《管子·度地》說“內(nèi)為之城，外為之廓，日中為市”，“城”主要負(fù)責(zé)防衛(wèi)，“市”則指進(jìn)行交易的場所。城市作為一個(gè)國家最重要的組成部分，一個(gè)城市進(jìn)化發(fā)展迅速，象征國力更加強(qiáng)大、國家更加繁榮，由此千萬城市組成國家，才有足夠強(qiáng)大的實(shí)力長立于世界。城市的繁華離不開千千萬萬建設(shè)者的努力、無數(shù)科研人員的研究，才讓我們居住的城市自由便利。我國著名橋梁與隧道工程博士、北京市市政工程研究院教授級高工葉英，就是眾多市政工程研究者其中之一，多年來致力于市政工程建設(shè)，深耕隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、信息化施工及安全運(yùn)維等領(lǐng)域，取得了豐碩成果。在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方面提出“角度偏移、綜合參數(shù)”預(yù)報(bào)理論，負(fù)責(zé)研制的USEP21型地下工程施工綜合參數(shù)與空間超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)具有國際領(lǐng)先水平。在隧道施工信息化預(yù)警平臺研究方面，提出了隧道施工信息化的廣義概念，研制的TMIGS隧道施工信息化預(yù)警平臺總體達(dá)到國際先進(jìn)水平，其中三維動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。在運(yùn)營隧道管養(yǎng)方面，提出了“隧道移動醫(yī)院”的理念，研制了TMH隧道健康診斷、評價(jià)及快速修復(fù)一體化平臺達(dá)到國際先進(jìn)水平。針對城市淺層地下空間探測難題，提出了淺層瞬變電磁雷達(dá)的基本理論，成功研制出結(jié)構(gòu)病害、道路病害、隧道超前探水等TER瞬變電磁雷達(dá)系列設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在城市強(qiáng)電磁干擾背景下地表至較大深度地質(zhì)體的快捷、便利及無損探測，研究成果處于國際領(lǐng)先水平。以上研究對隧道施工安全保障具有重大的理論指導(dǎo)意義。他為美麗城市的建設(shè)兢兢業(yè)業(yè)，無怨無悔地貢獻(xiàn)自己的力量。
圖1葉英在北京興延高速隧道工程現(xiàn)場
USEP隧道綜合參數(shù)地質(zhì)預(yù)報(bào)平臺 照亮地下空間
作為一名城市市政工程研究者，葉英在科研工作中對人居環(huán)境有著作為城市觀察者的深刻體悟。目前我國城市地下工程快速發(fā)展，地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)較多，因此必須重視地下工程施工的安全管理，采取必要手段保證地下工程的安全。
隧道施工的主要問題基本都是地質(zhì)問題，地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)有著極其重要的作用，隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)就是利用地質(zhì)、物探等手段對隧道開挖掌子面前方的地質(zhì)情況及不良地質(zhì)體的工程性質(zhì)及位置、產(chǎn)狀進(jìn)行探測、分析解釋及預(yù)報(bào)。結(jié)合研發(fā)的USEP地質(zhì)預(yù)報(bào)平臺，葉英和團(tuán)隊(duì)提出了“綜合參數(shù)、長短結(jié)合、內(nèi)外兼顧、長期跟蹤、災(zāi)害預(yù)案”的地下空間前方地質(zhì)預(yù)報(bào)安全原則，授權(quán)了“地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)及其預(yù)報(bào)方法”、“基于任意排布的地震波地下工程空間探測方法”、“綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的圍巖細(xì)化動態(tài)分級方法”等多項(xiàng)國家發(fā)明專利，使得隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)工作切實(shí)上升到了一個(gè)新的高度。
