針對(duì)既有線(xiàn)提速鐵路、高原高寒鐵路、重載鐵路和高速鐵路等重大工程，杜彥良率領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行著開(kāi)創(chuàng)性研究，在長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)、安全評(píng)估、預(yù)警預(yù)報(bào)、快速修復(fù)等方面完成一項(xiàng)項(xiàng)突破，創(chuàng)建了鐵路橋梁、路基、隧道等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施安全保障技術(shù)體系，被譽(yù)為我國(guó)鐵路安全的“把脈人”。
石家莊鐵道大學(xué)的杜彥良院士總是很忙。近日，我們終于在他的辦公室見(jiàn)到這位集中國(guó)工程院院士、教授、博士生導(dǎo)師等“光環(huán)”于一身的專(zhuān)家。
“重載和高速，是我國(guó)鐵路未來(lái)發(fā)展的兩個(gè)方向。目前，我們正圍繞這兩個(gè)方向，開(kāi)展整體的鐵路安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究。”杜彥良臉上始終掛著謙和的微笑，談起從事30多年的鐵路研究事業(yè)，他臉上的疲倦一掃而光。
針對(duì)既有線(xiàn)提速鐵路、高原高寒鐵路、重載鐵路和高速鐵路等重大工程，杜彥良率領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行著開(kāi)創(chuàng)性研究，在長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)、安全評(píng)估、預(yù)警預(yù)報(bào)、快速修復(fù)等方面完成一項(xiàng)項(xiàng)突破，創(chuàng)建了鐵路橋梁、路基、隧道等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施安全保障技術(shù)體系，被譽(yù)為我國(guó)鐵路安全的“把脈人”。
馴服龐然大物“穿山甲”
1975年，年僅19歲的杜彥良參軍入伍，成為鐵道兵9師43團(tuán)的一名推土機(jī)手。1977年，他以全團(tuán)第一名的優(yōu)異成績(jī)考取了鐵道兵工程學(xué)院（石家莊鐵道大學(xué)前身），畢業(yè)后留校成為機(jī)械系教研室一名普通教師，從事大型工程機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷研究。
回想起當(dāng)年在零下40攝氏度條件下修建大興安嶺鐵路時(shí)的艱苦情形，杜彥良滿(mǎn)臉自豪。“一日從軍，終身受益。是那段經(jīng)歷鍛煉了我強(qiáng)健的體魄和不怕吃苦、敢于挑戰(zhàn)的性格。”
1996年，我國(guó)開(kāi)始建設(shè)秦嶺隧道。這條隧道全長(zhǎng)18.46公里，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的鐵路隧道。“原來(lái)我們的鐵路隧道一直采用人工開(kāi)掘的方式，然而秦嶺地形、地質(zhì)構(gòu)造條件十分復(fù)雜，有些巖石抗壓強(qiáng)度已經(jīng)接近鋼鐵的硬度。”杜彥良介紹，為保障秦嶺隧道的順利貫通，我國(guó)從德國(guó)維爾特公司引進(jìn)兩臺(tái)直徑8.8米的TBM全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)。“TBM就是一只巨大的鋼鐵‘穿山甲’。”
機(jī)器買(mǎi)回來(lái)了，但國(guó)內(nèi)幾乎沒(méi)有人見(jiàn)過(guò)這個(gè)龐然大物，更不用說(shuō)如何使用。請(qǐng)外國(guó)專(zhuān)家來(lái)指導(dǎo)，開(kāi)掘2公里的技術(shù)指導(dǎo)費(fèi)就高達(dá)400萬(wàn)美元，可2公里之后學(xué)不會(huì)怎么辦？面對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)、陌生的洋機(jī)器和緊迫的工期壓力，杜彥良和他的課題組毅然接受了挑戰(zhàn)。
杜彥良帶領(lǐng)70余人的科技隊(duì)伍，在半年多時(shí)間里，完成了36卷、約2千萬(wàn)字的技術(shù)資料翻譯和整理任務(wù)，承擔(dān)了設(shè)備引進(jìn)、監(jiān)制、施工、檢測(cè)、維修等10多個(gè)研究課題，提供了從科研到生產(chǎn)的全過(guò)程服務(wù)。在他們強(qiáng)大的技術(shù)支持下，作為施工單位的鐵道部第18工程局和隧道局創(chuàng)下了月掘進(jìn)突破500米的速度。聽(tīng)到這一消息，維爾特公司總裁羅特斯竟激動(dòng)地打來(lái)電話(huà)祝賀。
1999年秦嶺隧道完工，為了讓這兩個(gè)價(jià)值3億多元的“穿山甲”發(fā)揮更多作用，開(kāi)鑿西安至南京鐵路磨溝嶺隧道和桃花鋪隧道的重任又落在了它們“肩”上。
