岩体崩塌灾害成因机制与早期预警研究综述

杜 岩 谢谟文 蒋宇静 陈 晨 贾北凝 霍磊晨

（1.北京科技大学城市地下空间工程北京市重点实验室，北京100083；2.山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东青岛266590；3.中关村智连灾害感知科学研究院，北京102100；4.建设部综合勘察设计研究院有限公司，北京100007）

随着我国“深地、深海、深空、深蓝”重点战略的深入部署，深部岩石力学问题成为岩土工程领域的研究热点，并取得了许多积极成果，而反观地面岩石力学问题中的崩塌灾害，其早期预警却迟迟未能得到有效解决。根据相关统计，2020年上半年我国发生地质灾害1 747起，造成直接经济损失10.1亿元，其中崩塌灾害有678起［1］。崩塌灾害具有分布范围广、隐蔽性高、突发性强，危害性大等特点［2］，因此作为地面岩石力学中最主要的关键性课题之一，开展崩塌等脆性破坏灾害早期预警研究无论是在矿山工程安全需求方面，还是在全国地质灾害预警预防方面，都将具有重要的理论意义与应用价值。

基于此，本研究首先从崩塌灾害的成因机理方面展开论述，并对崩塌灾害内部主控因素与外部致灾因子进行总结分析，为崩塌灾害早期预警研究提供基础理论支持。随后在岩体崩塌主控因素岩桥损伤识别与岩体稳定性评价的基础上，分别从危岩体快速识别、早期预警理论方法以及监测预警指标体系等方面进行分析；最后对目前岩体崩塌灾害早期监测预警研究的技术瓶颈以及未来的应对策略进行了讨论，以期为从事岩体崩塌等脆性破坏灾害预警预防的研究人员与现场工程技术人员提供有效参考。

1 崩塌灾害成因机理与致灾因子

1.1 崩塌灾害成因机理

倾斜陡坡上的岩体在重力作用下突然与母体脱离发生崩落，这种地质现象即为崩塌。关于崩塌的成因，虽然可简化为由不同的结构面和裂隙面的组合与切割所致，但实际上崩塌的成因种类繁多也十分复杂。STROM等［3］通过对天山山脉9个特大型岩质边坡实地勘察发现，破坏大多位于活动断层附近，认为强烈的地震震动可能触发了这些大规模的岩体滑动破坏。陈洪凯等［4］在工程岩体稳定性评价研究中得出泥岩内腔在陡崖底部的形成会促使崩塌灾害发生。冯振等［5］通过对南川甑子岩山体崩塌案例的研究得出，崩塌的成因主要有自然孕育、岩溶风化、人类活动等多个方面：岩体中倾斜节理发育，卸荷作用下在陡崖边缘形成张拉裂隙，地下采空加速软弱基座破坏变形，当应力累计超过岩体强度时发生崩塌破坏。曹卫刚等［6］在分析镇地坝古崩塌中总结出在崩塌形成过程中大致经历了地层形成、地壳抬升、溶蚀初期、溶洞扩大、溶洞垮塌、倾倒崩塌6个阶段，得出地下溶洞垮塌是倾倒崩塌的直接原因。刘传正等［7］通过分析鲁甸地震引发的红石岩崩塌灾害，认为地震加速度和地震持续时长是引起红石岩山体破坏的主要原因。因此，实际发生的很多崩塌灾害的成因机理都有可能不尽相同，不仅会受到岩体强度、结构面力学状况和边界条件等多个内部主控因素的耦合作用，还会受到降雨、地震、冻融、人类活动等多种外部致灾因子的影响［8-10］。

虽然学术界在单体崩塌灾害的成因机理研究方面已经取得了一定的进展，但现有研究多为崩塌灾害事后的成因机理分析，很少能实现崩塌灾害发生前（即孕灾过程中）崩塌灾害发生、发展的完美演绎。由于不同地区不同环境下崩塌灾害发生的成因不尽相同，因此只有在了解崩塌灾害多发区特殊的地质、水文等条件的基础上，针对性地开展崩塌灾害内部主控因素和外部致灾因子研究，方可更好地实现崩塌灾害的科学预警和预防。

1.2 崩塌灾害内部主控因素

崩塌灾害的发生与岩体及其所处的地质环境条件等内部主控因素密切相关。按照主客观条件，可以将这些因素分为两类：第一类为岩体主观因素，如岩体强度、结构面粗糙程度、裂隙贯通率等岩体自身控制因素，这些因素直接影响岩体的强度，为崩塌灾害最直接的主控因素；第二类为地质环境等客观因素，如断层、溶洞等岩体所处的不利地质条件，又如陡崖等崩塌灾害易发的地形地貌等。

