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杜彦良
杜彦良——中国工程院院士,何梁何利(科学与技术进步奖)获得者,石家庄铁道大学副校长,工学博士,教授。男,汉族,石家庄铁道大学、北京交通大学、武汉大学博士生导师,河北省土木工程特聘岗位“燕赵学者”。2013年当选为中国工程院土木、水利与建筑工程学部院士。

成 果

针对既有线提速铁路、高原高寒铁路、重载铁路和高速铁路等重大工程,杜彦良率领他的团队进行着开创性研究,在长期自动监测、安全评估、预警预报、快速修复等方面完成一项项突破,创建了铁路桥梁、路基、隧道等关键基础设施安全保障技术体系,被誉为我国铁路安全的“把脉人”。

专 访


  石家庄铁道大学的杜彦良院士总是很忙。近日,我们终于在他的办公室见到这位集中国工程院院士、教授、博士生导师等“光环”于一身的专家。
 
  “重载和高速,是我国铁路未来发展的两个方向。目前,我们正围绕这两个方向,开展整体的铁路安全监测系统研究。”杜彦良脸上始终挂着谦和的微笑,谈起从事30多年的铁路研究事业,他脸上的疲倦一扫而光。
 
  针对既有线提速铁路、高原高寒铁路、重载铁路和高速铁路等重大工程,杜彦良率领他的团队进行着开创性研究,在长期自动监测、安全评估、预警预报、快速修复等方面完成一项项突破,创建了铁路桥梁、路基、隧道等关键基础设施安全保障技术体系,被誉为我国铁路安全的“把脉人”。
 
  驯服庞然大物“穿山甲”
 
  1975年,年仅19岁的杜彦良参军入伍,成为铁道兵9师43团的一名推土机手。1977年,他以全团第一名的优异成绩考取了铁道兵工程学院(石家庄铁道大学前身),毕业后留校成为机械系教研室一名普通教师,从事大型工程机械状态监测与故障诊断研究。
 
  回想起当年在零下40摄氏度条件下修建大兴安岭铁路时的艰苦情形,杜彦良满脸自豪。“一日从军,终身受益。是那段经历锻炼了我强健的体魄和不怕吃苦、敢于挑战的性格。”
 
  1996年,我国开始建设秦岭隧道。这条隧道全长18.46公里,是当时国内最长的铁路隧道。“原来我们的铁路隧道一直采用人工开掘的方式,然而秦岭地形、地质构造条件十分复杂,有些岩石抗压强度已经接近钢铁的硬度。”杜彦良介绍,为保障秦岭隧道的顺利贯通,我国从德国维尔特公司引进两台直径8.8米的TBM全断面岩石掘进机。“TBM就是一只巨大的钢铁‘穿山甲’。”
 
  机器买回来了,但国内几乎没有人见过这个庞然大物,更不用说如何使用。请外国专家来指导,开掘2公里的技术指导费就高达400万美元,可2公里之后学不会怎么办?面对复杂的地质、陌生的洋机器和紧迫的工期压力,杜彦良和他的课题组毅然接受了挑战。
 
  杜彦良带领70余人的科技队伍,在半年多时间里,完成了36卷、约2千万字的技术资料翻译和整理任务,承担了设备引进、监制、施工、检测、维修等10多个研究课题,提供了从科研到生产的全过程服务。在他们强大的技术支持下,作为施工单位的铁道部第18工程局和隧道局创下了月掘进突破500米的速度。听到这一消息,维尔特公司总裁罗特斯竟激动地打来电话祝贺。
 
  1999年秦岭隧道完工,为了让这两个价值3亿多元的“穿山甲”发挥更多作用,开凿西安至南京铁路磨沟岭隧道和桃花铺隧道的重任又落在了它们“肩”上。

  然而,这两台“穿山甲”是专为硬岩设计的敞开式掘进机。“磨沟岭和桃花铺软岩超过了50%。”杜彦良说,在国际上,软岩超过20%就要使用双护盾掘进机。“在软弱围岩中掘进,极易产生塌方。一旦发生严重塌方,不仅会将掘进机埋在隧道中,而且很可能造成整条线路的报废。”
 
  果然,在桃花铺隧道,由于围岩承载力不足,不能给TBM撑靴提供正常的支撑力,重达4000多吨的机械如老牛掉进了泥塘,有劲使不出来。杜彦良经过反复实验,对撑靴压力的技术参数进行调整,最终成功实现了正常掘进,创建了开敞式掘进机既能掘进硬岩、又能掘进长距离软弱围岩的施工技术,并达到故障诊断率88%、掘进作业利用率超过40%的世界先进水平。
 
  2006年,全国科学技术大会上,杜彦良主持的“长大隧道全断面岩石掘进机(TBM)掘进技术研究与应用”,获得国家科学技术进步奖二等奖。
 
  为“大动脉”配建“健康诊所”
 
