǎn)足地質(zhì)與巖土工程災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警的要求，是防治地質(zhì)災(zāi)害，確保巖土工程安全，推動(dòng)學(xué)科發(fā)展的必由之路。

3 巖土體多場(chǎng)感知

針對(duì)現(xiàn)有巖土體原位觀測(cè)技術(shù)的上述不足， 2017年，施斌基于對(duì)人體感知神經(jīng)的認(rèn)識(shí)，在長(zhǎng)期研究巖土體光纖感測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了大地感知系統(tǒng)與大地感知工程的構(gòu)想(施斌，2017)。

大地是指對(duì)人類(lèi)活動(dòng)直接產(chǎn)生影響的地球表層圈，它包括人類(lèi)賴(lài)以生存的地質(zhì)環(huán)境以及在這個(gè)環(huán)境中建造的各類(lèi)地質(zhì)與巖土工程。這里指的大地不是一個(gè)空洞的概念，它是由具有一定結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的巖土體組成，并受地球內(nèi)外動(dòng)力和人類(lèi)工程活動(dòng)影響，在應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)等多場(chǎng)作用下發(fā)生各種物理與化學(xué)變化，它們的穩(wěn)定性直接關(guān)系到各類(lèi)基礎(chǔ)工程的安全和運(yùn)行。因此，大地多場(chǎng)感知也就是巖土體的多場(chǎng)感知。

所謂“感知”，對(duì)于人體而言，指的是人的意識(shí)對(duì)內(nèi)外界信息的覺(jué)察、感覺(jué)、注意、知覺(jué)的一系列過(guò)程，可分為“感”和“知”兩個(gè)層次(圖 2a)。前者指對(duì)信息(各類(lèi)刺激信號(hào))的接收，反映感知主體與環(huán)境客體的存在關(guān)系； 后者是信息解讀與破譯，使得內(nèi)心獲得各種感覺(jué)(主觀反映，如酸、疼、癢、暈、冷、熱等)。人體感知所依賴(lài)的是分布于全身的神經(jīng)系統(tǒng)，它們纖細(xì)、柔韌、敏感，其基本活動(dòng)方式是反射，即對(duì)內(nèi)、外環(huán)境的各類(lèi)刺激做出實(shí)時(shí)的、全方位的反應(yīng)，因此，感知的最大特點(diǎn)是時(shí)空連續(xù)性。

與人體感知功能比照，由于巖土體本身不存在所謂的感知神經(jīng)，因此，人類(lèi)必須給它安裝神經(jīng)系統(tǒng)，以感知巖土體的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、水分、滲流、位移、振動(dòng)、化學(xué)等多場(chǎng)多參量數(shù)據(jù)的時(shí)空連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)與巖土工程災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與臨災(zāi)的預(yù)警預(yù)報(bào)。它與巖土體常規(guī)檢測(cè)、探測(cè)和監(jiān)測(cè)的最大不同點(diǎn)是感知數(shù)據(jù)的時(shí)空連續(xù)性，以實(shí)現(xiàn)猶如人體一樣的感知功能，這是巖土體原位觀測(cè)的最高境界。顯然，要實(shí)現(xiàn)巖土體多場(chǎng)感知不是一件容易的事，其難度甚至超越機(jī)器人完全替代人的難度，但這并不妨礙人們向研發(fā)智能化更加強(qiáng)大的機(jī)器人和巖土體多場(chǎng)感知系統(tǒng)目標(biāo)的前進(jìn)步伐，因?yàn)槿祟?lèi)總是通過(guò)不斷的理論創(chuàng)新和技術(shù)發(fā)明去逼近這些目標(biāo)，而這一逼近的過(guò)程也是推動(dòng)學(xué)科發(fā)展和工程應(yīng)用的前進(jìn)過(guò)程。

圖 2 人體感知神經(jīng)與巖土體感知神經(jīng)示意圖Fig. 2 Schematic illustration of sensing nerves of human body and rock-and-soil materials a. 人體感知神經(jīng)； b. 巖土體感知神經(jīng)

