超高速管道磁浮系统通道规划研究

张云娇，王修华，范丁元，程 婕

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055; 2.中国国际工程咨询有限公司,北京 100048)

引言

速度是衡量一个国家交通发展水平和科技创新能力的重要指标之一,交通运输速度的每一次提升,都对人类文明的加速发展发挥了重要作用。近年来,国家大力支持并开展了低真空管(隧)道高速列车等技术和推进超大城市间高速磁悬浮通道布局的相关研究工作, “合理统筹安排低真空管(隧)道磁悬浮交通技术的储备研发”被写进《交通强国建设纲要》[1-2],交通部将“低真空管道超高速磁悬浮交通”列为“十四五”重大研发专项,《国家综合立体交通网规划纲要》[3-4]明确提出要研究推进超大城市间高速磁悬浮通道布局和试验线路建设。超高速管道磁浮系统相关技术已成为国家当前乃至未来很长一段时间的重大科技研究领域和交通新模式研发基础。

目前,我国长三角、粤港澳大湾区等地区拟规划实施600 km/h及以上高速线路。但是,在超高速系统制式的规划方面还有所欠缺,相关研究都在初期。开展超高速管道磁浮系统通道规划研究,目的是明确系统的发展意义和功能定位,提出全国性的通道规划和实施方案,对新型陆路交通系统发展具有重要作用。

1 高速运输系统发展研究

1.1 民航运输

当前,我国民航发展水平不断提高、覆盖范围不断扩大、服务能力稳步提升、枢纽作用日益凸显。2021年12月14日,中国民用航空局,国家发展和改革委员会,交通运输部关于印发《“十四五”民用航空发展规划》在优化国内航线网络布局中提出,要构建以骨干网、基础网为支撑的国内航线网络,扩容京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝世界级机场群枢纽机场之间的主骨干通道,畅通四大世界级机场群、国际航空枢纽、区域航空枢纽之间的次骨干通道,推进快线公交化,打造高频率、高品质的骨干网,巩固航线网络基本盘。

预计未来民航客运需求仍将持续增长[5],主要分布在华东、中南、华北和西南地区,但在国民经济增速放缓和高速铁路网络持续完善的背景下,增速会持续放缓。民航具有受天气影响时效性较弱的自身劣势,加之近年来,随着高铁系统的逐步完善,民航受高铁运营的影响逐步扩大[6-8]。2009年至2019年间,民航旅客吞吐量增幅由原来的20%下降至6.9%(图1),主要影响区段在1 200 km以下航线,以京沪、京广、沪汉蓉3条高铁运营对沿线民航航线实际影响为例,800 km以下航线航班减少了50%～60%。

图1 中国民航旅客吞吐量增长趋势Fig.1 Growth trend of China’s civil aviation passenger throughput

1.2 高铁运输

随着我国高铁的飞速发展,截至2023年年底,我国高铁营业里程达4.5万km,占世界高铁总里程达70%以上。目前,我国高速铁路营业里程不断增长、覆盖水平持续提高,客流增速稳步提升、客运骨干作用凸显,城市群间交流频繁、辐射带动作用明显。2019年,我国高铁运输量为24亿人次,约占铁路运输总量的65%,高铁主要承担中长途和短途运输;其中,全国主要城市群间的旅客运输量约3.0亿人次,约占全国高铁运输总量的12%,客流量最大的通道是长江中游—粤港澳大湾、京津冀—长三角、长江中游—长三角、京津冀—山东半岛,完成运输量约为1.3亿人次,约占城市群间的42%。

我国高铁的发展直接拉动了沿线区域经济社会快速发展,缩短了地域交流,减少了环境污染。但是,由于2016版中长期高速铁路网规划研究范围有限,如今我国高速铁路在通道能力、质量、布局及科技发展等方面已经无法充分满足新时代对高速铁路的新要求,出现了部分通道能力紧张、区段技术标准不一致、城市覆盖不充足、超长距离运输竞争力弱等问题。

1.3 国内外高速磁浮发展概况

目前,美国、欧洲、亚洲等国家均已开展超级高铁的研究和实验线的建设工作[9-11]。其中,日本在2015年建设了42.8 km山梨线常压试验线,试验速度达到603 km/h,日本应庆大学利用山梨线超导电动悬浮技术成果,正在开展时速1 000 km研究。

我国现有中国中车承担研制、具有完全自主知识产权的时速600 km常导电磁高速磁浮交通系统在青岛成功下线;航天科工联合多家单位共同研发超导电动制式低真空磁悬浮系统,设计时速1 000 km的大同(阳高)试验线工程已开工建设;西南交通大学设计时速620 km的高温超导钉扎制式高速磁浮工程化样车及试验线正式启用。近年来,该系统的技术及应用在我国已取得了较好发展[12-14]。

