学术参考资料 当前位置: 首页>学术参考>学术参考资料

孙钧院士:畅想海上交通运输建设的伟大革命

发布时间:2018-05-15 11:25:11

畅想海上交通运输建设的伟大革命 ——
真空磁浮超高速桥隧工程的前期工作与运行方案探讨

孙     钧

中国科学院资深院士、同济大学资深荣誉教授


真空桥隧管道的概念已早在上世纪 20 年代就在欧洲有人提出过。今天,如按抽取到 1% 真空度的要求,据行家们相告,已经没有任何重大困难;而对真空管道和车厢的密闭处理,据初步探索,经过努力也是可望实现的。这样,一幅“真空磁悬浮超高速列车”的蓝图,似乎已摆在了我们面前。在国家号召创新驱动发展的今天,作为志存高远的桥隧人,面对这样吸引人的美好愿景,我们还能坐得住吗?下文就试着谈谈这方面的一些问题,应该是一件美梦终将成真的未来吧。


 1. 现代交通运输事业的进步,总是伴随着对交通工具“高速度”的执着追求,而却又受其各方面的制约


从普通列车发展到采用高铁,其运行速度由 80 km/h 猛增了 5 倍,可达到 350 ~ 400 km/h;而高速公路上飞驰的汽车,其安全速度也可超过 130~140 km/h。所以,交通运输的进步总是离不开交通工具运行速度的快速提高。但为什么就不能再快、再快些呢?

      问题的主要症结可能在于:速度快了,车辆前方和侧面处于稠密大气层环境中的气动阻力以及轮轨间的摩擦和因轨面不平顺造成的行进阻力也都会随运行速度加快而呈成倍甚或成数倍比例地加大;随之而来的、由此产生的气动和轮轨摩擦噪声也会随运行速度而呈高次方地急骤加剧,这将使乘客们被吵得难以忍受!飞行器降噪已成为当务之急 。


     所以,再高的运行速度将被认为是很不经济合理的。这里,稠密大气是制约最高经济运行速度的主要因素。然而,下文将作试论述的,如能在我国兴建世界首座“真空磁浮超高速列车海上管道(桥梁/隧道)”,则从技术层面上言将可大大突破已困惑人们多年了的上述这一瓶颈要害。

      目前,国内北京九洲动脉隧道技术有限公司正联合中铁隧道勘察设计院、中车南京浦镇车辆厂、中铁宝桥集团、西南交通大学、哈尔滨泰富电机公司等组成联合攻关体,共同进行技术攻关,并得到了社会各界专业人士和权威专家们的鼎力支持,成果有望!

    选择对拟议中的我国某海港旅游城市及其与相邻生态岛屿间的海上线路(全长约 10 km),上述联合体已共同完成了技术可行性报告及项目可行性分析报告,并已通过多领域专家组的技术评审。中铁隧道勘察设计院已编制了该试验线预可行性研究分析报告;西南交通大学磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室对于磁浮与电力驱动方面进行了分析计算,并出具了计算报告。国家磁浮中心及国家发改委综合运输研究所分别出具了相关评估报告并提出了咨询意见。各项前期工作现已全面展开。

2.  浅议建设真空磁悬浮隧道/水中长桥的三个技术关键

2.1 工程兴建
    视建设任务需要,这项工程可以是全部修筑在陆地高架上架设预制管道(试设定每管长约 60 m,并沿其纵向施加预应力),或是建造在深水之下的暗挖隧道或浅水中的水中长桥(immersed /subwater bridge)。由于水浮力的作用,水中桥可望只用很经济、轻巧的排桩做基座,甚或改用悬浮式隧道(floating tunnel)、下面用钢缆将其固定于稳定坚实的海床之上,也可另用打设刚性长桩作固定。



2.2  真空与密封技术

  1)将上述管道内部抽吸成 103 Pa – 104 Pa 左右的低气压准真空状态,以极大程度地减小列车运行中的风动阻力,满足在管道内的胶囊密闭型列车运输系统达到超高速运行的要求。理论上,可望减少 90% 以上的空气阻力,在真空环境下,磁浮列车的运行速度理论上则有望达到 1800-2000 km/h 或以上;可以想像,由于没有了空气介质作声波传播,在真空环境内超速运行的磁悬浮列车,其噪声也会极低。


2)管道和列车的密闭处理
       此处拟另以改用圆形管段型预应力混凝土衬砌结构

       内部处于准真空状态下的管道,如采用盾构掘进的管片,则如何能通过其管片结构(盾构法管片属多缝结构含众多管段接头和纵、环向接缝),的气密性和水密性保证来起到维持持久的密闭空间而不漏气、漏水,是一个以往罕有过的难题。

      如以水下隧道埋置在 50m 水下的情况为例,日后将承受 6.0 个大气压(合 0.6  MPa ,含 0.5  MPa 的静水水压);在管道内部抽取真空的情况下,这样大的深水静水头压力对钢筋砼管片结构及其众多管片接缝和接头应有的密闭性应如何保证?如果内贴一层钢板,尽管密闭问题解决了,但由于管片接头将不再能自由转动而变成了封闭圆环型的刚性衬砌,这对 直径6m 左右管片的力学属性言,其受力和变形性能的不利改变将是不容忽视的。


      就这方面目前国内外已成功研发的多种密封闭性能良好的材料以及水密和气密性都不错的高标号预制砼构件(砼中参加多种密封材料配料剂)而言,均已有许多研究,在材料和工艺方面的采用上其可作比选的方案也比较多。

