在岩石工程中，感知技术是通过各类传感器和监测设备，实时获取岩石体及工程结构的物理、力学、几何状态参数的技术体系，核心是解决岩石工程“隐蔽性强、不确定性高、动态变化快”的痛点。而感知的本质，是让原本“看不见、摸不着”的岩石内部变化和工程响应“可视化、可量化、可预测”，既是工程安全的“眼睛”，也是数智化岩土工程的“数据源头”。

一、为什么要进行岩石工程感知？

1.保障工程安全，规避灾难性事故

岩石工程（如深部矿井、高陡边坡、长大隧道、地下硐室）中，岩石的破裂、滑移、坍塌往往具有突发性。通过感知岩石的应力、变形、声发射等参数，可提前预警岩爆、滑坡、塌方等灾害，避免人员伤亡和财产损失。例如，深部矿山的岩爆预警、高边坡的滑坡监测。

2.优化设计与施工，降低工程成本

传统岩石工程设计多依赖经验公式和室内试验，与现场实际地质条件存在偏差。通过施工期和运营期的感知数据，可反演岩石的真实力学参数，优化支护方案（如锚杆间距、锚索预应力）、调整施工工艺（如隧道开挖循环进尺），减少过度支护或支护不足的问题。

3.验证理论模型，推动学科发展

岩石力学中的本构模型、破坏准则多基于理想假设，现场感知数据为验证和修正这些理论提供了真实的“天然试验场”。例如，深部岩石的蠕变特性、卸荷破坏规律，只有通过长期现场感知才能准确获取，推动岩石力学理论的发展。

4.实现工程全生命周期管理

岩石工程的服役寿命可达数十年甚至上百年，运营期的岩石体状态会随时间、环境（如地下水、温度）变化。通过长期感知，可评估工程结构的健康状态，制定维修养护计划，实现从设计、施工到运营的全生命周期管理。

5.支撑数智化岩土工程的发展

数智化岩土工程的核心是“数据驱动的智能决策”，而感知技术是获取多源、实时、高精度数据的唯一途径。通过物联网整合感知数据，结合人工智能、大数据分析，可实现工程状态的智能诊断、预测和自适应调控。

