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工程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工程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平安监管需要，其在工程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开展的阶段［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，难以防止坍塌事故发生。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30〜50m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，2022年至2022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《生产平安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。1.11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。理论和实践都说明，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100m后，接收端检测到的电压值极低，通常为UV甚至n...