巖體崩塌災害成因機制與早期預警研究綜述

杜 巖 謝謨文 蔣宇靜 陳 晨 賈北凝 霍磊晨

（1.北京科技大學城市地下空間工程北京市重點實驗室，北京100083；2.山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東青島266590；3.中關村智連災害感知科學研究院，北京102100；4.建設部綜合勘察設計研究院有限公司，北京100007）

隨著我國“深地、深海、深空、深藍”重點戰略的深入部署，深部巖石力學問題成為巖土工程領域的研究熱點，并取得了許多積極成果，而反觀地面巖石力學問題中的崩塌災害，其早期預警卻遲遲未能得到有效解決。根據相關統計，2020年上半年我國發生地質災害1 747起，造成直接經濟損失10.1億元，其中崩塌災害有678起［1］。崩塌災害具有分布范圍廣、隱蔽性高、突發性強，危害性大等特點［2］，因此作為地面巖石力學中最主要的關鍵性課題之一，開展崩塌等脆性破壞災害早期預警研究無論是在礦山工程安全需求方面，還是在全國地質災害預警預防方面，都將具有重要的理論意義與應用價值。

基于此，本研究首先從崩塌災害的成因機理方面展開論述，并對崩塌災害內部主控因素與外部致災因子進行總結分析，為崩塌災害早期預警研究提供基礎理論支持。隨后在巖體崩塌主控因素巖橋損傷識別與巖體穩定性評價的基礎上，分別從危巖體快速識別、早期預警理論方法以及監測預警指標體系等方面進行分析；最后對目前巖體崩塌災害早期監測預警研究的技術瓶頸以及未來的應對策略進行了討論，以期為從事巖體崩塌等脆性破壞災害預警預防的研究人員與現場工程技術人員提供有效參考。

1 崩塌災害成因機理與致災因子

1.1 崩塌災害成因機理

傾斜陡坡上的巖體在重力作用下突然與母體脫離發生崩落，這種地質現象即為崩塌。關于崩塌的成因，雖然可簡化為由不同的結構面和裂隙面的組合與切割所致，但實際上崩塌的成因種類繁多也十分復雜。STROM等［3］通過對天山山脈9個特大型巖質邊坡實地勘察發現，破壞大多位于活動斷層附近，認為強烈的地震震動可能觸發了這些大規模的巖體滑動破壞。陳洪凱等［4］在工程巖體穩定性評價研究中得出泥巖內腔在陡崖底部的形成會促使崩塌災害發生。馮振等［5］通過對南川甑子巖山體崩塌案例的研究得出，崩塌的成因主要有自然孕育、巖溶風化、人類活動等多個方面：巖體中傾斜節理發育，卸荷作用下在陡崖邊緣形成張拉裂隙，地下采空加速軟弱基座破壞變形，當應力累計超過巖體強度時發生崩塌破壞。曹衛剛等［6］在分析鎮地壩古崩塌中總結出在崩塌形成過程中大致經歷了地層形成、地殼抬升、溶蝕初期、溶洞擴大、溶洞垮塌、傾倒崩塌6個階段，得出地下溶洞垮塌是傾倒崩塌的直接原因。劉傳正等［7］通過分析魯甸地震引發的紅石巖崩塌災害，認為地震加速度和地震持續時長是引起紅石巖山體破壞的主要原因。因此，實際發生的很多崩塌災害的成因機理都有可能不盡相同，不僅會受到巖體強度、結構面力學狀況和邊界條件等多個內部主控因素的耦合作用，還會受到降雨、地震、凍融、人類活動等多種外部致災因子的影響［8-10］。

雖然學術界在單體崩塌災害的成因機理研究方面已經取得了一定的進展，但現有研究多為崩塌災害事后的成因機理分析，很少能實現崩塌災害發生前（即孕災過程中）崩塌災害發生、發展的完美演繹。由于不同地區不同環境下崩塌災害發生的成因不盡相同，因此只有在了解崩塌災害多發區特殊的地質、水文等條件的基礎上，針對性地開展崩塌災害內部主控因素和外部致災因子研究，方可更好地實現崩塌災害的科學預警和預防。

1.2 崩塌災害內部主控因素

崩塌災害的發生與巖體及其所處的地質環境條件等內部主控因素密切相關。按照主客觀條件，可以將這些因素分為兩類：第一類為巖體主觀因素，如巖體強度、結構面粗糙程度、裂隙貫通率等巖體自身控制因素，這些因素直接影響巖體的強度，為崩塌災害最直接的主控因素；第二類為地質環境等客觀因素，如斷層、溶洞等巖體所處的不利地質條件，又如陡崖等崩塌災害易發的地形地貌等。