二、岩石工程的核心感知技术有哪些？

根据感知的核心参数类型，可将感知技术分为以下五大类，涵盖传统技术和新兴的数智化技术：

1.力学参数感知技术（核心：应力、压力、荷载）

①锚杆/锚索测力计

原理：通过内置应变片，测量锚杆或锚索的轴向应力，反映支护结构的受力状态和岩石体的荷载传递。

应用：隧道、硐室、边坡的支护效果监测，判断锚杆是否有效承载。

②土压力/岩石压力传感器（压力盒）

原理：通过电阻应变片或压电元件，测量岩石与支护结构之间的接触压力，或岩石内部的应力。

应用：隧道衬砌压力监测、基坑围护结构压力监测、深部矿井巷道围岩应力监测。

③应力计（钻孔应力计）

原理：埋入岩石钻孔中，测量岩石的三维应力变化，分为振弦式、电阻式等。

应用：深部矿山地应力监测、岩爆预警、边坡应力场演化监测。

2.变形与位移感知技术（核心：位移、应变、曲率）

①外部位移监测技术

全站仪/GNSS：测量边坡、基坑、矿井井口等外部结构的宏观位移，适用于大范围、高精度的静态位移监测。

测斜仪：通过钻孔埋入，测量岩石体的水平位移和倾斜角度，适用于边坡、基坑的深层位移监测。

②内部变形监测技术

应变计：测量岩石或支护结构的局部应变，分为埋入式（岩石应变计）和表面式（衬砌应变计）。

位移计（引伸计）：测量两个测点之间的相对位移，反映岩石的拉伸或压缩变形。

分布式光纤传感技术（DFOS）：基于光纤的瑞利散射或布里渊散射，实现沿光纤全长的连续应变和温度监测，可覆盖数公里范围，适用于隧道、边坡、矿山的全域变形监测。

3.渗流场感知技术（核心：孔隙水压力、渗流量、含水率）

①渗压计（孔隙水压力传感器）

原理：测量岩石孔隙或裂隙中的水压力，反映地下水的动态变化。

应用：边坡稳定性监测（地下水压力升高会降低岩石抗剪强度）、隧道涌水预警、矿山突水监测。

②流量计

原理：测量地下水的渗流量，分为电磁流量计、超声波流量计等。

应用：隧道涌水量监测、矿山排水系统监测。

4.声学特性感知技术（核心：声发射、超声波、弹性波）

①声发射（AE）监测系统

原理：岩石在受力破裂时会释放弹性波（声发射信号），通过传感器捕捉信号的频率、幅值、能量等参数，判断岩石的破裂程度和位置。

应用：深部矿山岩爆预警、隧道塌方预警、岩石疲劳破坏监测。

②超声波/弹性波检测仪

原理：通过发射超声波或弹性波，测量波在岩石中的传播速度、衰减系数等，反映岩石的完整性、裂隙发育程度。

应用：岩石质量分级（RQD）、支护结构完整性检测、深部岩石损伤演化监测。

③地质雷达

原理：类似“地下CT”，向地下发射高频电磁波，电磁波遇到岩性界面、裂隙、空洞或地下水等异常体时会发生反射/折射，通过接收反射信号反演地下情况。

应用：隧道超前地质预报、路基/坝体隐患探测、地下管线定位，核心优势是无损、快速、可视化，适合快速排查地下隐蔽问题。

5.智能化感知技术（数智化岩土工程的核心升级方向）

①光纤传感网络

除了分布式应变监测，光纤还可实现温度、压力、振动等多参数监测，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、传输距离远等优点，适用于恶劣环境（如深部矿井、高腐蚀性地层）。

②物联网（IoT）感知平台

将各类传感器通过无线通信（LoRa、NB-IoT、5G）连接，实现多源数据的实时采集、传输和整合，打破“数据孤岛”。

③无人机（UAV）+ LiDAR 遥感

原理：通过无人机搭载激光雷达（LiDAR），快速获取高陡边坡、矿山采场的三维地形数据，对比不同时期的地形变化，监测岩石体的滑移或坍塌。

应用：露天矿边坡监测、山区公路边坡监测。

④人工智能（AI）辅助感知

利用AI算法（如深度学习、机器学习）对感知数据进行挖掘，实现异常信号的自动识别、灾害的智能预警和工程状态的预测，提升感知技术的决策效率。

三、多源感知技术的典范：“五官一脑”智能感知系统

“五官一脑”是由山东大学研发的隧道施工智能系统，该系统以盾构施工场景为载体，构建了地质-机器-环境一体化感知网络，通过多维度感知、数据融合与人机协同，建立了隧道开挖的“五官一脑”智能系统。实现了地下工程施工的实时监测、风险预警与智能决策，显著提升了复杂地质条件下盾构施工的安全性与高效性。

“五官”作为感知层，分别对应地质、地层、气体、刀具、注浆等关键维度（图），“一脑”作为融合决策层，实现数据集成与人机协同。“五官一脑”的组成如下：

1. “火眼金睛”——超前地质预报系统（地质环境感知）

采用地质雷达、地震波CT等技术，探测前方50-80米范围内溶洞、破碎带、地下水等不良地质，为掘进提供超前预警。

2.“听波聪耳”——地层界面识别系统（地层-机器交互感知）

通过刀盘振动传感器采集信号，结合AI算法识别开挖面复合地层强度、软硬界面等特征，判断地层变化。

3.“超级巧鼻”——气体环境监测系统（施工环境感知）

集成多气体传感器，实时监测16-20种有毒有害气体及温湿度等参数，超标时自动预警。

4.“钢牙神经”——刀具磨损监测系统（机器状态感知）

通过应力、振动、位移传感器，实时监测滚刀磨损量、受力状态，预判刀具失效风险。

5.“号脉灵手”——同步注浆检测系统（施工质量与环境适配感知）

采用超声波、雷达等技术，逐环检测管片壁后注浆密实度、缺陷位置，评估注浆质量。

6.“人工智脑”——辅助决策支撑系统（IB-ADSS）（融合决策层）

整合“五官”数据，通过大数据分析、机器学习算法进行多源数据融合，输出掘进参数建议、风险预警信息。

山东大学“五官一脑”智能系统的感知技术，通过“五官”实现环境-机器的全维度感知，“一脑”构建人机协同的决策中枢，形成信息交互、数据融合、反馈闭环的融合体系，为地下工程智能建造提供了可推广的技术范式。

目前，岩石工程感知技术已从传统的“单点、静态、人工监测”向全域、实时、智能、多参数融合的方向发展。感知的核心价值，不仅是保障工程安全，更是为岩石力学理论提供真实数据支撑，推动岩土工程从“经验驱动”向“数据驱动”的数智化转型。