第 1章 绪论
我国是多山且地质条件极为复杂的国家[7]，山区及高原约占总面积的60%，公路及铁路经常在崇山峻岭中运行，隧道在交通道路工程中所占的比例相当大[8]。例如，湘黔、京原、襄渝等铁路中，隧道的总长度占总线长度的近20%；成昆铁路大渡河岸一段线路总长为26km，隧道长度达到21km，占总长度的80%以上[9]。随着国家经济的发展，在山岭重丘等地区修建高速度、高等级公路铁路，既缩短了行程，又提高了行车安全性。根据我国交通部和国家统计局公布的第二次交通道路普查显示，2000年底，全国交通隧道为1684座，62.8万延米，其中超过3000m的特长隧道15座，1000-3000m间的中长隧道134座[9]。王梦恕院士曾提到过“二十一世纪是隧道及地下空间大发展的年代”，交通隧道的总里程将大幅度提高，而且单座隧道逐渐向里程长、埋深大的方向发展[10]。在隧道进行施工过程中，前期的地质勘察工作只能查清有限埋深的地质条件水害隐患，而隧道施工过程中沿线岩溶的发育情况、断层破碎带的情况、地下暗河的情况往往在先期勘探中很难查清，因此隧道在施工中面临着各种突水、涌泥等地质灾害威胁[11]。表1给出了近年来我国隧道建设过程中的主要突涌事故。
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第 2章 地下工程水灾害隐患磁共振探测原理
2.1 磁共振探测地下水原理
磁共振信号的获取。对地下水的激发完成后，利用接收天线获取磁共振信号。在地面上应用的仪器接收天线和发射天线是通常分时复用的，即铺设一个探测天线既可以完成发射场的产生，同时通过切换装置对探测天线进行功能转换，对地下水产生的核磁共振信号进行感应接收。而在地下工程中进行探测时，收发天线将不再采用分时复用的形式，后续章节将详细讨论采用这样形式的天线优势。磁共振信号在环形接收天线的两端产生感应电动势后，被系统的采集单元检测、调理、模数装换，最终被计算机记录下来。由于磁共振信号十分微弱，一般在2nV-20nV 之间，而且不能保证测量工区附近不存在电磁噪声干扰，因此，需要在系统的采集单元加入一系列的模拟滤波器、调理电路、高性能的仪用放大器等模拟电路结构对混叠在噪声中的信号进行调制，以获得有效可靠的测量数据。
2.2 地下工程中磁共振信号的数值计算
在地面利用核磁共振方法开展地下水测量，天线铺设的方式一般为水平，即使受到地面起伏等角度因素影响，相对于大尺寸探测天线，起伏角度也是可以忽略不计的，而且探测信号基本来自于探测方向，属于半空间探测[76]。而在地下工程中的突涌水体进行核磁共振测量，测量模式与在地面开展工作有很多不同，概括的说可以分为：准全空间垂直超前探测、全空间垂直超前探测和全空间水平向下/向上探测几种。这里以地下工程中最为常见的隧道模型为例，对天线铺设方式进行表述。矿井、市政工程中的地下空间形状略有不同，但天线铺设模式基本一致，这里不做重复阐述。
第3 章 米级磁共振探测天线性能评价技术与设计方法研究 ............ 47
3.1 分离式与同一式天线结构性能对比 ........................... 47
3.2 米级分离式天线结构概述 .......................... 49
第4 章 地下工程磁共振探测系统关键技术研究 ................................ 89
4.1 探测系统的整体架构 .............................. 89
4.2 发射系统关键技术研究 ......................... 91
4.3 接收系统关键技术研究 ..................... 101
第5 章 米级天线磁共振探测系统的野外试验研究 .......................... 129
5.1 试验地区水文地质条件 ............................. 129
