湛海高鐵旅客車(chē)船轉(zhuǎn)運(yùn)方案研究

劉勝， 楊理?xiàng)潱?向紅艷， 喻濤

(1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 北京 102600； 2.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)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(guó)家相關(guān)部門(mén)針對(duì)隧道、橋梁、火車(chē)輪渡3個(gè)方案開(kāi)展了深入研究。橋梁方案涉及巨額造價(jià)，且橋梁工程建設(shè)區(qū)域臺(tái)風(fēng)多、水深大、地質(zhì)條件差以及橋梁應(yīng)對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)能力差等[1]。隧道方案時(shí)效性最好，但存在高水壓、高地震烈度、長(zhǎng)距離施工、深水超長(zhǎng)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(jià)問(wèn)題[2]。高鐵輪渡方案總跨海需要2.5 h，顯然與高鐵無(wú)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(shí)效性差等現(xiàn)有技術(shù)缺陷，至今高鐵跨海工程尚無(wú)實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

高鐵旅客車(chē)船轉(zhuǎn)運(yùn)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(duì)于各站點(diǎn)的獨(dú)立具有明顯的優(yōu)勢(shì)，如綜合客運(yùn)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(shì)[6]。Mokhtar等[7]結(jié)合公路、鐵路、水運(yùn)3種運(yùn)輸方式，設(shè)計(jì)了集裝箱分配的多式聯(lián)運(yùn)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(yùn)港站選址和運(yùn)輸路徑發(fā)生變化，對(duì)港站中斷等動(dòng)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(duì)中外水鐵聯(lián)運(yùn)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(yùn)，關(guān)于旅客水鐵換乘的綜合交通樞紐鮮見(jiàn)報(bào)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(chē)船轉(zhuǎn)運(yùn)方案、轉(zhuǎn)運(yùn)客船選型、惡劣天氣對(duì)跨海轉(zhuǎn)運(yùn)方案的影響，并與橋隧等其他跨海方案進(jìn)行了對(duì)比分析。但未對(duì)湛海高鐵兩端高鐵港口綜合站的選址、車(chē)船接駁、乘客轉(zhuǎn)乘的舒適性、跨?？傆脮r(shí)、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(shí)效性差等現(xiàn)有技術(shù)缺陷問(wèn)題，提出湛海高鐵旅客車(chē)船轉(zhuǎn)運(yùn)方案，主要針對(duì)車(chē)船轉(zhuǎn)運(yùn)方案的港址選擇、總體設(shè)計(jì)思路、車(chē)船接駁運(yùn)營(yíng)分析、車(chē)船轉(zhuǎn)乘行人流仿真分析、跨?？傆脮r(shí)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(shí)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(chē)船轉(zhuǎn)運(yùn)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(hào)1、2、3、4。其中2、3條線路最短，約18 km，目前3號(hào)線路兩端已經(jīng)由地方企業(yè)建成輪渡港，而2號(hào)線路兩端為粵海鐵路南、北港，屬于鐵路系統(tǒng)，便于實(shí)施高效的鐵水聯(lián)運(yùn)。2號(hào)線路也是湛海高鐵推薦的實(shí)施線路，因此高速客船航線選擇2號(hào)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(jì)雙向航道，按目前規(guī)范計(jì)算航道寬度為200 m。瓊州海峽實(shí)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(guò)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(chē)船轉(zhuǎn)運(yùn)總體設(shè)計(jì)思路

整個(gè)跨海行程，需要打破行業(yè)壁壘，進(jìn)行統(tǒng)一經(jīng)營(yíng)管理。研究提出動(dòng)車(chē)和船采用一票制的設(shè)計(jì)原則，免去再次檢票、安檢等環(huán)節(jié)[3]；采用空車(chē)登船、空船等車(chē)的調(diào)度設(shè)計(jì)原則，以節(jié)省轉(zhuǎn)乘乘客等待的時(shí)間。研發(fā)的“一種鐵路與客船直接轉(zhuǎn)運(yùn)的系統(tǒng)(專利號(hào)：ZL201611027669.5)[12]”，提出將高鐵站與客運(yùn)港合二為一建設(shè)成高鐵港口綜合站，實(shí)現(xiàn)碼頭與站臺(tái)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(chē)船換乘，動(dòng)車(chē)進(jìn)入高鐵綜合站后，乘客下車(chē)直接上客船；客船轉(zhuǎn)載乘客水上航行渡過(guò)瓊州海峽，當(dāng)客船到達(dá)對(duì)岸的高鐵港口綜合站后，乘客下船直接換乘動(dòng)車(chē)。以湛江或?？跒槟康牡氐穆每?，可以經(jīng)樓梯去候車(chē)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(chē)并提前上車(chē)/船，不占用轉(zhuǎn)乘旅客在站臺(tái)轉(zhuǎn)乘的空間和時(shí)間。

