超高速低真空磁浮交通试验基地总平面布置研究

吴 亮，何 勇，魏志斌

(中铁工程设计咨询集团有限公司机械动力设计研究院,北京 100055)

引言

超高速低真空磁浮交通的概念在20世纪70年代被提出[1],该种交通制式的适用速度一般在400～1 000 km/h之间,速度优于传统的高速铁路,乘坐的便利性方面又优于民航客机,而且可以与城市交通互联互通[2]。近年来,超高速低真空磁浮交通越来越被关注,成为国内外众多专家学者及技术人员研究的热点,如沈志云[3]、熊嘉阳[4]、金茂菁等[5]从宏观层面论述了超高速低真空磁浮交通系统发展的必要性、实现的可能性及面临的重难点技术;骆阳[6]、刘昊苏[7]、张俊博等[8]从局部层面分析了超高速低真空磁浮交通的真空管道参数、真空管道形式和列车热效应;陈敬文[9]、范俊怀[10]、吴柯江等[11]从运营层面探讨了超高速低真空磁浮交通的疏散救援、安全换乘和故障处置。然而,目前这些研究大多仅停留在理论层面的论述分析,在超高速低真空磁浮交通系统真正落地、达到商业载客运营的条件之前,注定有很长的路要走。

现阶段,国内相关单位已形成超高速低真空磁浮交通系统总体方案,并完成部分关键系统样机的研制,但还需突破轨管耦合动力学、超高速悬浮推进一体化等系统耦合方面关键技术[12]。解决以上问题的办法是通过修建超高速低真空磁浮交通试验基地,开展综合演示,反复进行工程验证试验[13],以推动超高速低真空磁浮交通工程应用突破,提升全系统技术的成熟度,促进科技成果的工程化和产业化进程[14]。

超高速低真空磁浮交通试验基地属于大型建设工程,投资大、占地多,且在国内外无相似工程案例可供借鉴参考,因此,如何利用有限的土地资源、结合市政规划和相关标准规范等各方面要求、充分考虑不同时期不同阶段的试验需求,从而完成总平面的科学合理布置,已成为试验基地设计中的核心问题和焦点。

1 工程概况及其功能定位

1.1 工程概况

以山西省大同市阳高县超高速低真空磁浮交通试验基地为例,对其总平面布置方案进行分析研究。

试验基地位于山西省大同市阳高县,整体呈东北—西南走向,主要由主作业区、辅助作业区、保障设施区以及试验线/试车线四部分组成。主作业区包含综合试验中心;辅助作业区包含变电站和真空泵站;保障设施区包含库房、给水所、换热机房、污水处理站、堆场、特殊用品库房、食宿楼等设施;试验线/试车线包含真空管线设施及其他配套设施。超高速低真空磁浮交通试验基地组成如图1所示。

图1 超高速低真空磁浮交通试验基地组成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试验基地总功能定位在“以围绕实现低真空条件下全尺寸超导电动悬浮验证平台速度达到1 000 km/h的能力为导向,实现全系统关键技术集成演示验证”。根据试验基地总功能定位,试验基地按照“分步决策、分期建设”的思路,制定了试验基地初、近、远分期建设的总体规划。

(1)初期功能定位

建设2 km试验线/试车线,实现不低于130 km/h悬浮推进演示验证,完成滑跑动力学和低速段悬浮态动力学,校验系统动力学模型验证;系统悬浮态性能、动态强背场超导磁体综合性能、双侧推力同步性能、牵引控制系统与牵引变流器、切换开关低速下协调性能;试验车悬挂参数性能、支撑轮收放性能、棘轮制动性能验证;同时,完成建立长大密封管道,验证长大管道真空环境建立及维持性能验证。

(2)近期功能定位

建设5 km试验线/试车线,实现常压环境下不低于400 km/h悬浮推进演示验证以及低真空环境下600 km/h高速性能验证,完成超导电动悬浮稳态性能、悬浮态耦合动力学性能、车辆悬挂性能、高精度定位测速性能以及密闭空间内的车地无线通信性能等主要性能验证[15]。同时,完成单节试验车动态环境下结构密封承载性能、结构降噪性能、磁屏蔽性能、客舱内供气调压性能验证,以及耦合动力学性能、稳定运行包络性能验证。