2 系统发展的必要性

2.1 落实交通强国战略,实现超高速管道磁浮技术体系实施的需要

近年来,面对我国在高铁、民航等交通运输领域取得的巨大成就,美国等西方国家竞相在全球范围加紧布局时速1 000 km及以上的“超级高铁”项目,该项目作为一种颠覆性的交通工具,将成为引领世界交通技术发展的标志性抓手[15-16]。美国Hyperloop One、HTT等公司已经针对真空管道交通技术开展了多阶段试验,先后与西班牙、印度、阿联酋等国家地区签订产业合作协议,并于2018年试图落户我国相关地区侵入我国市场。同时,国际铁路联盟也积极推进真空管道交通相关标准制定,意图抢占交通运输领域新的战略制高点。当前,我国应充分发挥在高速铁路、磁浮建设过程中产生的技术积淀,率先在世界范围内建立相关标准和规划,形成新的巨大产业方向,为我国未来一段时间内经济社会发展提供先决条件刻不容缓。

2.2 完善高速陆路交通运输系统谱系,满足人们高质量出行的需要

作为国土面积全球第三的地域大国,我国南北长约5 500 km,东西宽约5 200 km,形成了京津冀、长三角、粤港澳大湾区和成渝地区双城经济圈4个城市群极,各城市群间相距均在1 000 km以上。随着社会的快速发展和人民群众生活水平的不断提升,人们对出行品质的要求越来越高,现有交通工具等效旅行时间(含出发和到达时间)已经难以满足人们的需求[17]。以1 500 km距离为例,门到门等效速度飞机约为350 km/h,且易受到空域管制、天气延误等影响;高铁等效速度约为250 km/h;超高速管道磁浮系统等效速度可以达到600～1 000 km/h,站点设在城市中心,具备与城市交通无缝接驳、天气适应性强、出行更加环保、舒适性和安全性更优等特点,作为陆路交通新成员,是满足人们出行方式多样化、个性化的新选择。

2.3 旨在规划引领发展,加快超高速管道磁浮系统产业落地的需要

超高速管道磁浮属于航空、航天、轨道交通等众多领域融合的多学科复杂系统工程,现阶段已形成系统总体方案,完成部分关键系统样机研制,但还需实际线路运营检验其系统耦合方面关键技术,支撑系统自主化和工程化[18]。最终实现产业化的目标,需采取技术验证和工程应用相结合的研究方法,建设实际线路开展全线路综合运营,实现全尺寸系统实际验证,提升全系统技术成熟度。形成综合研究体系、及线路应用技术体系,为后续全国多线路推广运营奠定技术基础。因此,该系统通道方案的研究对技术研发的突破、实现系统实际运营验证、未来产业落地的可行性具有关键意义。

3 战略研究

3.1 发展定位

客户群体:随着社会经济的快速发展,人们对交通出行的要求更高,包括对旅行速度、时间成本、出行费用、舒适便捷、服务频率、出行安全和智慧高端等高质量出行需求。相比较民航和高铁,超高速磁浮系统具有更高的时效性、舒适性、安全性、便捷性、稳定性等优势,但其票价会随着速度和成本的提升有所增长。因此,超高速磁浮系统面向的客户群体是具有一定经济基础、更注重时间价值的商务群体,以及在个别条件下,对旅行时间有着绝对要求的出行群体。

交通体系:在超长距离运输中相较于民航,超高速磁浮系统具有准点率强、不受天气干扰、接驳便捷、稳定性强等优势,可作为陆路超长距离超高速交通主体网络通道;在中长距离运输中相较于高铁,超高速磁浮系统具有时效性强、服务质量高、舒适性好等优势,可作为陆路长距离高速便捷通道;同时,在中短途运输中可与城际、高铁形成互为补充的格局。

目标市场:超高速磁浮系统鉴于其距离需求分析优势更适用于远距离出行[19]。因此,系统主要适用于我国1 000 km以上的大型国家级城市群间;在区域性中心城市间也可作为快速商务交通补充。未来,在超大型级别及以上城市将对超高速低真空管道磁悬浮系统产生较强依赖,形成超高速内外联通的交通新模式。

3.2 发展战略

根据我国高速磁浮的发展历程和形势挑战,结合超高速低真空管道磁浮系统的需求特征和发展定位,建议超高速低真空管道磁浮系统发展分为四个阶段。

第一阶段:建设工程试验线,完成样机研制,通过实车试跑检验其系统耦合方面关键技术,形成可实际运营的交通系统。

第二阶段:建设中短距离商业示范线,联系城市群内部主要中心城市,通过实际运营从评价制度、技术指标、运输组织及社会经济的影响等全方面进一步完善系统,同时预留延伸条件,作为其所在通道上长距离运输的先行段。