雖然影響崩塌災害的內部主控因素很多，但最終的結果是巖體中潛在結構面強度的降低，造成巖橋的損傷破壞，進而造成巖體崩塌的發生［11］。由于巖橋長度和節理間距決定邊坡巖體的穩定性，并控制崩塌災害破壞失穩的發生［12］，因此不少學者對此進行了大量研究并取得了一系列成果。朱振飛等［13］對花崗巖巖橋試樣進行了單軸壓縮試驗和聲發射監測，獲得的裂紋擴展的聲發射特征為巖橋破壞機制研究和監測提供了依據。陳國慶等［14］通過不同路徑巖橋試驗得出巖質邊坡中巖橋貫通是巖體崩塌失穩的重要誘因。鄭銀河等［15］提出了一種考慮巖橋破壞的塊體穩定性分析方法，并將阻礙塊體移動的巖橋抗剪切力納入塊體的抗滑力中。因此，巖橋的存在使非貫通結構面巖體的受力及破壞特征都發生了明顯變化，不僅會造成巖體整體的破壞特征有所區別［16］，還會導致結構面端部應力的高度集中以及臨滑階段剪應力增速有所降低［17］。類似于材料科學中的位錯機制理論，巖體中存在的這些內部缺陷，是導致巖體破壞前產生明顯非協調性變形的根本原因［18］。由于目前經典連續介質力學理論忽略了巖體的內部主控因素以及巖體破壞前的非協調應力應變狀態，使得在解釋巖體崩塌破壞啟動彈沖加速機制方面存在一些不足［19］。最新的試驗研究表明，巖橋鎖固段大小對巖體破壞時的啟程劇動模式影響顯著［20］。因此在不同的工程案例研究中，需開展工程巖體內部主控因素的精細化識別，在分析巖橋力學指標與損傷狀態的基礎上，實現巖體崩塌破壞時的彈沖效應與巖體破壞前的非協調性變形等理論與技術方法的突破，可為工程現場更好地應對崩塌災害提供理論支持。

1.3 崩塌災害的外部致災因子

崩塌災害的發生不僅與其內部主控因素有關，還會受到外部致災因子的影響。目前，崩塌災害外部致災因子可以分為兩大類：一類是大氣降雨、地震、風化、河流侵蝕、植物根劈和晝夜溫差、冰雪凍脹等自然作用因子［21］，第二類是爆破、施工擾動等人為作用因子。以降雨誘發性崩塌災害為例，強降雨會增加主控結構面中的孔隙水壓力和動水壓力，弱化其力學特性，加速裂隙結構面發育和巖橋貫通，致使崩塌災害在汛期多有發生。“8·14”成昆鐵路山體崩塌災害就是降雨誘發性崩塌災害的典型案例，該起崩塌災害發生前曾有1 d內降雨量達到1 099.1 mm，連續的降雨弱化了泥質白云巖構成的山體軟弱夾層，并加速了結構面裂隙發育，最終頂部巖體在重力作用下發生崩落［22］。因此，外部致災因子可能會弱化巖體力學性能，加快巖橋損傷，進而在形成風險性較高的危巖體后發生突發性的崩塌破壞。

許多學者的研究也證實了上述外部致災因子對崩塌災害的誘發作用。趙吉坤等［23］建立了三維陡峭巖體模型，在地震波作用下，模擬分析了巖體漸進式破壞演化動態過程。結果表明：在水平向橫波作用下，左側巖體漸進式破壞嚴重，呈現出斷裂—分離—接觸碰撞—再分離的運動演化過程。曾芮等［24］研究得出強降水作用使得巖體后緣裂隙快速充水，對巖體產生向外的推力，成為巖體崩塌傾倒破壞的直接誘因。何思明［25］通過分析崩塌滾石災害的形成條件，認為地震在引起巖體上下振動時可能將危巖體振松，巖體左右晃動可能將巖體沿著臨空方向推出；水滲入危巖體裂縫中會產生較大的水劈和冰劈作用；人類活動會引起巖體內應力重分布，加速裂隙發展。ZHANG 等［26］和許強等［27］通過對重慶武隆雞尾山崩塌案例的分析研究，發現采礦等人類活動是誘發此次崩塌災害的主要致災因子。

綜合上述的眾多崩塌災害案例，有的呈現明顯的季節性特征，如汛期（降雨、地下水位上漲）是崩塌災害的多發期；有的與地震等劇烈的地質活動有關，如震后出現的大量崩塌災害［28］；有的與礦山開采等人類活動有關，如武隆雞尾山崩塌［27］等。由于導致巖體崩塌的外部致災因子較多［29］，因此只有收集更多致災因子的信息才能更好地實現崩塌災害的預警和預防，而集成多個監測技術與分析指標的綜合性預警平臺并輔以大數據分析的智能化監測預警技術［30］，是實現崩塌災害風險識別與監測預警的有效手段。

2 巖體損傷與穩定性評價

2.1 巖橋損傷識別方法

巖體由穩定到崩塌破壞的全過程中，也伴隨著強度的實時退化，主控結構面的損傷與斷裂的發生發展是崩塌災害機制研究與預警預防的關鍵［31］。因此，開展巖橋損傷識別并對其進行動態監控，是巖體崩塌災害早期預警需解決的關鍵性問題之一。

巖體在破壞前，一般需要經歷穩定階段、分離階段和加速破壞階段。穩定階段巖體的損傷較小，穩定性良好；分離階段通常伴隨裂隙擴展、小變形或小顆粒巖石掉落等；加速破壞階段則伴隨著潛在破壞面上巖橋強度的喪失［32］，進而導致崩塌破壞發生。分離階段和加速破壞階段各有特點，但實際上都反映了危巖體內部結構面的損傷情況發生了質的變化。

