湛海高鐵旅客車船轉(zhuǎn)運方案研究

劉勝， 楊理棟， 向紅艷， 喻濤

(1.中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 北京 102600； 2.重慶交通大學(xué)交通運輸學(xué)院， 重慶 400074；3.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院， 重慶 400074)

湛海高鐵工程建設(shè)已經(jīng)提上日程，其中瓊州海峽的跨海工程是該工程建設(shè)的關(guān)鍵之一。自20世紀(jì)90年代起，國家相關(guān)部門針對隧道、橋梁、火車輪渡3個方案開展了深入研究。橋梁方案涉及巨額造價，且橋梁工程建設(shè)區(qū)域臺風(fēng)多、水深大、地質(zhì)條件差以及橋梁應(yīng)對戰(zhàn)爭能力差等[1]。隧道方案時效性最好，但存在高水壓、高地震烈度、長距離施工、深水超長隧道通風(fēng)、防災(zāi)等技術(shù)難題，以及高達(dá)700億元的巨額造價問題[2]。高鐵輪渡方案總跨海需要2.5 h，顯然與高鐵無法相匹配[3]。因此，鑒于橋隧方案需要巨額投資不夠經(jīng)濟(jì)，以及高鐵輪渡方案時效性差等現(xiàn)有技術(shù)缺陷，至今高鐵跨海工程尚無實質(zhì)性進(jìn)展。

高鐵旅客車船轉(zhuǎn)運方案需要一種與之相匹配的旅客水鐵換乘的綜合交通樞紐方案。綜合交通樞紐相對于各站點的獨立具有明顯的優(yōu)勢，如綜合客運交通系統(tǒng)呈現(xiàn)明顯的自組織特性[4]；綜合化的綜合交通樞紐可節(jié)省土地資源，提高城市的公共交通服務(wù)水平[5]，綜合樞紐的土地集約利用水平在區(qū)域內(nèi)具有突出優(yōu)勢[6]。Mokhtar等[7]結(jié)合公路、鐵路、水運3種運輸方式，設(shè)計了集裝箱分配的多式聯(lián)運港口選址模型。Sadat等[8]研究認(rèn)為諸多不確定因素可能導(dǎo)致多式聯(lián)運港站選址和運輸路徑發(fā)生變化，對港站中斷等動態(tài)條件下的選址和路徑優(yōu)化進(jìn)行了探討。李曉培[9]、武永貴[10]、侯耀文[11]對中外水鐵聯(lián)運現(xiàn)狀進(jìn)行了匯總分析，相關(guān)研究多體現(xiàn)在貨物的水鐵聯(lián)運，關(guān)于旅客水鐵換乘的綜合交通樞紐鮮見報道。

文獻(xiàn)[3]提出了一種新的高鐵旅客跨海方案，主要包括車船轉(zhuǎn)運方案、轉(zhuǎn)運客船選型、惡劣天氣對跨海轉(zhuǎn)運方案的影響，并與橋隧等其他跨海方案進(jìn)行了對比分析。但未對湛海高鐵兩端高鐵港口綜合站的選址、車船接駁、乘客轉(zhuǎn)乘的舒適性、跨海總用時、經(jīng)濟(jì)效益等進(jìn)行詳盡的分析。

為解決現(xiàn)有橋隧方案需要巨額投資不夠經(jīng)濟(jì)，以及高鐵輪渡方案時效性差等現(xiàn)有技術(shù)缺陷問題，提出湛海高鐵旅客車船轉(zhuǎn)運方案，主要針對車船轉(zhuǎn)運方案的港址選擇、總體設(shè)計思路、車船接駁運營分析、車船轉(zhuǎn)乘行人流仿真分析、跨海總用時分析、經(jīng)濟(jì)效益、遠(yuǎn)期可逆性等進(jìn)行分析，論證該方案的技術(shù)可行性、時效性與經(jīng)濟(jì)可行性。研究成果為類似工程提供了理論依據(jù)。

1 車船轉(zhuǎn)運方案

1.1 港址選擇

如圖1所示，根據(jù)高鐵線路，瓊州海峽跨海擬選線路共有4條，自西向東編號1、2、3、4。其中2、3條線路最短，約18 km，目前3號線路兩端已經(jīng)由地方企業(yè)建成輪渡港，而2號線路兩端為粵海鐵路南、北港，屬于鐵路系統(tǒng)，便于實施高效的鐵水聯(lián)運。2號線路也是湛海高鐵推薦的實施線路，因此高速客船航線選擇2號線，港址選擇粵海鐵南、北港。