虽然影响崩塌灾害的内部主控因素很多，但最终的结果是岩体中潜在结构面强度的降低，造成岩桥的损伤破坏，进而造成岩体崩塌的发生［11］。由于岩桥长度和节理间距决定边坡岩体的稳定性，并控制崩塌灾害破坏失稳的发生［12］，因此不少学者对此进行了大量研究并取得了一系列成果。朱振飞等［13］对花岗岩岩桥试样进行了单轴压缩试验和声发射监测，获得的裂纹扩展的声发射特征为岩桥破坏机制研究和监测提供了依据。陈国庆等［14］通过不同路径岩桥试验得出岩质边坡中岩桥贯通是岩体崩塌失稳的重要诱因。郑银河等［15］提出了一种考虑岩桥破坏的块体稳定性分析方法，并将阻碍块体移动的岩桥抗剪切力纳入块体的抗滑力中。因此，岩桥的存在使非贯通结构面岩体的受力及破坏特征都发生了明显变化，不仅会造成岩体整体的破坏特征有所区别［16］，还会导致结构面端部应力的高度集中以及临滑阶段剪应力增速有所降低［17］。类似于材料科学中的位错机制理论，岩体中存在的这些内部缺陷，是导致岩体破坏前产生明显非协调性变形的根本原因［18］。由于目前经典连续介质力学理论忽略了岩体的内部主控因素以及岩体破坏前的非协调应力应变状态，使得在解释岩体崩塌破坏启动弹冲加速机制方面存在一些不足［19］。最新的试验研究表明，岩桥锁固段大小对岩体破坏时的启程剧动模式影响显著［20］。因此在不同的工程案例研究中，需开展工程岩体内部主控因素的精细化识别，在分析岩桥力学指标与损伤状态的基础上，实现岩体崩塌破坏时的弹冲效应与岩体破坏前的非协调性变形等理论与技术方法的突破，可为工程现场更好地应对崩塌灾害提供理论支持。

1.3 崩塌灾害的外部致灾因子

崩塌灾害的发生不仅与其内部主控因素有关，还会受到外部致灾因子的影响。目前，崩塌灾害外部致灾因子可以分为两大类：一类是大气降雨、地震、风化、河流侵蚀、植物根劈和昼夜温差、冰雪冻胀等自然作用因子［21］，第二类是爆破、施工扰动等人为作用因子。以降雨诱发性崩塌灾害为例，强降雨会增加主控结构面中的孔隙水压力和动水压力，弱化其力学特性，加速裂隙结构面发育和岩桥贯通，致使崩塌灾害在汛期多有发生。“8·14”成昆铁路山体崩塌灾害就是降雨诱发性崩塌灾害的典型案例，该起崩塌灾害发生前曾有1 d内降雨量达到1 099.1 mm，连续的降雨弱化了泥质白云岩构成的山体软弱夹层，并加速了结构面裂隙发育，最终顶部岩体在重力作用下发生崩落［22］。因此，外部致灾因子可能会弱化岩体力学性能，加快岩桥损伤，进而在形成风险性较高的危岩体后发生突发性的崩塌破坏。

许多学者的研究也证实了上述外部致灾因子对崩塌灾害的诱发作用。赵吉坤等［23］建立了三维陡峭岩体模型，在地震波作用下，模拟分析了岩体渐进式破坏演化动态过程。结果表明：在水平向横波作用下，左侧岩体渐进式破坏严重，呈现出断裂—分离—接触碰撞—再分离的运动演化过程。曾芮等［24］研究得出强降水作用使得岩体后缘裂隙快速充水，对岩体产生向外的推力，成为岩体崩塌倾倒破坏的直接诱因。何思明［25］通过分析崩塌滚石灾害的形成条件，认为地震在引起岩体上下振动时可能将危岩体振松，岩体左右晃动可能将岩体沿着临空方向推出；水渗入危岩体裂缝中会产生较大的水劈和冰劈作用；人类活动会引起岩体内应力重分布，加速裂隙发展。ZHANG 等［26］和许强等［27］通过对重庆武隆鸡尾山崩塌案例的分析研究，发现采矿等人类活动是诱发此次崩塌灾害的主要致灾因子。

综合上述的众多崩塌灾害案例，有的呈现明显的季节性特征，如汛期（降雨、地下水位上涨）是崩塌灾害的多发期；有的与地震等剧烈的地质活动有关，如震后出现的大量崩塌灾害［28］；有的与矿山开采等人类活动有关，如武隆鸡尾山崩塌［27］等。由于导致岩体崩塌的外部致灾因子较多［29］，因此只有收集更多致灾因子的信息才能更好地实现崩塌灾害的预警和预防，而集成多个监测技术与分析指标的综合性预警平台并辅以大数据分析的智能化监测预警技术［30］，是实现崩塌灾害风险识别与监测预警的有效手段。

2 岩体损伤与稳定性评价

2.1 岩桥损伤识别方法

岩体由稳定到崩塌破坏的全过程中，也伴随着强度的实时退化，主控结构面的损伤与断裂的发生发展是崩塌灾害机制研究与预警预防的关键［31］。因此，开展岩桥损伤识别并对其进行动态监控，是岩体崩塌灾害早期预警需解决的关键性问题之一。

岩体在破坏前，一般需要经历稳定阶段、分离阶段和加速破坏阶段。稳定阶段岩体的损伤较小，稳定性良好；分离阶段通常伴随裂隙扩展、小变形或小颗粒岩石掉落等；加速破坏阶段则伴随着潜在破坏面上岩桥强度的丧失［32］，进而导致崩塌破坏发生。分离阶段和加速破坏阶段各有特点，但实际上都反映了危岩体内部结构面的损伤情况发生了质的变化。