由于巖體可以被認為由剛度、質量、阻尼等物理參數組成的力學系統，一旦其結構面發生損傷引起系統物理特性的變化，必然使得動力學指標等發生相應的變化。以傾倒式巖體為例，假設將巖體視為一定質量的剛體，巖橋簡化為彈性體，巖體物理力學模型及其簡化動力學模型如圖1所示。

基于動力學模型，巖體的振動方程可表示為

式中，M為試塊質量，kg；L為試塊重心到原點O的距離，m；K為巖橋剛度系數，N/m；l為巖橋長度，m；θ為轉角，rad；θ¨為轉角加速度，rad/s2。

根據式（1）可得巖體的固有振動頻率f，其計算公式為

假設應變達到最大應變量時，巖體產生破壞，則結構面強度T可進行如下計算：

式中，μ為黏結系數；θmax為破壞最大轉角，（°）。

將式（3）代入式（2）可得固有振動頻率方程為

當其他條件不變時，隨著巖橋長度l降低，會導致固有振動頻率等動力學指標發生顯著下降，意味著巖體與母巖開始分離，并趨于破壞危險。由式（4）可知，當巖橋發生損傷導致結構面強度發生下降時，巖體的動力學指標會發生相應的趨勢變化。

大量研究顯示，相對于位移等傳統監測指標，固有振動頻率等動力學指標在分析巖體結構面強度以及巖橋損傷等方面具有較好的指示作用［33-36］。因此開展基于實時動力學指標監測數據的損傷識別技術研究是未來巖體巖橋損傷識別的研究方向之一。

一般來說，巖體的累積損傷破壞潛伏期較長，且是由微小的損傷裂縫引起的，很難用肉眼或觀測儀器進行分析識別。最新的研究成果顯示，固有振動頻率等動力學指標可以有效反映巖體在累計損傷后自身屬性的變化，進而實現巖橋的損傷識別［37］。相關工程實踐和研究成果［38］表明，基于實時監測數據的間接損傷識別技術具有可行性強、識別效率高與經濟成本低等優點，可以在礦山工程領域進行推廣應用，尤其是在危險性和施工難度較大的高陡邊坡危巖體識別等方面具有無可比擬的優越性。

2.2 巖體穩定性評價方法

目前國內已經有比較成熟的危巖穩定性分析與評價方法問世，如楊志法等［39］在深入研究工程類比法的理論依據與應用條件后，提出了可比度的概念和以影響因素分析為基礎的可比度分析方法。王玉瑣等［40］提出采用初步定性評估和細部定量評估相結合的隧道洞口段危巖落石風險評估方法，根據危巖風險情況將危巖分為小心、注意、危險、極危險4個等級。董好剛等［41］選取地形地貌、地層巖性、巖體結構、危巖體規模、水的作用、風化作用、土地利用類型7個因子作為評價指標，建立了危巖穩定性評價數學模型，并根據穩定性指數對危巖穩定性進行了評價。王新民等［42］運用層次分析法確定了影響邊坡穩定性的安全評價指標的權重系數，根據可拓學理論構造了經典域物元、節域物元和可拓集合中的關聯函數，建立了巖質邊坡穩定性安全評價的層次分析法-可拓學模型。陳滔等［43］以黃金坪水電站進水口邊坡為例，結合工程地質條件和監測資料分析了強烈松弛巖質邊坡的變形特征，并應用FLAC3D軟件對巖體穩定性進行了評價，為同類工程提供了參考。王述紅等［44］將可拓理論和地震力對巖體穩定性的影響相結合，考慮了地質條件、環境條件、工程條件等多種影響因素，提供了一種邊坡穩定性分析的綜合評價方法。杜時貴等［45］基于結構面空間位置、規模大小與邊坡匹配關系的分層分析，提出了系統評價大型露天礦山邊坡巖體工程穩定性的分級分析方法，不僅實現了巖體結構面抗剪強度精細取值定準，而且建立了精細的巖體穩定性計算模型。劉賀軍等［46］應用赤平投影法，結合基于剛體極限平衡理論的穩定性定量計算方法對邊坡進行了穩定性分析。袁維等［47］基于懸臂梁計算理論，推導了任意形狀的倒懸危巖體在水平地震荷載和自身重力作用下最危險截面的最大拉應力計算公式，建立了最大拉應力的地震時程曲線模型，同時將最大拉應力強度準則作為危巖體裂縫擴展的依據，并結合彈性應變能與裂縫擴展能量密度之間的關系，提出了裂縫擴展深度的計算方法。鄔愛清［48］以關鍵塊體理論為基礎，提出了任意形狀塊體的體積計算、凹形塊體幾何構型以及考慮一般水壓模式條件下的塊體水載荷計算等一系列方法，實現了復雜巖體地質結構面切割條件下的關鍵塊體識別及多種載荷組合下的關鍵塊體穩定性評價。

大量研究表明，目前無論是定性的穩定性評價還是定量的穩定性評價方法，在理論研究或技術應用水平方面都有了顯著提升，很多方法通過采用新的數學理論與物理力學模型，實現了更為科學準確的巖體安全評價，但在如何實現巖體快速動態穩定性評價方面還有待于進一步研究。

