“量画”地下数字北京——记2016年度北京市科技新星吕祥锋

    车辆在路上正常行进着，眼前的路面突然一下就塌陷了，车子猝不及防地掉入了深坑，这样的险情频繁在全国许多城市的道路上出现。本该平坦安全的城市道路，为何频繁上演“步步惊心”？针对此类城市道路突发塌陷病害防控的精准现场监测诊治，正是北京市市政工程研究院岩土工程技术研究中心主任、2016年度北京市科技新星吕祥锋最拿手的绝活。

吕祥锋博士工作照

    “我们不只是探，还能画出来”

    道路路面突然塌陷是因为土体的承载力减弱了，简单说就是土体松散，强度弱化，土体密实度到达了临界载荷，一个诱因就可能导致突然发生，类似于山体滑坡，都是一瞬间就发生的灾难。城市道路路面突然坍塌事故的发生，往往与城市道路地下管线及管廊工程周围土体病害，地下管线、管廊、隧道及深大基坑挖掘作业失控导致的围岩土体失稳坍塌事故等因素有关。多年来，为了有效防控城市道路突发塌陷病害的发生，岩土工程领域的专家们一直在研究、探索更加高效、更加准确的病害探测方法，吕祥锋博士近年来在这方面所从事的研究工作及应用成果，走在了同行业的前列。他针对北京道路塌陷隐患问题，首创性地提出了道路松散层及脱空隐患精细探查方法，研制出了国内首台地下土体密实度微探仪，开发了国内首套土体疏松病害实时诊断系统，并在工程实践得到了成功应用与推广。

2015年大阅兵通道建国路地下土体安全检测作业现场

    传统的道路路面突然塌陷事故的防控监测作业，通常是先采用探地雷达等无损检测设备沿监测区域道路路面进行覆盖性扫描检测，如发现路面下土体有可疑的病害部位，为进一步诊断确定其病害的性质及程度，常规的方法是通过在可疑病害部位打孔取芯，拿到实验室进行测试分析，才能对病害状况做出确切的诊断。而吕祥锋研发的城市道路隐患精细化探查技术，应用其无损或者微损数字化、可视化土体病害实时诊断专利设备系统---国内首台地下土体密实度微探仪，可以在先期无损检测普查的可疑病害部位，现场进行地下土体密实度的实时随钻测试，不取岩芯，不做化验，就可即时定量、定性地清查地下土体病害隐患的详情（包括位置、形貌、类型和分布）。该微探仪系统的技术独创性体现在以下几个方面：①实现了随钻多源全层位隐患位置、类别、分级实时评判，成功评判率达92%以上；② 探地雷达划定疑似区位置后，可20～30min内完成3～5m钻进全层位测试，并原位给出隐患评判结果；③ 成功解决了地下隐患定量评判关键难题，填补了国内技术空白。吕祥锋这样描述微探仪专利技术系统的独到之处：“在地下土体病害检测技术方面，目前采用别的仪器和技术只能做到土体病害的定性、半定量分析，而应用我们的地下土体密实度微探仪专利技术和设备，可以做到现场精确定量诊断分析及数字化、可视化综合描述和呈现，即时得出地下土体病害的最直接的结论，为道路路面突然塌陷事故的有效防控，争取了极为宝贵的应急处置反应时间。形象地说，对地下土体病害状况，我们不只是探测，还能精准地画出来。”

    至今，吕祥锋研发的国内首台地下土体密实度微探仪已成功应用于抗战胜利70周年阅兵重载车辆行驶路段安全排查项目、北京城市副中心地下综合管廊工程、北京世园会地下综合管廊工程、北京丽泽商务中心环廊工程、京张铁路桩基工程、北京市重点道路工程和高速公路路基工程、合肥市城市道路塌陷隐患探测等城市地下土体安全隐患的排查监测中，为城市道路使用安全及相关工程施工安全保驾护航，取得了良好的经济和社会效益，累计可测算经济效益超过2亿元。

