超高速低真空磁浮交通試驗(yàn)基地總平面布置研究

吳 亮，何 勇，魏志斌

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司機(jī)械動(dòng)力設(shè)計(jì)研究院,北京 100055)

引言

超高速低真空磁浮交通的概念在20世紀(jì)70年代被提出[1],該種交通制式的適用速度一般在400～1 000 km/h之間,速度優(yōu)于傳統(tǒng)的高速鐵路,乘坐的便利性方面又優(yōu)于民航客機(jī),而且可以與城市交通互聯(lián)互通[2]。近年來(lái),超高速低真空磁浮交通越來(lái)越被關(guān)注,成為國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者及技術(shù)人員研究的熱點(diǎn),如沈志云[3]、熊嘉陽(yáng)[4]、金茂菁等[5]從宏觀層面論述了超高速低真空磁浮交通系統(tǒng)發(fā)展的必要性、實(shí)現(xiàn)的可能性及面臨的重難點(diǎn)技術(shù);駱陽(yáng)[6]、劉昊蘇[7]、張俊博等[8]從局部層面分析了超高速低真空磁浮交通的真空管道參數(shù)、真空管道形式和列車熱效應(yīng);陳敬文[9]、范俊懷[10]、吳柯江等[11]從運(yùn)營(yíng)層面探討了超高速低真空磁浮交通的疏散救援、安全換乘和故障處置。然而,目前這些研究大多僅停留在理論層面的論述分析,在超高速低真空磁浮交通系統(tǒng)真正落地、達(dá)到商業(yè)載客運(yùn)營(yíng)的條件之前,注定有很長(zhǎng)的路要走。

現(xiàn)階段,國(guó)內(nèi)相關(guān)單位已形成超高速低真空磁浮交通系統(tǒng)總體方案,并完成部分關(guān)鍵系統(tǒng)樣機(jī)的研制,但還需突破軌管耦合動(dòng)力學(xué)、超高速懸浮推進(jìn)一體化等系統(tǒng)耦合方面關(guān)鍵技術(shù)[12]。解決以上問(wèn)題的辦法是通過(guò)修建超高速低真空磁浮交通試驗(yàn)基地,開展綜合演示,反復(fù)進(jìn)行工程驗(yàn)證試驗(yàn)[13],以推動(dòng)超高速低真空磁浮交通工程應(yīng)用突破,提升全系統(tǒng)技術(shù)的成熟度,促進(jìn)科技成果的工程化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程[14]。

超高速低真空磁浮交通試驗(yàn)基地屬于大型建設(shè)工程,投資大、占地多,且在國(guó)內(nèi)外無(wú)相似工程案例可供借鑒參考,因此,如何利用有限的土地資源、結(jié)合市政規(guī)劃和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等各方面要求、充分考慮不同時(shí)期不同階段的試驗(yàn)需求,從而完成總平面的科學(xué)合理布置,已成為試驗(yàn)基地設(shè)計(jì)中的核心問(wèn)題和焦點(diǎn)。

1 工程概況及其功能定位

1.1 工程概況

以山西省大同市陽(yáng)高縣超高速低真空磁浮交通試驗(yàn)基地為例,對(duì)其總平面布置方案進(jìn)行分析研究。

試驗(yàn)基地位于山西省大同市陽(yáng)高縣,整體呈東北—西南走向,主要由主作業(yè)區(qū)、輔助作業(yè)區(qū)、保障設(shè)施區(qū)以及試驗(yàn)線/試車線四部分組成。主作業(yè)區(qū)包含綜合試驗(yàn)中心;輔助作業(yè)區(qū)包含變電站和真空泵站;保障設(shè)施區(qū)包含庫(kù)房、給水所、換熱機(jī)房、污水處理站、堆場(chǎng)、特殊用品庫(kù)房、食宿樓等設(shè)施;試驗(yàn)線/試車線包含真空管線設(shè)施及其他配套設(shè)施。超高速低真空磁浮交通試驗(yàn)基地組成如圖1所示。

圖1 超高速低真空磁浮交通試驗(yàn)基地組成Fig.1 Composition of the ultra high speed low vacuum maglev traffic test base