巖體崩塌災害發生之前的孕災過程中，巖體的穩定性不斷降低，因此巖體穩定性動態評價作為一項極為重要的內容，可以為現場科學決策提供合理依據。國內外最新研究顯示，巖體的動力特性監測可以為危巖體安全評價提供損傷后的分析參數［49］，并實現基于動力學監測指標的巖體穩定性動態評價，例如固有振動頻率等指標不僅可以定量分析巖體巖橋的損傷，還可以為巖體動態穩定性評價提供新的技術支持［50］。隨著新型監測技術不斷更新與損傷識別技術不斷發展，基于模態參量變化的穩定性動態評價方法必將會成為一種新的發展趨勢，為現場危巖快速識別和崩塌災害的預警和預防提供新的技術支持。

3 崩塌災害的早期預警研究新進展

崩塌災害的早期預警研究一直是巖土工程與防災減災工程中的難點和熱點問題。由于崩塌災害預警時效性差，使得人們在災害來臨前很難有充足時間實現風險防范與應急疏散，因此人類在巖體崩塌等脆性破壞災害預警方面仍處于被動預防態勢。

為了有效減少崩塌災害帶來的人員傷亡，工程中通常先行對可能發生崩塌危險的巖體進行分析評價，從而達到提前進行規避與重點防范的目的。在此基礎上，開展崩塌災害的早期預警理論方法研究與監測預警指標體系構建，是改變目前巖體崩塌等脆性破壞災害早期預警被動預防態勢的關鍵。本研究從危巖體的快速識別技術、崩塌災害的早期預警理論方法、監測預警指標體系與振動監測新技術等4個方面進行分析，為地質災害預警和預防的相關研究者和工程實踐人員提供參考。

3.1 危巖體快速識別

由于目前崩塌災害監測預警時效性不足，工程中通常對瀕臨破壞的危巖體進行快速定量識別，進而達到提前規避與風險防范目的。通常，工程師需到現場對可能發生崩塌災害的巖體進行現場核查，在收集變形開裂監測數據的基礎上，通過穩定性分析判斷危巖體。近年來，隨著技術的進步，特別是傾斜攝影技術、合成孔徑雷達干涉測量技術（InSAR）、激光多普勒測振技術（LDV）等天—空—地一體化監測技術的發展，危巖體快速識別的效率和準確性得到了進一步提升。

陳宙翔等［51］采用無人機傾斜攝影技術獲取危巖體高清影像資料，建立了空間模型獲取危巖體特征參數，從而識別了強震區公路高位危巖體。郭學飛等［52］以北京房山區一處典型崩塌隱患點為例，采用傾斜攝影測量技術獲取了研究區三維實景模型，通過獲取崩塌災害隱患的一系列信息，為崩塌災害隱患勘查提供了參考。王學良等［53］針對山區輸變電工程的危巖體識別問題，分析了傳統測量方式的缺點并考慮到無人機獲取巖體結構面信息的技術優勢，提出了區域工程地質分區—區段遙感分析—山體無人機航拍—巖體結構特征分析的崩塌危巖體識別方法。岳發政等［54］利用地基合成孔徑雷達干涉測量（GB-InSAR）技術監測得到貴州某崩塌殘余危巖體的毫米級高精度連續形變結果，并對殘余危巖體可能發生的二次崩塌和穩定性進行了評估。葛大慶等［55］綜合分析了InSAR在崩塌等地質災害隱患早期識別中的應用情況，并給出了InSAR不同技術方法的適用條件。謝謨文等［56-58］將GIS應用到邊坡巖體的三維穩定分析中，實現基于三維穩定性評價的危巖體定量識別。MUTAR等［59］提出了一種基于機載和地面高分辨率激光掃描數據（LiDAR）的落石災害綜合評價方法，通過開發基于Bagging神經網絡的混合模型來識別落石源。考慮到不同識別方法各有特點，許強等［60］提出構建星載平臺、航空平臺、無人機攝影和地面平臺相結合的天—空—地一體化的多源立體觀測體系，綜合利用現有技術手段，通過“三查”（衛星普查、無人機詳查和人工核查）精確識別危巖體。DU等［61］提出了一種基于LDV的危巖體識別方法，通過固有振動頻率與振動振幅兩個指標實現危巖與穩定巖體的區分，為危巖體快速核查識別提供了新的技術支持。總體上，InSAR、LiDAR、GIS、無人機航拍、LDV等遙感監測技術手段大大提升了現場不良地質體的識別效率，節省了大量人力物力；通過這些技術手段的綜合應用，進一步提高了危巖體識別準確率，為現場提供了較為精確的崩塌災害重點防范區域或巖體目標。

雖然目前危巖體快速識別的技術手段很多，但是從力學指標方面實現危巖定量判識還存在一定的缺失。目前在危巖體力學分析中，往往根據經驗或行業標準設置一個取值在1.05～1.50范圍內的安全系數來實現危巖體的分析識別。如在鐵道工程中，通常取安全系數小于1.5的巖體為危巖體，而在水利、礦山等工程中，通常將安全系數小于1.15的巖體認定為欠穩定的危巖體。判識標準的不統一，使得同一巖體在不同工程或不同行業標準下會得出截然不同的評價結論。因此，引入合適的力學指標并建立一套統一的力學判識方法是未來危巖快速定量識別研究的發展方向之一。