圖1 瓊州海峽跨海線路比選

擬規(guī)劃高速客船航線位于粵海鐵輪渡航跡線東側(cè)，設(shè)計雙向航道，按目前規(guī)范計算航道寬度為200 m。瓊州海峽實行定線制航行，具備較完善的船舶交通服務(wù)(vessel traffic service，VTS)系統(tǒng)，且可通過利用5G通信的技術(shù)，船舶增設(shè)可視系統(tǒng)、兩岸設(shè)置區(qū)域云端服務(wù)器，使兩岸監(jiān)控船舶的航行狀態(tài)，能夠保證航行安全。

1.2 車船轉(zhuǎn)運總體設(shè)計思路

整個跨海行程，需要打破行業(yè)壁壘，進(jìn)行統(tǒng)一經(jīng)營管理。研究提出動車和船采用一票制的設(shè)計原則，免去再次檢票、安檢等環(huán)節(jié)[3]；采用空車登船、空船等車的調(diào)度設(shè)計原則，以節(jié)省轉(zhuǎn)乘乘客等待的時間。研發(fā)的“一種鐵路與客船直接轉(zhuǎn)運的系統(tǒng)(專利號：ZL201611027669.5)[12]”，提出將高鐵站與客運港合二為一建設(shè)成高鐵港口綜合站，實現(xiàn)碼頭與站臺功能的統(tǒng)一。

如圖2所示，旅客在高鐵港口綜合站進(jìn)行車船換乘，動車進(jìn)入高鐵綜合站后，乘客下車直接上客船；客船轉(zhuǎn)載乘客水上航行渡過瓊州海峽，當(dāng)客船到達(dá)對岸的高鐵港口綜合站后，乘客下船直接換乘動車。以湛江或海口為目的地的旅客，可以經(jīng)樓梯去候車廳憑票出站，再經(jīng)市內(nèi)交通去往目的地。以湛江、海口始發(fā)的乘客，提前進(jìn)站候車并提前上車/船，不占用轉(zhuǎn)乘旅客在站臺轉(zhuǎn)乘的空間和時間。

圖2 車船轉(zhuǎn)運總體設(shè)計流程圖

1.3 車船接駁運營分析

考慮高鐵近期按每天40對開行、最高時段每小時開行8對動車的需求，高鐵港口綜合站設(shè)計為雙凸堤4股道、8個換乘泊位的布置形式(圖3)，單突堤長450 m，寬45 m，布置2股道雙站臺、4個換乘泊位。

圖3 南、北港綜合站平面布置圖

按動車啟動用時2 min、停車用時2 min，客船進(jìn)港、出港各用時5 min，海峽段正常航行用時20 min、乘客下車上船用時15 min、下船上車用時10 min進(jìn)行保守設(shè)計考慮，以完成單次整個轉(zhuǎn)運過海為1 h排布的高峰小時接駁運營圖(圖4)，能夠滿足每小時開行8對動車的需求。

圖4 高峰小時車船接駁運營圖

依據(jù)高峰小時接駁運營圖，以及第3節(jié)中船舶相關(guān)運行的參數(shù)，采用Flexsim進(jìn)行車船接駁運營仿真，車船接駁運行通暢。圖5為車船接駁運營仿真截圖。

圖5 車船接駁運營仿真

通過高峰小時車船接駁運營圖以及車船接駁運營仿真分析，4股道、8個換乘泊位，配備10艘高速客船，可以實現(xiàn)空車登船、空船等車的總體設(shè)計思路，滿足高峰時段車船接駁需求。

2 乘客換乘人流仿真分析

文獻(xiàn)[3]采用同臺換乘的設(shè)計方案，無需再次檢票和安檢，通過《城市道路工程設(shè)計規(guī)范(CJJ37—2012)》二級服務(wù)水平進(jìn)行計算，并調(diào)研北京南站、天津站乘客數(shù)據(jù)，得出5 min內(nèi)可以實現(xiàn)乘客完成車船換乘。采用Mass Motion仿真軟件，對文獻(xiàn)[3]中同臺換乘方案進(jìn)行行人流仿真分析。

2.1 換乘用時分析

圖6為換乘開始、換乘高峰、換乘結(jié)尾時的站臺人流仿真分析狀態(tài)。

圖6 換乘站臺人流仿真分析狀態(tài)