由于岩体可以被认为由刚度、质量、阻尼等物理参数组成的力学系统，一旦其结构面发生损伤引起系统物理特性的变化，必然使得动力学指标等发生相应的变化。以倾倒式岩体为例，假设将岩体视为一定质量的刚体，岩桥简化为弹性体，岩体物理力学模型及其简化动力学模型如图1所示。

基于动力学模型，岩体的振动方程可表示为

式中，M为试块质量，kg；L为试块重心到原点O的距离，m；K为岩桥刚度系数，N/m；l为岩桥长度，m；θ为转角，rad；θ¨为转角加速度，rad/s2。

根据式（1）可得岩体的固有振动频率f，其计算公式为

假设应变达到最大应变量时，岩体产生破坏，则结构面强度T可进行如下计算：

式中，μ为黏结系数；θmax为破坏最大转角，（°）。

将式（3）代入式（2）可得固有振动频率方程为

当其他条件不变时，随着岩桥长度l降低，会导致固有振动频率等动力学指标发生显著下降，意味着岩体与母岩开始分离，并趋于破坏危险。由式（4）可知，当岩桥发生损伤导致结构面强度发生下降时，岩体的动力学指标会发生相应的趋势变化。

大量研究显示，相对于位移等传统监测指标，固有振动频率等动力学指标在分析岩体结构面强度以及岩桥损伤等方面具有较好的指示作用［33-36］。因此开展基于实时动力学指标监测数据的损伤识别技术研究是未来岩体岩桥损伤识别的研究方向之一。

一般来说，岩体的累积损伤破坏潜伏期较长，且是由微小的损伤裂缝引起的，很难用肉眼或观测仪器进行分析识别。最新的研究成果显示，固有振动频率等动力学指标可以有效反映岩体在累计损伤后自身属性的变化，进而实现岩桥的损伤识别［37］。相关工程实践和研究成果［38］表明，基于实时监测数据的间接损伤识别技术具有可行性强、识别效率高与经济成本低等优点，可以在矿山工程领域进行推广应用，尤其是在危险性和施工难度较大的高陡边坡危岩体识别等方面具有无可比拟的优越性。

2.2 岩体稳定性评价方法

目前国内已经有比较成熟的危岩稳定性分析与评价方法问世，如杨志法等［39］在深入研究工程类比法的理论依据与应用条件后，提出了可比度的概念和以影响因素分析为基础的可比度分析方法。王玉琐等［40］提出采用初步定性评估和细部定量评估相结合的隧道洞口段危岩落石风险评估方法，根据危岩风险情况将危岩分为小心、注意、危险、极危险4个等级。董好刚等［41］选取地形地貌、地层岩性、岩体结构、危岩体规模、水的作用、风化作用、土地利用类型7个因子作为评价指标，建立了危岩稳定性评价数学模型，并根据稳定性指数对危岩稳定性进行了评价。王新民等［42］运用层次分析法确定了影响边坡稳定性的安全评价指标的权重系数，根据可拓学理论构造了经典域物元、节域物元和可拓集合中的关联函数，建立了岩质边坡稳定性安全评价的层次分析法-可拓学模型。陈滔等［43］以黄金坪水电站进水口边坡为例，结合工程地质条件和监测资料分析了强烈松弛岩质边坡的变形特征，并应用FLAC3D软件对岩体稳定性进行了评价，为同类工程提供了参考。王述红等［44］将可拓理论和地震力对岩体稳定性的影响相结合，考虑了地质条件、环境条件、工程条件等多种影响因素，提供了一种边坡稳定性分析的综合评价方法。杜时贵等［45］基于结构面空间位置、规模大小与边坡匹配关系的分层分析，提出了系统评价大型露天矿山边坡岩体工程稳定性的分级分析方法，不仅实现了岩体结构面抗剪强度精细取值定准，而且建立了精细的岩体稳定性计算模型。刘贺军等［46］应用赤平投影法，结合基于刚体极限平衡理论的稳定性定量计算方法对边坡进行了稳定性分析。袁维等［47］基于悬臂梁计算理论，推导了任意形状的倒悬危岩体在水平地震荷载和自身重力作用下最危险截面的最大拉应力计算公式，建立了最大拉应力的地震时程曲线模型，同时将最大拉应力强度准则作为危岩体裂缝扩展的依据，并结合弹性应变能与裂缝扩展能量密度之间的关系，提出了裂缝扩展深度的计算方法。邬爱清［48］以关键块体理论为基础，提出了任意形状块体的体积计算、凹形块体几何构型以及考虑一般水压模式条件下的块体水载荷计算等一系列方法，实现了复杂岩体地质结构面切割条件下的关键块体识别及多种载荷组合下的关键块体稳定性评价。

大量研究表明，目前无论是定性的稳定性评价还是定量的稳定性评价方法，在理论研究或技术应用水平方面都有了显著提升，很多方法通过采用新的数学理论与物理力学模型，实现了更为科学准确的岩体安全评价，但在如何实现岩体快速动态稳定性评价方面还有待于进一步研究。

