隧道工程强穿透信息传输技术研究及应用

何金刚　苏中　袁航

摘要 文章根据隧道工程项目发生坍塌事故后强穿透信息技术的重难点问题，提出一种地电极电流解决方案，有效解决了传统技术中检测技术信号微弱和复杂隧道环境下地电极电流场需要先对其特性分析后才能建模等的诸多难题，在此基础上又根据工程项目实际情况开发研制了可以应用于施工现场的设备系统，施工时间证明该系统可以全面满足隧道工程施工安全监管需要，其在项目中的应用还可以在隧道掘进时发生坍塌的第一时间建立一种可以穿透坍塌体的信息传输通道，帮助救援人员明确隧道内受困人员实际情况，为救援工作提供及时、科学和精准的方案。

关键词 隧道工程;强穿透信息传输;平战一体;精准救援

中图分类号 TU91 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）06-0023-03

引言

随着我国交通基础设施和城市建设规模不断扩大，城市间以及城市内的隧道工程进入了蓬勃发展的阶段[1]，中国已成为世界隧道及地下工程建设规模和建设速度第一大国。目前，隧道工程普遍存在建设里程长、施工环境差、地质条件复杂、作业单位多、管理人员短缺、作业工人素质参差不齐等特点，隧道内工作人员的实时位置及作业情况，隧道内外的人员即时通信是当前隧道施工过程中亟待解决的问题，当事故发生时救援效率低下、隧道内信息获取手段有限[2]。在隧道掘进过程中，特别是仰拱和二衬没有完成之前，难以避免坍塌事故发生。坍塌事故（关门事故）发生后，在隧道二衬和施工掌子面之间，坍塌岩土会形成一段厚度在30～50 m的全封闭厚实积堆体，导致掌子面施工人员被困，由于其对外信息传输链路被塌方体全部“切断”，从而对隧道内受困人员实施及时救援带来极大难度。

据原国家安监总局对国内上报的隧道坍塌事故统计，2001年至2012年底，全国共发生铁路、公路、水利水电各类隧道坍塌事故63起，涉及受困人员427人，其中死亡218人。国务院《生产安全事故报告和调查处理条例》要求事故报告中要明确已经造成或者可能造成的伤亡人数，并作为确定事故等级的重要依据。如何在事故发生后实现隧道发生坍塌事故情况下施工人员的信息传输，从而快速确定人员伤亡信息，是事故发生后抢险救援快速响应、科学施救的重要保障。如何实现隧道坍塌后建立信息传输通道和链路已成为国内外交通建设工程领域亟待解决的技术难题。

1 基于地电极电流场强穿透通信信息传输技术

针对隧道施工坍塌环境下的信息传输保障需求，充分考虑不同特性坍塌体（岩石、沙土、钢筋混凝土、空气空洞等）的电磁特征，以实现“强穿透”，“高可靠”，“环境自适应”的信息传输支持能力为核心目标，围绕坍塌体电磁分布特征及无线强穿透信息传输机理的科学问题，该文提出了基于地电极电流场作为信息传输链路的解决方案，以岩层为媒介传播信息[3-4]，突破了地电极电流场信道特性分析与建模、微弱信号检测技术、复杂环境自适应传输等关键技术，并研制了可以应用于工程现场的设备系统。

1.1 隧道环境地电极电流场信道特性建模

地电极电流场信息传输机制是采用极低频率的电信号，施加于打在土层或隧道坍塌体上的两个电极之上，从而在岩层或土层中形成电流场，通过接收端的信号检测实现无线强穿透信息传输。然而，隧道施工坍塌事故形成的隧道工程中，穿透环境包括岩石、沙土、钢筋混凝土、空气空洞等不同介质，呈现非均匀性特征。理论和实践都表明，电磁波在导电介质中传播，其衰减很大，并且随着介质导电率增加，或者电磁波频率的升高，电磁波的幅值衰减越严重[5]。

根据不同现场情况实测并分析不同地质分布参数特征（如坍塌体电阻率、介电常数、磁导率等）、障碍物隔断、电磁干扰环境等因素对于系统传输性能的影响，建立等效传输信道模型。在此基础上，设计了最优化的电磁波激励方式及信号波形，实现了隧道工程无线强穿透信息传输。

1.2 地电极微弱信号检测技术

采用将交变电压作为信息的载体施加在隧道工程坍塌体一侧岩层或土层中形成电流场，在坍塌体另一侧两个接收电极之间检测到交变电压而实现信息传输。但由于基于地电极电流场的信息传输系统中接收电压随穿透距离增大迅速衰减，当穿透距离超过100 m后，接收端检测到的电压值极低，通常为μV甚至nV级;此外，在基于地电极的信息传输系统中，由于其传输机理是利用激励电场电流承载信息数据，数据采集有其特殊性，并且由于坍塌体本身是个复杂电导体，工频干扰和地电场都会在信号接收时形成噪声，干扰信号检测。