管段混凝土的抗渗密闭


2.3  磁浮列车技术
       目前具有超高速可能性的磁悬浮技术有低温超导磁悬浮技术、高温超导磁悬浮技术以及永磁(指悬浮模块)被动磁悬浮技术等三种。因超导材料目前还没有大规模应用,而永磁材料容易购得且价格较为低廉,所以现阶段以选用永磁被动式磁悬浮技术为好。它具有无电磁辐射、无需施加主动控制、运行结构性能稳定、运行能耗较低等许多重要优点。现在见到的一般的磁浮列车结构示意,如图 4 所示;而采用在真空环境中运行的胶囊型列车时,如上述的列车外型和车箱外壳都将作必要变更。

       这种被动式磁悬浮列车,在启动和停车前呈低速运行状态时,仍为轮轨支撑;而当达到一定速度以后(≧ 15 km/h),悬浮模块(永磁体)与铝制轨道之间将由于涡流感应、从而产生巨大的向上浮托力,使列车脱轨而起浮。其悬浮高度约为  50 ~ 150mm 。本文限于篇幅,这里也不再赘述了。


3.   其它有待妥慎研究解决的若干问题

      在技术和管理层面上,有如:深海高水头压力下(如超过 5 ~ 7 个大气压以上)衬砌管道的抗受性能,其要求达到的真空密闭性的保证,并应如何安全掌控?其它如,列车连续运行时的严格信号管理与安全监控,以及开通运营后超高速列车的调度和组织管理机制等等,恐怕都相当复杂而又无先例可循。由于笔者不是这方面的行家,此处未能说的明白,只能作为问题留待后续再探讨解决了。


4 .  应关注的其它方面的有关问题

  4.1  本文未及讨论“真空磁浮超高速列车”工程建设的造价和运营费用问题


4.2    这种真空磁浮超高速列车,今后将有望在以下所述的几类铁道线上开通运行,但应限于应用于长于 150~200 公里以上的远程线路才更能显示其优越性。

1)沿线为大中城市间作超高速陆地运输。

2)过江、过海水下隧道或水中长桥或建造水下桥、隧两者相组合的工程。

3)最适宜、且最具优势采用超高速的领域是跨海水下工程


4.3 以下几点,经考虑后再在此作一些说明:
1)不建议采用水下简支式预制桥梁管道

2)高速运行列车,在大气中将产生车外气流压力和车皮温度将有一定程度的升高

3)在突发火情等灾害情况下,一般地并不需要先重新在隧道内恢复供气、而车内人员则匆忙从逃生通道中紧急疏散;因为列车行进速度极快,几分钟后即可安全抵达终点,大多数情况可就在车中安静等待,同时开启车内的泡沫消防栓灭火,即可在达到终点站后再安全撤离。


 5.  对当前如何先启动试验线建设方面的思考

        本文标题上的第一句就说:“超高速是交通运输战线上的一场革命”,干创新就避不开要冒风险。这样,此事就得一步一个脚印踏实地去扎实实现,而决不能希望一蹴而就。该项建设是决然快不得、也是欲速则不达的。


现在想初步选择 2 ~ 3 处海港旅游的热点城市,以开发海岛生态游的名义先行本项目的试验线建设,在地方支持并得到审批后进行试点,所谓“牛刀小试”。

6.   真空磁浮超高速运行——继公路、水运、铁道、航空之后的“第五代交通方式”革命性变革,在实际中尚存在的主要困难和问题:

   6.1  从工程技术层面言
1)“真空超高速磁浮”,虽已有一定的理论依据和技术基础,并已经各有关领域专家评议认可,但目前国内外均尚严重缺乏有关实验论证、特别是现场测试数据,作为立项依据与验证。


2)如何确保超高速运行情况下,真空磁浮列车超高速行进中的动力学稳定性保证,而不“跑偏” 


3)如何保证列车超高速运行时,与之相匹配的电机直线驱动、牵引效率?


4)如何低成本获得准真空和高气密性有确切保证的超长管道(真空由中间竖井分段施行,暂定每隔 50 km 为一个节段)及其在天长日久后的维养管理?


 5)采用高速磁浮列车的长定子直线电机在工程应用中,要求进一步妥善解决好:同步、永磁、超导等关键技术。


 6)偶遇有相当烈度地震,或发生火警、停电、追尾、管道移位、脱轨等诸多突发不测事故中的,建立必要的监管、应急处理措施与对策预案,等等。


6.2  从体制与其它顶层面上言
   1)对此类工程型创新科技,如何在生产建设第一线付之实施的过程,就政策扶持上言尚不够明确具体,主管部门审批的根据还不够清楚;
   2)相关技术单位间及与地方主管部门的合作,尚不能做到完全协调,工程风险评估也未及进行;
   3)拟采用 PPP 投资模式是否可行?其中,由国家投入部分的金融支持,尚不够得力、充份,等等。
    由于受到以上诸客观方面各个因素的制约,试点工程进展上尚不够顺畅,“一路绿灯”,还做不到呀。


真空管道交通的发展,将可引领我国交通运输方式向更快速、更安全、更高效节能方向发展,还能以促进第五代交通产业的发展及其对社会经济的驱动作用,促进我国乃至世界经济向更高速的良性融合和进步。当前,海洋交通中种种固有的局限性,极大地限制了海洋运输向高速运行的进一步发展,如果我国能在世界范围内率先建成一条跨海超高速真空管道式桥隧工程(试验线先行),其意义将尤为重要。抢占世界超高速交通的制高点,引领全球未来的交通革命。