深地測繪基準及深地電磁波測距的若干思考

劉正才，彭理隆，黃 菲，吳 浩，劉師中

(1.湘潭大學土木工程與力學學院，湖南 湘潭 411105；2.湘潭大學基建處，湖南 湘潭 411105)

0 前 言

習近平總書記在全國科技創(chuàng)新大會上指出“向地球深部進軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問題”。深地防護工程和城市地下空間平戰(zhàn)融合關鍵技術是國內外近年來的重大攻關課題。國家和省市級的測繪基準是國民經濟建設和國防建設的重要基礎設施。測繪基準亦是戰(zhàn)后地下幸存者救援、建構筑物的健康監(jiān)測、修建的起算依據。但地面及地下淺部的測繪基準易遭到現(xiàn)代戰(zhàn)爭破壞，造成戰(zhàn)后修復工程缺乏必要的測繪基準。免受現(xiàn)代戰(zhàn)爭威脅的地下深部測繪基準是探索和揭示地下深部巖體移動變形規(guī)律和開展深部防護工程建設的重要測繪理論基礎。

美國早在1996年就建成了防護厚度達400多米的夏延山地下指揮中心[1-4]。美國鉆地武器的遠期研究目標是擊穿整個花崗巖山體，摧毀假想敵國位于地下800 m以下的中央指揮中心和戰(zhàn)略導彈發(fā)射井。謝和平等相關研究表明人類現(xiàn)有科技水平對地下(巷道)坑道開發(fā)利用的極限深度約為1 500 m[5]。近年來，為了提高戰(zhàn)略防護工程特別是國家級指揮工程的生存能力，歐美國家正在興建防護厚度達1 000～1 200 m的超堅固地下深部戰(zhàn)略防護工程[1-4]。目前，錢七虎、任輝啟、楊秀敏和王明洋等開展了系列的科學研究，為我國深地防護工程建設理論奠定了堅實的基礎[6-7]。但在地下防護工程的設計、施工、維護運營以及地下深部巖體移動變形規(guī)律探索中，對地下測繪基準的精度和防護深度的要求目前未見相關文獻報道。

在深部礦產資源綠色開采、巖土體變形破壞及工程安全調控和深部重大巖體工程災變監(jiān)測與預警三大科學前沿，均需要深部地下測繪基準的支撐。因此，構建深地測繪基準的意義重大。本文對深地測繪基準和深地環(huán)境下的電磁波傳播規(guī)律及其相關問題進行探討，歸納出深地工程測量中的工程與科學問題，為深地環(huán)境下的工程測量提供研究方向與理論基礎。

1 深地測繪基準內涵

地上測繪基準為各種測繪工作提供起算數(shù)據，是確定地理空間信息的幾何形態(tài)和時空分布的基礎，是表示地理要素空間分布的參考基準[8]。如我國水準原點和大地原點[8]，國際地球參考框架 ITRF2014[9]，歐洲的伽俐略參考框架GTRF[10]，俄羅斯的GSK-2011坐標系和GLONASS地球參考框架 PZ-90.11[11]，我國的國家大地坐標系 2000(CGCS2000)和北斗地球參考框架CTRF[12]等屬于全球性或國家級的測繪基準，我國還有一些省市級的測繪基準等[13-15]。這些國際、國家和省市級的地上測繪基準，其網點標志埋入地下的深度不足10 m，經受不起常規(guī)鉆地彈的打擊，易受現(xiàn)代戰(zhàn)爭破壞。淺地測繪基準，處于地下淺部，也易受現(xiàn)代戰(zhàn)爭破壞。

為滿足地下工程建設、營運和維護的需要，以一定的精度，將從地上到地下投點產生的坐標基準、導入高程產生的高程基準以及定向產生的方位基準，歸納為地下測繪基準。地下測繪基準可分為位于地下淺部的淺地測繪基準和位于地下深部的深地測繪基準。

淺地測繪基準，是指在和平時期用常規(guī)的地上下聯(lián)系測量手段，從地上傳遞到地下淺部(地下0～500 m)的坐標基準、高程基準和方位基準。由多處淺地測繪基準所構成的網稱為淺地測繪基準網。如：城市地下鐵路網重要出入口處的測繪坐標起算點、高程起算點和方位起算邊所構成的基準網。

