隧道工程強穿透信息傳輸技術(shù)研究及應(yīng)用

何金剛　蘇中　袁航

摘要 文章根據(jù)隧道工程項目發(fā)生坍塌事故后強穿透信息技術(shù)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(tǒng)技術(shù)中檢測技術(shù)信號微弱和復(fù)雜隧道環(huán)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(chǔ)上又根據(jù)工程項目實際情況開發(fā)研制了可以應(yīng)用于施工現(xiàn)場的設(shè)備系統(tǒng)，施工時間證明該系統(tǒng)可以全面滿足隧道工程施工安全監(jiān)管需要，其在項目中的應(yīng)用還可以在隧道掘進時發(fā)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(nèi)受困人員實際情況，為救援工作提供及時、科學(xué)和精準的方案。

關(guān)鍵詞 隧道工程;強穿透信息傳輸;平戰(zhàn)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(chǔ)設(shè)施和城市建設(shè)規(guī)模不斷擴大，城市間以及城市內(nèi)的隧道工程進入了蓬勃發(fā)展的階段[1]，中國已成為世界隧道及地下工程建設(shè)規(guī)模和建設(shè)速度第一大國。目前，隧道工程普遍存在建設(shè)里程長、施工環(huán)境差、地質(zhì)條件復(fù)雜、作業(yè)單位多、管理人員短缺、作業(yè)工人素質(zhì)參差不齊等特點，隧道內(nèi)工作人員的實時位置及作業(yè)情況，隧道內(nèi)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(fā)生時救援效率低下、隧道內(nèi)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(fā)生。坍塌事故（關(guān)門事故）發(fā)生后，在隧道二襯和施工掌子面之間，坍塌巖土?xí)纬梢欢魏穸仍?0～50 m的全封閉厚實積堆體，導(dǎo)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(nèi)受困人員實施及時救援帶來極大難度。

據(jù)原國家安監(jiān)總局對國內(nèi)上報的隧道坍塌事故統(tǒng)計，2001年至2012年底，全國共發(fā)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(wù)院《生產(chǎn)安全事故報告和調(diào)查處理條例》要求事故報告中要明確已經(jīng)造成或者可能造成的傷亡人數(shù)，并作為確定事故等級的重要依據(jù)。如何在事故發(fā)生后實現(xiàn)隧道發(fā)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(fā)生后搶險救援快速響應(yīng)、科學(xué)施救的重要保障。如何實現(xiàn)隧道坍塌后建立信息傳輸通道和鏈路已成為國內(nèi)外交通建設(shè)工程領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題。

1 基于地電極電流場強穿透通信信息傳輸技術(shù)

針對隧道施工坍塌環(huán)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(xiàn)“強穿透”，“高可靠”，“環(huán)境自適應(yīng)”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(xué)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(shù)、復(fù)雜環(huán)境自適應(yīng)傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，并研制了可以應(yīng)用于工程現(xiàn)場的設(shè)備系統(tǒng)。

1.1 隧道環(huán)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(xiàn)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(huán)境包括巖石、沙土、鋼筋混凝土、空氣空洞等不同介質(zhì)，呈現(xiàn)非均勻性特征。理論和實踐都表明，電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播，其衰減很大，并且隨著介質(zhì)導(dǎo)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(jù)不同現(xiàn)場情況實測并分析不同地質(zhì)分布參數(shù)特征（如坍塌體電阻率、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等）、障礙物隔斷、電磁干擾環(huán)境等因素對于系統(tǒng)傳輸性能的影響，建立等效傳輸信道模型。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了最優(yōu)化的電磁波激勵方式及信號波形，實現(xiàn)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(shù)

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(cè)巖層或土層中形成電流場，在坍塌體另一側(cè)兩個接收電極之間檢測到交變電壓而實現(xiàn)信息傳輸。但由于基于地電極電流場的信息傳輸系統(tǒng)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(tǒng)中，由于其傳輸機理是利用激勵電場電流承載信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集有其特殊性，并且由于坍塌體本身是個復(fù)雜電導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)路徑識別，在發(fā)射端，研究電極信號增強技術(shù)，在接收端，通過將陣列電極收集的不同傳導(dǎo)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(fù)雜環(huán)境自適應(yīng)傳輸技術(shù)

基于地電極電流場的信號傳輸中易受到復(fù)雜電磁環(huán)境影響，導(dǎo)致傳輸穩(wěn)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(qū)，一般具有較小的梯度。而自然電場源來自地下介質(zhì)物理化學(xué)反應(yīng)引起的正負電荷分離而產(chǎn)生的電效應(yīng)，分布于局部地區(qū)，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(xiàn)場附近的工農(nóng)業(yè)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(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅擾動，甚至導(dǎo)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(chǔ)上，結(jié)合地電極實際采集數(shù)據(jù)，對一些常見干擾的變化形態(tài)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(shù)提供理論依據(jù)和技術(shù)途徑，如圖2。

2 強穿透通信信息傳輸設(shè)備系統(tǒng)

強穿透通信信息傳輸設(shè)備系統(tǒng)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(zhàn)結(jié)合的系統(tǒng)功能。系統(tǒng)實現(xiàn)了施工期間隧道內(nèi)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(nèi)的視頻傳輸、語音通信、實時對講、人員和設(shè)備實時位置信息服務(wù)，其工作狀態(tài)如圖3所示。

在關(guān)門坍塌事故發(fā)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(shè)備包括發(fā)射部分和接收部分，具體如下：

發(fā)射部分主要包括：信號源、數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器、供電電源、控制器和發(fā)射天線等。

接收部分主要包括：接收天線、數(shù)據(jù)接收處理器、通信系統(tǒng)、監(jiān)控設(shè)備、供電電源等。

通信主機將待傳數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮、編碼、調(diào)制并進行功率放大后由發(fā)射天線輻射電流場，輻射信號到達接收天線后，經(jīng)過低噪聲放大器放大后，由數(shù)字信號處理模塊進行數(shù)據(jù)處理，信號經(jīng)過解碼、濾波等處理后得到信號源側(cè)數(shù)據(jù)。

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

3 結(jié)語

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

該文從隧道工程應(yīng)急信息傳輸需要出發(fā)，利用科技的手段，在隧道工程發(fā)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(xué)、精準救援提供基礎(chǔ)信息和決策依據(jù)。為施工人員提供人身安全保障手段，實現(xiàn)交通建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)急安全管理與救援反應(yīng)迅速、保障有力、指揮有效的目標，為將工程建設(shè)過程中的應(yīng)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(chǔ)技術(shù)和精準信息支撐，對提升企業(yè)的施工安全保障和隧道應(yīng)急實現(xiàn)精準救援能力，提升國家層面應(yīng)急反應(yīng)組織處置能力，提高交通建設(shè)行業(yè)安全管理水平具有重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值，可在國民經(jīng)濟諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

參考文獻

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[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(xué)[M].2版. 北京：高等教育出版社， 1990.

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