保障地下安全 守护地上繁华 ——记北京市市政工程研究院副院长叶英博士

《管子·度地》说“内为之城，外为之廓，日中为市”，“城”主要负责防卫，“市”则指进行交易的场所。城市作为一个国家最重要的组成部分，一个城市进化发展迅速，象征国力更加强大、国家更加繁荣，由此千万城市组成国家，才有足够强大的实力长立于世界。城市的繁华离不开千千万万建设者的努力、无数科研人员的研究，才让我们居住的城市自由便利。我国著名桥梁与隧道工程博士、北京市市政工程研究院教授级高工叶英，就是众多市政工程研究者其中之一，多年来致力于市政工程建设，深耕隧道施工超前地质预报、信息化施工及安全运维等领域，取得了丰硕成果。在隧道超前地质预报方面提出“角度偏移、综合参数”预报理论，负责研制的USEP21型地下工程施工综合参数与空间超前地质预报系统具有国际领先水平。在隧道施工信息化预警平台研究方面，提出了隧道施工信息化的广义概念，研制的TMIGS隧道施工信息化预警平台总体达到国际先进水平，其中三维动态数据监测系统达到国际领先水平。在运营隧道管养方面，提出了“隧道移动医院”的理念，研制了TMH隧道健康诊断、评价及快速修复一体化平台达到国际先进水平。针对城市浅层地下空间探测难题，提出了浅层瞬变电磁雷达的基本理论，成功研制出结构病害、道路病害、隧道超前探水等TER瞬变电磁雷达系列设备，实现在城市强电磁干扰背景下地表至较大深度地质体的快捷、便利及无损探测，研究成果处于国际领先水平。以上研究对隧道施工安全保障具有重大的理论指导意义。他为美丽城市的建设兢兢业业，无怨无悔地贡献自己的力量。

图1叶英在北京兴延高速隧道工程现场

USEP隧道综合参数地质预报平台 照亮地下空间

作为一名城市市政工程研究者，叶英在科研工作中对人居环境有着作为城市观察者的深刻体悟。目前我国城市地下工程快速发展，地下工程建设风险较多，因此必须重视地下工程施工的安全管理，采取必要手段保证地下工程的安全。

隧道施工的主要问题基本都是地质问题，地质预报技术有着极其重要的作用，隧道施工超前地质预报就是利用地质、物探等手段对隧道开挖掌子面前方的地质情况及不良地质体的工程性质及位置、产状进行探测、分析解释及预报。结合研发的USEP地质预报平台，叶英和团队提出了“综合参数、长短结合、内外兼顾、长期跟踪、灾害预案”的地下空间前方地质预报安全原则，授权了“地下工程施工超前地质预报系统及其预报方法”、“基于任意排布的地震波地下工程空间探测方法”、“综合参数超前地质预报的围岩细化动态分级方法”等多项国家发明专利，使得隧道地质预报工作切实上升到了一个新的高度。

USEP隧道地质预报平台利用三维的空间排布、多达256通道的数据采集、多震源点位置偏移联合成像，进而在隧道掌子面前方构成高密度的三维数据结构体，通过对三维结构数据的一系列处理分析形成三维空间地震波的各种图形图像，最终计算岩土体多种力学参数，从而实现对隧道、坑道及各种地下工程前方地质情况的判译、预报。该系统还可连接电磁发送机在隧道掌子面用重叠回线或定源回线法进行扫描，达到对掌子面前方含水体或良导体的探测，同时两种参数可进行耦合处理，从而实现综合参数法超前预报技术。该系统对预报的施工现场无严格要求，是一种广谱的地下工程超前地质预报系统。

图2叶英在雁门关隧道与瑞士安伯格公司Dickmann博士现场交流

经北京市科学技术委员会主持鉴定，USEP隧道综合参数地质预报平台总体上达到了“国际领先水平”。该平台获国家发明专利8项，实用新型专利6项；主编团体标准《隧道瞬变电磁法超前地质预报技术规程》；出版专著《隧道施工超前地质预报》、《隧道地质预报手册》；发表SCI、EI等核心论文31篇；获包括北京市科技进步奖等各类省部级奖10项。

USEP系统已成功应用于108国道南村隧道、南水北调配套工程、青岛胶州湾海底隧道、新疆东天山隧道等项目。USEP地下工程综合参数与空间超前地质预报系统结合了地下工程施工的具体特点，受现场条件影响小，两种独立参数的综合使用在解决复杂地质条件下的地质预报会发挥巨大作用，在隧道及地下工程建设中将有广泛应用前景。

TMIGS隧道施工多元信息预警平台 保障地下工程

随着地下工程快速发展，交通隧道的发展速度、数量都在逐年增加。隧道施工所面对的周围环境是一个灰色系统，不可预见的因素多、极其复杂，需穿越复杂地层、各种障碍物，施工风险巨大。隧道的施工过程也是与岩土围岩的斗智斗勇过程，正如生物在自然界生存，也是时时刻刻与自然环境抗争、适应中进化发展。