圖2 車(chē)船轉(zhuǎn)運(yùn)總體設(shè)計(jì)流程圖

1.3 車(chē)船接駁運(yùn)營(yíng)分析

考慮高鐵近期按每天40對(duì)開(kāi)行、最高時(shí)段每小時(shí)開(kāi)行8對(duì)動(dòng)車(chē)的需求，高鐵港口綜合站設(shè)計(jì)為雙凸堤4股道、8個(gè)換乘泊位的布置形式(圖3)，單突堤長(zhǎng)450 m，寬45 m，布置2股道雙站臺(tái)、4個(gè)換乘泊位。

圖3 南、北港綜合站平面布置圖

按動(dòng)車(chē)啟動(dòng)用時(shí)2 min、停車(chē)用時(shí)2 min，客船進(jìn)港、出港各用時(shí)5 min，海峽段正常航行用時(shí)20 min、乘客下車(chē)上船用時(shí)15 min、下船上車(chē)用時(shí)10 min進(jìn)行保守設(shè)計(jì)考慮，以完成單次整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)海為1 h排布的高峰小時(shí)接駁運(yùn)營(yíng)圖(圖4)，能夠滿足每小時(shí)開(kāi)行8對(duì)動(dòng)車(chē)的需求。

圖4 高峰小時(shí)車(chē)船接駁運(yùn)營(yíng)圖

依據(jù)高峰小時(shí)接駁運(yùn)營(yíng)圖，以及第3節(jié)中船舶相關(guān)運(yùn)行的參數(shù)，采用Flexsim進(jìn)行車(chē)船接駁運(yùn)營(yíng)仿真，車(chē)船接駁運(yùn)行通暢。圖5為車(chē)船接駁運(yùn)營(yíng)仿真截圖。

圖5 車(chē)船接駁運(yùn)營(yíng)仿真

通過(guò)高峰小時(shí)車(chē)船接駁運(yùn)營(yíng)圖以及車(chē)船接駁運(yùn)營(yíng)仿真分析，4股道、8個(gè)換乘泊位，配備10艘高速客船，可以實(shí)現(xiàn)空車(chē)登船、空船等車(chē)的總體設(shè)計(jì)思路，滿足高峰時(shí)段車(chē)船接駁需求。

2 乘客換乘人流仿真分析

文獻(xiàn)[3]采用同臺(tái)換乘的設(shè)計(jì)方案，無(wú)需再次檢票和安檢，通過(guò)《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ37—2012)》二級(jí)服務(wù)水平進(jìn)行計(jì)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(shí)現(xiàn)乘客完成車(chē)船換乘。采用Mass Motion仿真軟件，對(duì)文獻(xiàn)[3]中同臺(tái)換乘方案進(jìn)行行人流仿真分析。

2.1 換乘用時(shí)分析

圖6為換乘開(kāi)始、換乘高峰、換乘結(jié)尾時(shí)的站臺(tái)人流仿真分析狀態(tài)。

圖6 換乘站臺(tái)人流仿真分析狀態(tài)

仿真分析行人數(shù)量隨時(shí)間變化如圖7所示，站臺(tái)行人數(shù)量從車(chē)門(mén)打開(kāi)逐漸上升，1.5 min時(shí)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(shí)間變化

現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)北京南站50次動(dòng)車(chē)乘客下車(chē)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(chē)數(shù)據(jù)，略去個(gè)別乘客，用時(shí)在265～288 s[3]。所調(diào)研乘客是沒(méi)有換乘任務(wù)的，有換乘任務(wù)的乘客換乘速度應(yīng)會(huì)更快些。因此，仿真分析與文獻(xiàn)[3]通過(guò)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(tái)平均行人密度服務(wù)等級(jí)為A級(jí)；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(shí)刻，大部分區(qū)域服務(wù)等級(jí)仍為C級(jí)以下，換乘環(huán)境良好；圖8(c)為高鐵港口綜合站站臺(tái)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(shí)站臺(tái)行人數(shù)量從車(chē)門(mén)打開(kāi)逐漸上升，1.5 min時(shí)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(tái)平均行人密度服務(wù)等級(jí)為A級(jí)，即使行人密度達(dá)到最大的時(shí)刻，大部分區(qū)域服務(wù)等級(jí)仍為C級(jí)以下，具有良好的行人密度服務(wù)等級(jí)。

3 車(chē)船轉(zhuǎn)運(yùn)方案跨?？傆脮r(shí)分析

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

3.1 靠、離泊用時(shí)

調(diào)研九州港、蛇口港高速客船靠泊系纜、脫纜離泊用時(shí)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(wàn)向活動(dòng)登船接口設(shè)備(專利號(hào)：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(shí)間會(huì)更短。為提高用時(shí)可靠度，計(jì)算仍參照所調(diào)研的結(jié)果，靠、離泊總用時(shí)取5 min。

3.2 兩端船舶加、減速段用時(shí)