然而，這兩臺(tái)“穿山甲”是專(zhuān)為硬巖設(shè)計(jì)的敞開(kāi)式掘進(jìn)機(jī)。“磨溝嶺和桃花鋪軟巖超過(guò)了50%。”杜彥良說(shuō)，在國(guó)際上，軟巖超過(guò)20%就要使用雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)。“在軟弱圍巖中掘進(jìn)，極易產(chǎn)生塌方。一旦發(fā)生嚴(yán)重塌方，不僅會(huì)將掘進(jìn)機(jī)埋在隧道中，而且很可能造成整條線(xiàn)路的報(bào)廢。”
果然，在桃花鋪隧道，由于圍巖承載力不足，不能給TBM撐靴提供正常的支撐力，重達(dá)4000多噸的機(jī)械如老牛掉進(jìn)了泥塘，有勁使不出來(lái)。杜彥良經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)撐靴壓力的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終成功實(shí)現(xiàn)了正常掘進(jìn)，創(chuàng)建了開(kāi)敞式掘進(jìn)機(jī)既能掘進(jìn)硬巖、又能掘進(jìn)長(zhǎng)距離軟弱圍巖的施工技術(shù)，并達(dá)到故障診斷率88%、掘進(jìn)作業(yè)利用率超過(guò)40%的世界先進(jìn)水平。
2006年，全國(guó)科學(xué)技術(shù)大會(huì)上，杜彥良主持的“長(zhǎng)大隧道全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(TBM)掘進(jìn)技術(shù)研究與應(yīng)用”，獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
為“大動(dòng)脈”配建“健康診所”
2000年9月，被譽(yù)為中國(guó)第一座公鐵兩用大跨高墩矮塔斜拉橋——蕪湖長(zhǎng)江大橋建成通車(chē)。從這天起，杜彥良和他的團(tuán)隊(duì)就成為這座現(xiàn)代化大橋的健康診斷“醫(yī)生”。
上世紀(jì)以來(lái)，隨著跨江大橋不斷向大跨徑、深水域和外海發(fā)展，不僅建設(shè)難度增大，而且維護(hù)難度也極大增加，一些橋梁已處于“亞健康”狀態(tài)。杜彥良在國(guó)內(nèi)率先提出“工程結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制”這一概念，并于1999年組建了大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所。
“橋梁的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、安全評(píng)估及預(yù)警系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)沒(méi)有先例，一切都要從零開(kāi)始。承接這一項(xiàng)目時(shí)，所里一些人有畏難情緒。”石家莊鐵道大學(xué)大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所黨支部書(shū)記孫寶臣清晰地記得，那段時(shí)間，杜彥良和大家一起從白天忙到晚上，有時(shí)一干就到了后半夜，連周末都是如此。“當(dāng)時(shí)他住單位的高層宿舍，晚上11點(diǎn)就停電梯，回去晚了還要爬樓梯。”
針對(duì)蕪湖長(zhǎng)江大橋特點(diǎn)，杜彥良和他的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的嵌入式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)采集智能終端，創(chuàng)建了適用于新建特大型橋梁的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、安全評(píng)估與預(yù)警報(bào)警的安全保障體系。利用這套技術(shù)，工作人員只需坐在辦公室或?qū)嶒?yàn)室的計(jì)算機(jī)旁，就可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)橋梁在運(yùn)營(yíng)中的健康狀況，一舉結(jié)束了長(zhǎng)期以來(lái)橋梁安全健康靠人工監(jiān)護(hù)的歷史。
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)5年的研究與實(shí)踐，2005年12月在原鐵道部召開(kāi)的該成果評(píng)審驗(yàn)收會(huì)上，專(zhuān)家組認(rèn)為，這一項(xiàng)目填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。2008年，憑借此項(xiàng)成果，杜彥良再次獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
近年來(lái)，他們又進(jìn)行了深層次開(kāi)掘，相繼研制了聯(lián)通式動(dòng)態(tài)撓度儀、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集儀等設(shè)備，解決了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程中多種信號(hào)采集、整合、數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)、查詢(xún)等技術(shù)難題。這些創(chuàng)新性的科研成果，在秦沈客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)遼河大橋、鄭州黃河鐵路大橋、寧夏吳忠黃河大橋等工程中得到廣泛應(yīng)用，保證了交通運(yùn)輸?shù)陌踩?/div>
