超高速低真空磁浮交通試驗基地總平面布置研究

吳 亮，何 勇，魏志斌

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司機械動力設計研究院,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,速度優于傳統的高速鐵路,乘坐的便利性方面又優于民航客機,而且可以與城市交通互聯互通[2]。近年來,超高速低真空磁浮交通越來越被關注,成為國內外眾多專家學者及技術人員研究的熱點,如沈志云[3]、熊嘉陽[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發展的必要性、實現的可能性及面臨的重難點技術;駱陽[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、真空管道形式和列車熱效應;陳敬文[9]、范俊懷[10]、吳柯江等[11]從運營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真正落地、達到商業載客運營的條件之前,注定有很長的路要走。

現階段,國內相關單位已形成超高速低真空磁浮交通系統總體方案,并完成部分關鍵系統樣機的研制,但還需突破軌管耦合動力學、超高速懸浮推進一體化等系統耦合方面關鍵技術[12]。解決以上問題的辦法是通過修建超高速低真空磁浮交通試驗基地,開展綜合演示,反復進行工程驗證試驗[13],以推動超高速低真空磁浮交通工程應用突破,提升全系統技術的成熟度,促進科技成果的工程化和產業化進程[14]。

超高速低真空磁浮交通試驗基地屬于大型建設工程,投資大、占地多,且在國內外無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、結合市政規劃和相關標準規范等各方面要求、充分考慮不同時期不同階段的試驗需求,從而完成總平面的科學合理布置,已成為試驗基地設計中的核心問題和焦點。

1 工程概況及其功能定位

1.1 工程概況

以山西省大同市陽高縣超高速低真空磁浮交通試驗基地為例,對其總平面布置方案進行分析研究。

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

圖1 超高速低真空磁浮交通試驗基地組成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基地總功能定位在“以圍繞實現低真空條件下全尺寸超導電動懸浮驗證平臺速度達到1 000 km/h的能力為導向,實現全系統關鍵技術集成演示驗證”。根據試驗基地總功能定位,試驗基地按照“分步決策、分期建設”的思路,制定了試驗基地初、近、遠分期建設的總體規劃。

(1)初期功能定位

建設2 km試驗線/試車線,實現不低于130 km/h懸浮推進演示驗證,完成滑跑動力學和低速段懸浮態動力學,校驗系統動力學模型驗證;系統懸浮態性能、動態強背場超導磁體綜合性能、雙側推力同步性能、牽引控制系統與牽引變流器、切換開關低速下協調性能;試驗車懸掛參數性能、支撐輪收放性能、棘輪制動性能驗證;同時,完成建立長大密封管道,驗證長大管道真空環境建立及維持性能驗證。

(2)近期功能定位

建設5 km試驗線/試車線,實現常壓環境下不低于400 km/h懸浮推進演示驗證以及低真空環境下600 km/h高速性能驗證,完成超導電動懸浮穩態性能、懸浮態耦合動力學性能、車輛懸掛性能、高精度定位測速性能以及密閉空間內的車地無線通信性能等主要性能驗證[15]。同時,完成單節試驗車動態環境下結構密封承載性能、結構降噪性能、磁屏蔽性能、客艙內供氣調壓性能驗證,以及耦合動力學性能、穩定運行包絡性能驗證。

(3)遠期功能定位

建設15 km試驗線/試車線,實現低真空環境下不低于1 000 km/h懸浮推進演示驗證以及三編組試驗車正常加減速性能下的穩定懸浮性能驗證,完成全系統超高速穩態懸浮性能演示驗證、多編組車穩態懸浮性能演示驗證,進一步穩固全系統技術成熟度,支撐后續運營示范線建設。

2 試驗基地總平面布置前分析

2.1 布置原則及技術要求

(1)試驗基地設計應符合城市規劃要求。

(2)試驗基地總平面布置應結合地形、地貌及周圍的條件,以主作業區(綜合試驗中心)為主體,統籌考慮輔助作業區、保障設施區、試驗線/試車線等設備設施的工作性質和功能要求,根據確保安全、有利于開展試驗、方便管理的基本原則合理布置,并應充分考慮試驗基地分期建設的發展預留條件。

(3)試驗基地應保證與場外有順暢的通道,出入口不少于2處,并應考慮新采購車輛和大型設備的進出基地條件。

(4)產生噪聲、沖擊振動或易燃、易爆的建筑宜單獨設置[16]。

2.2 試驗流程(圖2)

圖2 試驗基地試驗流程Fig.2 Test base test process

2.3 試驗基地總平面構成

2.3.1 房屋布置

試驗基地房屋主要包括直接生產房屋、輔助生產房屋及生活辦公房屋[17]。房屋布置要符合生產試驗流程,同類房屋宜集中布置,合并建設。同時結合當地地質、水文、氣象等自然條件,符合防爆、防火、通風、自然采光、防震等需求。試驗基地內主要廠房配置見表1。

表1 試驗基地內主要廠房配置Table 1 Configuration of main factory buildings in the test base

(1)綜合試驗中心

作為試驗基地的生產核心,綜合試驗中心由主跨和兩側邊跨組成。主跨主要為試驗車輛提供轉運、停放、技術準備、檢修維護、組裝拆卸以及聯合測試等作業保障。兩側邊跨為試驗車輛試驗過程中的消耗品提供補給,保障試驗測試及安全提供運行狀態控制、信息狀態監測,同時為試驗測試人員提供日常辦公用的場所等。

(2)輔助作業房屋

輔助作業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測試時管線內的地面模組設備及軌旁設備提供用電保障,同時也為試驗基地內各設施的設備工作及人員生產、生活提供用電保障;真空泵站的功能主要為試驗線上管道從大氣至低氣壓環境的相互轉換提供保障,并實現對真空管線上的真空設備運行控制以及技術狀態的實時監測。