地下施工最难的是信息传递，叶英在隧道施工多元信息预警平台研究方面，提出了隧道施工广义的信息化概念。从隧道施工信息化系统与装备出发，分别研究施工人员信息化、围岩与支护结构信息化、施工质量、进度、投资管理信息化以及多元信息的风险动态分析管理和灾后应急响应与救援。TMIGS隧道施工多元信息预警平台采用无线技术把三维激光扫描、人机定位、各种传感器数据采集、通讯视频、风险管理、施工预案及应急响应等集成在一起，实现隧道施工掌子面图像实时采集、显示与编录分析、掌子面稳定性监测、掌子面人员与车辆定位管理；实现隧道必测项目与断面扫描技术的结合预测围岩变形和超欠挖；实现选测断面各种传感器的无线数据采集与综合分析。在危险临近时，利用多元信息预警、计算分析、专家经验，结合系统的通讯卡、有源定位卡、警灯鸣笛等安全提示信息，启动四级预警及响应应急预案，疏导人员撤离，从而形成隧道施工多元信息全方位安全保障系统。

TMIGS系统以“链”为基本单元，每个项目按照用户需求可定制多个链路，链的长度和组成可任意选择，链单元可以无限复制。“链”由系列产品组成，包括直连网关和5G网关、传输基站、采集A基站、采集B基站、激光基站、人机卡，末端可以连接各种传感器、摄像头等。用户通过定制所需信息，链路就会按照设定的频率不断上传数据，数据按预先设定的阈值对数据进行判译与分析，形成“红、橙、黄、蓝”四色预警等级。同时，按照用户事先设定的条件或人机交互模式干预或下发相应指令，指导现场应急响应。

TMIGS利用多行业、多元信息、物联网、云计算等前沿技术，集成预报预警机理、信息系统、专家系统、安全管理与一体，以数字化为基础，信息化为核心，智能化为目的，利用先进的“系统、人员、环境、预案”的有效结合为风险巨大的地下工程保驾护航。TMIGS系统适合于隧道、桥梁、道路、地质灾害、滑坡 、大坝、地表构筑物等各种目标体及各种复杂环境的全天候实时监测预警。

图3叶英在贵州剑榕高速隧道现场技术培训

经北京市住房和城乡建设委员会主持鉴定，TMIGS隧道施工多元信息预警平台达到“国际先进水平”，其中三维动态数据监测系统达到“国际领先水平”。 该平台获国家发明专利4项，实用新型专利9项；主编团体标准《隧道施工信息化技术规范》；出版专著《隧道施工信息化预警》；发表SCI、EI等核心论文8篇；获陕西省科技进步一等奖等各类省部级奖6项。

TMIGS形成的成果已在北京108国道南村隧道、陕西省包家山隧道、北京密云头道穴隧道、新疆东天山隧道等项目中得到成功应用。该平台的“隧道施工智能预警与安全管理平台在新疆维吾尔自治区东天山隧道的应用”获住房和城乡建设部发布“智能建造新技术新产品创新服务典型案例清单（第一批）”智慧施工管理系统典型案例。它的多功能、多信息源的联动集成必有广泛应用前景，它将大量、多元、综合技术有效、有机融合，必将极大提高地下工程建设的安全水平。

TMH隧道病害定期快速调查系统 守护隧道健康

在我国已建成运营的各种公路、铁路、水工和地铁隧道已超过5万公里，大多隧道都不同程度地出现衬砌裂缝、变形以及渗漏水等病害，它严重影响隧道的正常使用性能，缩短隧道的使用寿命，并威胁隧道内行车的安全。目前国内对隧道病害调查技术的研究相对滞后，对隧道病害的调查仍然采用人工现场调查的方法，这种方法效率低、不仅影响隧道交通，而且带有危险性。

针对于此，叶英和团队基于“机器视觉”技术开展了隧道病害定期快速调查新技术的研究，创新性的提出了“隧道移动医院”的建设，建立了TMH隧道病害定期快速调查系统，集巡查、监测、诊断、养护功能的一体化，可通过一辆平台车对隧道进行日常、定期、特殊、专项检查与养护服务。机器视觉系统就是用机器代替人眼来作各种测量和判断，TMH系统是开发一种隧道病害机器视觉识别系统，可代替人工实现定期快速的隧道病害调查方法。TMH系统能自动获取隧道内侧高分辨率的连续精准定位图像，生成隧道内部3维立体图像，可展开进行各种分析，最终快速获得隧道常规调查所需的详细资料，形成新的基于信息化技术的隧道健康状况定期快速调查方法，定期为隧道健康情况打分评判，为运营隧道建立健康情况档案，确保运营隧道安全、通畅、顺达。针对我国大量地下工程需要管理与养护，TMH“隧道移动医院”可定期快速通过隧道，将隧道的信息搬回家进行评价和诊断，小的病害在现场可以即时处治，不影响交通运营，该平台车的成功研制，将大大提高隧道运营的安全水平。