仿真分析行人數(shù)量隨時間變化如圖7所示，站臺行人數(shù)量從車門打開逐漸上升，1.5 min時達(dá)到峰值，隨著乘客入艙而逐漸下降，4.2 min乘客基本完成換乘，4.6 min所有乘客完成換乘。

圖7 行人數(shù)量隨時間變化

現(xiàn)場統(tǒng)計北京南站50次動車乘客下車至出站通道樓梯口下(相當(dāng)于進(jìn)入船艙)、及從出站閘機(jī)(相當(dāng)于船舶艙口)至上車數(shù)據(jù)，略去個別乘客，用時在265～288 s[3]。所調(diào)研乘客是沒有換乘任務(wù)的，有換乘任務(wù)的乘客換乘速度應(yīng)會更快些。因此，仿真分析與文獻(xiàn)[3]通過調(diào)研的結(jié)果基本相符。

2.2 換乘行人密度分析

圖8(a)為平均行人密度云圖，站臺平均行人密度服務(wù)等級為A級；圖8(b)為最大行人密度云圖，即使行人密度達(dá)到最大的時刻，大部分區(qū)域服務(wù)等級仍為C級以下，換乘環(huán)境良好；圖8(c)為高鐵港口綜合站站臺仿真行人密度云圖圖例。

圖8 行人密度云圖

Mass Motion行人流仿真分析結(jié)果：換乘時站臺行人數(shù)量從車門打開逐漸上升，1.5 min時達(dá)到峰值，隨著乘客入艙而逐漸下降，4.2 min所有乘客完成換乘；站臺平均行人密度服務(wù)等級為A級，即使行人密度達(dá)到最大的時刻，大部分區(qū)域服務(wù)等級仍為C級以下，具有良好的行人密度服務(wù)等級。

3 車船轉(zhuǎn)運方案跨海總用時分析

以文獻(xiàn)[3]客船選型為例，標(biāo)準(zhǔn)客位650人、總長68 m、運行航速40 kn的穿浪型高速雙體船。

3.1 靠、離泊用時

調(diào)研九州港、蛇口港高速客船靠泊系纜、脫纜離泊用時分別為3 min(含船舶回旋)、2 min，港區(qū)采用的是普通系纜方式，所研發(fā)的“一種快速脫纜、萬向活動登船接口設(shè)備(專利號：ZL201611012706.5)[13]”可以使高速客船快速靠泊系纜、以及快速脫纜作業(yè)，時間會更短。為提高用時可靠度，計算仍參照所調(diào)研的結(jié)果，靠、離泊總用時取5 min。

3.2 兩端船舶加、減速段用時

普通貨船的經(jīng)驗公式為[14]

t≈0.004Wv/R

(1)

s≈0.101Wv2/R

(2)

式中:v為最終定常速度；W為船舶實際排水量；t、s、R分別為船舶達(dá)到定常速度所用的時間、船舶運行距離、船舶阻力。

根據(jù)經(jīng)驗，滿載的貨船航進(jìn)距離s≈20L，輕載時約為滿載的1/2～2/3，通過完成啟動變速所需時間t和航進(jìn)路徑s的關(guān)系，以一般空載貨船航進(jìn)路徑s為10L進(jìn)行計算，加速用時為1.5 min；減速航進(jìn)路徑s為5L，用時為0.35 min，其中L為船長。

實際所選高速客船船型動力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于一般的空載船舶。根據(jù)調(diào)研實測深圳、珠海等地高速客船(300客位、30 kn高速雙體船)，引擎全開離泊后加速段用時約40 s。雖然調(diào)研船舶體量小于研究船型，但研究船型航速為40 kn，加速等操作性顯著能優(yōu)于調(diào)研船型，因此加速段用時取2 min是有保障的。

3.3 正常航行過海用時

南、北港直線距離18 km，航線距離總長約21 km，減去約1 km的加減速段距離，考慮船舶航行中一定的失速，航速度按運營航速40 kn的85%進(jìn)行計算，則過海航行用時為19 min。

3.4 湛海高鐵旅客車船轉(zhuǎn)運方案總用時

整個湛海高鐵旅客車船轉(zhuǎn)運過程，包括高速船系、離泊作業(yè)用時5 min，兩端加、減速用時2 min，正常航行用時19 min，旅客2次轉(zhuǎn)乘平臺的同臺換乘時間共取10 min，共計總用時為36 min。取時間富裕系數(shù)為1.25，則車船轉(zhuǎn)運方案設(shè)計用時可取45 min。