為青藏鐵路裝上“千里眼”
在青藏鐵路凍土工程監(jiān)測(cè)中心的大屏幕上，有規(guī)律地閃動(dòng)著一串串字符。在鐵路人眼中，這套系統(tǒng)是青藏鐵路“安全運(yùn)營(yíng)的‘千里眼’”。
“青藏鐵路550公里凍土區(qū)沿線(xiàn)近萬(wàn)個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以自動(dòng)采集和傳輸凍土溫度和路基變形兩組數(shù)據(jù)，隨時(shí)提醒線(xiàn)路維護(hù)部門(mén)做什么，怎么做。”杜彥良介紹，凍土就像一個(gè)大冰塊，對(duì)環(huán)境冷熱變化極為敏感，容易產(chǎn)生凍土路基熱融沉陷和凍脹變形等不良現(xiàn)象，從而影響鐵路線(xiàn)路的運(yùn)營(yíng)安全。
起初，青藏鐵路建設(shè)有關(guān)方面曾設(shè)想購(gòu)置高檔越野車(chē)，專(zhuān)門(mén)安排工程技術(shù)人員常年進(jìn)行巡路檢測(cè)。且不說(shuō)這種方法花費(fèi)巨大，在高寒缺氧環(huán)境下人工作業(yè)之艱難可想而知，青藏鐵路凍土地貌的特殊性更是對(duì)檢測(cè)技術(shù)提出了特殊的要求。2003年，杜彥良大膽提出運(yùn)用現(xiàn)代傳感測(cè)試技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)、遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的設(shè)想。
在青藏鐵路前期施工中，并沒(méi)有預(yù)留用于此類(lèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫|，這就意味著杜彥良不能采用有線(xiàn)光纜，只能改用無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。可無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量問(wèn)題、電源問(wèn)題、測(cè)試設(shè)備的防盜問(wèn)題、使用壽命及可靠性問(wèn)題，都是隨之而來(lái)的待解難題。特別是如何保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高寒高原野外惡劣環(huán)境條件下安全長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)，同時(shí)做到防水、防盜、防雷、自診斷、自校準(zhǔn)等問(wèn)題……一個(gè)又一個(gè)挑戰(zhàn)接踵而至。
經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)，杜彥良和他的團(tuán)隊(duì)集先進(jìn)成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)及傳感器技術(shù)于一體，研制出了高精度的數(shù)據(jù)采集器、安全可靠的傳輸裝置、功能齊全的數(shù)據(jù)分析軟件以及科學(xué)的現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)，建立了“青藏鐵路多年凍土區(qū)路基穩(wěn)定性長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”。
進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，隨著高鐵客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的不斷開(kāi)通，我國(guó)鐵路開(kāi)始向高速和重載兩個(gè)方向發(fā)展。杜彥良緊跟最新發(fā)展動(dòng)向，先后承擔(dān)了“嚴(yán)寒地區(qū)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)線(xiàn)路長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及狀態(tài)評(píng)估技術(shù)研究”、“基于光纖傳感的重載鐵路在途運(yùn)營(yíng)安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)”等多項(xiàng)重大研究課題。
“原來(lái)鐵路貨運(yùn)單節(jié)車(chē)廂最高載重44噸，現(xiàn)在我們?cè)谒伏S鐵路建立了一個(gè)50公里試驗(yàn)段，單節(jié)載重達(dá)到了120噸，貨運(yùn)量提高了近3倍。”杜彥良表示，科技之路沒(méi)有終點(diǎn)，未來(lái)他會(huì)一直致力于鐵路運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，為祖國(guó)的鋼鐵大動(dòng)脈系上“安全帶”。
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