湛海高铁旅客车船转运方案研究

刘胜， 杨理栋， 向红艳， 喻涛

(1.中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600； 2.重庆交通大学交通运输学院， 重庆 400074；3.重庆交通大学河海学院， 重庆 400074)

湛海高铁工程建设已经提上日程，其中琼州海峡的跨海工程是该工程建设的关键之一。自20世纪90年代起，国家相关部门针对隧道、桥梁、火车轮渡3个方案开展了深入研究。桥梁方案涉及巨额造价，且桥梁工程建设区域台风多、水深大、地质条件差以及桥梁应对战争能力差等[1]。隧道方案时效性最好，但存在高水压、高地震烈度、长距离施工、深水超长隧道通风、防灾等技术难题，以及高达700亿元的巨额造价问题[2]。高铁轮渡方案总跨海需要2.5 h，显然与高铁无法相匹配[3]。因此，鉴于桥隧方案需要巨额投资不够经济，以及高铁轮渡方案时效性差等现有技术缺陷，至今高铁跨海工程尚无实质性进展。

高铁旅客车船转运方案需要一种与之相匹配的旅客水铁换乘的综合交通枢纽方案。综合交通枢纽相对于各站点的独立具有明显的优势，如综合客运交通系统呈现明显的自组织特性[4]；综合化的综合交通枢纽可节省土地资源，提高城市的公共交通服务水平[5]，综合枢纽的土地集约利用水平在区域内具有突出优势[6]。Mokhtar等[7]结合公路、铁路、水运3种运输方式，设计了集装箱分配的多式联运港口选址模型。Sadat等[8]研究认为诸多不确定因素可能导致多式联运港站选址和运输路径发生变化，对港站中断等动态条件下的选址和路径优化进行了探讨。李晓培[9]、武永贵[10]、侯耀文[11]对中外水铁联运现状进行了汇总分析，相关研究多体现在货物的水铁联运，关于旅客水铁换乘的综合交通枢纽鲜见报道。

文献[3]提出了一种新的高铁旅客跨海方案，主要包括车船转运方案、转运客船选型、恶劣天气对跨海转运方案的影响，并与桥隧等其他跨海方案进行了对比分析。但未对湛海高铁两端高铁港口综合站的选址、车船接驳、乘客转乘的舒适性、跨海总用时、经济效益等进行详尽的分析。

为解决现有桥隧方案需要巨额投资不够经济，以及高铁轮渡方案时效性差等现有技术缺陷问题，提出湛海高铁旅客车船转运方案，主要针对车船转运方案的港址选择、总体设计思路、车船接驳运营分析、车船转乘行人流仿真分析、跨海总用时分析、经济效益、远期可逆性等进行分析，论证该方案的技术可行性、时效性与经济可行性。研究成果为类似工程提供了理论依据。

1 车船转运方案

1.1 港址选择

如图1所示，根据高铁线路，琼州海峡跨海拟选线路共有4条，自西向东编号1、2、3、4。其中2、3条线路最短，约18 km，目前3号线路两端已经由地方企业建成轮渡港，而2号线路两端为粤海铁路南、北港，属于铁路系统，便于实施高效的铁水联运。2号线路也是湛海高铁推荐的实施线路，因此高速客船航线选择2号线，港址选择粤海铁南、北港。

图1 琼州海峡跨海线路比选

拟规划高速客船航线位于粤海铁轮渡航迹线东侧，设计双向航道，按目前规范计算航道宽度为200 m。琼州海峡实行定线制航行，具备较完善的船舶交通服务(vessel traffic service，VTS)系统，且可通过利用5G通信的技术，船舶增设可视系统、两岸设置区域云端服务器，使两岸监控船舶的航行状态，能够保证航行安全。

1.2 车船转运总体设计思路

整个跨海行程，需要打破行业壁垒，进行统一经营管理。研究提出动车和船采用一票制的设计原则，免去再次检票、安检等环节[3]；采用空车登船、空船等车的调度设计原则，以节省转乘乘客等待的时间。研发的“一种铁路与客船直接转运的系统(专利号：ZL201611027669.5)[12]”，提出将高铁站与客运港合二为一建设成高铁港口综合站，实现码头与站台功能的统一。

如图2所示，旅客在高铁港口综合站进行车船换乘，动车进入高铁综合站后，乘客下车直接上客船；客船转载乘客水上航行渡过琼州海峡，当客船到达对岸的高铁港口综合站后，乘客下船直接换乘动车。以湛江或海口为目的地的旅客，可以经楼梯去候车厅凭票出站，再经市内交通去往目的地。以湛江、海口始发的乘客，提前进站候车并提前上车/船，不占用转乘旅客在站台转乘的空间和时间。