深地測繪基準，是指為免受現(xiàn)代戰(zhàn)爭威脅，在和平時期用高精度的地上下聯(lián)系測量手段，從地上傳遞到地下深部-500～-1 500 m或更深的坐標基準、高程基準、方位基準與長度基準。尤其是1 000 m深度及以上的深部測繪基準，一方面可免受現(xiàn)代戰(zhàn)爭威脅;另一方面若將其精度比淺地測繪基準提高1到2個等級，深地測繪基準在精度上就足以作為戰(zhàn)后修復工程(包括淺地測繪基準)的起算依據?？梢?，深地測繪基準是深地防護工程的重要組成部分。在戰(zhàn)后，深地測繪基準可用來檢驗淺地測繪基準的移動變形狀況，并作為戰(zhàn)后修復淺地測繪基準的起算依據。

深地測繪基準的研究內容包括：深地坐標、方位、高程基準、地上與地下統(tǒng)一的長度基準等內容，其概念和研究方法如下：

(1) 深地坐標基準

地下深部-500～-1 500 m或更深的坐標基準，為長期牢固的表示深地基準點的空間位置，作為深地傳遞坐標的起算點。目前主要采用激光投點、分段激光投點、鋼絲投點等方法實現(xiàn)。

(2) 深地方位基準

地下深部-500～-1 500 m或更深的方位基準，設置在深地下的基準線的方位角，作為深地起算方位角。目前井下方位基準主要采用一井幾何定向、兩井幾何定向和陀螺全站儀定向等方法實現(xiàn)。

(3) 深地高程基準

地下深部-500～-1 500 m或更深的高程基準，是長期牢固的深地高程基準點，作為深地傳遞高程的起算點。目前井下高程基準主要采用鋼絲法、鋼尺法、豎井電磁波測深和豎井分段電磁波測深法等方法實現(xiàn)。

(4) 長度基準

深地環(huán)境下，所有距離的測定結果，都必須用與地面統(tǒng)一的、固定的長度單位一致，這種地上與地下統(tǒng)一的、固定的長度單位就是長度基準。目前，深地電磁波測距不準，采用鋼尺量測則效率太低，因此需要深入研究電磁波在深地環(huán)境中的傳播規(guī)律。

2 深地環(huán)境下電磁波傳播影響分析

2.1 深地環(huán)境下電磁波傳播的主要影響因素

人們已掌握電磁波在大氣中的傳播規(guī)律，認為大氣中影響電磁波測距主要因素為：大氣溫度、大氣壓力、水汽壓等，并得到了各種電磁波測距所相對應的大氣折射率公式和測距公式[16-20]。相位式電磁波測距是目前測繪儀器所采用的主流測距方式，其測距公式為：

(1)

式中:c0為電磁波在真空中的傳播速度，km/s；f為頻率，Hz；R為乘常數(shù)；K為加常數(shù)；n0為折射率。電磁波在大氣中的傳播速度會因大氣折射率不同而發(fā)生變化，而大氣折射率與大氣的溫度和氣壓有著密切的聯(lián)系。調制光折射率計算公式為：

(2)

(3)

由公式(2)、(3)可知，電磁波在大氣中傳播，其折射率是波長,μm；溫度 ,℃；氣壓 ,mmHg；水汽壓的函數(shù),mmHg[21]。深地環(huán)境與地面大氣環(huán)境中對電磁波傳播的主要影響因素見表1，較高濃度的水霧和粉塵是深地大氣環(huán)境不同于地面大氣環(huán)境的重要因素，而現(xiàn)有的地面大氣折射率公式不包含水霧、粉塵這兩大影響因素，因此，大氣折射率公式不適用于深地大氣環(huán)境。