第三阶段:建设长距离快运通道,以国家综合立体交通网主骨架布局为依据,在商业示范线基础上以客流通道主轴线作延伸,基本实现主要城市群间快速通达。

第四阶段:建设超高速交通管道系统,结合国家发展战略、社会经济水平、旅客运输需求建设超高速管道网络,不断打造创新国家综合立体交通网络,全面实现“全国123出行交通圈”。

3.3 规划原则

以人民为中心。着眼于人民出行需求,规划通道空间布局,强化空地资源保障,提升可达性、便捷化服务水平,满足人民美好生活需要,增强人民超高速出行的获得感、幸福感和安全感。

服务国家战略。建立与综合立体交通、国土空间规划、城镇化格局相适应的通道布局,服务国家重大战略实施,支撑社会主义现代化国家建设满足国家经济、政治、社会、文化、国防的需要。

综合统筹协调。统筹民航机场、高铁车站、城市交通枢纽规划布局,超高速磁浮系统与其他交通方式规划建设,构建系统车站功能互补土地资源协同配置、与其他交通方式高效衔接的超现代化高质量交通基础设施体系。

安全智慧高效。持续加强新技术研发与应用,鼓励政策创新、管理创新,不断提升系统设施稳定性、保障系统运营的安全性、提高系统时效的便捷性,充分发挥超高速磁浮系统效能。

绿色经济适用。牢固树立绿色低碳循环发展理念,集约节约利用资源,设施规模稳步推进、经济适用,加强生态环境保护。合理利用土地资源,鼓励站城融合、一体开发、综合利用。

3.4 规划目标

构建覆盖合理、功能完善、优质高效、协同开放的高质量超高速低真空管道磁悬浮系统交通基础设施,全面建设“高效、便捷、智能、安全、绿色、可持续”的未来交通系统,与其他交通方式快速衔接、与区域社会经济发展深度融合。具体目标如下。

系统覆盖。全面覆盖京津冀、长三角、粤港澳大湾区和成渝地区双城经济圈4极;部分覆盖长江中游、山东半岛、海峡西岸、中原地区、哈长、辽中南、北部湾和关中平原8组群。

通达时效。构建城市群间“超级城市群两小时快速通达圈”和“超级城市群一小时经济生活圈”,以及主要城市群内部“区域性中心城市间半小时同城圈”。

服务质量。建设舒适便捷、快速准时、集约高效的现代化综合交通运输系统;系统安全运行达到世界领先水平,系统利用效率得到全面发挥,系统环境污染排放实现“碳中和”,进一步完善综合交通运输系统的迭代更新。

4 规划方案

4.1 网络构建

根据《国家综合立体交通网规划纲要》和国土空间规划,结合未来交通运输发展和空间分布特点,将重点区域按照交通运输需求量级划分为:京津冀、长三角、粤港澳大湾区和成渝地区双城经济圈4个极;长江中游、山东半岛、海峡西岸、中原地区、哈长、辽中南、北部湾和关中平原8个组群,呼包鄂榆、黔中、滇中、山西中部、天山北坡、兰西、宁夏沿黄、拉萨和喀什9个组团。围绕21个地区,从面-点-线三个维度分析系统适宜的目标市场,构建系统应用网络[20]。

4.1.1 面的分析

作为超高速客运交通工具,超高速磁浮的目标市场将集中在人口密集地区和社会经济高水平地区。我国人口分布较为不均衡,且受到地形、地缘、历史等因素影响,人口多分布在胡焕庸线东侧,约占全国人口的93%。2010年至今,人口持续向南方涌入,广东省10年人口增量2 219万人,稳居第一;浙江省以1 046万人的增量成为人口增长的第二名;其他人口增加的省份主要是东部三省的浙江、江苏和山东。从人口密度来看,目前高密度地区全部集中在东南部,人口最密集的以京津冀、长三角、珠三角三大地区为主,其中全国经济中心上海市以3 923人/km2占据第一,其次是北京和天津,见表1。

表1 七普全国各省人口总数统计Tab.1 Total population of each province in the seventh national census

