公路工程可替代方案的技術經濟分析1 概述工程可替代方案指工程在滿足某一目標的前提下，有著不同的實現方式。如改善一個區域的交通通行條件，可以新修一條道路，也可以在現有道路基礎上改建，或者修建鐵路等等。工程的目標往往從全社會的角度來確定，在工程整個壽命期內來考察。廣義的工程可替代方案實質上也包括無為方案，當有為在工程壽命期內預計所耗費的成本大于其在壽命期內所帶來的效益時，還不如選擇無為方案。在公路工程設計中，我們已經習慣于平面線位間的競爭比選，首先是計算土石方、排水防護、路面、橋涵、隧道、交叉工程、沿線設施、占地拆遷等工程量，通過造價計算得出工程建設成本，及估算出營運期預計消耗的費用；然后根據項目在路網中的布局，考察不同方案在壽命期內所創造的經濟效益，通過對比不同方案間的凈效益來選擇路線方案。在公路某一單項工程中，在滿足機動車通行的功能要求的目標下，其實也有著不同的工程實現措施，存在滿足同一功能要求的不同實現方案間的競爭，如高填土路堤與高架橋方案之間、深挖方路塹與隧道方案之間的方案競爭。這種單項工程方案之間的可替代性競爭普遍存在于山嶺重丘區公路的建設中。2 可替代方案競爭比選的一般原則 可替代性工程方案應從 技術的可行性 經濟的合理性 運營維護的難易程度 環境保護 其他需特殊考慮的目標因子(如建筑景觀、耕地資源等)四個大的方面綜合進行方案比選。經濟的合理性主要指工程建設的貨幣成本；運營維護的難易程度可以轉換為費用的形式貨幣量化；環境保護更多的表現是工程對環境的損害，較難以貨幣量化。工程可替代方案的比選應該是在可以量化的基礎上的選擇，應該是理性的而不是感性的，不能等同于決策，決策更多依靠的是管理人員的直覺，是在綜合很多信息的基礎上的一種判斷。因此，在工程技術均可行的前提下，目前，工程可替代方案的比選主要考察經濟的合理性及營運費用。在營運費用相差不大的情況下，以建設的成本來決定方案的競爭優越性。3 可替代方案的技術經濟分析3.1 高填土路提與高架橋方案技術經濟分析3.1.1. 高填土路堤與高架橋的費用分析高填土路堤方案與高架橋方案首先從建設的經濟成本進行分析比較。為簡化起見，考察方案的直接工程費與間接費之和以及與占地費用的合計。以費率定額計算的其他費用多以直接工程費與間接費之和為基數。高填土路堤方案主要包含路基土石方(費用代號以T1表示)、排水防護工程(T2)、地基處理(T3)、路面工程(T4)、路基橋涵工程(T5)、交叉工程(T6)、安全設施(T7)、拆遷及占地(T8)。表示為：T=T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7+T8高架橋方案主要包含橋梁上部構造(Q1)、下部構造(Q2)、基礎(Q3)、拆遷及占地(Q4)。表示為：Q=Q1+Q2+Q3+Q4影響填土路堤方案造價的主要因素是填土價格、地基處理及土地補償價格，影響高架橋造價的主要因素是跨徑的選擇，而墩、臺高度對造價的影響相對較弱。以下以24米寬的路基為研究對象，假設填土高為h米，現計算1公里長的路堤的建設費用，然后與預應力空心板高架橋費用進行比較。以下費用計算中所采用的基礎數據來源于湖北省高速公路建設中的有關設計及造價數據。填土邊坡坡率8米以上取1：1.5，超過8米取1：1.75，邊坡平臺寬2米，路基土石方量設為x(h)*948(扣橋52米)，土石方綜合平均價為p元立方米，則：T1=x(h)*948*p10000萬元公里；常規排水防護工程T2一般在160萬元/公里左右(暫不考慮高邊坡防護額外增加費用)；軟土地基處理(T3)330萬元公里左右，路面工程綜合每平方米220元，則T4一般在460萬元公里左右；路基橋涵工程(T5)與路線所經過的自然區域有很大的關系，一般地按涵洞4道公里、橋梁長平均35米公里計算，得140萬元公里左右；交叉工程按通道考慮，每公里2處計，T6則為120萬元公里左右；安全設施(T7)按85萬元公里估列：拆遷及占地(T8)根據公路建設項目用地指標微丘區計算，按一般正常填土高度計算時，需占地88畝公里；用地中耕地與非耕地各按一半考慮，則T8大約為120萬元公里，當填土高度大于一般正常填土高度時，額外增加占地(h-4.4)*6.3畝/公里，T8大約增加費用(h*6.3*1.4-39)萬元公里。高架橋方案按預應力空心板進行計算，上部構造、下部構造、基礎合計平均3.7萬元/米，每公里3700萬元(Q1+Q2+Q3)；拆遷及占地(Q4)需占地37畝公里；耕地與非耕地各按一半考慮，則Q4大約為50萬元公里。