普通貨船的經(jīng)驗(yàn)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(shí)際排水量；t、s、R分別為船舶達(dá)到定常速度所用的時(shí)間、船舶運(yùn)行距離、船舶阻力。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，滿載的貨船航進(jìn)距離s≈20L，輕載時(shí)約為滿載的1/2～2/3，通過(guò)完成啟動(dòng)變速所需時(shí)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(jì)算，加速用時(shí)為1.5 min；減速航進(jìn)路徑s為5L，用時(shí)為0.35 min，其中L為船長(zhǎng)。

實(shí)際所選高速客船船型動(dòng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于一般的空載船舶。根據(jù)調(diào)研實(shí)測(cè)深圳、珠海等地高速客船(300客位、30 kn高速雙體船)，引擎全開(kāi)離泊后加速段用時(shí)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(shí)取2 min是有保障的。

3.3 正常航行過(guò)海用時(shí)

南、北港直線距離18 km，航線距離總長(zhǎng)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(yùn)營(yíng)航速40 kn的85%進(jìn)行計(jì)算，則過(guò)海航行用時(shí)為19 min。

3.4 湛海高鐵旅客車(chē)船轉(zhuǎn)運(yùn)方案總用時(shí)

整個(gè)湛海高鐵旅客車(chē)船轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程，包括高速船系、離泊作業(yè)用時(shí)5 min，兩端加、減速用時(shí)2 min，正常航行用時(shí)19 min，旅客2次轉(zhuǎn)乘平臺(tái)的同臺(tái)換乘時(shí)間共取10 min，共計(jì)總用時(shí)為36 min。取時(shí)間富裕系數(shù)為1.25，則車(chē)船轉(zhuǎn)運(yùn)方案設(shè)計(jì)用時(shí)可取45 min。

用時(shí)比橋/隧跨海方案的跨海用時(shí)20 min略長(zhǎng)，但明顯優(yōu)于目前湛海鐵路總過(guò)海用時(shí)2.5 h的火車(chē)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(wàn)向活動(dòng)登船接口設(shè)備(專利號(hào)：ZL201611012706.5)[13]”與“一種用于港口客船的快速登船系統(tǒng)(專利號(hào)：ZL201621234643.3)[15]”機(jī)械工藝加工難度較小，上部綜合站臺(tái)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(jià)一般按每載客客位6.5×104～9.8×104元來(lái)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(gòu)10艘所選船型的購(gòu)置價(jià)約為6 000萬(wàn)元/艘。

為滿足開(kāi)行40對(duì)的需求，本文方案需要海南段現(xiàn)有開(kāi)行動(dòng)車(chē)向港口綜合站進(jìn)行車(chē)站調(diào)整。暫按采購(gòu)5列8輛編組動(dòng)車(chē)，可補(bǔ)充滿足日新增20對(duì)開(kāi)行列車(chē)，按1.6億元每列動(dòng)車(chē)計(jì)，需要8億元。高速客船采購(gòu)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(jí)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(jià)為42元。對(duì)中國(guó)運(yùn)行的高速客船船票價(jià)格，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，如表1所示，航速越高每千米船票價(jià)格越貴，與本文方案所選航速相近的海峽號(hào)，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(jià)可定為135元/標(biāo)準(zhǔn)客位。

表1 船票價(jià)格對(duì)照表

按半年滿載開(kāi)行、半年淡季50%客座率、按360 d年運(yùn)行天數(shù)計(jì)算，每年船票的收入為18.9億元，運(yùn)營(yíng)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(rùn)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(shì)。

4.4 遠(yuǎn)期發(fā)展的可逆性

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

車(chē)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)方案投資僅為30億，相對(duì)于千億級(jí)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(gòu)的高速客船，可作為其他海上會(huì)所、高端旅游、運(yùn)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(chē)等船，空船等車(chē)的設(shè)計(jì)原則，高鐵港口綜合站采用雙凸堤4股道、8個(gè)換乘泊位的布置形式，能夠滿足每小時(shí)開(kāi)行8對(duì)動(dòng)車(chē)的高峰接駁運(yùn)營(yíng)強(qiáng)度。

(2)通過(guò)仿真分析，換乘時(shí)站臺(tái)行人數(shù)量從車(chē)門(mén)打開(kāi)逐漸上升，1.5 min時(shí)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(tái)平均行人密度服務(wù)等級(jí)為A級(jí)，即使行人密度達(dá)到最大的時(shí)刻，大部分區(qū)域服務(wù)等級(jí)仍為C級(jí)以下，換乘環(huán)境良好。

(3)車(chē)船轉(zhuǎn)運(yùn)方案中高鐵旅客完成跨越瓊州海峽的分析用時(shí)為36 min，設(shè)計(jì)用時(shí)取45 min，時(shí)間富裕系數(shù)為1.25。

(4)車(chē)船轉(zhuǎn)運(yùn)方案具有用時(shí)短，與橋/隧方案相比，在造價(jià)、經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)難度、對(duì)過(guò)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(shì)。