岩体崩塌灾害发生之前的孕灾过程中，岩体的稳定性不断降低，因此岩体稳定性动态评价作为一项极为重要的内容，可以为现场科学决策提供合理依据。国内外最新研究显示，岩体的动力特性监测可以为危岩体安全评价提供损伤后的分析参数［49］，并实现基于动力学监测指标的岩体稳定性动态评价，例如固有振动频率等指标不仅可以定量分析岩体岩桥的损伤，还可以为岩体动态稳定性评价提供新的技术支持［50］。随着新型监测技术不断更新与损伤识别技术不断发展，基于模态参量变化的稳定性动态评价方法必将会成为一种新的发展趋势，为现场危岩快速识别和崩塌灾害的预警和预防提供新的技术支持。

3 崩塌灾害的早期预警研究新进展

崩塌灾害的早期预警研究一直是岩土工程与防灾减灾工程中的难点和热点问题。由于崩塌灾害预警时效性差，使得人们在灾害来临前很难有充足时间实现风险防范与应急疏散，因此人类在岩体崩塌等脆性破坏灾害预警方面仍处于被动预防态势。

为了有效减少崩塌灾害带来的人员伤亡，工程中通常先行对可能发生崩塌危险的岩体进行分析评价，从而达到提前进行规避与重点防范的目的。在此基础上，开展崩塌灾害的早期预警理论方法研究与监测预警指标体系构建，是改变目前岩体崩塌等脆性破坏灾害早期预警被动预防态势的关键。本研究从危岩体的快速识别技术、崩塌灾害的早期预警理论方法、监测预警指标体系与振动监测新技术等4个方面进行分析，为地质灾害预警和预防的相关研究者和工程实践人员提供参考。

3.1 危岩体快速识别

由于目前崩塌灾害监测预警时效性不足，工程中通常对濒临破坏的危岩体进行快速定量识别，进而达到提前规避与风险防范目的。通常，工程师需到现场对可能发生崩塌灾害的岩体进行现场核查，在收集变形开裂监测数据的基础上，通过稳定性分析判断危岩体。近年来，随着技术的进步，特别是倾斜摄影技术、合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）、激光多普勒测振技术（LDV）等天—空—地一体化监测技术的发展，危岩体快速识别的效率和准确性得到了进一步提升。

陈宙翔等［51］采用无人机倾斜摄影技术获取危岩体高清影像资料，建立了空间模型获取危岩体特征参数，从而识别了强震区公路高位危岩体。郭学飞等［52］以北京房山区一处典型崩塌隐患点为例，采用倾斜摄影测量技术获取了研究区三维实景模型，通过获取崩塌灾害隐患的一系列信息，为崩塌灾害隐患勘查提供了参考。王学良等［53］针对山区输变电工程的危岩体识别问题，分析了传统测量方式的缺点并考虑到无人机获取岩体结构面信息的技术优势，提出了区域工程地质分区—区段遥感分析—山体无人机航拍—岩体结构特征分析的崩塌危岩体识别方法。岳发政等［54］利用地基合成孔径雷达干涉测量（GB-InSAR）技术监测得到贵州某崩塌残余危岩体的毫米级高精度连续形变结果，并对残余危岩体可能发生的二次崩塌和稳定性进行了评估。葛大庆等［55］综合分析了InSAR在崩塌等地质灾害隐患早期识别中的应用情况，并给出了InSAR不同技术方法的适用条件。谢谟文等［56-58］将GIS应用到边坡岩体的三维稳定分析中，实现基于三维稳定性评价的危岩体定量识别。MUTAR等［59］提出了一种基于机载和地面高分辨率激光扫描数据（LiDAR）的落石灾害综合评价方法，通过开发基于Bagging神经网络的混合模型来识别落石源。考虑到不同识别方法各有特点，许强等［60］提出构建星载平台、航空平台、无人机摄影和地面平台相结合的天—空—地一体化的多源立体观测体系，综合利用现有技术手段，通过“三查”（卫星普查、无人机详查和人工核查）精确识别危岩体。DU等［61］提出了一种基于LDV的危岩体识别方法，通过固有振动频率与振动振幅两个指标实现危岩与稳定岩体的区分，为危岩体快速核查识别提供了新的技术支持。总体上，InSAR、LiDAR、GIS、无人机航拍、LDV等遥感监测技术手段大大提升了现场不良地质体的识别效率，节省了大量人力物力；通过这些技术手段的综合应用，进一步提高了危岩体识别准确率，为现场提供了较为精确的崩塌灾害重点防范区域或岩体目标。

虽然目前危岩体快速识别的技术手段很多，但是从力学指标方面实现危岩定量判识还存在一定的缺失。目前在危岩体力学分析中，往往根据经验或行业标准设置一个取值在1.05～1.50范围内的安全系数来实现危岩体的分析识别。如在铁道工程中，通常取安全系数小于1.5的岩体为危岩体，而在水利、矿山等工程中，通常将安全系数小于1.15的岩体认定为欠稳定的危岩体。判识标准的不统一，使得同一岩体在不同工程或不同行业标准下会得出截然不同的评价结论。因此，引入合适的力学指标并建立一套统一的力学判识方法是未来危岩快速定量识别研究的发展方向之一。

