一种基于多源信息融合的充填体-围岩组合结构损伤监测与稳定性判定方法与流程

本发明属于岩土工程、地下工程围岩加固与稳定性监测，具体涉及一种基于多源信息融合的充填体-围岩组合结构损伤监测与稳定性判定方法，适用于输水隧洞、矿山巷道、交通隧道等地下工程中破裂软弱围岩注浆加固后的多尺度损伤演化监测、稳定性定量评价及注浆加固参数优化，尤其适用于粉质红砂岩等遇水易崩解、开挖后易发生大变形失稳的软弱围岩注浆加固效果评价。

背景技术：

1、水工大坝输水隧洞的安全性与稳定性，是推动水利工程高质量发展、筑牢水安全屏障的核心前提，更是保障大坝安全稳定运行、防范水利工程安全风险的关键基础，同时也是实现水资源高效调配、保障区域供水安全与防洪安全的重要支撑。在输水隧洞工程建设过程中，高地应力作用下围岩开挖卸荷后极易出现大变形失稳、垮塌等工程灾害，研究表明，隧洞变形以向隧洞临空面变形为主，变形开始于距掌子面约1倍洞径、结束于掌子面超过2倍洞径，且75%的变形均发生在开挖后。其中红砂岩、泥岩均为典型的软弱围岩，开挖卸荷后在地应力作用下易产生损伤破裂，若不及时采取支护措施，则极易向开挖空间内收敛形变，导致“软岩大变形”灾害，而这种灾害是导致全断面硬岩隧道掘进机（tbm）卡机占比最大的地质灾害之一，对工程安全高效施工造成严重的不利影响。

2、目前针对围岩衬砌的防护措施主要包括喷锚支护、注浆加固、围岩网兜等方式，对于输水隧洞中常出现的软岩破碎带，喷锚支护和围岩网兜等方式加固效果有限，而注浆加固是目前公认的最有效手段，且在各类地下工程中应用广泛。注浆加固通过将具有胶凝特性的注浆材料浆液注入岩体裂隙与孔隙内部，实现裂隙充填、岩块胶结及整体结构重构，可显著提升破碎围岩的整体性、强度与抗变形能力，从而有效抑制软岩大变形、掉块与坍塌，保障tbm掘进过程的连续与安全。在实际工程与室内试验中，注浆工艺参数直接决定浆液扩散范围、充填密实度及岩-浆界面粘结强度，其中注浆材料水灰比与注浆压力作为最核心的控制指标，对破碎红砂岩的加固效果具有决定性作用。

3、注浆材料水灰比直接影响注浆材料浆液的流动性、稳定性、胶结性能及后期强度，是决定注浆材料浆液可注性与加固效果的关键因素。水灰比过高时，浆液黏度较低、流动性较强，虽易于进入微小裂隙，但易出现泌水、离析与收缩现象，导致固结体孔隙率增大、强度显著降低，难以有效胶结破碎岩体；水灰比过低时，浆液黏稠度大幅上升，流动扩散能力减弱，难以渗入岩体细微裂隙，易在注浆口附近堆积，形成局部堵管与注浆盲区，造成充填不密实、加固不均匀等问题。适宜的水灰比可使浆液兼具良好流动性与胶结性能，既能充分渗透至红砂岩破裂结构面，又能在水化硬化后形成致密固结体，显著提升破碎试样的峰值强度、弹性模量与残余强度。

4、注浆压力则决定浆液的驱动扩散能力，影响浆液在裂隙网络中的推进距离、充填程度与压实效果。注浆压力较小时，浆液动力不足，难以突破岩体内部细小裂隙，扩散范围有限，无法完全贯通破裂区，易形成未充填空洞，导致加固后试样仍存在明显薄弱面；注浆压力过高时，虽可大幅提升浆液扩散范围，但易对已破裂红砂岩产生二次劈裂破坏，扩大原有裂隙，甚至造成岩块错动与结构松散，反而降低围岩整体稳定性。同时，过高注浆压力还可能引发浆液沿围岩薄弱面窜流、漏浆，造成材料浪费与加固失效。合理的注浆压力能够在不产生新损伤的前提下，推动浆液充分填充裂隙空间，排出裂隙水与气体，提高岩-浆界面密实度与粘结力，使破碎试样由松散状态转变为整体承载结构，显著提升其抗变形能力与承载特性。

5、当前国内外学者针对注浆加固破裂岩石开展了大量研究，围绕不同注浆材料、不同水灰比、不同注浆压力对注浆加固破裂岩石力学强度恢复的影响规律和作用机理形成了一系列成果，但现有研究仍存在以下核心缺陷：