表1 深地環(huán)境與地面大氣環(huán)境中對電磁波傳播的主要影響因素表

2.2 介質折射率與衰減特性對電磁波傳播的影響

電磁波在不同介質中的傳播速度見表2，電磁波在真空、大氣、水等介質中的傳播速度與折射率，其數(shù)值相差甚遠。F Zhao、王亞民、李文龍等學者對于粉塵、水霧等介質的復折射率以及衰減特性的研究表明，電磁波在水霧或粉塵環(huán)境中傳播，電磁波能量具有較大的衰減[22-30]，并給出了電磁波能量衰減與可見度的經驗公式。胡帥與Gottfried Hanel的研究表明，粉塵分為可溶性與不可溶性，可溶性粉塵吸濕潮解后，凝結核的折射率也會發(fā)生改變(相互影響)，并給出可溶性粉塵溶于霧滴的復折射率計算公式；不可溶性粉塵與水霧相互獨立互不影響，電磁波穿透凝結核時發(fā)生雙折射[31-32]。表3、4為多種波段電磁波在粉塵[22,33-36]、水霧[24,37]中的復折射率。

表2 電磁波在不同介質中的傳播速度表

表3 粉塵的折射率表

表4 水霧的復折射率表

吸收性介質的復折射率表達式為：

N′=N-iK

(4)

公式(4)中實部N為吸收性介質的折射率，它決定電磁波在吸收性介質中的傳播速度，虛部K為電磁波在吸收性介質中傳播時的衰減，為吸收系數(shù)[38]。電磁波的能量強度隨進入吸收性介質距離的增加按指數(shù)規(guī)律衰減，衰減的快慢取決于介質的吸收系數(shù)K[39]。當達到一定距離，電磁波的能量強度變得微小導致難以被檢測接收，因此，電磁波強度的衰減影響著電磁波測距的測程。

目前，大部分學者對電磁波在水霧與粉塵環(huán)境中傳播衰減進行研究，其測距規(guī)律研究還未曾報到。由表3、4可知，電磁波在地面大氣中的折射率、粉塵中的折射率以及水霧中的折射率三者相差甚遠。電磁波在水霧和粉塵濃度較高的深地介質環(huán)境下測距時，必須考慮綜合性介質的特殊折射率與傳播衰減，而現(xiàn)有的大氣折射率公式及電磁波測距公式未包含水霧與粉塵的影響，深地環(huán)境的電磁波測距還缺乏理論依據。

3 深地工程測量面臨的工程與科學問題

3.1 現(xiàn)有工程技術

在千米或更深的深井(巷道)中，環(huán)境中的粉塵濃度可達4～5 mg/m3，溫度可達38 ℃以上(隨深度增加而增加)，并有高壓、淋水、水霧大和通風差等特點，此惡劣壞境對測量準確度和精度有很大的影響[40-41]。

表5為近幾年千米深礦井長距離貫通測量的成功案例[41-47]。在導線邊測量方面，采用全站儀測導線邊，流程繁瑣，工作效率低下，測量精度不高；采用比長鋼尺量距，工作效率低，適合短距離測距且精度要求不高的測量。

表5 千米深礦井長距離貫通測量案例表

在高程聯(lián)系測量方面，千米深礦井仍然長鋼尺或鋼絲法導入標高。采用比長鋼尺逐段導入標高、多把鋼尺相結導入標高和千米長鋼尺導入標高等方法來提高導入標高的精度，但效率低[41-46]。豎井電磁波測深是深井高程聯(lián)系測量中“卡脖子”的關鍵技術之一[48]。早在1988年，千米豎井激光指向儀就被列入國家“六五”攻關配套項目，生產出的樣機于1988年在山東新汶礦務局孫村煤礦北風井(千米豎井)通過了現(xiàn)場實驗[41,48]。1989年，開灤礦務局唐山礦的姚希山、鄧智毅等就開始了激光投點的應用研究，在環(huán)境良好的 606 m 深豎井中實現(xiàn)了深井激光投點。這2例只是環(huán)境良好時的案例(進風井，空氣新鮮，淋水不大，霧氣較小)，沒有得到廣泛推廣。20世紀80年代以來，胡彥華、程玉生、張兆國、許見勇、徐泮林等先后進行了深井聯(lián)系測量的研究與實踐，徐泮林等用激光測深法完成了696 m深的深井高程聯(lián)系測量，程玉生等采用藍綠光氬離子激光器，研發(fā)了千米立井激光指向儀，雖然提高了穿透水霧能力，但難以滿足聯(lián)系測量等工作的高精度要求[41,49-52]。千米深井的電磁波測深仍未見成功案例，其主要原因就是受豎井電磁波測深能力和精度所局限。