2016年北京地铁14号线盾构穿越朝阳公园湖区地下土体安全监测作业现场

    水满则溢，厚积薄发

    吕祥锋，1982年生，中共党员，高级工程师，硕士研究生导师，2013年中国科学院力学研究所博士后出站，进入北京市市政工程研究院工作，现任北京市政路桥科技发展公司研究院岩土工程技术研究中心主任。他同时也担任国家自然科学基金函评专家、教育部学位中心函评专家、北京市科委专家库专家、北京专家联谊会青年分会专家（建筑环能组）。吕祥锋2012年的博士学位论文获得中国岩石力学与工程学会“优秀博士学位论文”，2014年获得西城区、北京市优秀人才培养资助，2015年获得国家自然科学基金资助，入选2016年度“北京市科技新星计划”和第八批“北京市优秀青年人才”，获得第十九届“茅以升北京青年科技奖”。吕祥锋目前已经发表了50余篇论文，其中SCI、EI收录24篇；出版学术著作2部；获国家专利授权40项；获省部级科技奖一等奖3项、二等奖1项、三等奖1项。

地下土体密实度微探仪城市道路隐患检测评价综合图谱示例

    “兜兜转转找到自己最喜欢的事业，做出一点能解决实际问题的成果，把科研转化为生产力，造福群众百姓，是我最大的希望”，吕祥锋博士这样评价自己对科研事业的追求。从大学生到研究生，从博士到博士后，从岩土力学到桥隧道路工程，从灾害发生机理到检测监控防治，吕祥锋与岩土工程结下了不解之缘，始终在岩土工程应用技术这个圈子里转悠，而且越研究越深入，越研究越透彻。一路走来，这些深厚的专业学术研究积淀犹如持续不断的雨水填满一个湖泊。水满则溢，厚积薄发，这些富能蓄水期待着一个喷涌勃发的发泄口。

    2013年8月，已过而立之年的吕祥锋从中科院力学所博士后学成出站，应聘到北京市政工程研究院工作，开始在市政工程领域奋力寻觅这个“发泄口”。北京市市政工程研究院旗下众多的研究机构和实验室里，其中的建筑工程质量检测中心经常承担一些重大工程的监测任务，监测的结果中常出现一些在建工程中遇到的关于岩土体的疑难杂症。从亟待解决工程实际问题着手，吕祥锋开始专注于北京市城市道路地下管线周围病害的探测与监控方面的应用技术课题研究，多年的科研成果和深厚的功力积淀终于在“‘量画’地下数字北京”这一特殊的工程技术应用高科技领域中找到了成功的“发泄口”。从初期科研经费缺乏的困境中艰难起步，到陆续承接国家自然科学基金项目、国家重点实验室项目、北京市科技计划重点项目、集团创新项目……，围绕在吕祥锋身边的科研队伍也发展壮大，他作为带头人组建了8人团队，在专项科研的道路上坚忍不拔地探索前行，不断取得突破性的科技成果，创建了北京市市政工程研究院岩土工程技术研究中心，业务涵盖了科学研究、科技研发、技术服务三大板块。该中心近年来研发出的数字钻测装置、全景钻孔摄像及静力触探装置等专利技术及基于这些专利技术有机整合研发的国内首台地下土体密实度微探仪等产品及配套技术，已在北京及全国各地的城市道路病害检测及其他相关工程得到广泛的应用和推广，得到了业内的广泛认可和好评。

2017年北京世园会地下综合管廊施工地下土体安全监测作业现场

    成功总是青睐能够抓住机遇和有充分准备的人。吕祥锋认为，在多年来从事岩土工程科研工作的过程中，最难的其实不是科研中受过的各种苦和累，而是对研究项目方向的正确研判和把控。微探仪从最初的概念定型设计，随后的实际工程应用检验，到不断完善更新换代，一步步验证了他最初选定的课题项目研究方向和定位是正确的，是紧贴工程实际需求的。这一课题项目的成功研发与应用，也为今后逐步建立城市道路病害大数据库等应用性课题的进一步拓展研发奠定了坚实的基础。

    国内首台地下土体密实度微探仪问世后，经过近年来的实际工程应用，产品已经历了第一代、第二代性能完善改造，目前已更新到第三代产品。最新一代的微探仪丰富和强化了移动采集、无线传输、智能终端等功能，产品及技术可广泛应用于城市道路塌陷病害探测监控，各类城市地下管线、管廊工程施工质量监测、隧道掘进施工围岩探测监控、铁路桥隧及地下矿井的勘探监测等相关的岩土工程领域，技术应用和推广前景十分宽广。

第三代微探仪道路病害检测作业现场

    （通讯员 虞山）

    注：本文刊载于《市政技术》2017年第5期，第1、2、3页。