一种可延伸为应用线的海底真空管道试验线及其实施方法

本发明属于海底真空管道交通研究开发与工程建设技术领域，具体涉及一种可延伸为应用线的海底真空管道试验线及其实施方法。

背景技术：

现有的跨海通道工程主要有跨海大桥、海底隧道、沉管隧道三种形式，技术均较成熟，已经有许多工程应用，如日本青函海底隧道、英法海底隧道，中国港珠澳大桥东、西段跨海大桥和中段沉管隧道。跨海大桥、沉管隧道只适合浅海，其中沉管隧道还要求海底地形平缓，不适应海床起伏较大海域。海底隧道即用钻爆法或盾构法在海床下一定覆盖层以下开挖形成，可以建设在深海区。跨海大桥、海底隧道、沉管隧道的共同应用模式是，供传统铁路列车和汽车通行使用；共同特征是工程量大、施工难度较高、建设成本高，因此众多有迫切需求的跨海通道工程均望而却步，建设推进工作十分缓慢，如中国渤海湾大连-烟台通道、台湾海峡通道、琼州海峡通道等，也使得跨海通道工程向更广阔海域延伸只能是遥远的未来梦想。

海底真空管道交通的基本特征是，在海床上架设管道，管道内抽成一定真空，专用的密封车辆在其中行驶。基于利用低气压环境消除气动阻力的技术原理与交通设计理念创新，封闭环境中降低车辆气动阻力不再仅仅依赖减小阻塞比。虽然建设真空环境会增加费用，但真空环境在一次形成后，只要密封足够良好，真空环境则可长期保持，在真空管道中运行车辆所需克服的气动能耗则可趋近于无限小，换算成当量可比要素后，真空管道交通跟现有铁路、公路交通相比，其能耗则会呈某种数量级意义上的降低。

另一方面，真空管道交通通过降低空气密度减小气动阻力，不再追求以扩大结构断面为代价的小阻塞比，于是，真空管道断面可远小于传统的隧道断面，根据隧道/管道断面直径跟工程建设费用呈指数关系的经验理论，在通过能力相当的前提条件下，真空管道交通的建设成本可大大低于传统隧道。相应地，基于同样的原理，海底真空管道交通的建设成本可大大低于传统跨海大桥、海底隧道和沉管隧道。

因此，海底真空管道交通将是一种有前景的跨海通道新选择。

目前，海底真空管道处于研究开发阶段，尚无现实应用，当务之急是建设工程化试验线。客运交通工具的加速度，如飞机，一般要求不大于0.2g，经过训练的试验人员可承受0.5g加速度，按此推算，40秒可加速到20g，约200m/s，折合720km/h，行驶里程4km。作为试验线，另需要一半里程用于减速。因此，600～1000km/h载人真空管道工程化试验线的合理长度为5～10km。

5km以上的海底真空管道工程化试验线，线路里程较长，工程量较大，成本费用较高，如果仅仅作为一种试验线进行建设与应用，在完成试验任务后，会面临闲置或废弃的结局，造成资源浪费。如果把试验线作为将来应用线路的组成部分进行设计与建设，完成试验任务后，通过延伸转换成应用线，则可节省工程费用，加快工程进度。

中国渤海湾大连-烟台通道最短距离约110km，台湾海峡通道最短距离约128km，琼州海峡通道最短距离约20km，均超过试验线的合理长度。但若能把海底真空管道工程化试验线在上述通道的线路走向上进行建设，完成试验任务后，将其延伸成为应用线，则可最大限度提高资源利用效率，促进上述通道早日建成。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可延伸为应用线的海底真空管道试验线及其实施方法，以加快新型跨海通道工程投入现实应用，同时避免资源浪费。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种可延伸为应用线的海底真空管道试验线，包括依次连通设置的陆地段真空管道、近岸海底埋置段真空管道和海底高架段真空管道，以及用于支撑海底高架段真空管道的海底管墩；