USEP隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)平臺利用三維的空間排布、多達(dá)256通道的數(shù)據(jù)采集、多震源點(diǎn)位置偏移聯(lián)合成像，進(jìn)而在隧道掌子面前方構(gòu)成高密度的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，通過對三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的一系列處理分析形成三維空間地震波的各種圖形圖像，最終計(jì)算巖土體多種力學(xué)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對隧道、坑道及各種地下工程前方地質(zhì)情況的判譯、預(yù)報(bào)。該系統(tǒng)還可連接電磁發(fā)送機(jī)在隧道掌子面用重疊回線或定源回線法進(jìn)行掃描，達(dá)到對掌子面前方含水體或良導(dǎo)體的探測，同時(shí)兩種參數(shù)可進(jìn)行耦合處理，從而實(shí)現(xiàn)綜合參數(shù)法超前預(yù)報(bào)技術(shù)。該系統(tǒng)對預(yù)報(bào)的施工現(xiàn)場無嚴(yán)格要求，是一種廣譜的地下工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。
圖2葉英在雁門關(guān)隧道與瑞士安伯格公司Dickmann博士現(xiàn)場交流
經(jīng)北京市科學(xué)技術(shù)委員會主持鑒定，USEP隧道綜合參數(shù)地質(zhì)預(yù)報(bào)平臺總體上達(dá)到了“國際領(lǐng)先水平”。該平臺獲國家發(fā)明專利8項(xiàng)，實(shí)用新型專利6項(xiàng)；主編團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《隧道瞬變電磁法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程》；出版專著《隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)》、《隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)手冊》；發(fā)表SCI、EI等核心論文31篇；獲包括北京市科技進(jìn)步獎等各類省部級獎10項(xiàng)。
USEP系統(tǒng)已成功應(yīng)用于108國道南村隧道、南水北調(diào)配套工程、青島膠州灣海底隧道、新疆東天山隧道等項(xiàng)目。USEP地下工程綜合參數(shù)與空間超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)結(jié)合了地下工程施工的具體特點(diǎn)，受現(xiàn)場條件影響小，兩種獨(dú)立參數(shù)的綜合使用在解決復(fù)雜地質(zhì)條件下的地質(zhì)預(yù)報(bào)會發(fā)揮巨大作用，在隧道及地下工程建設(shè)中將有廣泛應(yīng)用前景。
TMIGS隧道施工多元信息預(yù)警平臺 保障地下工程
隨著地下工程快速發(fā)展，交通隧道的發(fā)展速度、數(shù)量都在逐年增加。隧道施工所面對的周圍環(huán)境是一個(gè)灰色系統(tǒng)，不可預(yù)見的因素多、極其復(fù)雜，需穿越復(fù)雜地層、各種障礙物，施工風(fēng)險(xiǎn)巨大。隧道的施工過程也是與巖土圍巖的斗智斗勇過程，正如生物在自然界生存，也是時(shí)時(shí)刻刻與自然環(huán)境抗?fàn)帯⑦m應(yīng)中進(jìn)化發(fā)展。
地下施工最難的是信息傳遞，葉英在隧道施工多元信息預(yù)警平臺研究方面，提出了隧道施工廣義的信息化概念。從隧道施工信息化系統(tǒng)與裝備出發(fā)，分別研究施工人員信息化、圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)信息化、施工質(zhì)量、進(jìn)度、投資管理信息化以及多元信息的風(fēng)險(xiǎn)動態(tài)分析管理和災(zāi)后應(yīng)急響應(yīng)與救援。