國內外的千米深井仍然采用鋼絲法或鋼尺法導入標高，當豎井達到一定深度時，導入的鋼絲、鋼尺不再符合振動規(guī)律擺動，尤其當井下淋水和風速較大時，導入標高的誤差增大且效率很低[41]。豎井電磁波測深是提高導入標高精度和效率的有效手段，但電磁波在含水霧、粉塵的深地大氣環(huán)境下測距已失理論依據，因此，深豎井電磁波測深亦缺乏理論依據。

3.2 深地工程測量中的工程問題

基于激光投點和激光測深的深井聯(lián)系測量一直是人們探索的關鍵技術[41,48]。由于深地環(huán)境中的電磁波測距缺乏理論依據，深地工程測量將面臨以下工程問題:

(1) 深豎井激光投點困難、誤差大

實際工程中，由于井下局部高溫、高粉塵與高水霧濃度的影響，激光投點的光斑直徑大，成像模糊且抖動過大，激光束難以穿透，激光投點困難，投點誤差大[9]。即使激光穿透深豎井深度到達千米，其精度也遠不夠滿足要求。

(2) 深地環(huán)境中電磁波測距無法測準

實際工程中，深豎井方向的電磁波測深、深地環(huán)境中(近)水平巷道電磁波測距與傾斜巷道中的電磁波測距因缺乏理論依據而無法測準。

3.3 深地工程測量所面臨的科學問題

要解決深地工程測量中所面臨的工程問題，首先得解決以下科學問題：

(1) 探索各種波長的激光束在深豎井井筒環(huán)境中對水霧、粉塵的穿透性能

目前,635 nm 的紅光、532 nm的綠光和 405 nm的藍光等激光源穿透水霧的能力最強；蘭綠光氬離子的激光器投射距離可達1 000 m，投射完光斑較小(1 000 m時直徑為30 mm)，在雨天穿透表現(xiàn)良好，但難以滿足深井聯(lián)系測量等高精度測量工作[41]，仍需探索更適宜的激光源以適應深地環(huán)境中傳播。

(2) 掌握電磁波在深豎井中(垂直方向)的傳播延遲和衰減規(guī)律

深井激光測深是電磁波在豎直方向上由淺及深的傳播過程，水霧與粉塵的濃度隨井下深度的加大而遞增，因此，需要對電磁波在深豎井井中(垂直方向)的傳播延遲和衰減規(guī)律進行研究。

(3) 明確深地環(huán)境中(近)水平方向的電磁波傳播延遲和衰減規(guī)律

不同于深豎井，粉塵水霧濃度在深部(近)水平巷道中是趨于穩(wěn)定狀態(tài)的，不同的深地環(huán)境，水霧、粉塵濃度不同。應對電磁波在各種深地水霧、粉塵濃度環(huán)境下的傳播延遲和衰減規(guī)律進行研究。

深地測繪基準的各種研究方法都離不開深地環(huán)境下的電磁波的傳播規(guī)律，但這一問題尚未解決。因此，探索多種波長的電磁波在深豎井井筒環(huán)境中對粉塵水霧的穿透性能，發(fā)展深井激光光投點技術，明確深地環(huán)境電磁波傳播延遲和衰減規(guī)律是急需待解決的關鍵性科學問題。

4 結 語

由于深地環(huán)境下的電磁波傳播規(guī)律不同于大氣環(huán)境，大氣環(huán)境電磁波測距的理論不再適用于深地環(huán)境，造成深地電磁波測距缺乏理論依據。因此，研究深地環(huán)境下的電磁波傳播延遲和衰減規(guī)律，進一步研究深地測繪基準及相關問題，可為深地工程測量技術及裝備的研發(fā)打下理論基礎。