5.2 试验地区噪声变化规律观测 .............................. 130
5.3 天线特性参数与仪器关键参数测试 ...................... 133
第 6章 米级天线磁共振探测系统在隧道工程中的应用
6.1 引言
应用于地下工程的米级磁共振探测天线及 JLMRS-III 型探测系统研制成功以来，已经在我国的沪昆高速铁路、金温高速铁路扩能改造工程、沈海高速公路莆田段/仙游段、长春市地铁一号线、锦屏水电站引水硐等大型交通工程、水电工程中开展了实际应用，取得了较好的工程应用效果。本章将给出5个具有代表性的应用探测实例，分别对应交通工程和水电引水工程、掌子面探测和侧壁探测、电磁噪声理想工程环境和高噪声工程环境等多种不同情况下的MRS探测方法和取得的探测效果。为了验证探测的有效性，探测过程中除了金属支架影响严重的锦屏水电站侧壁探测外，多数采用了 TEM方法进行含水层探测位置的对比验证，同时根据含水层模型正演计算的 E0-q 曲线与实测信号的 E0-q 曲线进行对比，分析探测信号误差，给出不同情况下的探测综合信噪比，通过实测数据证明米级天线磁共振探测技术在地下工程中应用的有效性。
6.2 金温高速铁路泽雅隧道灾害水体超前探测
金温铁路是铁路干线网中沪昆通道和东部沿海通道在浙江省内的重要连接线路。目前的金温铁路时速低、运力饱和，已远远不能满足需求。扩能改造的金温铁路将按照全新的线位走向，线路正线全长188.3公里，建设工期为4年。泽雅隧道进口位于青田县油竹新区打潭岩村，出口位于温州市瓯海区泽雅镇。笔者与项目组成员于 2013 年 3 月在林岙斜井掌子面进行磁共振方法探测，探测现场如图6.3所示，测量时，掌子面已经出现涌水情况，平均每小时涌水量为 80m3。MRS 探测时采用的天线尺寸为 6m 级天线，探测天线借助掌子面锚杆进行悬挂，测量仪器架设在较为干燥的空地处，探测过程中仪器参数信息如表6.1 所示。为防止大型机械设备、电力设备对探测结果造成影响，探测时将隧道内包括照明的用电设备关掉，仅保留通风设备，最大程度降低电磁噪声干扰对探测结果影响.
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第 7章 全文总结与展望
针对磁共振技术应用于地下空间所面临的技术瓶颈，本文从全空间磁共振响应计算、分离式天线设计、仪器系统关键结构研制、模拟实验研究以及在实际工程现场中的应用等方面开展工作，取得的主要研究成果如下：
1、本文首先建立了地下全空间磁共振磁场计算模型，推导了米级分离式多匝环形天线的信号响应计算公式，根据目标水体模型属性，分别对不同距离、不同赋存状态、不同围岩电性、在空间中不同位置的含水体产生的磁共振信号响应进行计算和仿真，为地下工程中的磁共振探测建立理论基础。
2、在接收天线研制过程中，提出了利用传递系数评价天线性能的方法，通过对接收天线传递系统建模，详细分析了天线特征参数与传递系数的约束关系，给出了接收天线最优化的设计方法和设计流程，确定了能够应用于隧道、矿井等地下工程的米级接收天线最佳参数，优化设计后的2m级、4m级、6m级接收天线的传递系数分别达到 14.9、18.7和22.1，使接收天线对微弱信号的检测能力提高至纳伏级。
3、在发射天线研制过程中，提出了利用电流弛豫时间、关断时间、能量效率等参数对发射波形进行评价的方法，完成了对不同材质、线径、匝数的发射天线激发效果判别，确定了米级发射天线的最佳参数，优化后的探测天线能够利用1.57ms 弛豫时间将激发能量提高 65%。同时，还结合实际情况，分析了地下工程中金属支护结构对发射电流的影响，提出了基于反应阻抗的发射电流控制方法，保证了地下工程中米级发射天线的能量输出效果。
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参考文献（略）