《管子·度地》說“內為之城，外為之廓，日中為市”，“城”主要負責防衛，“市”則指進行交易的場所。城市作為一個國家最重要的組成部分，一個城市進化發展迅速，象征國力更加強大、國家更加繁榮，由此千萬城市組成國家，才有足夠強大的實力長立于世界。城市的繁華離不開千千萬萬建設者的努力、無數科研人員的研究，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，深耕隧道施工超前地質預報、信息化施工及安全運維等領域，取得了豐碩成果。在隧道超前地質預報方面提出“角度偏移、綜合參數”預報理論，負責研制的USEP21型地下工程施工綜合參數與空間超前地質預報系統具有國際領先水平。在隧道施工信息化預警平臺研究方面，提出了隧道施工信息化的廣義概念，研制的TMIGS隧道施工信息化預警平臺總體達到國際先進水平，其中三維動態數據監測系統達到國際領先水平。在運營隧道管養方面，提出了“隧道移動醫院”的理念，研制了TMH隧道健康診斷、評價及快速修復一體化平臺達到國際先進水平。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的基本理論，成功研制出結構病害、道路病害、隧道超前探水等TER瞬變電磁雷達系列設備，實現在城市強電磁干擾背景下地表至較大深度地質體的快捷、便利及無損探測，研究成果處于國際領先水平。以上研究對隧道施工安全保障具有重大的理論指導意義。他為美麗城市的建設兢兢業業，無怨無悔地貢獻自己的力量。

圖1葉英在北京興延高速隧道工程現場

USEP隧道綜合參數地質預報平臺 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展，地下工程建設風險較多，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問題，地質預報技術有著極其重要的作用，隧道施工超前地質預報就是利用地質、物探等手段對隧道開挖掌子面前方的地質情況及不良地質體的工程性質及位置、產狀進行探測、分析解釋及預報。結合研發的USEP地質預報平臺，葉英和團隊提出了“綜合參數、長短結合、內外兼顧、長期跟蹤、災害預案”的地下空間前方地質預報安全原則，授權了“地下工程施工超前地質預報系統及其預報方法”、“基于任意排布的地震波地下工程空間探測方法”、“綜合參數超前地質預報的圍巖細化動態分級方法”等多項國家發明專利，使得隧道地質預報工作切實上升到了一個新的高度。

USEP隧道地質預報平臺利用三維的空間排布、多達256通道的數據采集、多震源點位置偏移聯合成像，進而在隧道掌子面前方構成高密度的三維數據結構體，通過對三維結構數據的一系列處理分析形成三維空間地震波的各種圖形圖像，最終計算巖土體多種力學參數，從而實現對隧道、坑道及各種地下工程前方地質情況的判譯、預報。該系統還可連接電磁發送機在隧道掌子面用重疊回線或定源回線法進行掃描，達到對掌子面前方含水體或良導體的探測，同時兩種參數可進行耦合處理，從而實現綜合參數法超前預報技術。該系統對預報的施工現場無嚴格要求，是一種廣譜的地下工程超前地質預報系統。

圖2葉英在雁門關隧道與瑞士安伯格公司Dickmann博士現場交流

經北京市科學技術委員會主持鑒定，USEP隧道綜合參數地質預報平臺總體上達到了“國際領先水平”。該平臺獲國家發明專利8項，實用新型專利6項；主編團體標準《隧道瞬變電磁法超前地質預報技術規程》；出版專著《隧道施工超前地質預報》、《隧道地質預報手冊》；發表SCI、EI等核心論文31篇；獲包括北京市科技進步獎等各類省部級獎10項。

USEP系統已成功應用于108國道南村隧道、南水北調配套工程、青島膠州灣海底隧道、新疆東天山隧道等項目。USEP地下工程綜合參數與空間超前地質預報系統結合了地下工程施工的具體特點，受現場條件影響小，兩種獨立參數的綜合使用在解決復雜地質條件下的地質預報會發揮巨大作用，在隧道及地下工程建設中將有廣泛應用前景。

TMIGS隧道施工多元信息預警平臺 保障地下工程

隨著地下工程快速發展，交通隧道的發展速度、數量都在逐年增加。隧道施工所面對的周圍環境是一個灰色系統，不可預見的因素多、極其復雜，需穿越復雜地層、各種障礙物，施工風險巨大。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，也是時時刻刻與自然環境抗爭、適應中進化發展。