图2 车船转运总体设计流程图

1.3 车船接驳运营分析

考虑高铁近期按每天40对开行、最高时段每小时开行8对动车的需求，高铁港口综合站设计为双凸堤4股道、8个换乘泊位的布置形式(图3)，单突堤长450 m，宽45 m，布置2股道双站台、4个换乘泊位。

图3 南、北港综合站平面布置图

按动车启动用时2 min、停车用时2 min，客船进港、出港各用时5 min，海峡段正常航行用时20 min、乘客下车上船用时15 min、下船上车用时10 min进行保守设计考虑，以完成单次整个转运过海为1 h排布的高峰小时接驳运营图(图4)，能够满足每小时开行8对动车的需求。

图4 高峰小时车船接驳运营图

依据高峰小时接驳运营图，以及第3节中船舶相关运行的参数，采用Flexsim进行车船接驳运营仿真，车船接驳运行通畅。图5为车船接驳运营仿真截图。

图5 车船接驳运营仿真

通过高峰小时车船接驳运营图以及车船接驳运营仿真分析，4股道、8个换乘泊位，配备10艘高速客船，可以实现空车登船、空船等车的总体设计思路，满足高峰时段车船接驳需求。

2 乘客换乘人流仿真分析

文献[3]采用同台换乘的设计方案，无需再次检票和安检，通过《城市道路工程设计规范(CJJ37—2012)》二级服务水平进行计算，并调研北京南站、天津站乘客数据，得出5 min内可以实现乘客完成车船换乘。采用Mass Motion仿真软件，对文献[3]中同台换乘方案进行行人流仿真分析。

2.1 换乘用时分析

图6为换乘开始、换乘高峰、换乘结尾时的站台人流仿真分析状态。

图6 换乘站台人流仿真分析状态

仿真分析行人数量随时间变化如图7所示，站台行人数量从车门打开逐渐上升，1.5 min时达到峰值，随着乘客入舱而逐渐下降，4.2 min乘客基本完成换乘，4.6 min所有乘客完成换乘。

图7 行人数量随时间变化

现场统计北京南站50次动车乘客下车至出站通道楼梯口下(相当于进入船舱)、及从出站闸机(相当于船舶舱口)至上车数据，略去个别乘客，用时在265～288 s[3]。所调研乘客是没有换乘任务的，有换乘任务的乘客换乘速度应会更快些。因此，仿真分析与文献[3]通过调研的结果基本相符。

2.2 换乘行人密度分析

图8(a)为平均行人密度云图，站台平均行人密度服务等级为A级；图8(b)为最大行人密度云图，即使行人密度达到最大的时刻，大部分区域服务等级仍为C级以下，换乘环境良好；图8(c)为高铁港口综合站站台仿真行人密度云图图例。

图8 行人密度云图

Mass Motion行人流仿真分析结果：换乘时站台行人数量从车门打开逐渐上升，1.5 min时达到峰值，随着乘客入舱而逐渐下降，4.2 min所有乘客完成换乘；站台平均行人密度服务等级为A级，即使行人密度达到最大的时刻，大部分区域服务等级仍为C级以下，具有良好的行人密度服务等级。

3 车船转运方案跨海总用时分析

以文献[3]客船选型为例，标准客位650人、总长68 m、运行航速40 kn的穿浪型高速双体船。

3.1 靠、离泊用时

调研九州港、蛇口港高速客船靠泊系缆、脱缆离泊用时分别为3 min(含船舶回旋)、2 min，港区采用的是普通系缆方式，所研发的“一种快速脱缆、万向活动登船接口设备(专利号：ZL201611012706.5)[13]”可以使高速客船快速靠泊系缆、以及快速脱缆作业，时间会更短。为提高用时可靠度，计算仍参照所调研的结果，靠、离泊总用时取5 min。

3.2 两端船舶加、减速段用时

普通货船的经验公式为[14]

t≈0.004Wv/R

(1)

s≈0.101Wv2/R

(2)

式中:v为最终定常速度；W为船舶实际排水量；t、s、R分别为船舶达到定常速度所用的时间、船舶运行距离、船舶阻力。

根据经验，满载的货船航进距离s≈20L，轻载时约为满载的1/2～2/3，通过完成启动变速所需时间t和航进路径s的关系，以一般空载货船航进路径s为10L进行计算，加速用时为1.5 min；减速航进路径s为5L，用时为0.35 min，其中L为船长。