6、第一，现有研究多集中于普通硅酸盐水泥注浆材料，而对于高渗纳米改性注浆材料的研究相对匮乏。纳米注浆材料凭借超细粒径、高渗透性、优异胶结特性，为软弱围岩加固提供了新路径，但目前针对其加固破裂岩石的力学特性、损伤演化规律的系统研究严重不足，这种研究局限性严重制约了纳米注浆材料在实际工程中的推广应用，不利于注浆加固技术的长远发展。

7、第二，目前针对不同注浆压力与不同注浆水灰比的水泥注浆材料加固岩石研究较多，而对于不同注浆条件下纳米注浆材料加固岩石的力学强度恢复、裂缝演化规律与表面非均匀变形研究尚不充分，无法为纳米注浆材料的工程参数设计提供系统的理论支撑，限制了其工程应用范围。

8、第三，尽管在不同注浆水灰比与注浆压力下水泥注浆材料加固岩石的微观机理研究已取得大量成果，但不同注浆条件下纳米注浆材料加固岩石的孔隙结构与微观形貌特征尚不明确，相关强度恢复机理的阐释仍旧匮乏，无法从宏-细-微观多尺度揭示纳米注浆材料的加固机制。

9、第四，现有注浆加固效果与围岩稳定性判定方法，多采用单一的单轴抗压强度指标，未结合声发射损伤特征、细观变形特征、微细观结构特征等多源信息，无法全面反映充填体-围岩组合结构的真实损伤状态与稳定性能，判定精度不足，且无法系统量化注浆参数与组合结构稳定性的关联机制，难以指导工程现场注浆参数的精准优化。

10、因此，针对现有技术的上述缺陷，亟需开发一种基于多源信息融合的充填体-围岩组合结构损伤监测与稳定性判定方法，实现宏-细-微观多尺度的损伤演化表征，建立定量的稳定性评价体系，同时系统揭示纳米注浆材料水灰比、注浆压力对破裂围岩强度恢复的调控机制，为纳米注浆材料的工程应用提供全面的理论与技术支撑。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于多源信息融合的充填体-围岩组合结构损伤监测与稳定性判定方法，解决以下技术问题：

2、解决现有监测手段单一，无法实现宏-细-微观多尺度融合表征充填体-围岩组合结构损伤演化过程的技术问题，克服单一监测手段仅能反映局部特征、无法全面揭示损伤机制的缺陷；

3、解决现有稳定性判定仅依赖单一强度指标，未结合多源损伤特征参数，判定精度不足、无法真实反映组合结构稳定状态的技术问题，建立定量、多维度的稳定性评价体系；

4、解决现有纳米注浆材料加固破裂围岩的参数优化缺乏系统多源数据支撑，无法明确水灰比、注浆压力对组合结构稳定性调控机制的技术问题，为工程注浆参数设计提供精准指导；

5、解决现有研究无法从宏-细-微观多尺度揭示纳米注浆材料加固破裂围岩强度恢复机理的技术问题，完善纳米注浆材料加固理论体系。

6、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

7、一种基于多源信息融合的充填体-围岩组合结构损伤监测与稳定性判定方法，包括以下步骤：

8、s1试样制备：选取目标围岩制备符合工程岩体试验标准的标准岩样，通过单轴压缩试验制备具有真实贯通裂隙的破裂围岩试样；采用注浆材料对破裂围岩试样进行高压注浆加固，注浆采用恒压模式，达到预设压力后保压120min，保压完成后采用每5min降低0.5mpa的梯级泄压方式，泄压完成后标准养护28d，得到充填体-围岩组合结构试样；

9、具体地，所述目标围岩为输水隧洞典型软弱围岩红砂岩，所述标准岩样为φ50mm×100mm的圆柱形标准试样，高度与直径误差均不超过±0.3mm；所述单轴压缩试验采用位移控制模式，加载速率为0.03mm/min，加载至试样产生宏观贯通裂隙后卸载，得到破裂围岩试样；所述注浆材料包括高渗纳米注浆材料与42.5p・o型普通硅酸盐水泥注浆材料，其中高渗纳米注浆材料最大粒径＜10μm，密度3.77g/cm³，比表面积421m²/kg，普通硅酸盐水泥最大粒径50μm，密度3.16g/cm³，比表面积386m²/kg。

10、进一步地，所述高压注浆的注浆压力设置范围为2mpa~15mpa，注浆材料的水灰比设置范围为0.5~0.9，覆盖工程常用配比区间；所述标准养护的条件为温度20℃、相对湿度90%rh，养护期间定期监测试样质量与纵波波速变化。