1.2 功能定位

超高速低真空磁浮交通試驗(yàn)基地總功能定位在“以圍繞實(shí)現(xiàn)低真空條件下全尺寸超導(dǎo)電動(dòng)懸浮驗(yàn)證平臺(tái)速度達(dá)到1 000 km/h的能力為導(dǎo)向,實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)集成演示驗(yàn)證”。根據(jù)試驗(yàn)基地總功能定位,試驗(yàn)基地按照“分步?jīng)Q策、分期建設(shè)”的思路,制定了試驗(yàn)基地初、近、遠(yuǎn)分期建設(shè)的總體規(guī)劃。

(1)初期功能定位

建設(shè)2 km試驗(yàn)線/試車線,實(shí)現(xiàn)不低于130 km/h懸浮推進(jìn)演示驗(yàn)證,完成滑跑動(dòng)力學(xué)和低速段懸浮態(tài)動(dòng)力學(xué),校驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證;系統(tǒng)懸浮態(tài)性能、動(dòng)態(tài)強(qiáng)背場(chǎng)超導(dǎo)磁體綜合性能、雙側(cè)推力同步性能、牽引控制系統(tǒng)與牽引變流器、切換開關(guān)低速下協(xié)調(diào)性能;試驗(yàn)車懸掛參數(shù)性能、支撐輪收放性能、棘輪制動(dòng)性能驗(yàn)證;同時(shí),完成建立長(zhǎng)大密封管道,驗(yàn)證長(zhǎng)大管道真空環(huán)境建立及維持性能驗(yàn)證。

(2)近期功能定位

建設(shè)5 km試驗(yàn)線/試車線,實(shí)現(xiàn)常壓環(huán)境下不低于400 km/h懸浮推進(jìn)演示驗(yàn)證以及低真空環(huán)境下600 km/h高速性能驗(yàn)證,完成超導(dǎo)電動(dòng)懸浮穩(wěn)態(tài)性能、懸浮態(tài)耦合動(dòng)力學(xué)性能、車輛懸掛性能、高精度定位測(cè)速性能以及密閉空間內(nèi)的車地?zé)o線通信性能等主要性能驗(yàn)證[15]。同時(shí),完成單節(jié)試驗(yàn)車動(dòng)態(tài)環(huán)境下結(jié)構(gòu)密封承載性能、結(jié)構(gòu)降噪性能、磁屏蔽性能、客艙內(nèi)供氣調(diào)壓性能驗(yàn)證,以及耦合動(dòng)力學(xué)性能、穩(wěn)定運(yùn)行包絡(luò)性能驗(yàn)證。

(3)遠(yuǎn)期功能定位

建設(shè)15 km試驗(yàn)線/試車線,實(shí)現(xiàn)低真空環(huán)境下不低于1 000 km/h懸浮推進(jìn)演示驗(yàn)證以及三編組試驗(yàn)車正常加減速性能下的穩(wěn)定懸浮性能驗(yàn)證,完成全系統(tǒng)超高速穩(wěn)態(tài)懸浮性能演示驗(yàn)證、多編組車穩(wěn)態(tài)懸浮性能演示驗(yàn)證,進(jìn)一步穩(wěn)固全系統(tǒng)技術(shù)成熟度,支撐后續(xù)運(yùn)營(yíng)示范線建設(shè)。

2 試驗(yàn)基地總平面布置前分析

2.1 布置原則及技術(shù)要求

(1)試驗(yàn)基地設(shè)計(jì)應(yīng)符合城市規(guī)劃要求。

(2)試驗(yàn)基地總平面布置應(yīng)結(jié)合地形、地貌及周圍的條件,以主作業(yè)區(qū)(綜合試驗(yàn)中心)為主體,統(tǒng)籌考慮輔助作業(yè)區(qū)、保障設(shè)施區(qū)、試驗(yàn)線/試車線等設(shè)備設(shè)施的工作性質(zhì)和功能要求,根據(jù)確保安全、有利于開展試驗(yàn)、方便管理的基本原則合理布置,并應(yīng)充分考慮試驗(yàn)基地分期建設(shè)的發(fā)展預(yù)留條件。