由于不同崩塌的致災因子、所處環境、發展過程、成災范圍等都不盡相同，所以危巖體等地災隱患排查仍存在較大難度，尤其是目前現場可用的勘察手段仍然十分有限，且存在信息源相對單一、力學評判標準不統一等諸多問題，因此還需要開展一系列面向重大地災隱患早期識別的理論與技術方法研究。只有這樣才能突破目前傳統地災隱患排查的技術瓶頸，建立高效科學的自然災害防治體系，為更好地應對崩塌災害提供切合實際的潛在隱患點或重點關注區。

3.2 巖體崩塌早期預警理論方法

傳統的早期預警思路是基于加速破壞前兆識別的預警方法，其預警時刻與災害發生時刻接近，因此該方法在崩塌等脆性破壞災害的早期預警方面存在諸多限制［32］。以土質滑坡（塑性破壞災害）與崩塌（脆性破壞災害）對比為例，土質滑坡加速破壞階段較長，破壞前有明顯的加速破壞前兆，如位移增大等，且前兆異常事件與其發生時刻有較大的時間差；而針對崩塌災害，由于其加速破壞階段時間短，傳統方法很難達到早期預警的目的［32］。

國外學者通過對巖體崩塌破壞的研究發現，巖體在破壞前一般需要經歷兩個階段：一是分離階段，二是加速破壞階段［62］。因此，在預警方法理論研究中，可將邊坡巖體從穩定到破壞全過程分為3個階段：穩定階段、分離階段和加速破壞階段。

（1）穩定階段。該階段邊坡巖體與母巖有效黏結，巖體與母巖為一整體，符合靜力平衡狀態。該階段目標巖體的抗滑力可完全由潛在結構面上的黏聚力提供。

（2）分離階段。隨著結構面強度降低，巖體黏聚力隨之下降，當其不足抵抗下滑力時，開始進入分離階段。此階段巖體在結構面的破裂位置開始逐漸形成連續的結構面，并從母巖分離。由于抗滑力中有摩擦力的作用，該階段內巖體處于弱穩定狀態（即危巖體），大部分危巖體都處于分離階段。相較于強穩定階段，該階段會因巖體結構面強度的下降，造成固有振動頻率等動力學參量發生變化。

（3）加速破壞階段。當邊坡巖土體進一步受到摩擦力達到最大靜摩擦力后，塊體產生滑動，摩擦力不足彌補黏結力的進一步損失，邊坡巖體位移急劇增大，發生破壞失穩。該階段持續時間極短，一般在數秒之內。

崩塌災害3個階段的預警效果對比如表1所示。由表1可知：相對于穩定階段和加速破壞階段，基于分離階段的崩塌災害預警效果無論在距離破壞時間的時效性上，還是在可實施性方面都具有明顯的優勢，因此基于分離破壞前兆識別的早期預警方法在崩塌災害的預警和預防方面具有較好的適用性。

在過去的數十年內，人們在崩塌災害的早期預警研究中，更多關注的是加速破壞階段，監測中往往只能識別崩塌的發生，因而在這些脆性破壞災害的早期預警實現方面存在困難。前期的試驗研究表明，基于加速破壞階段前兆識別的早期預警思路，雖然可以實現對崩塌災害的判識，但是無法實現崩塌的早期預警；通過分離破壞前兆識別的早期預警思路，往往可以提前實現崩塌災害預警［63］。試驗中，基于分離破壞前兆識別的早期預警提前了65 s對巖體崩塌破壞進行預警，充分利用了早期預警黃金期，如圖2所示［63］。根據不同案例黃金時間段的時間長短，可分別提前短則數十秒、長則數十小時［64］的風險應對時間，因此，關注分離破壞前兆并進行分離破壞前兆識別預警方法研究，可以實現崩塌災害的應急預警和風險規避，進而有效改變巖體崩塌等脆性破壞災害早期預警的被動預防態勢。

3.3 巖體崩塌災害監測預警指標體系

目前，邊坡工程中常用的監測指標都是以應力、位移等靜力學指標與降雨、地下水位等環境量指標為主，雖然這些指標在崩塌識別精度或降雨誘發的崩塌案例應用中具有很好的效果，但是在大部分的崩塌災害案例中的預警時效性、準確率和可實施性方面還存在一些問題。以位移變形為例，雖然可以根據變形—時間曲線，提出不同尺度的時間預測預報模型方法，如采用速度倒數模型或齋藤迪孝模型等，但是因崩塌加速變形階段的快速性和突發性，很難實現巖體崩塌的早期預警［65］。