(3)远期功能定位

建设15 km试验线/试车线,实现低真空环境下不低于1 000 km/h悬浮推进演示验证以及三编组试验车正常加减速性能下的稳定悬浮性能验证,完成全系统超高速稳态悬浮性能演示验证、多编组车稳态悬浮性能演示验证,进一步稳固全系统技术成熟度,支撑后续运营示范线建设。

2 试验基地总平面布置前分析

2.1 布置原则及技术要求

(1)试验基地设计应符合城市规划要求。

(2)试验基地总平面布置应结合地形、地貌及周围的条件,以主作业区(综合试验中心)为主体,统筹考虑辅助作业区、保障设施区、试验线/试车线等设备设施的工作性质和功能要求,根据确保安全、有利于开展试验、方便管理的基本原则合理布置,并应充分考虑试验基地分期建设的发展预留条件。

(3)试验基地应保证与场外有顺畅的通道,出入口不少于2处,并应考虑新采购车辆和大型设备的进出基地条件。

(4)产生噪声、冲击振动或易燃、易爆的建筑宜单独设置[16]。

2.2 试验流程(图2)

图2 试验基地试验流程Fig.2 Test base test process

2.3 试验基地总平面构成

2.3.1 房屋布置

试验基地房屋主要包括直接生产房屋、辅助生产房屋及生活办公房屋[17]。房屋布置要符合生产试验流程,同类房屋宜集中布置,合并建设。同时结合当地地质、水文、气象等自然条件,符合防爆、防火、通风、自然采光、防震等需求。试验基地内主要厂房配置见表1。

表1 试验基地内主要厂房配置Table 1 Configuration of main factory buildings in the test base

(1)综合试验中心

作为试验基地的生产核心,综合试验中心由主跨和两侧边跨组成。主跨主要为试验车辆提供转运、停放、技术准备、检修维护、组装拆卸以及联合测试等作业保障。两侧边跨为试验车辆试验过程中的消耗品提供补给,保障试验测试及安全提供运行状态控制、信息状态监测,同时为试验测试人员提供日常办公用的场所等。

(2)辅助作业房屋

辅助作业房屋主要包含变电站和真空泵站。变电站的功能主要为试验测试时管线内的地面模组设备及轨旁设备提供用电保障,同时也为试验基地内各设施的设备工作及人员生产、生活提供用电保障;真空泵站的功能主要为试验线上管道从大气至低气压环境的相互转换提供保障,并实现对真空管线上的真空设备运行控制以及技术状态的实时监测。

(3)条件保障房屋

保障设施房屋主要包含给水所、污水处理站、换热机房、库房,预留食宿楼、堆场、特殊用品库房用地。保障设施房屋的功能主要包含:试验基地给水保障、污水处理保障、供暖保障、沿线批量设备临时存放保障、试验人员食宿保障、废弃设备存储保障、氮氧气瓶等特殊用品存放保障。

2.3.2 试验线布置

试验线也可理解为试车线,是用来对经过整备的试验车辆按照既定试验项点进行动态测试的线路。试验线/试车线一期工程实施2 km,远期规划全长15 km,所在场地平坦,起点高程1 027.8 m,终点高程1 028.1 m,全线高架。试验线和综合试验中心衔接,起点高程和试验中心地面高程相同,保证试验车辆安全水平进出试验线,避免上下坡带来的安全隐患。试验线/试车线断面如图3所示。

图3 试验线断面Fig.3 Test line cross section

2.3.3 道路布置

道路布置需使试验基地内各房屋之间方便沟通联系,由于试验车辆是通过特种车辆经公路运输到综合试验中心,所经路径弯道处的弯曲半径均要满足不同阶段试验车辆及其他大型设备的需求,同时还要考虑火灾等情况下的消防救援。

为方便对试验线上的真空管线设施和配套设备进行检修维护,沿着试验线方向修建一条专用道路,道路一端与试验基地其中一个出入口相接。

2.3.4 综合管线布置

脊髓功能改善率间的比较:通过随访得知,实验组患者治疗结束6个月后的脊髓功能改善率比对照组患者高26.32%,治疗结束后1年后比对照组高44.12%。3.讨论

综合管线合理布置不但对减少用地、降低工程投资、提高经济效益具有显著作用,而且保证试验安全、方便维修[18]。综合管线布置时首先要明确各个管线的间距、深度、坡度和避让信息等要求[19],然后考虑多采用共沟、共架等布置方式,同时减少和基地内道路的交叉,以方便综合管线施工和日后维护[20]。