(3)試驗(yàn)基地應(yīng)保證與場(chǎng)外有順暢的通道,出入口不少于2處,并應(yīng)考慮新采購(gòu)車輛和大型設(shè)備的進(jìn)出基地條件。

(4)產(chǎn)生噪聲、沖擊振動(dòng)或易燃、易爆的建筑宜單獨(dú)設(shè)置[16]。

2.2 試驗(yàn)流程(圖2)

圖2 試驗(yàn)基地試驗(yàn)流程Fig.2 Test base test process

2.3 試驗(yàn)基地總平面構(gòu)成

2.3.1 房屋布置

試驗(yàn)基地房屋主要包括直接生產(chǎn)房屋、輔助生產(chǎn)房屋及生活辦公房屋[17]。房屋布置要符合生產(chǎn)試驗(yàn)流程,同類房屋宜集中布置,合并建設(shè)。同時(shí)結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)、水文、氣象等自然條件,符合防爆、防火、通風(fēng)、自然采光、防震等需求。試驗(yàn)基地內(nèi)主要廠房配置見表1。

表1 試驗(yàn)基地內(nèi)主要廠房配置Table 1 Configuration of main factory buildings in the test base

(1)綜合試驗(yàn)中心

作為試驗(yàn)基地的生產(chǎn)核心,綜合試驗(yàn)中心由主跨和兩側(cè)邊跨組成。主跨主要為試驗(yàn)車輛提供轉(zhuǎn)運(yùn)、停放、技術(shù)準(zhǔn)備、檢修維護(hù)、組裝拆卸以及聯(lián)合測(cè)試等作業(yè)保障。兩側(cè)邊跨為試驗(yàn)車輛試驗(yàn)過(guò)程中的消耗品提供補(bǔ)給,保障試驗(yàn)測(cè)試及安全提供運(yùn)行狀態(tài)控制、信息狀態(tài)監(jiān)測(cè),同時(shí)為試驗(yàn)測(cè)試人員提供日常辦公用的場(chǎng)所等。

(2)輔助作業(yè)房屋

輔助作業(yè)房屋主要包含變電站和真空泵站。變電站的功能主要為試驗(yàn)測(cè)試時(shí)管線內(nèi)的地面模組設(shè)備及軌旁設(shè)備提供用電保障,同時(shí)也為試驗(yàn)基地內(nèi)各設(shè)施的設(shè)備工作及人員生產(chǎn)、生活提供用電保障;真空泵站的功能主要為試驗(yàn)線上管道從大氣至低氣壓環(huán)境的相互轉(zhuǎn)換提供保障,并實(shí)現(xiàn)對(duì)真空管線上的真空設(shè)備運(yùn)行控制以及技術(shù)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

(3)條件保障房屋

保障設(shè)施房屋主要包含給水所、污水處理站、換熱機(jī)房、庫(kù)房,預(yù)留食宿樓、堆場(chǎng)、特殊用品庫(kù)房用地。保障設(shè)施房屋的功能主要包含:試驗(yàn)基地給水保障、污水處理保障、供暖保障、沿線批量設(shè)備臨時(shí)存放保障、試驗(yàn)人員食宿保障、廢棄設(shè)備存儲(chǔ)保障、氮氧氣瓶等特殊用品存放保障。

2.3.2 試驗(yàn)線布置

試驗(yàn)線也可理解為試車線,是用來(lái)對(duì)經(jīng)過(guò)整備的試驗(yàn)車輛按照既定試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試的線路。試驗(yàn)線/試車線一期工程實(shí)施2 km,遠(yuǎn)期規(guī)劃全長(zhǎng)15 km,所在場(chǎng)地平坦,起點(diǎn)高程1 027.8 m,終點(diǎn)高程1 028.1 m,全線高架。試驗(yàn)線和綜合試驗(yàn)中心銜接,起點(diǎn)高程和試驗(yàn)中心地面高程相同,保證試驗(yàn)車輛安全水平進(jìn)出試驗(yàn)線,避免上下坡帶來(lái)的安全隱患。試驗(yàn)線/試車線斷面如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)線斷面Fig.3 Test line cross section