实际所选高速客船船型动力要远远优于一般的空载船舶。根据调研实测深圳、珠海等地高速客船(300客位、30 kn高速双体船)，引擎全开离泊后加速段用时约40 s。虽然调研船舶体量小于研究船型，但研究船型航速为40 kn，加速等操作性显著能优于调研船型，因此加速段用时取2 min是有保障的。

3.3 正常航行过海用时

南、北港直线距离18 km，航线距离总长约21 km，减去约1 km的加减速段距离，考虑船舶航行中一定的失速，航速度按运营航速40 kn的85%进行计算，则过海航行用时为19 min。

3.4 湛海高铁旅客车船转运方案总用时

整个湛海高铁旅客车船转运过程，包括高速船系、离泊作业用时5 min，两端加、减速用时2 min，正常航行用时19 min，旅客2次转乘平台的同台换乘时间共取10 min，共计总用时为36 min。取时间富裕系数为1.25，则车船转运方案设计用时可取45 min。

用时比桥/隧跨海方案的跨海用时20 min略长，但明显优于目前湛海铁路总过海用时2.5 h的火车轮渡方案[3]。

4 其他分析

4.1 技术难度

方案中高铁港口综合站，建设在良好掩护的粤海铁南、北港内，船舶吃水较小，港工部分施工技术难度小，研发的“一种快速脱缆、万向活动登船接口设备(专利号：ZL201611012706.5)[13]”与“一种用于港口客船的快速登船系统(专利号：ZL201621234643.3)[15]”机械工艺加工难度较小，上部综合站台的建筑部分相比其他高铁站难度相当，因此本工程技术难度较小，就现有施工能力，最快在1年内即可完成高铁港口综合站的工程建设。

4.2 工程投资估算

经调研，高速双体船的船价一般按每载客客位6.5×104～9.8×104元来估算，航速低者可取低值，航速高者要取高值。经与相关厂家沟通，一次性订购10艘所选船型的购置价约为6 000万元/艘。

为满足开行40对的需求，本文方案需要海南段现有开行动车向港口综合站进行车站调整。暂按采购5列8辆编组动车，可补充满足日新增20对开行列车，按1.6亿元每列动车计，需要8亿元。高速客船采购按6亿元估算，两侧高铁港口综合站按16亿元估算，则本方案工程投资仅为30亿元。投资远小于700亿的隧道方案与千亿级别的桥梁方案。

4.3 经济效益分析

目前，琼州海峡现行的客滚船普舱票价为42元。对中国运行的高速客船船票价格，进行统计整理，如表1所示，航速越高每千米船票价格越贵，与本文方案所选航速相近的海峡号，高等船票为6.9元/km，豪华船票为10.4元/km。因此，本方案航程21 km，票价可定为135元/标准客位。

表1 船票价格对照表

按半年满载开行、半年淡季50%客座率、按360 d年运行天数计算，每年船票的收入为18.9亿元，运营成本按2/3考虑(经调研，高速客船油成本约占为28%～35%，其他成本约占30%)，纯利润约6.3亿元/年，跨海部分工程静态回收期小于5年，效益良好。经济效益相比桥/隧方案有显著优势。

4.4 远期发展的可逆性

车船转运方案中永久建筑物只在粤海铁南、北港的两个点，相比海底隧道、桥梁在海中一条线的工程建设，对区域海洋生态环境的影响要小的多。

车转转运方案投资仅为30亿，相对于千亿级的直通方案，基本可以忽略。当直通方案落成后，本工程基建、船舶等可以再利用。采购的高速客船，可作为其他海上会所、高端旅游、运输船舶使用，高铁港口综合站可以改造成商业中心。因此，本工程具有工程的可逆性。

5 结论

(1)采用空车等船，空船等车的设计原则，高铁港口综合站采用双凸堤4股道、8个换乘泊位的布置形式，能够满足每小时开行8对动车的高峰接驳运营强度。

(2)通过仿真分析，换乘时站台行人数量从车门打开逐渐上升，1.5 min时达到峰值，随着乘客入舱而逐渐下降，4.2 min所有乘客完成换乘；站台平均行人密度服务等级为A级，即使行人密度达到最大的时刻，大部分区域服务等级仍为C级以下，换乘环境良好。

(3)车船转运方案中高铁旅客完成跨越琼州海峡的分析用时为36 min，设计用时取45 min，时间富裕系数为1.25。

(4)车船转运方案具有用时短，与桥/隧方案相比，在造价、经济效益、技术难度、对过海通道的远期建设具备可逆性等方面均具有明显优势。