若高填土路堤方案與高架橋方案費用相等，即TQ時，可得x(h)*948*p10000+160+330+460+140+120+85+120+(h*6.3*l.4-39)=3700+50 1式1簡化為：x(h)*p+h*6.3*1.4=2374*10000948其中：x(h)24*8+1.5*8*8+52*(h-8)+1.75*(h-8)2 (h8) (假設地面線水平)土石方綜合平均價p取22元立方米時，應用逼近算法，計算得臨界填土高h=19.6米；當p取30元立方米時，h=16.2米。以上為存在有軟土地基處理情況。若無T3項，則x(h)*p+h*6.3*1.42704*10000948 2土石方綜合平均價p取22元立方米時，h=21.3米；p取30元立方米時，h=17.6米。若無T3項，同時T2考慮高邊坡防護額外增加的費用，T2一般在350萬元公里左右，則：x(h)*p+h*6.3*1.4=2514*10000948 3土石方綜合平均價p取22元立方米時；h=20.4米；P取30元立方米時，h16.8米。3.1.2 臨界填土高與土石方 方單價間的關系以式3為基礎考察p與h之間的關系，可得以下曲線： 相關圖片如下隨著p值增加，臨界填土高h值迅速下降，h表現出對p的變化敏感性很強；當p增至一定值后，h下降幅度開始逐漸減弱，h對p的變化敏感性下降。3.1.3. 臨界填土高與占地補償標準間的關系取p為27元/立方米，設占地補償標準為C(萬元/畝)，同時不考慮地基處理費用T3，T2按高邊坡防護考慮，式1可改寫為x(h)*948*27/10000+350+460+140+120+85+88*C+(h-4.4)*6.3*C=3700+37*C 4變換為：x(h)*948*27/10000+51*C+6.3*C*h-27.72*C2545當C取0.4萬元畝時，h=17.9米；當C取1.0萬元/畝時，h=17.5米：C取1.6萬元畝時，h=17.2米；C取2.2萬元畝時，h16.8米；考察C與h之間的關系，近似得一線性直線。見圖2。對比ph曲線，可以看出，臨界填土高h對占地補償標淮C值變化的敏感性遠遠低于對填土土石方單價p變化的敏感性。 相關圖片如下 3.1.4. 高填土路堤方案與高架橋方案的選擇通過分析填土臨界高與土石方單價、占地補償標準之間的關系，可以認為，在無其他需特殊考慮的目標因子約束的一般情況下，當填高大于填土臨界高h時，選擇高架橋方案是經濟的；當填高小于填土臨界高h時，選擇高填土方案是經濟的。由于在計算填土臨界高h時，采用的數據經過歸納及合理地簡化處理，因此h值是在一定置信度條件下的均值。填土臨界高h值的計算波動主要與地基處理、防護工程費用的波動相關聯。這兩項費用隨填土高度增加而相應增加，本文在計算填土臨界高h時，限于掌握的資料，對這兩項費用進行了相對簡單處理。高填土路堤方案的路基施工工序多、協調工作量大，對環境的損害也較高架橋方案大。如果再從工程壽命期內考察高填土方案與高架橋方案，需另預計工程所對應的營運費用，包括養護費用與管理費用，高填土方案的排水防護工程砌體、路面、中央分隔綠化帶等養護費用較高架橋養護費用高，兩者的管理費用則基本相當。基于以上原因，在利用圖1或式1、式3計算出填土臨界高h值后，建議填高在h-1米以上時，就應考慮高架橋方案。在山嶺重丘區，石方占土石方總量的比例高，如果土、石按各占50考慮，土石方綜合平均價在27元立方米左右。若石方所占比例再增大、運輸又不便利，則土石方單價還要高。加之地面橫坡較大，防護工程量也較大。以土石方單價27元/立方米計算，填土臨界高h計算值為17.9米，因此，當填高大于17米時，以采用高架橋方案為優。一般地，在山嶺重丘區，當填高大于1618米時，應考慮采用高架橋方案。3.2 深挖方路塹與隧道方案技術經濟分析3.2.1. 深挖方路塹與隧道的費用分析深挖方路塹方案與隧道方案仍然考察方案的直接工程費與間接費之和以及與占地費用的合計。深挖方路塹方案主要包含路基土石方(W1)、排水防護工程(W2)、路面工程(W3)、安全設施(W4)、拆遷及占地(W5)。 表示為：W=Wl+W2+W3+W4+W5隧道方案主要包含洞門工程(S1)、洞身工程(S2)、通風照明工程(S3)、供電設備(S4)。明洞工程納入洞身工程中，消防救援設施由于相對造價較低，忽略不計；為便于對比，洞門仰坡占地不計。