2.3.3 道路布置

道路布置需使試驗(yàn)基地內(nèi)各房屋之間方便溝通聯(lián)系,由于試驗(yàn)車輛是通過(guò)特種車輛經(jīng)公路運(yùn)輸?shù)骄C合試驗(yàn)中心,所經(jīng)路徑彎道處的彎曲半徑均要滿足不同階段試驗(yàn)車輛及其他大型設(shè)備的需求,同時(shí)還要考慮火災(zāi)等情況下的消防救援。

為方便對(duì)試驗(yàn)線上的真空管線設(shè)施和配套設(shè)備進(jìn)行檢修維護(hù),沿著試驗(yàn)線方向修建一條專用道路,道路一端與試驗(yàn)基地其中一個(gè)出入口相接。

2.3.4 綜合管線布置

脊髓功能改善率間的比較:通過(guò)隨訪得知,實(shí)驗(yàn)組患者治療結(jié)束6個(gè)月后的脊髓功能改善率比對(duì)照組患者高26.32%,治療結(jié)束后1年后比對(duì)照組高44.12%。3.討論

綜合管線合理布置不但對(duì)減少用地、降低工程投資、提高經(jīng)濟(jì)效益具有顯著作用,而且保證試驗(yàn)安全、方便維修[18]。綜合管線布置時(shí)首先要明確各個(gè)管線的間距、深度、坡度和避讓信息等要求[19],然后考慮多采用共溝、共架等布置方式,同時(shí)減少和基地內(nèi)道路的交叉,以方便綜合管線施工和日后維護(hù)[20]。

3 總平面布置方案設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)基地選址

根據(jù)試驗(yàn)線規(guī)劃,試驗(yàn)線分為一期、二期工程,因此,結(jié)合工程實(shí)施次序試驗(yàn)基地選址在試驗(yàn)線起點(diǎn)較為適宜。試驗(yàn)線起點(diǎn)位于大張高鐵陽(yáng)高南站西北側(cè)約1 km處,試驗(yàn)線起點(diǎn)北側(cè)為在建杏韻大道(雙向6車道)、東側(cè)為省道S202、南側(cè)為白登河。結(jié)合試驗(yàn)基地的工藝要求和用地規(guī)劃,一期占地約11.8 hm2,預(yù)留開發(fā)用地約5.89 hm2。

3.2 總平面布置方案Ⅰ

試驗(yàn)基地大致呈西北—東南方向布置,試驗(yàn)線沿此方向平直引入試驗(yàn)基地內(nèi),和綜合試驗(yàn)中心銜接,綜合試驗(yàn)中心根據(jù)不同時(shí)期試驗(yàn)需求進(jìn)行分期建設(shè)。

試驗(yàn)基地內(nèi)生產(chǎn)生活區(qū)域劃分明確,將試驗(yàn)基地東北側(cè)區(qū)域整體作為預(yù)留發(fā)展用地,靈活性充足。通過(guò)西北—東南方向的主干道和若干環(huán)形輔助道路將整個(gè)試驗(yàn)基地劃分為5個(gè)區(qū)域,分別為發(fā)展預(yù)留區(qū)、變電區(qū)、真空泵及特殊用品庫(kù)房(預(yù)留)區(qū)、庫(kù)房及給水供熱區(qū)、綜合試驗(yàn)區(qū),整體骨干道路結(jié)構(gòu)呈 “豐”字形。此外,試驗(yàn)基地設(shè)置有環(huán)形消防車道和兩個(gè)出入口與外界聯(lián)系,其中主出入口銜接市政道路。圍墻內(nèi)用地規(guī)模約為7.5 hm2(初期),總平面布置見圖4。

圖4 超高速低真空磁浮交通系統(tǒng)總平面布置方案ⅠFig.4 General layout plan I of the ultra high speed low vacuum maglev transportation system

