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探访“超级高铁”背后的故事

2019-05-15 来源:四川新闻网财经频道综合

  一大早,从北京上车,两小时后,下车后到大洋彼岸的伦敦上班,当天晚上还可以再回到北京。有着“科技狂人”之称的美国电动汽车公司艾伦・马斯克告诉你,在不久的将来这个事情一定会实现。其实,早前,西南交通大学就已经开始研究这种低真空管道磁悬浮列车和隧道了,还建成了世界上第一个真空管道磁悬浮列车实验系统。

  如何建设真空管道,采用气动悬浮或者磁悬浮驱动技术,让列车在全天候、无轮轨阻力、低空气阻力和低噪声模式下超高速运行?在地面载人交通工具中,地铁隧道又是如何修建的?近日,记者走进西南交通大学,打探“超级高铁”背后的故事。

  攻破富水砂卵石地层

  破解世界难题

  天天坐地铁上下班,穿梭于城市之间,但却很少有人见过它的 " 真容 "。那么,地铁隧道是怎么修建完成的?地铁列车究竟是怎么制造出来的?

  盾构机是地铁建设中负责隧道掘进的主要机械。成都地铁施工过程中使用的盾构机,究竟遇到过什么困难?又是怎样克服的?至今,西南交通大学土木工程学院教授晏启祥仍记忆犹新。

  “在成都地铁施工过程中使用盾构机,有着难以想象的困难。”晏启祥介绍,成都地铁穿越的地层主要为富水砂卵石地层并夹杂有粉细砂层,地下水位高、补给迅速,在市区全域大范围这种地质结构中使用盾构机,在国内外非常少见,未知的困难非常多。“在2005年启动建设一号线的时候,我们遇到了很多困难,在掘进过程中砂卵石地层对刀盘、刀具、渣土输送系统等部位磨耗严重,换刀频率高,施工效率很低。”晏启祥说,此外,因为地下水位高,渗流导致地层自稳性差,换刀时停机处还容易出现地层坍塌现象。

  “当时,盾构机的刀盘开口较小,用了很多破碎硬岩的刀具,然而这些刀具对付砂卵石这种可挤压移动地层的效果并不好,该破碎的漂石和大卵石没破碎到,反而让很多直径较大、硬度较高的卵石集聚在刀盘前方,不断磨蚀刀具,导致刀具磨损严重,掘进困难。”为了改变这一状况,西南交大联合建设方、设计和施工方进行研究,最终决定增大刀盘的开口率,即让更多的石头直接进入机器内部进行“消化”,而非依靠刀具破碎后进入,这样便减少了刀盘和刀具的磨损。他把这一构造,比喻成了人的牙齿和咽喉,“即让更多的食物通过咽喉进入肠胃,靠自身消化,而非靠牙齿咀嚼。”晏启祥谈道,当前成都的地铁施工已经全面采用了这一盾构选型技术。

  晏启祥介绍,为了破解富水砂卵石地层盾构施工掘进控制不良诱发的地层塌陷世界性难题,他们编制了四川省地方标准《富水砂卵石地层地铁区间隧道盾构法施工管理标准》,总结出了盾构“五个异常状态控制标准”。同时,《成都地铁盾构隧道工程建设关键技术》成果获得了四川省科技进步一等奖,以成都地铁工程建设为主体形成的《富水砂卵石地层盾构高效掘进与结构安全保障技术》成果获得了国家技术发明二等奖。

  低真空管道磁浮

  速度比飞机还快

  地铁、高铁等地面载人交通大大方便了人们的出行,最快速度已经超过400公里/小时。还能否更快?

  高铁在真空状态下运行,科学家称为“后高铁时代”,也就是大众俗称的“超级高铁”。2013年,美国“高铁狂人”马斯克提出要建时速1200公里高铁,让“超级高铁”的认知度从学术界扩展到公众。

  在西南交通大学,一条测试时速可达400公里的真空管道高温超导磁悬浮直道试验线正在建设。采用该技术,列车时速甚至有望突破1000公里。换句话说,中国的“超级高铁”极有可能在这里诞生。

  “磁悬浮列车主要包括控制系统、悬浮系统、车辆系统和土建系统等,我们主要负责的是土建系统里的真空管隧道。” 晏启祥说,低真空管道磁浮不仅要把车悬起来,减少轮轨摩擦力,还要保持隧道处于低真空状态,减少空气阻力。真空度越高,列车的运行速度就能越快。

  空气阻力是制约传统轨道交通提速的最大障碍。如何建造一条与外部空气隔绝的管道,将管内抽为低真空,使磁悬浮列车在低真空中运行,并与地面零接触,使摩擦阻力最大程度消减乃至消失?

  “如何将管内抽为低真空, 降到 0.1个大气压以下非常困难。”他说,现有的隧道结构形式主要是盾构法、矿山法修建的盾构隧道和矿山法隧道,这些结构不经过处理都没办法达到低真空状态。“目前,我们正在研究新的隧道结构,如在隧道中进行管中套管、夹心钢板结构等,希望其能实现需要的气密性,并长期保持低真空状态。”

  他介绍,在西南交大对真空管道磁悬浮列车的展望中,这种低空气阻力,无接触供电、无接触驱动的新型运输方式,瞬时运行速度甚至可高达1千公里每小时。

  真空磁悬浮列车只是列车在低真空环境下运行,而车厢内并非真空的,乘客乘坐这种高速的列车也不会有眩晕等异样的感觉。无噪音、无污染、高时速、低耗能等,都是低真空管道磁悬浮列车的显著优点。

  “研发‘超级高铁’,任重道远,远没有想象的那么简单。这一路虽然很艰辛,好在参与研究人员都希望每一步走扎实。”目前,西南交通大学仍在为我国”超级高铁”的研发继续创新。晏启祥认为,成都在科技成果转化方面走在了全国前列。“西南交大九条等科技成果转化政策的出台,让团队更加增添了做好科研走市场的动力和信心。”

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