11、参数范围依据：注浆压力低于2mpa时，浆液动力不足，裂隙填充率不足60%，加固效果差；注浆压力高于15mpa时，会诱发水力劈裂效应，对破裂围岩产生二次损伤，反而降低整体稳定性，因此注浆压力范围限定为2mpa~15mpa。水灰比低于0.5时，浆液黏度过高，流动性不足，无法渗入岩体微裂隙，易形成注浆盲区；水灰比高于0.9时，浆液泌水率超过30%，固结后孔隙率大幅升高，强度劣化显著，因此水灰比范围限定为0.5~0.9。

12、s2多源监测系统搭建：搭建集成声发射（ae）监测模块、三维全场应变观测模块、纵波波速测试模块与微细观表征模块的多源信息监测系统，完成各模块的系统标定与试验参数设置，实现多源数据同步采集与融合分析；

13、具体地，所述声发射监测模块包括多通道声发射采集系统、声发射传感器、前置放大器，参数设置为：信号触发阈值45db，采样频率1mhz，前置放大器增益40db；试验前采用高真空润滑脂作为耦合剂，将声发射传感器固定于试样表面预设测点，通过标准断铅试验（0.5mm铅芯，伸出长度2.5mm，折断角度30°）校验系统耦合效果与采集灵敏度，校验合格后开展试验。

14、所述三维全场应变观测模块为三维数字图像相关法（3d-dic）双目视觉测量系统，试验前对试样表面进行处理，采用哑光黑白喷漆制作白底黑色散斑，散斑直径约2~3像素；根据试样尺寸确定测量距离与相机间距，调整相机焦距与光圈，采用12×9点阵标准标定板完成双目系统标定，标定重投影误差小于0.02像素，建立图像像素与实际物理尺寸的映射关系。

15、所述纵波波速测试模块采用非金属超声检测分析仪，试验前完成系统零延时标定，确保发射与接收换能器与试样端面紧密耦合，测试误差控制在5%以内。

16、所述微细观表征模块包括高分辨率x射线岩土三维显微ct系统与扫描电子显微镜（sem），分别用于试样内部三维孔隙裂隙结构表征与浆-岩界面微观形貌观测。

17、s3 加载过程同步监测：将充填体 - 围岩组合结构试样置于岩石压力试验机，开展单轴压缩加载试验，加载过程中同步采集应力 - 应变数据、声发射信号、三维全场应变图像；加载前后分别测试试样的纵波波速，加载完成后对试样进行ct三维扫描与 sem 扫描的微细观结构表征；

18、具体地，所述单轴压缩加载试验采用ddz-1000型岩石压力试验机，最大试验力1000kn，主机刚度11.5gn/m，采用位移控制加载，加载速率为0.03mm/min；试验前在试样两端均匀涂抹凡士林消除端部效应，确保试样轴心与试验机加载轴心重合。

19、所述纵波波速测试分别在注浆前、养护完成后、加载破坏后开展，通过下式计算试样纵波波速：

20、其中，为纵波波速，l为波发射点与接收点的距离，为纵波在岩石中传播的时间，为仪器系统的零延时。

21、所述微细观结构表征中，ct 三维扫描将试样固定于载物台，完成 360° 旋转扫描后重建三维体数据，通过阈值分割区分岩石基体、孔隙与浆液三相，定量分析孔隙率、孔径分布、裂隙填充率；sem 扫描制备 10mm×10mm×20mm 的试样，无水乙醇中止水化后 60℃真空烘干，喷金处理后观测浆 - 岩胶结面形貌、水化产物发育特征。

22、s4多源信息融合的损伤演化分析：基于采集的多源监测数据，从宏-细-微观多尺度开展融合分析：基于声发射数据分析组合结构受压过程中的裂纹萌生扩展规律与开裂模式，基于三维全场应变数据分析试样表面非均匀变形特征，基于微细观表征数据分析试样内部孔隙结构与浆-岩界面粘结状态，明确注浆参数对组合结构损伤演化的调控机制；

23、具体地，所述裂纹萌生扩展规律分析包括：基于声发射振铃计数表征单次微破裂的剧烈程度，基于累计振铃计数表征加载全过程的损伤累积进程，分析不同注浆参数下损伤演化的阶段特征；基于声发射ra值（上升时间与幅值的比值）与平均频率af（振铃计数与持续时间的比值），以af=100ra为分界线区分拉伸裂纹与剪切裂纹，统计不同加载阶段两类裂纹的占比，揭示裂纹类型的演化规律与破坏模式转变机制；该分界线基于红砂岩注浆加固试样的大量声发射试验数据标定，可准确区分两类破裂信号的特征差异。

24、所述表面非均匀变形特征分析包括：基于3d-dic系统采集的图像序列，重构试样表面的三维全场应变场，分析峰前加载过程中试样整体轴向应变、径向应变的演化规律，提取应变局部化带的位置与发展过程，对比局部化带内外的应变差异，量化不同注浆参数下试样的非均匀变形程度。