巖體崩塌多為巖體與邊坡巖體黏結程度不斷降低而導致的動力破壞［32］。20世紀90年代，部分學者通過引入動力學指標來對巖體崩塌災害的監測指標體系進行補充［35，66］，隨后國內外很多學者在此基礎上開展了一系列崩塌災害監測與早期預警研究。BURJANEK等［67-68］利用環境振動來分析邊坡的動力響應，通過f-k方法、基點光譜比率法、時頻依賴極化等方法對潛在不穩定邊坡體的波場進行了分析，認為巖體動力特征評價是一種十分新穎的評價方法，可將穩定區域與不穩定區域進行有效劃分。陳洪凱等［69-71］針對砂巖和泥巖交互沉積地區的危巖崩塌災害探討了崩塌形成機制，基于損傷力學和斷裂力學對巖體主控結構面端部損傷特性、巖體彈沖動力參數和頻域特征進行了大量研究，得出危巖破壞具有鏈式效應，且會出現不同的振動特征差異；MA等［72-73］以混凝土試塊為例，通過不同邊坡坡度和不同質量滑塊等系列試驗，進一步證明固有振動頻率不僅可以定量分析巖體的穩定情況，還可以為危巖體定量識別提供參考；杜巖等［74-76］通過建立巖體動力學模型，在室內試驗中通過固有振動頻率監測實現了巖體損傷識別與動態穩定性評價，認為固有振動頻率等動力學指標可以作為崩塌災害監測預警的敏感性指標。VALENTIN等［34］通過對振動監測信號的頻譜分析，得出不同的動力學參數，揭示了動力學指標對巖石斷裂的指示作用，認為可通過監測這種斷裂的發生來實現巖體崩塌的早期預警。

越來越多的研究顯示，動力學監測指標可滿足巖體崩塌等脆性破壞災害損傷監測的需求，從而進一步豐富現有的崩塌災害監測預警指標體系［77］。更為重要的是，作為巖體直接本質屬性，動力學指標監測可以識別崩塌前兆異常現象，并在預警的科學性和時效性方面發揮更為積極的作用，越來越多的動力學指標監測方法在礦山工程等巖體脆性破壞災害的早期監測預警中取得了很好的效果［78-81］。

圖3是某邊坡巖體崩塌前1 150 s的固有振動頻率曲線。分析可知：該巖體在610 s左右發生分離破壞前兆，并進入分離階段，隨后在1 145 s左右發生加速破壞前兆，并在1 150 s發生滑移破壞，而位移指標由于無法識別損傷，無法反映巖體的分離破壞前兆現象。因此在實際工程中，可通過構建多層次動力學參量與結構面力學強度關系損傷模型，定量分析巖體從穩定到破壞的動力特征整體變化規律，進而為巖體崩塌破壞早期預警研究提供理論依據。這些損傷關系模型的構建，不僅可為動態調整巖體崩塌災害動力學預警閾值提供分析模型，還有助于分析巖體崩塌災害的全過程變化規律，為進一步提升巖體崩塌災害早期預警成效提供一定的理論依據。在后續研究中，通過引入多種動力學參量，構建多個動力學參量與巖體結構面強度關系模型，建立一套集成多層次動力學指標的三位一體監測預警指標體系，為巖體崩塌災害等脆性破壞災害提供相對豐富的監測指標與相對完善的預警方案。

3.4 巖體崩塌災害振動監測新技術

雖然理論與工程試驗研究得到的基于動力學指標的監測預警方法與監測指標體系可以在脆性破壞災害預警監測中發揮積極作用，但在實際監測中，動力學監測預警指標體系的應用限制更多的來自于設備層面。

目前邊坡工程中常用的動力學指標監測技術主要有加速度計、微震（聲發射）［82］等原位測振技術。雖然這些技術監測精度較高，在一些工程開挖邊坡、隧道等領域應用效果較好，但是針對高山峽谷地區邊坡巖體的監測，在設備安裝、能源持續性以及儀器更新維護等方面存在諸多限制。例如，原位設備在陡峭巖壁上安裝困難，電源續航能力不足以支撐設備長期運行；嚴寒等惡劣環境大大增加了儀器在野外的故障率，從而增大工程的維護成本等，這些問題造成動力學指標難以廣泛應用于高陡邊坡巖體穩定性監測。針對這些問題，新型原位測振技術的研究者開展了從簡單模塊組合到復雜芯片集成的升級改造，目前以微芯樁為代表的新型原位測振技術以智能化、一體化、小型化、低成本、低功耗等特點，在礦山、水利等領域發揮了越來越大的作用。

此外，隨著光學監測技術的發展，新一代遙感測振技術可以實現300 m以外邊坡巖體的遠程振動監測［32］，有效解決了目前高陡邊坡巖體振動監測的難題。較典型的光學監測設備如激光多普勒測振儀（LDV），該設備是利用激光束發射到被測物體表面，并且由于該表面的運動使反射的激光束產生多普勒頻移，提取被測物表面高精度的振動特征。相對于原位測振技術，其遠程監測點位設置靈活，可以選擇有市電供應的監測地點，從而有助于解決監測設備能耗供應問題；同時LDV能在高壓、低溫、易燃易爆等惡劣環境下可靠運行，因此可在嚴寒等惡劣條件下實施連續監測。此外，新技術還具有高精度、高靈敏度、高監測效率與超長監測距離等特點，在有效保證監測人員安全的同時，還可實現多處巖體的同時在線監測，從而大大提高監測效率。