  2000年9月,被誉为中国第一座公铁两用大跨高墩矮塔斜拉桥——芜湖长江大桥建成通车。从这天起,杜彦良和他的团队就成为这座现代化大桥的健康诊断“医生”。
 
  上世纪以来,随着跨江大桥不断向大跨径、深水域和外海发展,不仅建设难度增大,而且维护难度也极大增加,一些桥梁已处于“亚健康”状态。杜彦良在国内率先提出“工程结构状态监测与控制”这一概念,并于1999年组建了大型结构健康诊断与控制研究所。
 
  “桥梁的长期监测、安全评估及预警系统在国内没有先例,一切都要从零开始。承接这一项目时,所里一些人有畏难情绪。”石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所党支部书记孙宝臣清晰地记得,那段时间,杜彦良和大家一起从白天忙到晚上,有时一干就到了后半夜,连周末都是如此。“当时他住单位的高层宿舍,晚上11点就停电梯,回去晚了还要爬楼梯。”
 
  针对芜湖长江大桥特点,杜彦良和他的团队研发了具有自主知识产权的嵌入式无线网络采集智能终端,创建了适用于新建特大型桥梁的长期监测、安全评估与预警报警的安全保障体系。利用这套技术,工作人员只需坐在办公室或实验室的计算机旁,就可以远程监测桥梁在运营中的健康状况,一举结束了长期以来桥梁安全健康靠人工监护的历史。
 
  经过长达5年的研究与实践,2005年12月在原铁道部召开的该成果评审验收会上,专家组认为,这一项目填补了国内空白,总体达到国际先进水平。2008年,凭借此项成果,杜彦良再次获得国家科技进步奖二等奖。
 
  近年来,他们又进行了深层次开掘,相继研制了联通式动态挠度仪、网络数据采集仪等设备,解决了长期监测过程中多种信号采集、整合、数据处理及存储、查询等技术难题。这些创新性的科研成果,在秦沈客运专线辽河大桥、郑州黄河铁路大桥、宁夏吴忠黄河大桥等工程中得到广泛应用,保证了交通运输的安全。
 
  为青藏铁路装上“千里眼”
 
  在青藏铁路冻土工程监测中心的大屏幕上,有规律地闪动着一串串字符。在铁路人眼中,这套系统是青藏铁路“安全运营的‘千里眼’”。
 
  “青藏铁路550公里冻土区沿线近万个监测点组成的监测系统,可以自动采集和传输冻土温度和路基变形两组数据,随时提醒线路维护部门做什么,怎么做。”杜彦良介绍,冻土就像一个大冰块,对环境冷热变化极为敏感,容易产生冻土路基热融沉陷和冻胀变形等不良现象,从而影响铁路线路的运营安全。
 
  起初,青藏铁路建设有关方面曾设想购置高档越野车,专门安排工程技术人员常年进行巡路检测。且不说这种方法花费巨大,在高寒缺氧环境下人工作业之艰难可想而知,青藏铁路冻土地貌的特殊性更是对检测技术提出了特殊的要求。2003年,杜彦良大胆提出运用现代传感测试技术进行动态、远程、实时监测的设想。
 
  在青藏铁路前期施工中,并没有预留用于此类数据传输的光缆,这就意味着杜彦良不能采用有线光缆,只能改用无线远程传输。可无线传输的数据容量问题、电源问题、测试设备的防盗问题、使用寿命及可靠性问题,都是随之而来的待解难题。特别是如何保证监测系统在高寒高原野外恶劣环境条件下安全长期稳定运营,同时做到防水、防盗、防雷、自诊断、自校准等问题……一个又一个挑战接踵而至。
 
  经过反复实验、改进,杜彦良和他的团队集先进成熟的计算机技术、通信技术、数据采集技术及传感器技术于一体,研制出了高精度的数据采集器、安全可靠的传输装置、功能齐全的数据分析软件以及科学的现场施工技术,建立了“青藏铁路多年冻土区路基稳定性长期监测系统”。
 
  进入新世纪以来,随着高铁客运专线的不断开通,我国铁路开始向高速和重载两个方向发展。杜彦良紧跟最新发展动向,先后承担了“严寒地区客运专线线路长期监测系统及状态评估技术研究”、“基于光纤传感的重载铁路在途运营安全实时监测技术”等多项重大研究课题。
 
  “原来铁路货运单节车厢最高载重44吨,现在我们在朔黄铁路建立了一个50公里试验段,单节载重达到了120吨,货运量提高了近3倍。”杜彦良表示,科技之路没有终点,未来他会一直致力于铁路运输监测系统的研究,为祖国的钢铁大动脉系上“安全带”。

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