隧道工程強穿透信息傳輸技術研究及應用

何金剛　蘇中　袁航

摘要 文章根據隧道工程項目發生坍塌事故后強穿透信息技術的重難點問題，提出一種地電極電流解決方案，有效解決了傳統技術中檢測技術信號微弱和復雜隧道環境下地電極電流場需要先對其特性分析后才能建模等的諸多難題，在此基礎上又根據工程項目實際情況開發研制了可以應用于施工現場的設備系統，施工時間證明該系統可以全面滿足隧道工程施工安全監管需要，其在項目中的應用還可以在隧道掘進時發生坍塌的第一時間建立一種可以穿透坍塌體的信息傳輸通道，幫助救援人員明確隧道內受困人員實際情況，為救援工作提供及時、科學和精準的方案。

關鍵詞 隧道工程;強穿透信息傳輸;平戰一體;精準救援

中圖分類號 TU91 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0023-03

引言

隨著我國交通基礎設施和城市建設規模不斷擴大，城市間以及城市內的隧道工程進入了蓬勃發展的階段[1]，中國已成為世界隧道及地下工程建設規模和建設速度第一大國。目前，隧道工程普遍存在建設里程長、施工環境差、地質條件復雜、作業單位多、管理人員短缺、作業工人素質參差不齊等特點，隧道內工作人員的實時位置及作業情況，隧道內外的人員即時通信是當前隧道施工過程中亟待解決的問題，當事故發生時救援效率低下、隧道內信息獲取手段有限[2]。在隧道掘進過程中，特別是仰拱和二襯沒有完成之前，難以避免坍塌事故發生。坍塌事故（關門事故）發生后，在隧道二襯和施工掌子面之間，坍塌巖土會形成一段厚度在30～50 m的全封閉厚實積堆體，導致掌子面施工人員被困，由于其對外信息傳輸鏈路被塌方體全部“切斷”，從而對隧道內受困人員實施及時救援帶來極大難度。

據原國家安監總局對國內上報的隧道坍塌事故統計，2001年至2012年底，全國共發生鐵路、公路、水利水電各類隧道坍塌事故63起，涉及受困人員427人，其中死亡218人。國務院《生產安全事故報告和調查處理條例》要求事故報告中要明確已經造成或者可能造成的傷亡人數，并作為確定事故等級的重要依據。如何在事故發生后實現隧道發生坍塌事故情況下施工人員的信息傳輸，從而快速確定人員傷亡信息，是事故發生后搶險救援快速響應、科學施救的重要保障。如何實現隧道坍塌后建立信息傳輸通道和鏈路已成為國內外交通建設工程領域亟待解決的技術難題。

1 基于地電極電流場強穿透通信信息傳輸技術

針對隧道施工坍塌環境下的信息傳輸保障需求，充分考慮不同特性坍塌體（巖石、沙土、鋼筋混凝土、空氣空洞等）的電磁特征，以實現“強穿透”，“高可靠”，“環境自適應”的信息傳輸支持能力為核心目標，圍繞坍塌體電磁分布特征及無線強穿透信息傳輸機理的科學問題，該文提出了基于地電極電流場作為信息傳輸鏈路的解決方案，以巖層為媒介傳播信息[3-4]，突破了地電極電流場信道特性分析與建模、微弱信號檢測技術、復雜環境自適應傳輸等關鍵技術，并研制了可以應用于工程現場的設備系統。

1.1 隧道環境地電極電流場信道特性建模

地電極電流場信息傳輸機制是采用極低頻率的電信號，施加于打在土層或隧道坍塌體上的兩個電極之上，從而在巖層或土層中形成電流場，通過接收端的信號檢測實現無線強穿透信息傳輸。然而，隧道施工坍塌事故形成的隧道工程中，穿透環境包括巖石、沙土、鋼筋混凝土、空氣空洞等不同介質，呈現非均勻性特征。理論和實踐都表明，電磁波在導電介質中傳播，其衰減很大，并且隨著介質導電率增加，或者電磁波頻率的升高，電磁波的幅值衰減越嚴重[5]。

根據不同現場情況實測并分析不同地質分布參數特征（如坍塌體電阻率、介電常數、磁導率等）、障礙物隔斷、電磁干擾環境等因素對于系統傳輸性能的影響，建立等效傳輸信道模型。在此基礎上，設計了最優化的電磁波激勵方式及信號波形，實現了隧道工程無線強穿透信息傳輸。

1.2 地電極微弱信號檢測技術

采用將交變電壓作為信息的載體施加在隧道工程坍塌體一側巖層或土層中形成電流場，在坍塌體另一側兩個接收電極之間檢測到交變電壓而實現信息傳輸。但由于基于地電極電流場的信息傳輸系統中接收電壓隨穿透距離增大迅速衰減，當穿透距離超過100 m后，接收端檢測到的電壓值極低，通常為μV甚至nV級;此外，在基于地電極的信息傳輸系統中，由于其傳輸機理是利用激勵電場電流承載信息數據，數據采集有其特殊性，并且由于坍塌體本身是個復雜電導體，工頻干擾和地電場都會在信號接收時形成噪聲，干擾信號檢測。