由于不同崩塌的致灾因子、所处环境、发展过程、成灾范围等都不尽相同，所以危岩体等地灾隐患排查仍存在较大难度，尤其是目前现场可用的勘察手段仍然十分有限，且存在信息源相对单一、力学评判标准不统一等诸多问题，因此还需要开展一系列面向重大地灾隐患早期识别的理论与技术方法研究。只有这样才能突破目前传统地灾隐患排查的技术瓶颈，建立高效科学的自然灾害防治体系，为更好地应对崩塌灾害提供切合实际的潜在隐患点或重点关注区。

3.2 岩体崩塌早期预警理论方法

传统的早期预警思路是基于加速破坏前兆识别的预警方法，其预警时刻与灾害发生时刻接近，因此该方法在崩塌等脆性破坏灾害的早期预警方面存在诸多限制［32］。以土质滑坡（塑性破坏灾害）与崩塌（脆性破坏灾害）对比为例，土质滑坡加速破坏阶段较长，破坏前有明显的加速破坏前兆，如位移增大等，且前兆异常事件与其发生时刻有较大的时间差；而针对崩塌灾害，由于其加速破坏阶段时间短，传统方法很难达到早期预警的目的［32］。

国外学者通过对岩体崩塌破坏的研究发现，岩体在破坏前一般需要经历两个阶段：一是分离阶段，二是加速破坏阶段［62］。因此，在预警方法理论研究中，可将边坡岩体从稳定到破坏全过程分为3个阶段：稳定阶段、分离阶段和加速破坏阶段。

（1）稳定阶段。该阶段边坡岩体与母岩有效黏结，岩体与母岩为一整体，符合静力平衡状态。该阶段目标岩体的抗滑力可完全由潜在结构面上的黏聚力提供。

（2）分离阶段。随着结构面强度降低，岩体黏聚力随之下降，当其不足抵抗下滑力时，开始进入分离阶段。此阶段岩体在结构面的破裂位置开始逐渐形成连续的结构面，并从母岩分离。由于抗滑力中有摩擦力的作用，该阶段内岩体处于弱稳定状态（即危岩体），大部分危岩体都处于分离阶段。相较于强稳定阶段，该阶段会因岩体结构面强度的下降，造成固有振动频率等动力学参量发生变化。

（3）加速破坏阶段。当边坡岩土体进一步受到摩擦力达到最大静摩擦力后，块体产生滑动，摩擦力不足弥补黏结力的进一步损失，边坡岩体位移急剧增大，发生破坏失稳。该阶段持续时间极短，一般在数秒之内。

崩塌灾害3个阶段的预警效果对比如表1所示。由表1可知：相对于稳定阶段和加速破坏阶段，基于分离阶段的崩塌灾害预警效果无论在距离破坏时间的时效性上，还是在可实施性方面都具有明显的优势，因此基于分离破坏前兆识别的早期预警方法在崩塌灾害的预警和预防方面具有较好的适用性。

在过去的数十年内，人们在崩塌灾害的早期预警研究中，更多关注的是加速破坏阶段，监测中往往只能识别崩塌的发生，因而在这些脆性破坏灾害的早期预警实现方面存在困难。前期的试验研究表明，基于加速破坏阶段前兆识别的早期预警思路，虽然可以实现对崩塌灾害的判识，但是无法实现崩塌的早期预警；通过分离破坏前兆识别的早期预警思路，往往可以提前实现崩塌灾害预警［63］。试验中，基于分离破坏前兆识别的早期预警提前了65 s对岩体崩塌破坏进行预警，充分利用了早期预警黄金期，如图2所示［63］。根据不同案例黄金时间段的时间长短，可分别提前短则数十秒、长则数十小时［64］的风险应对时间，因此，关注分离破坏前兆并进行分离破坏前兆识别预警方法研究，可以实现崩塌灾害的应急预警和风险规避，进而有效改变岩体崩塌等脆性破坏灾害早期预警的被动预防态势。

3.3 岩体崩塌灾害监测预警指标体系

目前，边坡工程中常用的监测指标都是以应力、位移等静力学指标与降雨、地下水位等环境量指标为主，虽然这些指标在崩塌识别精度或降雨诱发的崩塌案例应用中具有很好的效果，但是在大部分的崩塌灾害案例中的预警时效性、准确率和可实施性方面还存在一些问题。以位移变形为例，虽然可以根据变形—时间曲线，提出不同尺度的时间预测预报模型方法，如采用速度倒数模型或斋藤迪孝模型等，但是因崩塌加速变形阶段的快速性和突发性，很难实现岩体崩塌的早期预警［65］。