所述的海底高架段真空管道的终端设置有内移除封头和延伸对接头；

所述的陆地段真空管道的首端设置有气闸舱。

本发明还具有以下技术特征：

优选的，所述的气闸舱首端设置有端门、底部设置有轨道，延伸端设置有第一隔离门。

优选的，所述的轨道为高温超导磁悬浮轨道、低温超导磁悬浮轨道、常导电磁悬浮轨道或传统轮轨铁路轨道；

进一步的，所述的气闸舱内的轨道向气闸舱首端无间断延伸到气闸舱外边，向延伸端无间断延伸到陆地段真空管道内部。

优选的，所述的第一隔离门闭合时与轨道气密性啮合。

优选的，所述的近岸海底埋置段真空管道和海底高架段真空管道连接处设置有第二隔离门；

进一步的，所述的第二隔离门下部设置有第一排水阀。

优选的，所述的第二隔离门为可开合隔离门或可移除隔离门。

所述的内移除封头下部设置有第二排水阀。

所述的海底管墩包括底部桩基，桩基顶端设置有与海底高架段真空管道固定安装的承台。

本发明还保护一种如上所述的可延伸为应用线的海底真空管道试验线的实施方法，包括以下步骤：

步骤一：进行试验线选址，线位选择在具有跨海通道建设需求的海域；

步骤二：建设陆地段真空管道、近岸海底埋置段真空管道，同步建设海底管墩；

步骤三：延伸近岸海底埋置段真空管道进入海底水中，在海底管墩上采用注水法架设海底高架段真空管道，直至延伸到试验线设定长度，安装好内移除封头和延伸对接头；

步骤四：真空管道全段施工完毕后，通过第一排水阀和第二排水阀对海底高架段真空管道内进行排水；

步骤五：排水完毕后拆除排水装置，打开或拆除第二隔离门，清理海底高架段真空管道内部；

步骤六：安装轨道、车辆运行监控设备、真空设备；

步骤七：关闭第一隔离门，对海底真空管道试验段全段进行抽真空；

步骤八：进行不载人车辆运行试验，然后进行载人车辆运行试验；

步骤九：经过一定时期的多次试验，各项指标达到设计标准后，对试验线管道进行延伸，直至到达另一端陆地或岛屿上规划的站点位置；

步骤十：对延伸段管道内排水、清理，加装气闸舱、真空泵；

步骤十一：移除内移除封头，对延伸线路安装轨道和车辆运行监控设备；

步骤十二：进行全线路车辆运行试验；

步骤十三：正式开通运营，开行真空管道客运车辆、货运车辆；

步骤十四：根据需要，增建并行第二条海底真空管道，实现车辆双向运行，提升运输能力。

优选的，所述的步骤四中，第一排水阀的排水方法是，在第一排水阀上连接第一排水管道、第一排水泵，把海底高架段管道内的海水从气闸舱端门开口处排出，或采用沿管道内轨道行驶的作业水罐车，先把海水注入作业水罐车，再由作业水罐车通过气闸舱把海水运出；

第二排水阀的排水方法是，在第二排水阀上连接第二排水管道，第二排水管道的出水口固定在停泊在相应位置海面的作业船上，并连接第二排水泵，将海底高架段管道内海水排出。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明的海底真空管道在封闭环境中降低车辆气动阻力不再仅仅依赖减小阻塞比，进一步提升运行速度，且真空管道断面远小于传统的隧道断面，建设成本大大低于传统隧道；

本发明的海底真空管道试验线在完成试验任务后，在需要建设跨海通道的线路走向上进一步延伸，使试验线延伸为应用线，使得试验线完成试验任务后不会闲置、废弃，节省建设成本，加快新型跨海通道工程投入现实应用，提高资源利用率，加快跨海通道工程建设进程。

附图说明

图1是本发明的可延伸为应用线的海底真空管道试验线整体结构示意图；

图2是本发明的可延伸为应用线的海底真空管道试验线施工过程示意图，图中陆地段、近岸海底埋置段、海底管墩已经完成施工；

图3是本发明的可延伸为应用线的海底真空管道试验线施工过程示意图，图中陆地段、近岸海底埋置段、海底管墩已经完成施工，海底高架段正在安装施工过程中；

图4是本发明管道断面图，图中显示管墩、内移除封头及其第二排水阀；

图5是本发明的可延伸为应用线的海底真空管道试验线高架段管道内排水过程示意图；

图6是本发明一种可延伸为应用线的海底真空管道试验线已经延伸为应用线的示意图；

图中各标号的含义为：1-陆地段真空管道，2-近岸海底埋置段真空管道，3-海底高架段真空管道，4-海底管墩，5-内移除封头，6-延伸对接头，7-气闸舱，8-端门，9-轨道，10-第一隔离门，11-第二隔离门，12-第一排水阀，13-第二排水阀，14-第二排水管道，15-出水口，16-第二排水泵，17-法兰，18-车辆，19-作业船，20-第一排水管道，21-第一排水泵；401-桩基，402-承台。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的具体内容做进一步详细解释说明。

如图1-图6所示，本实施例提供一种可延伸为应用线的海底真空管道试验线，包括依次连接设置的陆地段真空管道1、近岸海底埋置段真空管道2和海底高架段真空管道3，以及用于支撑海底高架段真空管道3的海底管墩4；