25、所述微细观结构分析包括：基于ct 三维扫描结果对比注浆前后试样的裂隙分布、孔隙率变化，定量评价浆液的裂隙填充效果；基于sem 扫描图像分析不同注浆参数下水化产物的类型、发育程度与浆 - 岩界面的粘结状态，从微观层面揭示注浆参数对加固效果的影响机制。

26、s5组合结构稳定性判定：基于单轴压缩试验获取的力学参数计算组合结构的强度恢复系数，结合声发射损伤特征、细观变形局部化特征、微细观填充率特征三个维度的参数，完成充填体-围岩组合结构的稳定性定量判定，并通过多组对比试验确定目标围岩的最优注浆加固参数。

27、具体地，所述强度恢复系数用于量化破裂围岩经注浆加固后的承载能力恢复程度，计算公式为：

28、

29、其中，为完整围岩的峰值抗压强度，为破裂围岩的残余强度，为充填体-围岩组合结构试样的峰值抗压强度。

30、稳定性量化判定规则：

31、稳定：强度恢复系数≥0.05、峰前声发射累计振铃计数≤8000次、裂隙填充率≥85%、应变局部化系数≤1.5；

32、较稳定：强度恢复系数0.03~0.05、峰前声发射累计振铃计数8000~15000次、裂隙填充率70%~85%、应变局部化系数1.5~2.5；

33、不稳定：强度恢复系数＜0.03、峰前声发射累计振铃计数＞15000次、裂隙填充率＜70%、应变局部化系数＞2.5；

34、综合上述四个维度的参数，定量评价组合结构的稳定性，以强度恢复系数峰值、多维度损伤特征最优对应的注浆参数作为目标围岩的最优注浆加固参数。

35、本发明的有益效果为：

36、1、针对现有技术监测手段单一的缺陷，实现了宏-细-微观多尺度的多源信息融合监测，全面表征充填体-围岩组合结构的损伤演化过程。本发明集成声发射、三维全场应变观测、纵波波速测试、ct/sem微细观表征四大监测模块，从宏观力学响应、细观变形演化、微观结构变化三个维度，全面揭示组合结构受压过程中的裂纹萌生、扩展、贯通全过程，克服了传统单一监测手段仅能反映局部特征、无法揭示损伤本质机制的缺陷，损伤表征的全面性与精准度大幅提升。

37、2、针对现有技术稳定性判定精度不足的缺陷，建立了多维度定量的稳定性判定体系，大幅提升了稳定性评价的准确性。本发明突破了传统仅依赖单一峰值强度的评价模式，引入强度恢复系数量化强度恢复效果，结合声发射损伤特征、细观变形局部化特征、微细观填充率特征，从承载能力、内部损伤、变形均匀性、微观密实度四个维度综合判定组合结构的稳定性，评价结果更贴合工程实际，能够真实反映注浆加固后的围岩稳定状态，判定精度较传统单一指标显著提升。

38、3、针对现有技术纳米注浆参数优化缺乏支撑的缺陷，系统揭示了注浆参数对组合结构稳定性的调控机制，实现了注浆参数的精准优化。本发明通过多组对比试验，明确了纳米注浆材料与普通水泥注浆材料的性能差异：同水灰比下纳米注浆材料加固试样的峰值强度为水泥材料的1.6~2.1倍，强度恢复系数最高可达水泥材料的2.08倍；量化了水灰比、注浆压力对组合结构力学性能、损伤演化、微观结构的影响规律，确定了红砂岩软弱围岩注浆加固的最优参数区间（纳米注浆材料水灰比0.6、注浆压力10mpa），为工程现场注浆设计提供了系统、可直接应用的理论与数据支撑。

39、4、针对现有技术纳米注浆加固机理研究空白的缺陷，从多尺度揭示了纳米注浆材料加固破裂围岩的强度恢复机理，完善了注浆加固理论体系。本发明结合宏观力学试验、细观变形监测与微观结构表征，阐明了纳米注浆材料通过“宏观裂隙胶结-细观孔隙填充-微观界面粘结”三级机制实现强度恢复的作用原理，明确了“水灰比平衡浆液流动性与固结强度、注浆压力兼顾充填效率与二次劈裂损伤”的协同控制原理，填补了纳米注浆材料加固破裂围岩多尺度机理研究的空白。

40、5、方法流程标准化、可操作性强，工程适用范围广。本发明的试验流程、监测方法、判定规则均形成了标准化体系，不仅适用于红砂岩软弱围岩，也可推广应用于泥岩、灰岩等各类破裂围岩的注浆加固效果评价，可直接服务于输水隧洞、矿山巷道、交通隧道等各类地下工程的围岩加固设计与稳定性评价，具有极高的工程应用价值。