3.3 總平面布置方案Ⅱ

受制于試驗(yàn)需求,本方案試驗(yàn)線和綜合試驗(yàn)中心位置關(guān)系同方案Ⅰ,與方案Ⅰ不同處主要如下。

(1)綜合試驗(yàn)中心和試驗(yàn)線往主出入口方向移動(dòng),縱向位置整體位于基地中部,四周分散布置基地內(nèi)房屋。

(2)真空泵區(qū)與變電區(qū)分居試驗(yàn)線兩側(cè),預(yù)留試驗(yàn)食宿樓靠近次出入口。

(3)基地內(nèi)環(huán)形道路按遠(yuǎn)期需求一次性修建,發(fā)展預(yù)留用地較為分散,整體骨干道路結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“由”字形。

圍墻內(nèi)用地規(guī)模約為8.7 hm2(初期),總平面布置見圖5。

圖5 超高速低真空磁浮交通系統(tǒng)總平面布置方案ⅡFig.5 General layout plan Ⅱ of the ultra high speed low vacuum maglev transportation system

3.4 總平面布置方案比選

考慮綜合試驗(yàn)中心和試驗(yàn)線相對(duì)位置關(guān)系不變的情況,與方案Ⅱ相比,方案Ⅰ中試驗(yàn)基地內(nèi)各生產(chǎn)輔助用房相對(duì)集中,便于管理,功能區(qū)域劃分清晰,預(yù)留用地發(fā)展靈活性充足,初期用地規(guī)模和投資節(jié)省,更貼近超高速低真空磁浮交通試驗(yàn)基地的總功能定位。

結(jié)合以上對(duì)兩方案的綜合比較分析,推薦采用方案Ⅰ,推薦方案效果見圖6所示。

圖6 超高速低真空磁浮交通試驗(yàn)基地總平面布置效果圖Fig.6 General layout effect of the ultra high speed low vacuum maglev traffic test base

4 建議與展望

通過(guò)對(duì)大同市陽(yáng)高縣超高速低真空磁浮交通試驗(yàn)基地總平面布置研究,得出現(xiàn)階段設(shè)計(jì)要點(diǎn)和今后的深化研究建議。

(1)超高速低真空磁浮交通試驗(yàn)基地主要服務(wù)對(duì)象為低真空環(huán)境下的低溫超導(dǎo)磁浮列車及配套相關(guān)系統(tǒng),當(dāng)遠(yuǎn)期試驗(yàn)線路較長(zhǎng)時(shí),為增加試驗(yàn)的靈活性,可考慮在試驗(yàn)線的另一端設(shè)置試驗(yàn)列車停留線,并配置相關(guān)試驗(yàn)補(bǔ)給整備設(shè)施,作為試驗(yàn)基地的一部分,納入試驗(yàn)基地統(tǒng)一管理。

(2)超高速低真空磁浮交通試驗(yàn)基地投資巨大,建成以后,為充分提高其利用率,節(jié)約單次試驗(yàn)成本,基地總平面布置宜適當(dāng)考慮服務(wù)對(duì)象的兼容性,針對(duì)不同制式、不同速度等級(jí)的低真空磁浮列車,在局部布置改動(dòng)后,即可具備試驗(yàn)條件。

(3)超高速低真空磁浮交通試驗(yàn)基地建設(shè)的終極目的是為后續(xù)商業(yè)運(yùn)營(yíng)示范線的建設(shè)做鋪墊、找支撐。受現(xiàn)階段研究深度和投資所限,本次研究中試驗(yàn)基地功能不夠全面,有待后續(xù)各項(xiàng)條件成熟后進(jìn)一步研究論證。比如,在設(shè)置雙條試驗(yàn)線、雙條試驗(yàn)線之間設(shè)置中高速道岔、基地圍墻內(nèi)設(shè)置低速道岔和過(guò)渡艙、結(jié)合車輛運(yùn)用和檢修工藝所形成的“咽喉區(qū)”布置等方面,將會(huì)成為超高速低真空磁浮交通試驗(yàn)基地總平面布置下一階段重點(diǎn)研究的內(nèi)容,進(jìn)一步為今后正線和車輛基地的建設(shè)探索出一條科學(xué)可行的途徑,爭(zhēng)取早日建成商業(yè)運(yùn)營(yíng)示范線。