近岸海底埋置段真空管道2是指海岸线至埋置于地下的真空管道从海底进入海中的入水点之间的管道，此段属于海域范围；

海底高架段真空管道3的终端设置有内移除封头5和延伸对接头6，海底高架段真空管道3是指位于海底且架设在海底管墩4上的真空管道，延伸对接头6可为法兰，或其他便于连接且具有伸缩调节功能的结构。

陆地段真空管道1的首端设置有气闸舱7，陆地段真空管道1位于地下，气闸舱7供试验车辆进入真空管道。

气闸舱7首端设置有端门8、底部设置有轨道9，延伸端设置有第一隔离门10，端门8对气闸舱7跟外界大气环境进行隔离，闭合时，其与轨道9气密性啮合。

轨道9为高温超导磁悬浮轨道、低温超导磁悬浮轨道、常导电磁悬浮轨道或传统轮轨铁路轨道；

气闸舱7内的轨道9向气闸舱7首端无间断延伸到气闸舱7外边，向延伸端无间断延伸到陆地段真空管道1内部，使车辆能够平稳通过。

第一隔离门10闭合时与轨道9气密性啮合，对气闸舱7跟真空管道内真空环境进行隔离。

近岸海底埋置段真空管道2和海底高架段真空管道3连接处设置有第二隔离门11，防止施工过程中海底高架段真空管道3内海水进入近岸海底埋置段真空管道2和陆地段真空管道1内。

第二隔离门11下部设置有第一排水阀12，试验线海底高架段真空管道3施工完毕后排出海底高架段真空管道3内的残留海水。

第二隔离门11为可开合隔离门或可移除隔离门。

内移除封头5下部设置有第二排水阀13，试验线海底高架段真空管道3施工完毕后排出海底高架段真空管道3内的残留海水。

海底管墩4包括底部桩基401，桩基401顶端设置有与海底高架段真空管道3固定安装的承台402，对海底高架段真空管道3提供支撑和定位。

本实施例给出一种可延伸为应用线的海底真空管道试验线的实施方法，包括以下步骤：

步骤一：进行试验线选址，线位选择在具有跨海通道建设需求的海域；

步骤二：建设陆地段真空管道1、近岸海底埋置段真空管道2，同步建设海底管墩4；

陆地段真空管道1、近岸海底埋置段真空管道2采用开挖法施工或顶管法施工，施工过程中管道内无水进入，施工人员可进入管道；

陆地段真空管道1包括气闸舱7，近岸海底埋置段真空管道2最后一节管道内设置第二隔离门11，可以是类似第一隔离门10的可开合隔离门，也可以是类似内移除封头5的可从管道内部拆卸移除的临时隔离门；

步骤三：延伸近岸海底埋置段真空管道2进入海底水中，在海底管墩4上采用注水法架设海底高架段真空管道3，直至延伸到试验线设定长度，安装好内移除封头5和延伸对接头6；

如图3所示，注水法施工，即将两端开口的管段从作业船上下沉到安装位置，通过法兰17对接、紧固，架设安装过程中管道中有海水进入；

步骤四：真空管道全段施工完毕后，通过第一排水阀12和第二排水阀13对海底高架段真空管道3内进行排水，如图4、图5所示；

第一排水阀12的排水方法是，在第一排水阀12上连接第一排水管道20、第一排水泵21，把海底高架段管道3内的海水从气闸舱7端门8开口处排出，或采用沿管道内轨道行驶的作业水罐车，先把海水注入作业水罐车，再由作业水罐车通过气闸舱7把海水运出；

第二排水阀13的排水方法是，在第二排水阀13上连接第二排水管道14，第二排水管道14的出水口15固定在停泊在相应位置海面的作业船19上，并连接第二排水泵16，将海底高架段管道3内海水排出；

步骤五：排水完毕后关闭第二排水阀13拆除排水装置，打开或拆除第二隔离门11，清理海底高架段真空管道3内部；

步骤六：安装轨道、车辆运行监控设备、真空设备；

步骤七：关闭第一隔离门10，对海底真空管道试验段全段进行抽真空；

步骤八：进行不载人车辆18运行试验，然后进行载人车辆运行试验；

步骤九：经过一定时期的多次试验，各项指标达到设计标准后，对试验线管道进行延伸，直至到达另一端陆地或岛屿上规划的站点位置；

步骤十：对延伸段管道内排水、清理，加装气闸舱、真空泵；

步骤十一：移除内移除封头5，对延伸线路安装轨道和车辆运行监控设备；

步骤十二：进行全线路车辆运行试验；

步骤十三：正式开通运营，开行真空管道客运车辆、货运车辆；

步骤十四：根据需要，增建并行第二条海底真空管道，实现车辆双向运行，提升运输能力。