針對既有線提速鐵路、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)他的團隊進行著開創(chuàng)性研究，在長期自動監(jiān)測、安全評估、預(yù)警預(yù)報、快速修復(fù)等方面完成一項項突破，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，被譽為我國鐵路安全的“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到這位集中國工程院院士、教授、博士生導(dǎo)師等“光環(huán)”于一身的專家。
“重載和高速，是我國鐵路未來發(fā)展的兩個方向。目前，我們正圍繞這兩個方向，開展整體的鐵路安全監(jiān)測系統(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。
針對既有線提速鐵路、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)他的團隊進行著開創(chuàng)性研究，在長期自動監(jiān)測、安全評估、預(yù)警預(yù)報、快速修復(fù)等方面完成一項項突破，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，被譽為我國鐵路安全的“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團的一名推土機手。1977年，他以全團第一名的優(yōu)異成績考取了鐵道兵工程學(xué)院（石家莊鐵道大學(xué)前身），畢業(yè)后留校成為機械系教研室一名普通教師，從事大型工程機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷研究。
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的艱苦情形，杜彥良滿臉自豪。“一日從軍，終身受益。是那段經(jīng)歷鍛煉了我強健的體魄和不怕吃苦、敢于挑戰(zhàn)的性格。”
1996年，我國開始建設(shè)秦嶺隧道。這條隧道全長18.46公里，是當(dāng)時國內(nèi)最長的鐵路隧道。“原來我們的鐵路隧道一直采用人工開掘的方式，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，我國從德國維爾特公司引進兩臺直徑8.8米的TBM全斷面巖石掘進機。“TBM就是一只巨大的鋼鐵‘穿山甲’。”
機器買回來了，但國內(nèi)幾乎沒有人見過這個龐然大物，更不用說如何使用。請外國專家來指導(dǎo)，開掘2公里的技術(shù)指導(dǎo)費就高達400萬美元，可2公里之后學(xué)不會怎么辦？面對復(fù)雜的地質(zhì)、陌生的洋機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余人的科技隊伍，在半年多時間里，完成了36卷、約2千萬字的技術(shù)資料翻譯和整理任務(wù)，承擔(dān)了設(shè)備引進、監(jiān)制、施工、檢測、維修等10多個研究課題，提供了從科研到生產(chǎn)的全過程服務(wù)。在他們強大的技術(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)下了月掘進突破500米的速度。聽到這一消息，維爾特公司總裁羅特斯竟激動地打來電話祝賀。
1999年秦嶺隧道完工，為了讓這兩個價值3億多元的“穿山甲”發(fā)揮更多作用，開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“穿山甲”是專為硬巖設(shè)計的敞開式掘進機。“磨溝嶺和桃花鋪軟巖超過了50%。”杜彥良說，在國際上，軟巖超過20%就要使用雙護盾掘進機。“在軟弱圍巖中掘進，極易產(chǎn)生塌方。一旦發(fā)生嚴重塌方，不僅會將掘進機埋在隧道中，而且很可能造成整條線路的報廢。”
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4000多噸的機械如老牛掉進了泥塘，有勁使不出來。杜彥良經(jīng)過反復(fù)實驗，對撐靴壓力的技術(shù)參數(shù)進行調(diào)整，最終成功實現(xiàn)了正常掘進，創(chuàng)建了開敞式掘進機既能掘進硬巖、又能掘進長距離軟弱圍巖的施工技術(shù)，并達到故障診斷率88%、掘進作業(yè)利用率超過40%的世界先進水平。
2006年，全國科學(xué)技術(shù)大會上，杜彥良主持的“長大隧道全斷面巖石掘進機(TBM)掘進技術(shù)研究與應(yīng)用”，獲得國家科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎。
為“大動脈”配建“健康診所”
2000年9月，被譽為中國第一座公鐵兩用大跨高墩矮塔斜拉橋——蕪湖長江大橋建成通車。從這天起，杜彥良和他的團隊就成為這座現(xiàn)代化大橋的健康診斷“醫(yī)生”。