目前傳統的原位振動監測技術無法有效滿足高山峽谷地區巖體崩塌等脆性破壞的實際工程需求，系統開展新型測振技術研發，并進行高山峽谷以及施工難度較大的巖土邊坡等高危地區的工程監測應用研究十分必要。例如基于LDV等遠程動力學參數的遙感監測技術，不僅可以在目前高山峽谷地區巖質邊坡和不穩定巖體實時動態模擬和安全評價方面進一步發揮作用［81］，還可為實現基于輸出模態損傷識別技術的巖體健康評價提供技術支持［82-84］，從而實現巖體崩塌災害的高效預警和預防。由于新型測振技術在監測效率、可實施性、智能化以及安全性保障方面存在顯著優勢，在工程現場可通過對多個動力學指標進行遠程監測，實現時域動力學指標、頻域動力學指標以及模態指標的獲取，通過集成多層次動力學指標損傷識別模型，建立一套基于多層次動力學指標的分離破壞前兆識別方法，進而在巖體穩定分析評價的基礎上，實現巖體崩塌破壞的早期監測預警，目前該監測技術與預警思路正在猴子巖邊坡等高風險地區進行工程應用，取得了良好的效果。

4 崩塌災害早期預警研究展望

隨著我國“一帶一路”等重大戰略的深入部署，川藏鐵路、烏東德水電站、中緬油氣管道等重大交通、水利和能源工程將在復雜多變的高山峽谷進行建設，不可避免地會加劇崩塌災害的破壞風險和數量等級。例如我國的川藏鐵路建設就將穿越世界上地質災害最發育的高山峽谷地區，工程作業人員時刻受到巖體崩塌等脆性破壞災害的威脅。目前尚無法實現對巖體崩塌災害的高效預警，原因在于：

（1）崩塌等脆性破壞災害的監測預警理論研究不足。在過去的數十年內，根據相關檢索與統計，中國知網上主題為“泥石流”與“滑坡”的監測預警期刊文獻高達1 100余篇，而主題為“崩塌”的監測預警文獻僅為160篇左右，有關崩塌等脆性破壞災害監測預警基礎理論研究論文僅占兩者總數的12%左右，遠遠無法滿足礦山工程等崩塌災害多發區脆性破壞災害預警預防的需要。值得注意的是，人們在很長時間內傾向于將塑性破壞災害的早期預警思路應用于崩塌等脆性破壞災害的早期預警研究中，工程實踐中也時常將崩塌災害置于滑坡等塑性破壞災害監測框架體系下，人類對脆性破壞災害預警理論研究缺乏足夠重視使得崩塌災害的預警理論研究發展有所滯后。

（2）危巖體的定量識別標準不統一。危巖體的定量識別是實現巖體監測預警的前提，由于目前在巖橋損傷識別與巖體動態穩定性評價方面存在諸多困難，現階段仍無法從力學角度客觀準確地識別高風險危巖體。例如危巖體的力學分析指標不完善、判識標準不統一等使得現場在危巖體判識方面存在諸多問題。

（3）巖體穩定性評價技術時效性差。一般來說，巖體的動態穩定性評價技術是監測預警有效實施的基礎。如果崩塌災害的早期監測預警不能從巖體穩定性評價結果的基礎上考慮，則會使得崩塌災害預警的可靠性不足。崩塌災害破壞機制復雜多變，只有充分認識巖體在累計損傷下穩定性的變化情況，才能有效減少“災者未測，測者未災”的情況發生。

（4）工程現場取用的監測指標無法滿足脆性破壞早期預警需要。巖體崩塌多是巖體與邊坡巖體黏結程度不斷降低而最終導致的動力破壞。在這個變化過程中，高精度的應力應變監測以及相應的環境參量監測雖然在識別崩塌方面具有一定的效果［85］，但是在崩塌等脆性破壞災害的預警時效性、準確率和可實施性方面還存在明顯不足。現場所取用的監測指標的不適用性，使得工程實踐中很難有效識別巖體崩塌災害分離破壞前兆，從而無法有效實施巖體崩塌的早期監測預警。

（5）現有的監測技術遠遠無法滿足巖體崩塌等脆性破壞早期預警的要求。巖體是一個極其復雜的結構，其破壞不僅受到兩大內部主控因素控制，還會受到多種外部致災因子影響。因此只有通過多種新型監測技術收集更多致災因子的信息才能有效實現崩塌災害的預警和預防。相比較如此之多的信息數據需求，現有的可用于實際工程的監測技術仍相對單一［86］，使得在巖體內部裂隙、巖橋貫通率等巖體內部災變關鍵信息獲取方面存在眾多技術難題。

圖4為崩塌災害早期預警難點及其應對策略。

根據圖4所示思路，針對目前崩塌災害早期預警存在的難點問題，還需要從以下幾個方面開展深入研究：

（1）重點推進脆性破壞災害的監測預警理論體系建設。崩塌災害等脆性破壞災害監測預警研究需要從塑性破壞災害監測預警的框架體系中獨立出來，無論是在工程地質災害隱患點的排查方面，還是在地質災害的監測預警方面，都需要區分對待。一方面需要增加崩塌等脆性破壞災害成因機理的工程案例研究，從崩塌災變前孕育過程中實現脆性破壞災害的監測預警新理論與新方法的突破；另一方面還需開展崩塌巖體從穩定到破壞全過程監測的基礎試驗研究，通過在自重作用下發生崩塌破壞等真實工況試驗研究，配合傳統巖體三軸壓縮試驗、振動臺試驗等，彌補目前脆性破壞災害物理模型試驗研究的不足，為構建脆性破壞災害的監測預警理論體系并驗證相關新理論、新技術和新方法提供數據支持。