TMIGS隧道施工多元信息預(yù)警平臺采用無線技術(shù)把三維激光掃描、人機(jī)定位、各種傳感器數(shù)據(jù)采集、通訊視頻、風(fēng)險(xiǎn)管理、施工預(yù)案及應(yīng)急響應(yīng)等集成在一起，實(shí)現(xiàn)隧道施工掌子面圖像實(shí)時(shí)采集、顯示與編錄分析、掌子面穩(wěn)定性監(jiān)測、掌子面人員與車輛定位管理；實(shí)現(xiàn)隧道必測項(xiàng)目與斷面掃描技術(shù)的結(jié)合預(yù)測圍巖變形和超欠挖；實(shí)現(xiàn)選測斷面各種傳感器的無線數(shù)據(jù)采集與綜合分析。在危險(xiǎn)臨近時(shí)，利用多元信息預(yù)警、計(jì)算分析、專家經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合系統(tǒng)的通訊卡、有源定位卡、警燈鳴笛等安全提示信息，啟動四級預(yù)警及響應(yīng)應(yīng)急預(yù)案，疏導(dǎo)人員撤離，從而形成隧道施工多元信息全方位安全保障系統(tǒng)。
TMIGS系統(tǒng)以“鏈”為基本單元，每個(gè)項(xiàng)目按照用戶需求可定制多個(gè)鏈路，鏈的長度和組成可任意選擇，鏈單元可以無限復(fù)制。“鏈”由系列產(chǎn)品組成，包括直連網(wǎng)關(guān)和5G網(wǎng)關(guān)、傳輸基站、采集A基站、采集B基站、激光基站、人機(jī)卡，末端可以連接各種傳感器、攝像頭等。用戶通過定制所需信息，鏈路就會按照設(shè)定的頻率不斷上傳數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按預(yù)先設(shè)定的閾值對數(shù)據(jù)進(jìn)行判譯與分析，形成“紅、橙、黃、藍(lán)”四色預(yù)警等級。同時(shí)，按照用戶事先設(shè)定的條件或人機(jī)交互模式干預(yù)或下發(fā)相應(yīng)指令，指導(dǎo)現(xiàn)場應(yīng)急響應(yīng)。
TMIGS利用多行業(yè)、多元信息、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等前沿技術(shù)，集成預(yù)報(bào)預(yù)警機(jī)理、信息系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、安全管理與一體，以數(shù)字化為基礎(chǔ)，信息化為核心，智能化為目的，利用先進(jìn)的“系統(tǒng)、人員、環(huán)境、預(yù)案”的有效結(jié)合為風(fēng)險(xiǎn)巨大的地下工程保駕護(hù)航。TMIGS系統(tǒng)適合于隧道、橋梁、道路、地質(zhì)災(zāi)害、滑坡 、大壩、地表構(gòu)筑物等各種目標(biāo)體及各種復(fù)雜環(huán)境的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測預(yù)警。
圖3葉英在貴州劍榕高速隧道現(xiàn)場技術(shù)培訓(xùn)
經(jīng)北京市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會主持鑒定，TMIGS隧道施工多元信息預(yù)警平臺達(dá)到“國際先進(jìn)水平”，其中三維動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)達(dá)到“國際領(lǐng)先水平”。 該平臺獲國家發(fā)明專利4項(xiàng)，實(shí)用新型專利9項(xiàng)；主編團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《隧道施工信息化技術(shù)規(guī)范》；出版專著《隧道施工信息化預(yù)警》；發(fā)表SCI、EI等核心論文8篇；獲陜西省科技進(jìn)步一等獎等各類省部級獎6項(xiàng)。
TMIGS形成的成果已在北京108國道南村隧道、陜西省包家山隧道、北京密云頭道穴隧道、新疆東天山隧道等項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用。該平臺的“隧道施工智能預(yù)警與安全管理平臺在新疆維吾爾自治區(qū)東天山隧道的應(yīng)用”獲住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布“智能建造新技術(shù)新產(chǎn)品創(chuàng)新服務(wù)典型案例清單（第一批）”智慧施工管理系統(tǒng)典型案例。它的多功能、多信息源的聯(lián)動集成必有廣泛應(yīng)用前景，它將大量、多元、綜合技術(shù)有效、有機(jī)融合，必將極大提高地下工程建設(shè)的安全水平。