岩体崩塌多为岩体与边坡岩体黏结程度不断降低而导致的动力破坏［32］。20世纪90年代，部分学者通过引入动力学指标来对岩体崩塌灾害的监测指标体系进行补充［35，66］，随后国内外很多学者在此基础上开展了一系列崩塌灾害监测与早期预警研究。BURJANEK等［67-68］利用环境振动来分析边坡的动力响应，通过f-k方法、基点光谱比率法、时频依赖极化等方法对潜在不稳定边坡体的波场进行了分析，认为岩体动力特征评价是一种十分新颖的评价方法，可将稳定区域与不稳定区域进行有效划分。陈洪凯等［69-71］针对砂岩和泥岩交互沉积地区的危岩崩塌灾害探讨了崩塌形成机制，基于损伤力学和断裂力学对岩体主控结构面端部损伤特性、岩体弹冲动力参数和频域特征进行了大量研究，得出危岩破坏具有链式效应，且会出现不同的振动特征差异；MA等［72-73］以混凝土试块为例，通过不同边坡坡度和不同质量滑块等系列试验，进一步证明固有振动频率不仅可以定量分析岩体的稳定情况，还可以为危岩体定量识别提供参考；杜岩等［74-76］通过建立岩体动力学模型，在室内试验中通过固有振动频率监测实现了岩体损伤识别与动态稳定性评价，认为固有振动频率等动力学指标可以作为崩塌灾害监测预警的敏感性指标。VALENTIN等［34］通过对振动监测信号的频谱分析，得出不同的动力学参数，揭示了动力学指标对岩石断裂的指示作用，认为可通过监测这种断裂的发生来实现岩体崩塌的早期预警。

越来越多的研究显示，动力学监测指标可满足岩体崩塌等脆性破坏灾害损伤监测的需求，从而进一步丰富现有的崩塌灾害监测预警指标体系［77］。更为重要的是，作为岩体直接本质属性，动力学指标监测可以识别崩塌前兆异常现象，并在预警的科学性和时效性方面发挥更为积极的作用，越来越多的动力学指标监测方法在矿山工程等岩体脆性破坏灾害的早期监测预警中取得了很好的效果［78-81］。

图3是某边坡岩体崩塌前1 150 s的固有振动频率曲线。分析可知：该岩体在610 s左右发生分离破坏前兆，并进入分离阶段，随后在1 145 s左右发生加速破坏前兆，并在1 150 s发生滑移破坏，而位移指标由于无法识别损伤，无法反映岩体的分离破坏前兆现象。因此在实际工程中，可通过构建多层次动力学参量与结构面力学强度关系损伤模型，定量分析岩体从稳定到破坏的动力特征整体变化规律，进而为岩体崩塌破坏早期预警研究提供理论依据。这些损伤关系模型的构建，不仅可为动态调整岩体崩塌灾害动力学预警阈值提供分析模型，还有助于分析岩体崩塌灾害的全过程变化规律，为进一步提升岩体崩塌灾害早期预警成效提供一定的理论依据。在后续研究中，通过引入多种动力学参量，构建多个动力学参量与岩体结构面强度关系模型，建立一套集成多层次动力学指标的三位一体监测预警指标体系，为岩体崩塌灾害等脆性破坏灾害提供相对丰富的监测指标与相对完善的预警方案。

3.4 岩体崩塌灾害振动监测新技术

虽然理论与工程试验研究得到的基于动力学指标的监测预警方法与监测指标体系可以在脆性破坏灾害预警监测中发挥积极作用，但在实际监测中，动力学监测预警指标体系的应用限制更多的来自于设备层面。

目前边坡工程中常用的动力学指标监测技术主要有加速度计、微震（声发射）［82］等原位测振技术。虽然这些技术监测精度较高，在一些工程开挖边坡、隧道等领域应用效果较好，但是针对高山峡谷地区边坡岩体的监测，在设备安装、能源持续性以及仪器更新维护等方面存在诸多限制。例如，原位设备在陡峭岩壁上安装困难，电源续航能力不足以支撑设备长期运行；严寒等恶劣环境大大增加了仪器在野外的故障率，从而增大工程的维护成本等，这些问题造成动力学指标难以广泛应用于高陡边坡岩体稳定性监测。针对这些问题，新型原位测振技术的研究者开展了从简单模块组合到复杂芯片集成的升级改造，目前以微芯桩为代表的新型原位测振技术以智能化、一体化、小型化、低成本、低功耗等特点，在矿山、水利等领域发挥了越来越大的作用。

此外，随着光学监测技术的发展，新一代遥感测振技术可以实现300 m以外边坡岩体的远程振动监测［32］，有效解决了目前高陡边坡岩体振动监测的难题。较典型的光学监测设备如激光多普勒测振仪（LDV），该设备是利用激光束发射到被测物体表面，并且由于该表面的运动使反射的激光束产生多普勒频移，提取被测物表面高精度的振动特征。相对于原位测振技术，其远程监测点位设置灵活，可以选择有市电供应的监测地点，从而有助于解决监测设备能耗供应问题；同时LDV能在高压、低温、易燃易爆等恶劣环境下可靠运行，因此可在严寒等恶劣条件下实施连续监测。此外，新技术还具有高精度、高灵敏度、高监测效率与超长监测距离等特点，在有效保证监测人员安全的同时，还可实现多处岩体的同时在线监测，从而大大提高监测效率。