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與裝備出發，分別研究施工人員信息化、圍巖與支護結構信息化、施工質量、進度、投資管理信息化以及多元信息的風險動態分析管理和災后應急響應與救援。TMIGS隧道施工多元信息預警平臺采用無線技術把三維激光掃描、人機定位、各種傳感器數據采集、通訊視頻、風險管理、施工預案及應急響應等集成在一起，實現隧道施工掌子面圖像實時采集、顯示與編錄分析、掌子面穩定性監測、掌子面人員與車輛定位管理；實現隧道必測項目與斷面掃描技術的結合預測圍巖變形和超欠挖；實現選測斷面各種傳感器的無線數據采集與綜合分析。在危險臨近時，利用多元信息預警、計算分析、專家經驗，結合系統的通訊卡、有源定位卡、警燈鳴笛等安全提示信息，啟動四級預警及響應應急預案，疏導人員撤離，從而形成隧道施工多元信息全方位安全保障系統。

TMIGS系統以“鏈”為基本單元，每個項目按照用戶需求可定制多個鏈路，鏈的長度和組成可任意選擇，鏈單元可以無限復制。“鏈”由系列產品組成，包括直連網關和5G網關、傳輸基站、采集A基站、采集B基站、激光基站、人機卡，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，鏈路就會按照設定的頻率不斷上傳數據，數據按預先設定的閾值對數據進行判譯與分析，形成“紅、橙、黃、藍”四色預警等級。同時，按照用戶事先設定的條件或人機交互模式干預或下發相應指令，指導現場應急響應。

TMIGS利用多行業、多元信息、物聯網、云計算等前沿技術，集成預報預警機理、信息系統、專家系統、安全管理與一體，以數字化為基礎，信息化為核心，智能化為目的，利用先進的“系統、人員、環境、預案”的有效結合為風險巨大的地下工程保駕護航。TMIGS系統適合于隧道、橋梁、道路、地質災害、滑坡 、大壩、地表構筑物等各種目標體及各種復雜環境的全天候實時監測預警。

圖3葉英在貴州劍榕高速隧道現場技術培訓

經北京市住房和城鄉建設委員會主持鑒定，TMIGS隧道施工多元信息預警平臺達到“國際先進水平”，其中三維動態數據監測系統達到“國際領先水平”。 該平臺獲國家發明專利4項，實用新型專利9項；主編團體標準《隧道施工信息化技術規范》；出版專著《隧道施工信息化預警》；發表SCI、EI等核心論文8篇；獲陜西省科技進步一等獎等各類省部級獎6項。

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目中得到成功應用。該平臺的“隧道施工智能預警與安全管理平臺在新疆維吾爾自治區東天山隧道的應用”獲住房和城鄉建設部發布“智能建造新技術新產品創新服務典型案例清單（第一批）”智慧施工管理系統典型案例。它的多功能、多信息源的聯動集成必有廣泛應用前景，它將大量、多元、綜合技術有效、有機融合，必將極大提高地下工程建設的安全水平。

TMH隧道病害定期快速調查系統 守護隧道健康

在我國已建成運營的各種公路、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襯砌裂縫、變形以及滲漏水等病害，它嚴重影響隧道的正常使用性能，縮短隧道的使用壽命，并威脅隧道內行車的安全。目前國內對隧道病害調查技術的研究相對滯后，對隧道病害的調查仍然采用人工現場調查的方法，這種方法效率低、不僅影響隧道交通，而且帶有危險性。

針對于此，葉英和團隊基于“機器視覺”技術開展了隧道病害定期快速調查新技術的研究，創新性的提出了“隧道移動醫院”的建設，建立了TMH隧道病害定期快速調查系統，集巡查、監測、診斷、養護功能的一體化，可通過一輛平臺車對隧道進行日常、定期、特殊、專項檢查與養護服務。機器視覺系統就是用機器代替人眼來作各種測量和判斷，TMH系統是開發一種隧道病害機器視覺識別系統，可代替人工實現定期快速的隧道病害調查方法。TMH系統能自動獲取隧道內側高分辨率的連續精準定位圖像，生成隧道內部3維立體圖像，可展開進行各種分析，最終快速獲得隧道常規調查所需的詳細資料，形成新的基于信息化技術的隧道健康狀況定期快速調查方法，定期為隧道健康情況打分評判，為運營隧道建立健康情況檔案，確保運營隧道安全、通暢、順達。針對我國大量地下工程需要管理與養護，TMH“隧道移動醫院”可定期快速通過隧道，將隧道的信息搬回家進行評價和診斷，小的病害在現場可以即時處治，不影響交通運營，該平臺車的成功研制，將大大提高隧道運營的安全水平。