因此，通过自适应匹配滤波器对信号进行最佳接收;此外，为了提高接收性能，解决基于地电极阵列的微弱信号探测与识别，首先开展地电极阵列信号接收特性分析与建模，通过不同位置分布的地电极阵列进行电流场传导路径识别，在发射端，研究电极信号增强技术，在接收端，通过将阵列电极收集的不同传导路径上的电流进行最大比合并以提升分集接收增益[6]。

地电极阵列微弱信号探测与识别示意图如图1。

1.3 复杂环境自适应传输技术

基于地电极电流场的信号传输中易受到复杂电磁环境影响，导致传输稳定性受限。一方面，地球表面存在天然的大地电场和自然电场。大地电场场源来自地球外部电离层中的各种电流体系，它们分布于地球表面或广大地区，一般具有较小的梯度。而自然电场源来自地下介质物理化学反应引起的正负电荷分离而产生的电效应，分布于局部地区，一般具有较大的梯度。变化电场的频谱范围很广。另一方面，隧道施工过程中存在工频干扰问题，它会以电磁波的形式輻射，此外，施工现场附近的工农业用电也会形成地漏电流，从而对基于地电极的电流场信号传输造成干扰，上述干扰叠加在承载信号的电流场变化中，引起采集数据出现大幅扰动，甚至导致信号严重畸变，影响信号传输效能。在对干扰特征和机理充分认知的基础上，结合地电极实际采集数据，对一些常见干扰的变化形态特征和干扰机理进行分析，并提出干扰抑制方法，为地电场干扰识别、异常提取及干扰抑制技术提供理论依据和技术途径，如图2。

2 强穿透通信信息传输设备系统

强穿透通信信息传输设备系统主要包括一套管理平台，一台掌子面通信主机、一台洞外通信主机，N台高精度定位基站和个人终端，具备平战结合的系统功能。系统实现了施工期间隧道内2G/4G移动蜂窝电话信号、Wi-Fi信号覆盖，可以为施工单位提供隧道内的视频传输、语音通信、实时对讲、人员和设备实时位置信息服务，其工作状态如图3所示。

在关门坍塌事故发生后，多模终端可以快速切换至强穿透信息传输链路，如图4所示。

强穿透信息传输设备包括发射部分和接收部分，具体如下：

发射部分主要包括：信号源、数据调制解调器、供电电源、控制器和发射天线等。

接收部分主要包括：接收天线、数据接收处理器、通信系统、监控设备、供电电源等。

通信主机将待传数据经压缩、编码、调制并进行功率放大后由发射天线辐射电流场，辐射信号到达接收天线后，经过低噪声放大器放大后，由数字信号处理模块进行数据处理，信号经过解码、滤波等处理后得到信号源侧数据。

受困人员与救援人员之间建立的强穿透通信链路，可实现文本和延迟语音通信;设备系统可实现穿透的坍塌体厚度大于50 m以上，隧道内掌子面通信主机连续工作时间≥12 h，待机时间≥100 h。

3 结语

隧道工程无线强穿透信息传输技术是实现受困人员与外部进行信息即时交互的核心关键技术，更是受困人员快速获救的必要前提。

该文从隧道工程应急信息传输需要出发，利用科技的手段，在隧道工程发生坍塌事故后，第一时间快速建立一条穿透塌方体的信息传输通道，确认掌子面受困人员情况，为科学、精准救援提供基础信息和决策依据。为施工人员提供人身安全保障手段，实现交通建设领域应急安全管理与救援反应迅速、保障有力、指挥有效的目标，为将工程建设过程中的应急安全管理延伸到重要人员、重点项目、重点装备、重點工程，提供基础技术和精准信息支撑，对提升企业的施工安全保障和隧道应急实现精准救援能力，提升国家层面应急反应组织处置能力，提高交通建设行业安全管理水平具有重要的科学意义和实际应用价值，可在国民经济诸多领域发挥重要作用。

参考文献

[1]黄宏伟.城市隧道与地下工程的发展与展望[J].地下空间， 2001（4）： 311-317.

[2]徐国庆. 公路隧道透地通信系统的研究及应用[J]. 交通世界，2017（Z1）： 99-101.

[3]李洪涛， 李方， 王石， 等. SQUID在水下超低频通信中的应用分析[J].舰船电子工程， 2007（6）： 96-99.

[4]Holloway C L， Hill D A， Dalke R A， et al. Radio wave propagation characteristics in lossy circular waveguides such as tunnels， mine shafts， and boreholes[J]. IEEE Trans.Antennas Propag， 2000（48）： 1354-1366.

[5]赵凯华， 陈熙谋. 电磁学[M].2版. 北京：高等教育出版社， 1990.

[6]国家安全生产应急救援指挥中心就近期隧道施工事故及救援情况发出警示通报[J]. 中国应急管理，2017（10）： 42.