因此，通過自適應匹配濾波器對信號進行最佳接收;此外，為了提高接收性能，解決基于地電極陣列的微弱信號探測與識別，首先開展地電極陣列信號接收特性分析與建模，通過不同位置分布的地電極陣列進行電流場傳導路徑識別，在發射端，研究電極信號增強技術，在接收端，通過將陣列電極收集的不同傳導路徑上的電流進行最大比合并以提升分集接收增益[6]。

地電極陣列微弱信號探測與識別示意圖如圖1。

1.3 復雜環境自適應傳輸技術

基于地電極電流場的信號傳輸中易受到復雜電磁環境影響，導致傳輸穩定性受限。一方面，地球表面存在天然的大地電場和自然電場。大地電場場源來自地球外部電離層中的各種電流體系，它們分布于地球表面或廣大地區，一般具有較小的梯度。而自然電場源來自地下介質物理化學反應引起的正負電荷分離而產生的電效應，分布于局部地區，一般具有較大的梯度。變化電場的頻譜范圍很廣。另一方面，隧道施工過程中存在工頻干擾問題，它會以電磁波的形式輻射，此外，施工現場附近的工農業用電也會形成地漏電流，從而對基于地電極的電流場信號傳輸造成干擾，上述干擾疊加在承載信號的電流場變化中，引起采集數據出現大幅擾動，甚至導致信號嚴重畸變，影響信號傳輸效能。在對干擾特征和機理充分認知的基礎上，結合地電極實際采集數據，對一些常見干擾的變化形態特征和干擾機理進行分析，并提出干擾抑制方法，為地電場干擾識別、異常提取及干擾抑制技術提供理論依據和技術途徑，如圖2。

2 強穿透通信信息傳輸設備系統

強穿透通信信息傳輸設備系統主要包括一套管理平臺，一臺掌子面通信主機、一臺洞外通信主機，N臺高精度定位基站和個人終端，具備平戰結合的系統功能。系統實現了施工期間隧道內2G/4G移動蜂窩電話信號、Wi-Fi信號覆蓋，可以為施工單位提供隧道內的視頻傳輸、語音通信、實時對講、人員和設備實時位置信息服務，其工作狀態如圖3所示。

在關門坍塌事故發生后，多模終端可以快速切換至強穿透信息傳輸鏈路，如圖4所示。

強穿透信息傳輸設備包括發射部分和接收部分，具體如下：

發射部分主要包括：信號源、數據調制解調器、供電電源、控制器和發射天線等。

接收部分主要包括：接收天線、數據接收處理器、通信系統、監控設備、供電電源等。

通信主機將待傳數據經壓縮、編碼、調制并進行功率放大后由發射天線輻射電流場，輻射信號到達接收天線后，經過低噪聲放大器放大后，由數字信號處理模塊進行數據處理，信號經過解碼、濾波等處理后得到信號源側數據。

受困人員與救援人員之間建立的強穿透通信鏈路，可實現文本和延遲語音通信;設備系統可實現穿透的坍塌體厚度大于50 m以上，隧道內掌子面通信主機連續工作時間≥12 h，待機時間≥100 h。

3 結語

隧道工程無線強穿透信息傳輸技術是實現受困人員與外部進行信息即時交互的核心關鍵技術，更是受困人員快速獲救的必要前提。

該文從隧道工程應急信息傳輸需要出發，利用科技的手段，在隧道工程發生坍塌事故后，第一時間快速建立一條穿透塌方體的信息傳輸通道，確認掌子面受困人員情況，為科學、精準救援提供基礎信息和決策依據。為施工人員提供人身安全保障手段，實現交通建設領域應急安全管理與救援反應迅速、保障有力、指揮有效的目標，為將工程建設過程中的應急安全管理延伸到重要人員、重點項目、重點裝備、重點工程，提供基礎技術和精準信息支撐，對提升企業的施工安全保障和隧道應急實現精準救援能力，提升國家層面應急反應組織處置能力，提高交通建設行業安全管理水平具有重要的科學意義和實際應用價值，可在國民經濟諸多領域發揮重要作用。

參考文獻

[1]黃宏偉.城市隧道與地下工程的發展與展望[J].地下空間， 2001（4）： 311-317.

[2]徐國慶. 公路隧道透地通信系統的研究及應用[J]. 交通世界，2017（Z1）： 99-101.

[3]李洪濤， 李方， 王石， 等. SQUID在水下超低頻通信中的應用分析[J].艦船電子工程， 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]趙凱華， 陳熙謀. 電磁學[M].2版. 北京：高等教育出版社， 1990.

[6]國家安全生產應急救援指揮中心就近期隧道施工事故及救援情況發出警示通報[J]. 中國應急管理，2017（10）： 42.