圖4葉英與導師王夢恕院士交流TMH系統

TMH隧道病害快速調查與國外同類系統技術相比較，可快速、精準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方法；首次將網格單元劃分方法應用到隧道定期巡查中，提高了裂縫定位與識別精度。經北京市政路橋集團主持鑒定，研究成果達到“國際先進水平”。該平臺已獲國家發明專利3項，實用新型專利6項；主編團體標準《隧道病害快速調查技術規程》，獲國家級工法1項；出版專著《粉細砂地層淺埋暗挖法注漿加固技術指南》、《運營隧道管養指南》、《隧道襯砌－圍巖接觸類病害檢測、評價與整治》；發表SCI、EI等核心論文10篇；獲包括北京市科技進步獎等各類省部級獎項7項。

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營病害的定期、快速調查。目前已成功應用于北京108國道潭柘寺、苛蘿坨隧道病害檢測，取得了良好的實際應用效果。研究成果未來進一步推廣和應用，將對我國各類隧道病害快速檢測技術的發展起到積極的推動作用。

TER城市淺層瞬變電磁雷達系統 助力城市體檢

隨著經濟的發展和城市化進程的加快，市政工程與人類日常生產生活息息相關，如同人體的“血管”和“神經”，日夜擔負著城市的水、電、信息和能量的供給與傳輸，關乎老百姓交通、生活、安全、城市形象、政治意義的重大民生項目。

城市地下空間基礎條件問題越來越受到重視，近年因淺層地質問題由于未能及時掌握而造成嚴重的事故時有發生。因此高精度、高效率地探測淺層地質問題也就顯得更加重要和迫切，開發出適合于我國市場需求的淺層瞬變電磁測量系統極為緊迫。葉英團隊結合北京市重大專項“地下管線及地下空洞綜合探測技術研究”，率先提出了瞬變電磁雷達的概念，并成功研制出國內外首臺“瞬變電磁雷達系統”。瞬變電磁雷達系統攻克了瞬變電磁設備抗干擾能力差、難于在城市強電磁干擾背景下使用，關斷時間長、在淺層存在探測盲區等難題。該系統融合了瞬變電磁設備與地質雷達二者的優點，解決了瞬變電磁法定點測量效率低的問題，填補了地質雷達探測深度淺的缺陷，最終實現在城市強電磁干擾下地表至較大深度地質體的快捷、便利及無損探測。

圖5 TER瞬變電磁雷達在北京電視臺專題報道

TER瞬變電磁雷達已應用于城市道路病害、管線探測、地下結構病害探測、超前地質預報等領域，該技術對保障國家和社會安全、保護自然資源和生態環境、改善民生、有效提高城市基礎設施服務水平、有效減少公共安全事故具有重要的現實意義。該系統形成的成果經中國市政工程協會組織科技成果鑒定，成果總體上達到“國際領先水平”。該系統已獲國家發明專利3項，實用新型專利3項；主編團體標準《道路瞬變電磁雷達檢測技術規程》；出版專著《淺層瞬變電磁雷達》、《地下管線探查與管理》；發表SCI、EI等核心論文15篇；獲全國發明展覽會金獎、北京市發明創新大賽金獎等各類獎10余項。

項目成果已成功應用在北京市、河北省、天津市等多條城市道路病害探查；在北京地鐵隧道、新機場線、廈門地鐵隧道等進行質量檢測；在新疆東天山隧道、廣西南寧巖溶地基等地質勘察中。瞬變電磁雷達技術以其特有的技術優勢將大有作為，TER成果可整體提升我國瞬變電磁法的應用水平，推動我國地下工程建設與運營安全保障技術的進步。

目前，圍繞建設“人文北京、科技北京、綠色北京”的首都發展戰略，葉英以地下工程建設與運營安全保障平臺體系構建地下工程綜合參數與空間超前地質預報平臺、地下工程突發事件預警與應急響應平臺、地下工程搶險加固平臺為重點的多項工作正在緊鑼密鼓地進行之中。為北京地區地下工程施工的系列安全保障做好貼心服務，全心全力推動北京市政建設。

如今，葉英和團隊仍在繼續完善地下工程建設與運營安全保障平臺體系，未來，為了城市建設的發展，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，為國家強盛貢獻自己的畢生力量。

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