TMH隧道病害定期快速調(diào)查系統(tǒng) 守護(hù)隧道健康
在我國已建成運(yùn)營的各種公路、鐵路、水工和地鐵隧道已超過5萬公里，大多隧道都不同程度地出現(xiàn)襯砌裂縫、變形以及滲漏水等病害，它嚴(yán)重影響隧道的正常使用性能，縮短隧道的使用壽命，并威脅隧道內(nèi)行車的安全。目前國內(nèi)對隧道病害調(diào)查技術(shù)的研究相對滯后，對隧道病害的調(diào)查仍然采用人工現(xiàn)場調(diào)查的方法，這種方法效率低、不僅影響隧道交通，而且?guī)в形ｋU(xiǎn)性。
針對于此，葉英和團(tuán)隊(duì)基于“機(jī)器視覺”技術(shù)開展了隧道病害定期快速調(diào)查新技術(shù)的研究，創(chuàng)新性的提出了“隧道移動醫(yī)院”的建設(shè)，建立了TMH隧道病害定期快速調(diào)查系統(tǒng)，集巡查、監(jiān)測、診斷、養(yǎng)護(hù)功能的一體化，可通過一輛平臺車對隧道進(jìn)行日常、定期、特殊、專項(xiàng)檢查與養(yǎng)護(hù)服務(wù)。機(jī)器視覺系統(tǒng)就是用機(jī)器代替人眼來作各種測量和判斷，TMH系統(tǒng)是開發(fā)一種隧道病害機(jī)器視覺識別系統(tǒng)，可代替人工實(shí)現(xiàn)定期快速的隧道病害調(diào)查方法。TMH系統(tǒng)能自動獲取隧道內(nèi)側(cè)高分辨率的連續(xù)精準(zhǔn)定位圖像，生成隧道內(nèi)部3維立體圖像，可展開進(jìn)行各種分析，最終快速獲得隧道常規(guī)調(diào)查所需的詳細(xì)資料，形成新的基于信息化技術(shù)的隧道健康狀況定期快速調(diào)查方法，定期為隧道健康情況打分評判，為運(yùn)營隧道建立健康情況檔案，確保運(yùn)營隧道安全、通暢、順達(dá)。針對我國大量地下工程需要管理與養(yǎng)護(hù)，TMH“隧道移動醫(yī)院”可定期快速通過隧道，將隧道的信息搬回家進(jìn)行評價(jià)和診斷，小的病害在現(xiàn)場可以即時(shí)處治，不影響交通運(yùn)營，該平臺車的成功研制，將大大提高隧道運(yùn)營的安全水平。
圖4葉英與導(dǎo)師王夢恕院士交流TMH系統(tǒng)
TMH隧道病害快速調(diào)查與國外同類系統(tǒng)技術(shù)相比較，可快速、精準(zhǔn)獲取隧道襯砌裂縫性狀及分布；建立了一套智能化的隧道襯砌裂縫識別與評價(jià)方法；首次將網(wǎng)格單元劃分方法應(yīng)用到隧道定期巡查中，提高了裂縫定位與識別精度。經(jīng)北京市政路橋集團(tuán)主持鑒定，研究成果達(dá)到“國際先進(jìn)水平”。該平臺已獲國家發(fā)明專利3項(xiàng)，實(shí)用新型專利6項(xiàng)；主編團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《隧道病害快速調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，獲國家級工法1項(xiàng)；出版專著《粉細(xì)砂地層淺埋暗挖法注漿加固技術(shù)指南》、《運(yùn)營隧道管養(yǎng)指南》、《隧道襯砌－圍巖接觸類病害檢測、評價(jià)與整治》；發(fā)表SCI、EI等核心論文10篇；獲包括北京市科技進(jìn)步獎等各類省部級獎項(xiàng)7項(xiàng)。
平臺適用于各類城市隧道、地鐵隧道、公路隧道和鐵路隧道運(yùn)營病害的定期、快速調(diào)查。目前已成功應(yīng)用于北京108國道潭柘寺、苛蘿坨隧道病害檢測，取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。研究成果未來進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，將對我國各類隧道病害快速檢測技術(shù)的發(fā)展起到積極的推動作用。
TER城市淺層瞬變電磁雷達(dá)系統(tǒng) 助力城市體檢
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，市政工程與人類日常生產(chǎn)生活息息相關(guān)，如同人體的“血管”和“神經(jīng)”，日夜擔(dān)負(fù)著城市的水、電、信息和能量的供給與傳輸，關(guān)乎老百姓交通、生活、安全、城市形象、政治意義的重大民生項(xiàng)目。