表示為：SS1+S2+S3+S4設路基寬24米，挖深h米，現計算1公里長的深挖方路塹的建設費用，然后與雙洞隧道的建設費用進行比較。對比分析的前提條件是自然地形、地質滿足隧洞選址的基本要求。邊溝采用0.8*0.8規格，碎落臺寬2米，邊坡按微、弱風化硬質巖石考慮，邊坡坡率10米以下取1：0.3，超過10米取1：0.5，每10米設一碎落臺，路基土石方量設為f(h)*1000，土石方綜合平均價p元/立方米，則：wlf(h)*1000*p10000萬元公里；排水防護工程W2按420萬元公里估列；路面工程(W3)一般在460萬元公里左右；安全設施(W4)按85萬元公里估列；深挖方地段的拆遷及占地數量如果按公路建設項目用地指標計算與實際偏差較大，此處占地數量設為d(h)畝公里，占地類別按非耕地考慮，W4為d(h)*0.4萬元公里。雙洞隧道中洞門工程(S1)與洞身工程(S2)合計費用按3000元/平方米計算，則S1+S2為7200萬元公里；通風照明工程(S3)約370萬元公里；供電設備購買及安裝(S4)按500萬元公里估列。若深挖方路塹方案與隧道方案費用相等，即WS時，可得f(h)*1000*p10000+420+460+85+d(h)*0.4=7200+370+500 5式5簡化為：f(h)*p10+d(h)* h*0.47105其中：f(h)=780+52*(h-20)+0.5*(h-20)2 (30h20時) (假設地面線水平)f(h)1350+68*(h-30)+0.5*(h-30)2 (h30時) (假設地面線水平)d(h)68000/667+(h-20)*1000/667 (30h20時) (假設地面線水平)d(h)=82000/667+(h-30)*1000/667 (h30時) (假設地面線水平) p取為30元/立方米時，計算得臨界挖深值h=44米，此時占地約為143畝/公里，開挖土石方量約235萬立方米/公里。如此巨大的土石方量有兩種處理方法，一是以挖作填，二是另選棄土場。前一情況，大約可供應14公里的填土路基，平均運距大于7公里；而后一情況，事實上很難找到滿意的棄土地點。因此在式5中假設土石方綜合平均價取為30元/立方米偏低。再假設土石方綜合平均價為40元/立方米。式5可改寫簡化為：f(h)*4+d(h)*h*0.47105 6計算得臨界挖深h36米，此時占地約為132畝/公里，開挖土石方量約176萬立方米/公里。通過計算發現，臨界挖深h對排水防護工程費用W2變化的敏感性并不大，假設W2為1000萬元/公里，p取40元/立方米，經計算，h34米；假設W2為2000萬元/公里，p取40元/立方米，經計算，h=130米，而此時假設W2為2000萬元/公里并不合理。若地質為軟質巖石或強風化硬質巖石，邊坡坡率10米以下取1：0.75，超過10米取1：1.0，則：f(h)965+73*(h-20)+(h-20)2 (30h20時) (假設地面線水平)f(h)1795+97*(h-30)+(h-30)2 (h30時) (假設地面線水平)d(h)87000/667+(h-20)*2*1000/667 (30h20時) (假設地面線水平)d(h)lll000/667+(h-30)*2*l000/667 (h30時) (假設地面線水平)同時p取30元/立方米，代入式5，經計算，h=35米；p取40元/立方米，計算h=30米。3.1.2. 臨界挖深與土石方單價間的關系以式5為基礎從純數學角度考察土石方單價p與臨界挖深h之間的關系。如圖3所示。相關圖片如下 圖3所示曲線與圖1所示曲線數學特性類似，隨著p值增加，臨界挖深h值下降迅速；當p增至一定值后，h下降幅度開始逐漸減弱，h對p的變化敏感性開始下降。通過試算后，得出下述結論：臨界挖深值的大小對開挖土石方單價、邊坡巖石類別最敏感，對防護工程造價、占地補償標推的變化敏感性并不很大。3.1.3. 深挖方路塹方案與隧道方案的選擇上述對深挖方路塹的臨界挖深h值的計算基于技術可行的前提，以純工程經濟的角度分析，計算所用的基礎數據進行了理想化處理，特別是土石方數量的計算；不同的隧道隨地質條件的不同，襯砌工程量相差較大，相互問造價波動也較大。但并不妨礙本文近似地給出深挖方路塹與隧道的臨界挖深h參考值：微、弱風化硬質巖石為36米，軟質巖石或強風化硬質巖石為30米。從環境保護的角度看，深挖方路塹對環境的破壞程度較隧道要大得多。再從工程壽命期內考察深挖方路塹與隧道的營運費用，隧道養護費用中以用電、設備更