图4叶英与导师王梦恕院士交流TMH系统

TMH隧道病害快速调查与国外同类系统技术相比较，可快速、精准获取隧道衬砌裂缝性状及分布；建立了一套智能化的隧道衬砌裂缝识别与评价方法；首次将网格单元划分方法应用到隧道定期巡查中，提高了裂缝定位与识别精度。经北京市政路桥集团主持鉴定，研究成果达到“国际先进水平”。该平台已获国家发明专利3项，实用新型专利6项；主编团体标准《隧道病害快速调查技术规程》，获国家级工法1项；出版专著《粉细砂地层浅埋暗挖法注浆加固技术指南》、《运营隧道管养指南》、《隧道衬砌－围岩接触类病害检测、评价与整治》；发表SCI、EI等核心论文10篇；获包括北京市科技进步奖等各类省部级奖项7项。

平台适用于各类城市隧道、地铁隧道、公路隧道和铁路隧道运营病害的定期、快速调查。目前已成功应用于北京108国道潭柘寺、苛萝坨隧道病害检测，取得了良好的实际应用效果。研究成果未来进一步推广和应用，将对我国各类隧道病害快速检测技术的发展起到积极的推动作用。

TER城市浅层瞬变电磁雷达系统 助力城市体检

随着经济的发展和城市化进程的加快，市政工程与人类日常生产生活息息相关，如同人体的“血管”和“神经”，日夜担负着城市的水、电、信息和能量的供给与传输，关乎老百姓交通、生活、安全、城市形象、政治意义的重大民生项目。

城市地下空间基础条件问题越来越受到重视，近年因浅层地质问题由于未能及时掌握而造成严重的事故时有发生。因此高精度、高效率地探测浅层地质问题也就显得更加重要和迫切，开发出适合于我国市场需求的浅层瞬变电磁测量系统极为紧迫。叶英团队结合北京市重大专项“地下管线及地下空洞综合探测技术研究”，率先提出了瞬变电磁雷达的概念，并成功研制出国内外首台“瞬变电磁雷达系统”。瞬变电磁雷达系统攻克了瞬变电磁设备抗干扰能力差、难于在城市强电磁干扰背景下使用，关断时间长、在浅层存在探测盲区等难题。该系统融合了瞬变电磁设备与地质雷达二者的优点，解决了瞬变电磁法定点测量效率低的问题，填补了地质雷达探测深度浅的缺陷，最终实现在城市强电磁干扰下地表至较大深度地质体的快捷、便利及无损探测。

图5 TER瞬变电磁雷达在北京电视台专题报道

TER瞬变电磁雷达已应用于城市道路病害、管线探测、地下结构病害探测、超前地质预报等领域，该技术对保障国家和社会安全、保护自然资源和生态环境、改善民生、有效提高城市基础设施服务水平、有效减少公共安全事故具有重要的现实意义。该系统形成的成果经中国市政工程协会组织科技成果鉴定，成果总体上达到“国际领先水平”。该系统已获国家发明专利3项，实用新型专利3项；主编团体标准《道路瞬变电磁雷达检测技术规程》；出版专著《浅层瞬变电磁雷达》、《地下管线探查与管理》；发表SCI、EI等核心论文15篇；获全国发明展览会金奖、北京市发明创新大赛金奖等各类奖10余项。

项目成果已成功应用在北京市、河北省、天津市等多条城市道路病害探查；在北京地铁隧道、新机场线、厦门地铁隧道等进行质量检测；在新疆东天山隧道、广西南宁岩溶地基等地质勘察中。瞬变电磁雷达技术以其特有的技术优势将大有作为，TER成果可整体提升我国瞬变电磁法的应用水平，推动我国地下工程建设与运营安全保障技术的进步。

目前，围绕建设“人文北京、科技北京、绿色北京”的首都发展战略，叶英以地下工程建设与运营安全保障平台体系构建地下工程综合参数与空间超前地质预报平台、地下工程突发事件预警与应急响应平台、地下工程抢险加固平台为重点的多项工作正在紧锣密鼓地进行之中。为北京地区地下工程施工的系列安全保障做好贴心服务，全心全力推动北京市政建设。

如今，叶英和团队仍在继续完善地下工程建设与运营安全保障平台体系，未来，为了城市建设的发展，让人们拥有更加美好的城市生活，叶英会在城市市政工程研究中倾注他的所有理想，不断探索研究，攀登科研高峰，为国家强盛贡献自己的毕生力量。

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