因此,建议超高速管道磁悬浮系统主要分布在我国东部和南部,兼顾西部和北部区域部分人口密集的城市群区域。

4.1.2 点的分析

超高速磁浮系统适用于远距离点对点的出行,其车站将呈现较大间距、在重要枢纽城市集中的分布态势。根据国家综合立体交通网梳理主骨架城市,重点分析我国21个地区的中心城市。目前,21个地区集中了全国61%的人口和73%的社会生产总值。根据第七次人口普查结果显示,人口超过1 000万人的城市为重庆、上海、北京、成都、广州、深圳、天津、西安、苏州、郑州、杭州、武汉、临沂、石家庄、东莞、长沙、济南等;同时,截至2020年年底,21个地区GDP水平超过10 000亿元的大城市有上海、北京、深圳、广州、重庆、苏州、成都、杭州、武汉、南京、天津、青岛、长沙、郑州、济南、合肥、西安、福州等。以上城市中,大部分为21个地区中的“4极”成渝双城经济圈、长三角、京津冀、粤港澳大湾区的中心城市或省会城市,其他为“8组群”长江中游、山东半岛、海峡西岸、中原地区、哈长、辽中南、北部湾和关中平原的中心城市。

因此,建议超高速磁浮系统主要覆盖我国“4极”间中心城市,兼顾部分“8组群”社会经济水平较高的中心城市。

4.1.3 线的分析

我国正形成“以轴串群和以群托轴”的宏观城镇化的格局,21个地区分别处在城镇化主轴线的交点处。规划线路应以国家综合立体交通网为依据,以超高速运输需求在我国的分布特征为基础,在“八纵八横”高速铁路主通道为骨架、区域性高速铁路衔接的高速铁路网的格局上,重点联通主要城市群中心城市,即“4极、8群组”间的主要超大型中心城市,以京津冀、长三角、粵港澳大湾区、成渝地区双城经济圈等重点城市群率先建成快速连接通道,其他城市群间连接线逐步完善。因此,建议超高速磁浮系统应当沿城镇化主轴,形成京津冀、长三角、粵港澳大湾区、成渝地区双城经济圈间超快速陆路连接通道,逐步联通部分“8组群”中心城市。

4.2 通道方案

超级城市群两小时快速通达圈:以“4极”城市群中心城市为核心,在中国版图上打造交通两小时可通达的超级交通圈,南北快速联通京津冀—粤港澳大湾区,东西快速衔接成渝-长三角城市群,构建6条主轴,形成我国“4极”间的全新超快速陆路通道、有力支撑国土空间开发的主线,构建世界一流的交通基础设施系统。

相邻城市群一小时经济生活圈:以主要城市群为节点,构建部分廊道,加强“4极”的敷设作用,充分支撑城市群之间产业的分工与协作,形成中心城市聚集、城市群间互补、城市化地区辐射、整体具备国际竞争优势的国际领先产业集群,支撑中国在国际舞台的战略地位。

区域性中心城市间半小时同城圈:以区域中心城市为核心,在城市群内部打造30 min可通达的超级通勤圈,进一步做大做强区域中心城市,充分发挥区域中心城市的极化带动作用,促进周边城市的发展,形成区域统筹发展的都市圈层。

综上所述,规划形成由京津冀—长三角、京津冀—粤港澳、京津冀—成渝、长三角—粤港澳、长三角—成渝、粤港澳—成渝6条通道组成的“钻石”格局,和京津冀—哈长、大陆桥、长三角—滇中3条通道组成的“放射”格局,具体见图2和表2。

表2 规划通道Tab.2 Planned channel

图2 超高速管道磁浮系统通道规划示意Fig.2 Sketch of ultra-high speed pipeline maglev system channel planning

4.3 建设时序

规划初期选取通道内社会经济、里程范围、运输需求都合适的区段先期建设示范线,形成城市群内中心城市城际骨干效应。

规划近期在示范线基础上延伸建设京津冀、长三角、粤港澳大湾区和成渝商城经济圈4极间的“三纵一横”通道:京沪、京广、沪深港、沪宁蓉超高速低真空管道磁悬浮线,形成“满弓”格局。

远期扩大辐射范围,进一步完善线网。建设4极与哈长、辽中南、中原地区、关中平原等主要组群的“一横三联”通道:京西成、京沈哈、沪郑兰、成渝广超高速低真空管道磁悬浮线,形成“钻石+放射”格局。

5 结论

本文对标民航、高铁两大高速运输系统在我国多年的发展趋势、影响因素和市场特征,分析提出了超高速管道磁浮系统的发展定位和必要性,以及其“四阶段”发展战略、发展原则和发展目标。通过“面、点、线”分析法实施路网构建,提出近期建设京津冀—长三角、京津冀—粤港澳、长三角—粤港澳、长三角—成渝,远期建设京津冀—成渝、粤港澳—成渝、京津冀—哈长、大陆桥、长三角—滇中9条通道组成的“钻石+放射”的通道规划方案,以实现超级城市群两小时快速通达圈、相邻城市群一小时经济生活圈、区域性中心城市间半小时同城圈的规划布局。 通过科学系统的规划,形成的通道布局方案可为我国未来超高速管道磁浮交通系统的发展提供依据和指导。