国民党军队重点进攻被粉碎后，国民党政府调整了军队序列，第十一战区官邸被撤销，改为保定绥靖公署，指挥部被迁往保定，谢士炎被任命为绥靖公署作战处少将处长，随指挥部调往保定。临行前，谢士炎专门向党组织作了汇报，组织上指示他前往保定，独立作战，非万不得已不得暴露身份。他利用身份在国民党军界高层从事地下情报工作，并被编入北平地下情报系统。在保定绥靖公署，谢士炎一直是该署主任孙连仲智囊团——设计委员会重要成员，出席每次重大军事会议。他利用自己的有利身份，先后化名谢天纵、刘福，同打入敌人内部的其他同志紧密配合，利用电台或亲自送交，为我党我军提供一份又一份极其重要的军事情报，为华北、华东的解放作出了贡献。

就在谢士炎尽心尽力为党做地下工作的时候，1947年9月，发生了“北平谍案”震惊国民党当局。原来，国民党特务机关一直在侦破国统区的中共地下组织和地下电台，并将重点放在北平。一天，国民党发现了一个可疑的电台信号，非常活跃，但是一直不能确定准确位置。军统挨户夜查，在京兆东街24号发现密台，总台全体工作人员被捕，发报工具及未销毁的电报底稿均被查获。李政宣被捕后叛变，供出了我党在华北、东北、西北、华东等地军事情报系统的许多重要线索及地下党组织的秘密，并声称在叶剑英处见过谢士炎。敌特调阅谢士炎曾起草的作战计划，发现与署名“刘福”的电报底稿笔迹相同，由此推断出谢士炎为中共秘密工作人员。谢士炎暴露了，随即被敌特机关逮捕。最初被禁于北京炮局监狱，后被押送南京。同时被捕的还有：保定绥靖公署军法处少将副处长兼河北省政府机要秘书丁行，第十一战区司令部参谋处少校参谋兼作战科科长朱建国，第十一战区司令部二处少校情报参谋石淳，北平空军第二军区司令部上尉情报参谋赵良璋。

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