上世紀以來，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)。杜彥良在國內(nèi)率先提出“工程結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測與控制”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。
“橋梁的長期監(jiān)測、安全評估及預(yù)警系統(tǒng)在國內(nèi)沒有先例，一切都要從零開始。承接這一項目時，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記孫寶臣清晰地記得，那段時間，杜彥良和大家一起從白天忙到晚上，有時一干就到了后半夜，連周末都是如此。“當(dāng)時他住單位的高層宿舍，晚上11點就停電梯，回去晚了還要爬樓梯。”
針對蕪湖長江大橋特點，杜彥良和他的團隊研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的嵌入式無線網(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期監(jiān)測、安全評估與預(yù)警報警的安全保障體系。利用這套技術(shù)，工作人員只需坐在辦公室或?qū)嶒炇业挠嬎銠C旁，就可以遠程監(jiān)測橋梁在運營中的健康狀況，一舉結(jié)束了長期以來橋梁安全健康靠人工監(jiān)護的歷史。
經(jīng)過長達5年的研究與實踐，2005年12月在原鐵道部召開的該成果評審驗收會上，專家組認為，這一項目填補了國內(nèi)空白，總體達到國際先進水平。2008年，憑借此項成果，杜彥良再次獲得國家科技進步獎二等獎。
近年來，他們又進行了深層次開掘，相繼研制了聯(lián)通式動態(tài)撓度儀、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集儀等設(shè)備，解決了長期監(jiān)測過程中多種信號采集、整合、數(shù)據(jù)處理及存儲、查詢等技術(shù)難題。這些創(chuàng)新性的科研成果，在秦沈客運專線遼河大橋、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)測中心的大屏幕上，有規(guī)律地閃動著一串串字符。在鐵路人眼中，這套系統(tǒng)是青藏鐵路“安全運營的‘千里眼’”。
“青藏鐵路550公里凍土區(qū)沿線近萬個監(jiān)測點組成的監(jiān)測系統(tǒng)，可以自動采集和傳輸凍土溫度和路基變形兩組數(shù)據(jù)，隨時提醒線路維護部門做什么，怎么做。”杜彥良介紹，凍土就像一個大冰塊，對環(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，從而影響鐵路線路的運營安全。
起初，青藏鐵路建設(shè)有關(guān)方面曾設(shè)想購置高檔越野車，專門安排工程技術(shù)人員常年進行巡路檢測。且不說這種方法花費巨大，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檢測技術(shù)提出了特殊的要求。2003年，杜彥良大膽提出運用現(xiàn)代傳感測試技術(shù)進行動態(tài)、遠程、實時監(jiān)測的設(shè)想。
在青藏鐵路前期施工中，并沒有預(yù)留用于此類數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫|，這就意味著杜彥良不能采用有線光纜，只能改用無線遠程傳輸。可無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量問題、電源問題、測試設(shè)備的防盜問題、使用壽命及可靠性問題，都是隨之而來的待解難題。特別是如何保證監(jiān)測系統(tǒng)在高寒高原野外惡劣環(huán)境條件下安全長期穩(wěn)定運營，同時做到防水、防盜、防雷、自診斷、自校準(zhǔn)等問題……一個又一個挑戰(zhàn)接踵而至。
經(jīng)過反復(fù)實驗、改進，杜彥良和他的團隊集先進成熟的計算機技術(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)定性長期監(jiān)測系統(tǒng)”。
進入新世紀以來，隨著高鐵客運專線的不斷開通，我國鐵路開始向高速和重載兩個方向發(fā)展。杜彥良緊跟最新發(fā)展動向，先后承擔(dān)了“嚴寒地區(qū)客運專線線路長期監(jiān)測系統(tǒng)及狀態(tài)評估技術(shù)研究”、“基于光纖傳感的重載鐵路在途運營安全實時監(jiān)測技術(shù)”等多項重大研究課題。
“原來鐵路貨運單節(jié)車廂最高載重44噸，現(xiàn)在我們在朔黃鐵路建立了一個50公里試驗段，單節(jié)載重達到了120噸，貨運量提高了近3倍。”杜彥良表示，科技之路沒有終點，未來他會一直致力于鐵路運輸監(jiān)測系統(tǒng)的研究，為祖國的鋼鐵大動脈系上“安全帶”。
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