（2）系統開展危巖體快速識別技術方法與判別體系研究。危巖體快速識別技術是崩塌災害監測預警的前期必備工作。雖然崩塌災害的內部主控因素和外部致災因子很多，但對崩塌破壞發生起著重要作用是巖橋破壞。因此，在開展巖體巖橋強度定量識別與模糊評價的基礎上，研究危巖體的快速識別技術方法并豐富目前的危巖體定量識別評價體系，有助于進一步提高隱患排查效率、風險調查識別精度與危巖監測準確率。

（3）加快構建巖體動態穩定性評價技術體系。巖體的崩塌破壞在發生脆性動力學破壞的過程中，也伴隨著強度的實時退化。因此，巖體的實時穩定性評價是崩塌災害預警準確性的有力保障，開展基于實時監測數據的巖體穩定性評價方法是目前減少崩塌災害預警誤報率的有效方法之一。巖體動態穩定性評價技術方法等相關研究可以為工程中更好地應對崩塌災害提供新的技術支持，進而有助于解決目前崩塌災害監測預警研究面臨的核心技術難題。

（4）不斷豐富目前脆性破壞災害的監測預警指標體系。目前，集成多個監測分析指標的綜合性預警平臺并輔以大數據與智能化分析的預警技術，無論在危巖體的快速識別還是在崩塌災害的早期預警方面都具有明顯的技術優勢［87］。通過引入微芯樁、微芯方與激光測振等多種監測手段，構建一套基于靜力學、動力學與環境量指標的三位一體監測預警指標體系，可為崩塌災害的早期預警預防提供相對豐富的數據支持［32］。同時，新增加的監測指標，可以為我國構建天—空—地一體化的崩塌災害隱患識別提供更多的致災因子分析的有效信息。

（5）同步推動國產高精度遙感振動監測技術裝備研發。隨著LDV等一些新型遙感測振設備的研發不斷取得技術突破，在未來幾年，尤其是在“一帶一路”等工程以及高山峽谷等地區建設中，亟需大量高精度、高靈敏度和超遠程距離的激光設備，然而現有的相當一部分硬件設備在技術上受制于國外，因此實現上述硬件設備的國產化，并在此基礎上，加強中國特色的智能專業一體化傳感技術攻關并開展具有自主知識產權的普適性監測預警裝備研發，可為進一步推動我國礦山智能化監測技術發展與應用提供技術保障。

崩塌等災害在災害孕育、災害識別與監測預警理論方面與泥石流等塑性破壞災害有一定的區別。建立脆性破壞災害的監測預警理論體系，構建更為豐富的地質災害防治體系，從而有助于提高崩塌等脆性破壞災害風險的應對能力。因此，系統開展巖體崩塌等脆性破壞災害的早期監測預警研究，并實現上述技術突破無論是在“一帶一路“等礦山工程安全需求方面，還是在全國地質災害預警預防方面，都將具有極強的理論意義與應用價值。

5 結論

本研究從崩塌災害的成因機理、致災因子、巖橋損傷識別和監測預警等多個方面進行了綜述，并重點對脆性破壞災害預警理論與崩塌災害早期預警研究的發展方向進行討論，得出如下結論：

（1）崩塌災害的內部主控因素和外部致災因子雖然很多，但對崩塌破壞發生起著重要作用是巖橋破壞，開展巖體巖橋強度的定量損傷識別與模糊評價，并建立基于實時監測數據的損傷識別與動態穩定性評價技術體系，可以為礦山工程等更好地應對崩塌災害提供技術支持。

（2）相對于加速破壞前兆識別的傳統預警方法，基于分離破壞前兆識別的預警方法可提前短則數十秒、長則數十小時的風險應對時間。因此，關注分離階段及其分離破壞前兆是提高巖塊體崩塌災害早期預警時效性的有效手段之一。

（3）通過引入多種動力學監測指標，構建一套基于靜力學、動力學與環境量指標的三位一體監測預警指標體系，可為崩塌災害早期預警和預防提供相對豐富的數據支持，而集成多個監測分析指標的綜合性監測平臺并輔以智能化分析的預警技術，無論在危巖體的快速識別還是在崩塌災害的早期預警方面都具有明顯的技術優勢。

（4）系統開展高精度遙感振動監測技術設備研發是崩塌災害早期監測預警研究市場化應用的關鍵。實現LDV等新型遙感測振設備研發的技術突破，加強智能專業一體化傳感技術研發，可為礦山工程現場實現動力學指標常態化監測發揮積極作用；推動新型遙感測振設備的國產化是實現巖體脆性破壞災害早期預警技術創新發展和滿足國家工程安全建設戰略需要的必由之路。

致 謝

本研究得到了日本長崎大學工學研究科與巴基斯坦CECOS University of IT and Emerging Sciences的大力支持，特致謝意；感謝Asim Farooq博士、劉衛南博士、賀錚博士、張曉勇博士與吳志祥博士給予的現場技術支持；北京科技大學馬國星碩士、張金戈碩士與白云飛碩士在室內試驗研究、國內外技術調研與資料后期收集整理等方面也付出了辛勤勞動，一并表示感謝！