3 总平面布置方案设计

3.1 试验基地选址

根据试验线规划,试验线分为一期、二期工程,因此,结合工程实施次序试验基地选址在试验线起点较为适宜。试验线起点位于大张高铁阳高南站西北侧约1 km处,试验线起点北侧为在建杏韵大道(双向6车道)、东侧为省道S202、南侧为白登河。结合试验基地的工艺要求和用地规划,一期占地约11.8 hm2,预留开发用地约5.89 hm2。

3.2 总平面布置方案Ⅰ

试验基地大致呈西北—东南方向布置,试验线沿此方向平直引入试验基地内,和综合试验中心衔接,综合试验中心根据不同时期试验需求进行分期建设。

试验基地内生产生活区域划分明确,将试验基地东北侧区域整体作为预留发展用地,灵活性充足。通过西北—东南方向的主干道和若干环形辅助道路将整个试验基地划分为5个区域,分别为发展预留区、变电区、真空泵及特殊用品库房(预留)区、库房及给水供热区、综合试验区,整体骨干道路结构呈 “丰”字形。此外,试验基地设置有环形消防车道和两个出入口与外界联系,其中主出入口衔接市政道路。围墙内用地规模约为7.5 hm2(初期),总平面布置见图4。

图4 超高速低真空磁浮交通系统总平面布置方案ⅠFig.4 General layout plan I of the ultra high speed low vacuum maglev transportation system

3.3 总平面布置方案Ⅱ

受制于试验需求,本方案试验线和综合试验中心位置关系同方案Ⅰ,与方案Ⅰ不同处主要如下。

(1)综合试验中心和试验线往主出入口方向移动,纵向位置整体位于基地中部,四周分散布置基地内房屋。

(2)真空泵区与变电区分居试验线两侧,预留试验食宿楼靠近次出入口。

(3)基地内环形道路按远期需求一次性修建,发展预留用地较为分散,整体骨干道路结构呈现“由”字形。

围墙内用地规模约为8.7 hm2(初期),总平面布置见图5。

图5 超高速低真空磁浮交通系统总平面布置方案ⅡFig.5 General layout plan Ⅱ of the ultra high speed low vacuum maglev transportation system

3.4 总平面布置方案比选

考虑综合试验中心和试验线相对位置关系不变的情况,与方案Ⅱ相比,方案Ⅰ中试验基地内各生产辅助用房相对集中,便于管理,功能区域划分清晰,预留用地发展灵活性充足,初期用地规模和投资节省,更贴近超高速低真空磁浮交通试验基地的总功能定位。

结合以上对两方案的综合比较分析,推荐采用方案Ⅰ,推荐方案效果见图6所示。

图6 超高速低真空磁浮交通试验基地总平面布置效果图Fig.6 General layout effect of the ultra high speed low vacuum maglev traffic test base

4 建议与展望

通过对大同市阳高县超高速低真空磁浮交通试验基地总平面布置研究,得出现阶段设计要点和今后的深化研究建议。

(1)超高速低真空磁浮交通试验基地主要服务对象为低真空环境下的低温超导磁浮列车及配套相关系统,当远期试验线路较长时,为增加试验的灵活性,可考虑在试验线的另一端设置试验列车停留线,并配置相关试验补给整备设施,作为试验基地的一部分,纳入试验基地统一管理。

(2)超高速低真空磁浮交通试验基地投资巨大,建成以后,为充分提高其利用率,节约单次试验成本,基地总平面布置宜适当考虑服务对象的兼容性,针对不同制式、不同速度等级的低真空磁浮列车,在局部布置改动后,即可具备试验条件。

(3)超高速低真空磁浮交通试验基地建设的终极目的是为后续商业运营示范线的建设做铺垫、找支撑。受现阶段研究深度和投资所限,本次研究中试验基地功能不够全面,有待后续各项条件成熟后进一步研究论证。比如,在设置双条试验线、双条试验线之间设置中高速道岔、基地围墙内设置低速道岔和过渡舱、结合车辆运用和检修工艺所形成的“咽喉区”布置等方面,将会成为超高速低真空磁浮交通试验基地总平面布置下一阶段重点研究的内容,进一步为今后正线和车辆基地的建设探索出一条科学可行的途径,争取早日建成商业运营示范线。