從感知技術(shù)的角度，構(gòu)成一個(gè)巖土體多場(chǎng)感知系統(tǒng)(圖 2b)，必須具備相應(yīng)的感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(神經(jīng))、信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)(大腦)和數(shù)據(jù)分析感知系統(tǒng)(身體)，其中巖土體感知神經(jīng)最為重要，因?yàn)樗谦@取巖土體多場(chǎng)信息的媒介。感知神經(jīng)是一個(gè)寬泛的概念，成為感知神經(jīng)的傳感基元可以是傳感探頭、線、帶、面和體等，但是，只有當(dāng)傳感基元數(shù)量達(dá)到巖土體多場(chǎng)感知所需的密度要求，形成一定規(guī)模的傳感陣列時(shí)，才能稱(chēng)為感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。由于巖土體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在大量的不連續(xù)面，賦存環(huán)境又惡劣，故一個(gè)完備的巖土體多場(chǎng)感知系統(tǒng)必須滿(mǎn)足分布式、大范圍、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和魯棒性5個(gè)要求(施斌， 2017)，并且能夠充分感知巖土體內(nèi)部各種目標(biāo)要素在多場(chǎng)作用下的演變過(guò)程。因此，要實(shí)現(xiàn)巖土體多場(chǎng)感知，必須廣集相關(guān)學(xué)科先進(jìn)的光電感測(cè)新技術(shù)和新方法，并結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、BIM等手段，開(kāi)創(chuàng)巖土體多場(chǎng)感知新范式，以實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)的國(guó)家目標(biāo)。

4 分布式光纖感測(cè)技術(shù)與應(yīng)用

2000年以來(lái)，分布式光纖感測(cè)技術(shù)因其獨(dú)特的性能和優(yōu)點(diǎn)，在地質(zhì)與巖土工程防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展，成為構(gòu)建巖土體感知系統(tǒng)的重要手段。這類(lèi)技術(shù)是20世紀(jì)80年代伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種以光為載體，光纖為媒介，感知和傳輸外界信號(hào)(被測(cè)量)的新型傳感技術(shù)。光纖感測(cè)技術(shù)具有分布式、長(zhǎng)距離、無(wú)源、耐久性好、抗干擾性強(qiáng)、易組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為分布式監(jiān)測(cè)的首選技術(shù)，也是新一代監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要方向，十分適合巖土體感知系統(tǒng)的構(gòu)建。

圖 3 分布式光纖感測(cè)技術(shù)示意圖Fig. 3 Schematic of distributed fiber optic sensing(DFOS) technology

所謂分布式感測(cè)，是指利用相關(guān)的感測(cè)技術(shù)獲得被測(cè)量在空間和時(shí)間上的連續(xù)分布信息，而實(shí)現(xiàn)分布式感測(cè)的重要手段就是分布式光纖感測(cè)技術(shù)(Distributed Fiber Optic Sensing， DFOS)，見(jiàn)圖 3。DFOS利用光纖幾何上的一維特性，把被測(cè)參量作為光纖長(zhǎng)度位置的函數(shù)，感測(cè)被測(cè)參量沿光纖經(jīng)過(guò)位置的連續(xù)分布情況。將傳感光纖按照一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布置成一維、二維或三維網(wǎng)絡(luò)，就像在“死”的巖土體與工程結(jié)構(gòu)體中植上了能感知的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，感知被測(cè)對(duì)象相關(guān)參量在長(zhǎng)度、平面和立體上的變化規(guī)律。目前DFOS主要有用于溫度分布觀測(cè)的拉曼溫度感測(cè)技術(shù)(DTS)、用于應(yīng)變分布觀測(cè)的布里淵應(yīng)變感測(cè)技術(shù)(DSS)和用于振動(dòng)觀測(cè)的瑞利聲波感測(cè)技術(shù)(DAS)，簡(jiǎn)稱(chēng)3Ds。此外，準(zhǔn)分布式的布拉格光纖光柵感測(cè)技術(shù)(FBG)，特別是近年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的弱光柵感測(cè)技術(shù)(UWFBG)也得到了快速發(fā)展。

