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我国是世界隧道及地下工程建设规模和建设速度第一大国。在隧道掘进过程中，特别是仰拱和二衬没有完成之前，坍塌事故难以避免。事故发生后，在隧道洞口和施工掌子面之间，坍塌岩土通常会形成一段厚度在50～150米全封闭厚实塌方段（简称：塌方段），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段全部“切断”，从而对实施隧道抢通、及时救援带来极大难度。因此，研究具有无线强穿透信息传输能力的应急救援通讯保障技术及装备，解决公共数据网络无法提供可靠保障情况下的信息传输问题，已成为国内外交通工程建设领域亟待解决的技术难题。 本课题针对隧道施工坍塌环境下的信息传输保障需求，充分考虑不同特性积堆介质（岩石、沙土、钢筋混凝土、空气空洞等）的电磁特征及电流场传输规律，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，突破强穿透、高可靠、自适应传输关键技术，研制无需公共数据网络信号、可穿透全封闭厚实塌方段、实现隧道口到隧道施工掌子面可靠信息传输的隧道施工应急通信系统，实现黄金1小时获取隧道事故被困人员信息，为地铁、道路隧道、地下空间的施工安全和应急救援提供有效技术保障的目的。 技术原理简述如下： 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。当载波频率较低时，场电流以传导电流为主，但当载波频率较高时，场电流以位移电流为主，此时导线、电极和大地构成回路相当于环形天线，本质属于近场电磁波通信。 成果具有以下技术先进性： （1）环境信道最佳匹配技术：在传输信道建模基础上，设计发射电极最优化的电流场激励方式及信号技术，保障了塌方段无线强穿透信息传输，实现与环境信道最佳匹配及动态规避搜救环境电磁干扰，实现装备“强穿透”能力。 （2）基于地电极阵列的信号传输技术：在发射端，利用阵列电极聚焦方法，实现发射电极信号增强；在接收端，设计自适应匹配滤波器对信号进行最佳接收，并通过将阵列电极收集的不同传导路径上的电流进行分集接收提高接收信噪比，实现装备“高可靠”传输能力。 （3）复杂环境自适应传输方法：在对典型干扰的变化形态特征和干扰机理进行分析的基础上，设计自适应干扰抑制方法，并通过自适应功率控制降低设备功耗。研制的手持设备具备多模通信能力，正常施工具有传统通信链路，事故发生时可以快速切换至强穿透通信链路，保障平战结合。 成果关键性技术指标如下： 装备主要由1台洞内设备，1台洞外设备，6台手持终端和接地电极组成，主要技术指标为： 1）可穿透塌方段厚度：50～150m； 2）抗干扰容限：≥15dB； 3）自适应调整周期：＜2min； 4）信息传输类型：文本、数据、语音； 5）接收单元灵敏度：30μV； 6）传输速率：≥10bps； 7）电极长度：≤1米； 8）连续工作时间：≥12h； 9）待机时间：≥100小时。 成果应用前景： 成果的下游产业链主要是承担国家大型交通和基础设施建设的大型建设集团，如中国交通建设集团，中铁建设集团等，特别是可以服务于隧道施工企业的安全保障，成果还可服务于我国各级应急保障部门。在隧道建设过程中，由于地质条件复杂，隧道坍塌事故难以避免。事故发生后形成的厚实塌方段（厚度在50～150米）造成受困人员对外信息传输链路被塌方体全部“切断”，公共数据网络无法提供可靠信息传输，导致灾难发生后无法第一时间获取事故现场信息，难以保障72小时黄金救援。 目前国内外尚无能够快速部署的隧道施工应急救援通信系统，本成果可有效保障救援人员的生命安全，全面提升国家应急保障部门快速反应与决策处置能力。据不完全统计，目前我国建成运营铁路隧道14547座，总长约15326km，在建铁路隧道3825座，总长8125km，规划铁路隧道5596座，总长13331km。建成运营公路隧道16229座，总长约15285km。35座城市共建成运营地铁线路169条，全长约5083km。本成果属于隧道施工应急管理体系亟需和必备产品，研究成果可形成隧道施工应急通信系统，随着我国经济持续飞速发展及城市化进程日益加快，国家对隧道施工应急救援通信能力要求日益提高，可快速部署的隧道施工应急救援通信设备市场即将迎来“井喷”。根据国外类似产品对比，适用于隧道施工快速部署的应急救援通信成套设备售价约45～60万元/套左右，3年内每年需求约300套，预计年经济效益可达1.35～1.8亿元，年增长率可达50%，市场应用前景广阔。