目前传统的原位振动监测技术无法有效满足高山峡谷地区岩体崩塌等脆性破坏的实际工程需求，系统开展新型测振技术研发，并进行高山峡谷以及施工难度较大的岩土边坡等高危地区的工程监测应用研究十分必要。例如基于LDV等远程动力学参数的遥感监测技术，不仅可以在目前高山峡谷地区岩质边坡和不稳定岩体实时动态模拟和安全评价方面进一步发挥作用［81］，还可为实现基于输出模态损伤识别技术的岩体健康评价提供技术支持［82-84］，从而实现岩体崩塌灾害的高效预警和预防。由于新型测振技术在监测效率、可实施性、智能化以及安全性保障方面存在显著优势，在工程现场可通过对多个动力学指标进行远程监测，实现时域动力学指标、频域动力学指标以及模态指标的获取，通过集成多层次动力学指标损伤识别模型，建立一套基于多层次动力学指标的分离破坏前兆识别方法，进而在岩体稳定分析评价的基础上，实现岩体崩塌破坏的早期监测预警，目前该监测技术与预警思路正在猴子岩边坡等高风险地区进行工程应用，取得了良好的效果。

4 崩塌灾害早期预警研究展望

随着我国“一带一路”等重大战略的深入部署，川藏铁路、乌东德水电站、中缅油气管道等重大交通、水利和能源工程将在复杂多变的高山峡谷进行建设，不可避免地会加剧崩塌灾害的破坏风险和数量等级。例如我国的川藏铁路建设就将穿越世界上地质灾害最发育的高山峡谷地区，工程作业人员时刻受到岩体崩塌等脆性破坏灾害的威胁。目前尚无法实现对岩体崩塌灾害的高效预警，原因在于：

（1）崩塌等脆性破坏灾害的监测预警理论研究不足。在过去的数十年内，根据相关检索与统计，中国知网上主题为“泥石流”与“滑坡”的监测预警期刊文献高达1 100余篇，而主题为“崩塌”的监测预警文献仅为160篇左右，有关崩塌等脆性破坏灾害监测预警基础理论研究论文仅占两者总数的12%左右，远远无法满足矿山工程等崩塌灾害多发区脆性破坏灾害预警预防的需要。值得注意的是，人们在很长时间内倾向于将塑性破坏灾害的早期预警思路应用于崩塌等脆性破坏灾害的早期预警研究中，工程实践中也时常将崩塌灾害置于滑坡等塑性破坏灾害监测框架体系下，人类对脆性破坏灾害预警理论研究缺乏足够重视使得崩塌灾害的预警理论研究发展有所滞后。

（2）危岩体的定量识别标准不统一。危岩体的定量识别是实现岩体监测预警的前提，由于目前在岩桥损伤识别与岩体动态稳定性评价方面存在诸多困难，现阶段仍无法从力学角度客观准确地识别高风险危岩体。例如危岩体的力学分析指标不完善、判识标准不统一等使得现场在危岩体判识方面存在诸多问题。

（3）岩体稳定性评价技术时效性差。一般来说，岩体的动态稳定性评价技术是监测预警有效实施的基础。如果崩塌灾害的早期监测预警不能从岩体稳定性评价结果的基础上考虑，则会使得崩塌灾害预警的可靠性不足。崩塌灾害破坏机制复杂多变，只有充分认识岩体在累计损伤下稳定性的变化情况，才能有效减少“灾者未测，测者未灾”的情况发生。

（4）工程现场取用的监测指标无法满足脆性破坏早期预警需要。岩体崩塌多是岩体与边坡岩体黏结程度不断降低而最终导致的动力破坏。在这个变化过程中，高精度的应力应变监测以及相应的环境参量监测虽然在识别崩塌方面具有一定的效果［85］，但是在崩塌等脆性破坏灾害的预警时效性、准确率和可实施性方面还存在明显不足。现场所取用的监测指标的不适用性，使得工程实践中很难有效识别岩体崩塌灾害分离破坏前兆，从而无法有效实施岩体崩塌的早期监测预警。

（5）现有的监测技术远远无法满足岩体崩塌等脆性破坏早期预警的要求。岩体是一个极其复杂的结构，其破坏不仅受到两大内部主控因素控制，还会受到多种外部致灾因子影响。因此只有通过多种新型监测技术收集更多致灾因子的信息才能有效实现崩塌灾害的预警和预防。相比较如此之多的信息数据需求，现有的可用于实际工程的监测技术仍相对单一［86］，使得在岩体内部裂隙、岩桥贯通率等岩体内部灾变关键信息获取方面存在众多技术难题。

图4为崩塌灾害早期预警难点及其应对策略。

根据图4所示思路，针对目前崩塌灾害早期预警存在的难点问题，还需要从以下几个方面开展深入研究：

（1）重点推进脆性破坏灾害的监测预警理论体系建设。崩塌灾害等脆性破坏灾害监测预警研究需要从塑性破坏灾害监测预警的框架体系中独立出来，无论是在工程地质灾害隐患点的排查方面，还是在地质灾害的监测预警方面，都需要区分对待。一方面需要增加崩塌等脆性破坏灾害成因机理的工程案例研究，从崩塌灾变前孕育过程中实现脆性破坏灾害的监测预警新理论与新方法的突破；另一方面还需开展崩塌岩体从稳定到破坏全过程监测的基础试验研究，通过在自重作用下发生崩塌破坏等真实工况试验研究，配合传统岩体三轴压缩试验、振动台试验等，弥补目前脆性破坏灾害物理模型试验研究的不足，为构建脆性破坏灾害的监测预警理论体系并验证相关新理论、新技术和新方法提供数据支持。

