劉勝， 楊理棟， 向紅艷， 喻濤

(1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司， 北京 102600； 2.重慶交通大學交通運輸學院， 重慶 400074；3.重慶交通大學河海學院， 重慶 400074)

湛海高鐵工程建設已經提上日程，其中瓊州海峽的跨海工程是該工程建設的關鍵之一。自20世紀90年代起，國家相關部門針對隧道、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，且橋梁工程建設區(qū)域臺風多、水深大、地質條件差以及橋梁應對戰(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、防災等技術難題，以及高達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濟，以及高鐵輪渡方案時效性差等現有技術缺陷，至今高鐵跨海工程尚無實質性進展。

高鐵旅客車船轉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水平[5]，綜合樞紐的土地集約利用水平在區(qū)域內具有突出優(yōu)勢[6]。Mokhtar等[7]結合公路、鐵路、水運3種運輸方式，設計了集裝箱分配的多式聯運港口選址模型。Sadat等[8]研究認為諸多不確定因素可能導致多式聯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)化進行了探討。李曉培[9]、武永貴[10]、侯耀文[11]對中外水鐵聯運現狀進行了匯總分析，相關研究多體現在貨物的水鐵聯運，關于旅客水鐵換乘的綜合交通樞紐鮮見報道。

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

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

1 車船轉運方案

1.1 港址選擇

如圖1所示，根據高鐵線路，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，設計雙向航道，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(vessel traffic service，VTS)系統(tǒng)，且可通過利用5G通信的技術，船舶增設可視系統(tǒng)、兩岸設置區(qū)域云端服務器，使兩岸監(jiān)控船舶的航行狀態(tài)，能夠保證航行安全。

1.2 車船轉運總體設計思路

整個跨海行程，需要打破行業(yè)壁壘，進行統(tǒng)一經營管理。研究提出動車和船采用一票制的設計原則，免去再次檢票、安檢等環(huán)節(jié)[3]；采用空車登船、空船等車的調度設計原則，以節(jié)省轉乘乘客等待的時間。研發(fā)的“一種鐵路與客船直接轉運的系統(tǒng)(專利號：ZL201611027669.5)[12]”，提出將高鐵站與客運港合二為一建設成高鐵港口綜合站，實現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行車船換乘，動車進入高鐵綜合站后，乘客下車直接上客船；客船轉載乘客水上航行渡過瓊州海峽，當客船到達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?？跒槟康牡氐穆每停梢越洏翘萑ズ蜍噺d憑票出站，再經市內交通去往目的地。以湛江、?？谑及l(fā)的乘客，提前進站候車并提前上車/船，不占用轉乘旅客在站臺轉乘的空間和時間。

圖2 車船轉運總體設計流程圖

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進行保守設計考慮，以完成單次整個轉運過海為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

依據高峰小時接駁運營圖，以及第3節(jié)中船舶相關運行的參數，采用Flexsim進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，可以實現空車登船、空船等車的總體設計思路，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[3]采用同臺換乘的設計方案，無需再次檢票和安檢，通過《城市道路工程設計規(guī)范(CJJ37—2012)》二級服務水平進行計算，并調研北京南站、天津站乘客數據，得出5 min內可以實現乘客完成車船換乘。采用Mass Motion仿真軟件，對文獻[3]中同臺換乘方案進行行人流仿真分析。

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)

仿真分析行人數量隨時間變化如圖7所示，站臺行人數量從車門打開逐漸上升，1.5 min時達到峰值，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 行人數量隨時間變化

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

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等級為A級；圖8(b)為最大行人密度云圖，即使行人密度達到最大的時刻，大部分區(qū)域服務等級仍為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行人流仿真分析結果：換乘時站臺行人數量從車門打開逐漸上升，1.5 min時達到峰值，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等級為A級，即使行人密度達到最大的時刻，大部分區(qū)域服務等級仍為C級以下，具有良好的行人密度服務等級。

3 車船轉運方案跨?？傆脮r分析

以文獻[3]客船選型為例，標準客位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，計算仍參照所調研的結果，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分別為船舶達到定常速度所用的時間、船舶運行距離、船舶阻力。

根據經驗，滿載的貨船航進距離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和航進路徑s的關系，以一般空載貨船航進路徑s為10L進行計算，加速用時為1.5 min；減速航進路徑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遠優(yōu)于一般的空載船舶。根據調研實測深圳、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%進行計算，則過海航行用時為19 min。

3.4 湛海高鐵旅客車船轉運方案總用時

整個湛海高鐵旅客車船轉運過程，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。取時間富裕系數為1.25，則車船轉運方案設計用時可取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 技術難度

方案中高鐵港口綜合站，建設在良好掩護的粵海鐵南、北港內，船舶吃水較小，港工部分施工技術難度小，研發(fā)的“一種快速脫纜、萬向活動登船接口設備(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，因此本工程技術難度較小，就現有施工能力，最快在1年內即可完成高鐵港口綜合站的工程建設。

4.2 工程投資估算

經調研，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。經與相關廠家溝通，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有開行動車向港口綜合站進行車站調整。暫按采購5列8輛編組動車，可補充滿足日新增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。投資遠小于700億的隧道方案與千億級別的橋梁方案。

4.3 經濟效益分析

目前，瓊州海峽現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/標準客位。

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年運行天數計算，每年船票的收入為18.9億元，運營成本按2/3考慮(經調研，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。經濟效益相比橋/隧方案有顯著優(yōu)勢。

4.4 遠期發(fā)展的可逆性

車船轉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，對區(qū)域海洋生態(tài)環(huán)境的影響要小的多。

車轉轉運方案投資僅為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 結論

(1)采用空車等船，空船等車的設計原則，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度。

(2)通過仿真分析，換乘時站臺行人數量從車門打開逐漸上升，1.5 min時達到峰值，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等級為A級，即使行人密度達到最大的時刻，大部分區(qū)域服務等級仍為C級以下，換乘環(huán)境良好。

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

(4)車船轉運方案具有用時短，與橋/隧方案相比，在造價、經濟效益、技術難度、對過海通道的遠期建設具備可逆性等方面均具有明顯優(yōu)勢。