將特制的傳感光纖通過(guò)合理的布設(shè)工藝植入巖土體，即可使其成為大地的感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，原位感知多場(chǎng)信息變化，賦予巖土體“生命”，為掌握巖土體災(zāi)變的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律、提高防災(zāi)減災(zāi)水平提供技術(shù)支撐。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須攻克從巖土體光纖感知神經(jīng)、數(shù)據(jù)采集到分析與預(yù)警3個(gè)方面的技術(shù)瓶頸，其中多場(chǎng)感知神經(jīng)的研發(fā)最為關(guān)鍵，必須滿(mǎn)足堅(jiān)韌、敏感、多參量、多量程、高精度的感知要求。讓作者欣慰的是，最近十余年間，這些技術(shù)瓶頸正在不斷被攻克，巖土體多場(chǎng)光纖感知系統(tǒng)在崩塌(李曉赫等， 2018)、滑坡(孫義杰等， 2013； Zhang et al.，2017a, 2017b；Zhang et al.，2018a，2018b， 2021； Han et al.，2021a, 2021b)、泥石流(Chu et al.，2013； Li et al.，2021)、地面塌陷(盧毅等， 2018； 程剛等， 2022； 韋超等， 2022)、地面沉降(Wu et al.，2017；Gu et al.，2018； 施斌等， 2018； Zhang et al.，2018， 2020)和地裂縫(盧毅等， 2014；Suo et al.，2016； 張誠(chéng)成等， 2019)等地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域，以及樁基(樸春德等， 2008； 魏廣慶等， 2009； Lu et al.，2012； Zheng et al.，2021)、隧道(張丹等， 2004； 施斌等， 2005； Wang et al.，2018； Zhu et al.，2022)、管道(王德洋等， 2020； Fu et al.，2022； Li et al.，2022)、基坑(隋海波等， 2008； Han et al.，2021a)等多個(gè)地質(zhì)與巖土工程領(lǐng)域，得到了廣泛的應(yīng)用，為重大工程安全監(jiān)測(cè)與災(zāi)害預(yù)警做出了重要貢獻(xiàn)。同時(shí)，在滑坡誘發(fā)機(jī)理、地面沉降預(yù)測(cè)和采煤“三帶”定位等多個(gè)方向上產(chǎn)出了一批原創(chuàng)性成果(張丹等， 2015； Zhang et al.，2017a, 2017b； Sang et al.，2019； Shi et al.，2021； Cheng et al.，2022； Liang et al.，2022；Ye et al.，2022)，推動(dòng)了工程地質(zhì)學(xué)、巖土力學(xué)和巖土工程等學(xué)科的發(fā)展。

目前，巖土體多場(chǎng)分布式光纖感知技術(shù)已成為各國(guó)競(jìng)相研發(fā)的尖端技術(shù)。未來(lái)，應(yīng)用暗光纖感知各類(lèi)基礎(chǔ)工程與設(shè)施的場(chǎng)地穩(wěn)定性是巖土體多場(chǎng)光纖感知研究的一個(gè)十分重要的課題。通過(guò)功能性傳感光纜研發(fā)，實(shí)現(xiàn)光纖傳感技術(shù)“望”、“聞”、“問(wèn)”、“切”的全方位感知功能，同時(shí)，基于大數(shù)據(jù)和AI技術(shù)，增強(qiáng)巖土體災(zāi)變事件的光纖認(rèn)知功能，是巖土體災(zāi)變多場(chǎng)光纖感知技術(shù)的發(fā)展方向，最終實(shí)現(xiàn)大地感知與智慧控災(zāi)。

5 結(jié) 論

巖土體原位觀測(cè)是推動(dòng)工程地質(zhì)、巖土力學(xué)和巖土工程學(xué)科發(fā)展不可或缺的關(guān)鍵一環(huán)。由于巖土體的自然屬性，其內(nèi)部組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造表現(xiàn)出高度復(fù)雜性、隨機(jī)性和隱蔽性，以及在多場(chǎng)作用下變化的多樣性，因此，目前的原位觀測(cè)技術(shù)由于存在時(shí)間和空間上的觀測(cè)不連續(xù)性，還無(wú)法滿(mǎn)足地質(zhì)與巖土工程災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)測(cè)預(yù)警的要求。本文在闡述了巖土體原位觀測(cè)重要性的基礎(chǔ)上，從巖土體原位觀測(cè)技術(shù)測(cè)量、遙測(cè)、檢測(cè)、探測(cè)和監(jiān)測(cè)的歷史演化過(guò)程出發(fā)，進(jìn)一步闡述了巖土體多場(chǎng)感知的概念、技術(shù)與特點(diǎn)，認(rèn)為時(shí)空連續(xù)的巖土體感知技術(shù)是地質(zhì)與巖土工程原位觀測(cè)的一個(gè)新范式，是巖土體原位觀測(cè)的最高境界，而分布式光纖感測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)巖土體多場(chǎng)感知的重要手段。

我們相信，隨著信息技術(shù)和傳感技術(shù)的迅猛發(fā)展，巖土體多場(chǎng)感知技術(shù)必將更加豐富和多樣，使得大地感知系統(tǒng)更加完善和提升，為防治地質(zhì)災(zāi)害，確保巖土工程安全，實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展保駕護(hù)航。

致 謝感謝博士生孫夢(mèng)雅在論文成稿過(guò)程中做了大量工作。