用時比橋/隧跨海方案的跨海用時20 min略長，但明顯優(yōu)于目前湛海鐵路總過海用時2.5 h的火車輪渡方案[3]。

4 其他分析

4.1 技術(shù)難度

方案中高鐵港口綜合站，建設(shè)在良好掩護(hù)的粵海鐵南、北港內(nèi)，船舶吃水較小，港工部分施工技術(shù)難度小，研發(fā)的“一種快速脫纜、萬向活動登船接口設(shè)備(專利號：ZL201611012706.5)[13]”與“一種用于港口客船的快速登船系統(tǒng)(專利號：ZL201621234643.3)[15]”機(jī)械工藝加工難度較小，上部綜合站臺的建筑部分相比其他高鐵站難度相當(dāng)，因此本工程技術(shù)難度較小，就現(xiàn)有施工能力，最快在1年內(nèi)即可完成高鐵港口綜合站的工程建設(shè)。

4.2 工程投資估算

經(jīng)調(diào)研，高速雙體船的船價一般按每載客客位6.5×104～9.8×104元來估算，航速低者可取低值，航速高者要取高值。經(jīng)與相關(guān)廠家溝通，一次性訂購10艘所選船型的購置價約為6 000萬元/艘。

為滿足開行40對的需求，本文方案需要海南段現(xiàn)有開行動車向港口綜合站進(jìn)行車站調(diào)整。暫按采購5列8輛編組動車，可補(bǔ)充滿足日新增20對開行列車，按1.6億元每列動車計，需要8億元。高速客船采購按6億元估算，兩側(cè)高鐵港口綜合站按16億元估算，則本方案工程投資僅為30億元。投資遠(yuǎn)小于700億的隧道方案與千億級別的橋梁方案。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

目前，瓊州海峽現(xiàn)行的客滾船普艙票價為42元。對中國運行的高速客船船票價格，進(jìn)行統(tǒng)計整理，如表1所示，航速越高每千米船票價格越貴，與本文方案所選航速相近的海峽號，高等船票為6.9元/km，豪華船票為10.4元/km。因此，本方案航程21 km，票價可定為135元/標(biāo)準(zhǔn)客位。

表1 船票價格對照表

按半年滿載開行、半年淡季50%客座率、按360 d年運行天數(shù)計算，每年船票的收入為18.9億元，運營成本按2/3考慮(經(jīng)調(diào)研，高速客船油成本約占為28%～35%，其他成本約占30%)，純利潤約6.3億元/年，跨海部分工程靜態(tài)回收期小于5年，效益良好。經(jīng)濟(jì)效益相比橋/隧方案有顯著優(yōu)勢。

4.4 遠(yuǎn)期發(fā)展的可逆性

車船轉(zhuǎn)運方案中永久建筑物只在粵海鐵南、北港的兩個點，相比海底隧道、橋梁在海中一條線的工程建設(shè)，對區(qū)域海洋生態(tài)環(huán)境的影響要小的多。

車轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運方案投資僅為30億，相對于千億級的直通方案，基本可以忽略。當(dāng)直通方案落成后，本工程基建、船舶等可以再利用。采購的高速客船，可作為其他海上會所、高端旅游、運輸船舶使用，高鐵港口綜合站可以改造成商業(yè)中心。因此，本工程具有工程的可逆性。

5 結(jié)論

(1)采用空車等船，空船等車的設(shè)計原則，高鐵港口綜合站采用雙凸堤4股道、8個換乘泊位的布置形式，能夠滿足每小時開行8對動車的高峰接駁運營強(qiáng)度。

(2)通過仿真分析，換乘時站臺行人數(shù)量從車門打開逐漸上升，1.5 min時達(dá)到峰值，隨著乘客入艙而逐漸下降，4.2 min所有乘客完成換乘；站臺平均行人密度服務(wù)等級為A級，即使行人密度達(dá)到最大的時刻，大部分區(qū)域服務(wù)等級仍為C級以下，換乘環(huán)境良好。

(3)車船轉(zhuǎn)運方案中高鐵旅客完成跨越瓊州海峽的分析用時為36 min，設(shè)計用時取45 min，時間富裕系數(shù)為1.25。

(4)車船轉(zhuǎn)運方案具有用時短，與橋/隧方案相比，在造價、經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)難度、對過海通道的遠(yuǎn)期建設(shè)具備可逆性等方面均具有明顯優(yōu)勢。