（2）系统开展危岩体快速识别技术方法与判别体系研究。危岩体快速识别技术是崩塌灾害监测预警的前期必备工作。虽然崩塌灾害的内部主控因素和外部致灾因子很多，但对崩塌破坏发生起着重要作用是岩桥破坏。因此，在开展岩体岩桥强度定量识别与模糊评价的基础上，研究危岩体的快速识别技术方法并丰富目前的危岩体定量识别评价体系，有助于进一步提高隐患排查效率、风险调查识别精度与危岩监测准确率。

（3）加快构建岩体动态稳定性评价技术体系。岩体的崩塌破坏在发生脆性动力学破坏的过程中，也伴随着强度的实时退化。因此，岩体的实时稳定性评价是崩塌灾害预警准确性的有力保障，开展基于实时监测数据的岩体稳定性评价方法是目前减少崩塌灾害预警误报率的有效方法之一。岩体动态稳定性评价技术方法等相关研究可以为工程中更好地应对崩塌灾害提供新的技术支持，进而有助于解决目前崩塌灾害监测预警研究面临的核心技术难题。

（4）不断丰富目前脆性破坏灾害的监测预警指标体系。目前，集成多个监测分析指标的综合性预警平台并辅以大数据与智能化分析的预警技术，无论在危岩体的快速识别还是在崩塌灾害的早期预警方面都具有明显的技术优势［87］。通过引入微芯桩、微芯方与激光测振等多种监测手段，构建一套基于静力学、动力学与环境量指标的三位一体监测预警指标体系，可为崩塌灾害的早期预警预防提供相对丰富的数据支持［32］。同时，新增加的监测指标，可以为我国构建天—空—地一体化的崩塌灾害隐患识别提供更多的致灾因子分析的有效信息。

（5）同步推动国产高精度遥感振动监测技术装备研发。随着LDV等一些新型遥感测振设备的研发不断取得技术突破，在未来几年，尤其是在“一带一路”等工程以及高山峡谷等地区建设中，亟需大量高精度、高灵敏度和超远程距离的激光设备，然而现有的相当一部分硬件设备在技术上受制于国外，因此实现上述硬件设备的国产化，并在此基础上，加强中国特色的智能专业一体化传感技术攻关并开展具有自主知识产权的普适性监测预警装备研发，可为进一步推动我国矿山智能化监测技术发展与应用提供技术保障。

崩塌等灾害在灾害孕育、灾害识别与监测预警理论方面与泥石流等塑性破坏灾害有一定的区别。建立脆性破坏灾害的监测预警理论体系，构建更为丰富的地质灾害防治体系，从而有助于提高崩塌等脆性破坏灾害风险的应对能力。因此，系统开展岩体崩塌等脆性破坏灾害的早期监测预警研究，并实现上述技术突破无论是在“一带一路“等矿山工程安全需求方面，还是在全国地质灾害预警预防方面，都将具有极强的理论意义与应用价值。

5 结论

本研究从崩塌灾害的成因机理、致灾因子、岩桥损伤识别和监测预警等多个方面进行了综述，并重点对脆性破坏灾害预警理论与崩塌灾害早期预警研究的发展方向进行讨论，得出如下结论：

（1）崩塌灾害的内部主控因素和外部致灾因子虽然很多，但对崩塌破坏发生起着重要作用是岩桥破坏，开展岩体岩桥强度的定量损伤识别与模糊评价，并建立基于实时监测数据的损伤识别与动态稳定性评价技术体系，可以为矿山工程等更好地应对崩塌灾害提供技术支持。

（2）相对于加速破坏前兆识别的传统预警方法，基于分离破坏前兆识别的预警方法可提前短则数十秒、长则数十小时的风险应对时间。因此，关注分离阶段及其分离破坏前兆是提高岩块体崩塌灾害早期预警时效性的有效手段之一。

（3）通过引入多种动力学监测指标，构建一套基于静力学、动力学与环境量指标的三位一体监测预警指标体系，可为崩塌灾害早期预警和预防提供相对丰富的数据支持，而集成多个监测分析指标的综合性监测平台并辅以智能化分析的预警技术，无论在危岩体的快速识别还是在崩塌灾害的早期预警方面都具有明显的技术优势。

（4）系统开展高精度遥感振动监测技术设备研发是崩塌灾害早期监测预警研究市场化应用的关键。实现LDV等新型遥感测振设备研发的技术突破，加强智能专业一体化传感技术研发，可为矿山工程现场实现动力学指标常态化监测发挥积极作用；推动新型遥感测振设备的国产化是实现岩体脆性破坏灾害早期预警技术创新发展和满足国家工程安全建设战略需要的必由之路。

致 谢

本研究得到了日本长崎大学工学研究科与巴基斯坦CECOS University of IT and Emerging Sciences的大力支持，特致谢意；感谢Asim Farooq博士、刘卫南博士、贺铮博士、张晓勇博士与吴志祥博士给予的现场技术支持；北京科技大学马国星硕士、张金戈硕士与白云飞硕士在室内试验研究、国内外技术调研与资料后期收集整理等方面也付出了辛勤劳动，一并表示感谢！