(3)條件保障房屋

保障設施房屋主要包含給水所、污水處理站、換熱機房、庫房,預留食宿樓、堆場、特殊用品庫房用地。保障設施房屋的功能主要包含:試驗基地給水保障、污水處理保障、供暖保障、沿線批量設備臨時存放保障、試驗人員食宿保障、廢棄設備存儲保障、氮氧氣瓶等特殊用品存放保障。

2.3.2 試驗線布置

試驗線也可理解為試車線,是用來對經過整備的試驗車輛按照既定試驗項點進行動態測試的線路。試驗線/試車線一期工程實施2 km,遠期規劃全長15 km,所在場地平坦,起點高程1 027.8 m,終點高程1 028.1 m,全線高架。試驗線和綜合試驗中心銜接,起點高程和試驗中心地面高程相同,保證試驗車輛安全水平進出試驗線,避免上下坡帶來的安全隱患。試驗線/試車線斷面如圖3所示。

圖3 試驗線斷面Fig.3 Test line cross section

2.3.3 道路布置

道路布置需使試驗基地內各房屋之間方便溝通聯系,由于試驗車輛是通過特種車輛經公路運輸到綜合試驗中心,所經路徑彎道處的彎曲半徑均要滿足不同階段試驗車輛及其他大型設備的需求,同時還要考慮火災等情況下的消防救援。

為方便對試驗線上的真空管線設施和配套設備進行檢修維護,沿著試驗線方向修建一條專用道路,道路一端與試驗基地其中一個出入口相接。

2.3.4 綜合管線布置

脊髓功能改善率間的比較:通過隨訪得知,實驗組患者治療結束6個月后的脊髓功能改善率比對照組患者高26.32%,治療結束后1年后比對照組高44.12%。3.討論

綜合管線合理布置不但對減少用地、降低工程投資、提高經濟效益具有顯著作用,而且保證試驗安全、方便維修[18]。綜合管線布置時首先要明確各個管線的間距、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,同時減少和基地內道路的交叉,以方便綜合管線施工和日后維護[20]。

3 總平面布置方案設計

3.1 試驗基地選址

根據試驗線規劃,試驗線分為一期、二期工程,因此,結合工程實施次序試驗基地選址在試驗線起點較為適宜。試驗線起點位于大張高鐵陽高南站西北側約1 km處,試驗線起點北側為在建杏韻大道(雙向6車道)、東側為省道S202、南側為白登河。結合試驗基地的工藝要求和用地規劃,一期占地約11.8 hm2,預留開發用地約5.89 hm2。

3.2 總平面布置方案Ⅰ

試驗基地大致呈西北—東南方向布置,試驗線沿此方向平直引入試驗基地內,和綜合試驗中心銜接,綜合試驗中心根據不同時期試驗需求進行分期建設。

試驗基地內生產生活區域劃分明確,將試驗基地東北側區域整體作為預留發展用地,靈活性充足。通過西北—東南方向的主干道和若干環形輔助道路將整個試驗基地劃分為5個區域,分別為發展預留區、變電區、真空泵及特殊用品庫房(預留)區、庫房及給水供熱區、綜合試驗區,整體骨干道路結構呈 “豐”字形。此外,試驗基地設置有環形消防車道和兩個出入口與外界聯系,其中主出入口銜接市政道路。圍墻內用地規模約為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

受制于試驗需求,本方案試驗線和綜合試驗中心位置關系同方案Ⅰ,與方案Ⅰ不同處主要如下。

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

(2)真空泵區與變電區分居試驗線兩側,預留試驗食宿樓靠近次出入口。

(3)基地內環形道路按遠期需求一次性修建,發展預留用地較為分散,整體骨干道路結構呈現“由”字形。

圍墻內用地規模約為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

考慮綜合試驗中心和試驗線相對位置關系不變的情況,與方案Ⅱ相比,方案Ⅰ中試驗基地內各生產輔助用房相對集中,便于管理,功能區域劃分清晰,預留用地發展靈活性充足,初期用地規模和投資節省,更貼近超高速低真空磁浮交通試驗基地的總功能定位。

結合以上對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

通過對大同市陽高縣超高速低真空磁浮交通試驗基地總平面布置研究,得出現階段設計要點和今后的深化研究建議。

(1)超高速低真空磁浮交通試驗基地主要服務對象為低真空環境下的低溫超導磁浮列車及配套相關系統,當遠期試驗線路較長時,為增加試驗的靈活性,可考慮在試驗線的另一端設置試驗列車停留線,并配置相關試驗補給整備設施,作為試驗基地的一部分,納入試驗基地統一管理。

(2)超高速低真空磁浮交通試驗基地投資巨大,建成以后,為充分提高其利用率,節約單次試驗成本,基地總平面布置宜適當考慮服務對象的兼容性,針對不同制式、不同速度等級的低真空磁浮列車,在局部布置改動后,即可具備試驗條件。

(3)超高速低真空磁浮交通試驗基地建設的終極目的是為后續商業運營示范線的建設做鋪墊、找支撐。受現階段研究深度和投資所限,本次研究中試驗基地功能不夠全面,有待后續各項條件成熟后進一步研究論證。比如,在設置雙條試驗線、雙條試驗線之間設置中高速道岔、基地圍墻內設置低速道岔和過渡艙、結合車輛運用和檢修工藝所形成的“咽喉區”布置等方面,將會成為超高速低真空磁浮交通試驗基地總平面布置下一階段重點研究的內容,進一步為今后正線和車輛基地的建設探索出一條科學可行的途徑,爭取早日建成商業運營示范線。