城市地下空間基礎(chǔ)條件問題越來越受到重視，近年因淺層地質(zhì)問題由于未能及時(shí)掌握而造成嚴(yán)重的事故時(shí)有發(fā)生。因此高精度、高效率地探測淺層地質(zhì)問題也就顯得更加重要和迫切，開發(fā)出適合于我國市場需求的淺層瞬變電磁測量系統(tǒng)極為緊迫。葉英團(tuán)隊(duì)結(jié)合北京市重大專項(xiàng)“地下管線及地下空洞綜合探測技術(shù)研究”，率先提出了瞬變電磁雷達(dá)的概念，并成功研制出國內(nèi)外首臺“瞬變電磁雷達(dá)系統(tǒng)”。瞬變電磁雷達(dá)系統(tǒng)攻克了瞬變電磁設(shè)備抗干擾能力差、難于在城市強(qiáng)電磁干擾背景下使用，關(guān)斷時(shí)間長、在淺層存在探測盲區(qū)等難題。該系統(tǒng)融合了瞬變電磁設(shè)備與地質(zhì)雷達(dá)二者的優(yōu)點(diǎn)，解決了瞬變電磁法定點(diǎn)測量效率低的問題，填補(bǔ)了地質(zhì)雷達(dá)探測深度淺的缺陷，最終實(shí)現(xiàn)在城市強(qiáng)電磁干擾下地表至較大深度地質(zhì)體的快捷、便利及無損探測。
圖5 TER瞬變電磁雷達(dá)在北京電視臺專題報(bào)道
TER瞬變電磁雷達(dá)已應(yīng)用于城市道路病害、管線探測、地下結(jié)構(gòu)病害探測、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等領(lǐng)域，該技術(shù)對保障國家和社會安全、保護(hù)自然資源和生態(tài)環(huán)境、改善民生、有效提高城市基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)水平、有效減少公共安全事故具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。該系統(tǒng)形成的成果經(jīng)中國市政工程協(xié)會組織科技成果鑒定，成果總體上達(dá)到“國際領(lǐng)先水平”。該系統(tǒng)已獲國家發(fā)明專利3項(xiàng)，實(shí)用新型專利3項(xiàng)；主編團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《道路瞬變電磁雷達(dá)檢測技術(shù)規(guī)程》；出版專著《淺層瞬變電磁雷達(dá)》、《地下管線探查與管理》；發(fā)表SCI、EI等核心論文15篇；獲全國發(fā)明展覽會金獎、北京市發(fā)明創(chuàng)新大賽金獎等各類獎10余項(xiàng)。
項(xiàng)目成果已成功應(yīng)用在北京市、河北省、天津市等多條城市道路病害探查；在北京地鐵隧道、新機(jī)場線、廈門地鐵隧道等進(jìn)行質(zhì)量檢測；在新疆東天山隧道、廣西南寧巖溶地基等地質(zhì)勘察中。瞬變電磁雷達(dá)技術(shù)以其特有的技術(shù)優(yōu)勢將大有作為，TER成果可整體提升我國瞬變電磁法的應(yīng)用水平，推動我國地下工程建設(shè)與運(yùn)營安全保障技術(shù)的進(jìn)步。
目前，圍繞建設(shè)“人文北京、科技北京、綠色北京”的首都發(fā)展戰(zhàn)略，葉英以地下工程建設(shè)與運(yùn)營安全保障平臺體系構(gòu)建地下工程綜合參數(shù)與空間超前地質(zhì)預(yù)報(bào)平臺、地下工程突發(fā)事件預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)平臺、地下工程搶險(xiǎn)加固平臺為重點(diǎn)的多項(xiàng)工作正在緊鑼密鼓地進(jìn)行之中。為北京地區(qū)地下工程施工的系列安全保障做好貼心服務(wù)，全心全力推動北京市政建設(shè)。
如今，葉英和團(tuán)隊(duì)仍在繼續(xù)完善地下工程建設(shè)與運(yùn)營安全保障平臺體系，未來，為了城市建設(shè)的發(fā)展，讓人們擁有更加美好的城市生活，葉英會在城市市政工程研究中傾注他的所有理想，不斷探索研究，攀登科研高峰，為國家強(qiáng)盛貢獻(xiàn)自己的畢生力量。
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