公路工程可替代方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

公路工程可替代方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析1 概述工程可替代方案指工程在滿(mǎn)足某一目標(biāo)的前提下，有著不同的實(shí)現(xiàn)方式。如改善一個(gè)區(qū)域的交通通行條件，可以新修一條道路，也可以在現(xiàn)有道路基礎(chǔ)上改建，或者修建鐵路等等。工程的目標(biāo)往往從全社會(huì)的角度來(lái)確定，在工程整個(gè)壽命期內(nèi)來(lái)考察。廣義的工程可替代方案實(shí)質(zhì)上也包括無(wú)為方案，當(dāng)有為在工程壽命期內(nèi)預(yù)計(jì)所耗費(fèi)的成本大于其在壽命期內(nèi)所帶來(lái)的效益時(shí)，還不如選擇無(wú)為方案。在公路工程設(shè)計(jì)中，我們已經(jīng)習(xí)慣于平面線(xiàn)位間的競(jìng)爭(zhēng)比選，首先是計(jì)算土石方、排水防護(hù)、路面、橋涵、隧道、交叉工程、沿線(xiàn)設(shè)施、占地拆遷等工程量，通過(guò)造價(jià)計(jì)算得出工程建設(shè)成本，及估算出營(yíng)運(yùn)期預(yù)計(jì)消耗的費(fèi)用；然后根據(jù)項(xiàng)目在路網(wǎng)中的布局，考察不同方案在壽命期內(nèi)所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益，通過(guò)對(duì)比不同方案間的凈效益來(lái)選擇路線(xiàn)方案。在公路某一單項(xiàng)工程中，在滿(mǎn)足機(jī)動(dòng)車(chē)通行的功能要求的目標(biāo)下，其實(shí)也有著不同的工程實(shí)現(xiàn)措施，存在滿(mǎn)足同一功能要求的不同實(shí)現(xiàn)方案間的競(jìng)爭(zhēng)，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(jìng)爭(zhēng)。這種單項(xiàng)工程方案之間的可替代性競(jìng)爭(zhēng)普遍存在于山嶺重丘區(qū)公路的建設(shè)中。2 可替代方案競(jìng)爭(zhēng)比選的一般原則 可替代性工程方案應(yīng)從 技術(shù)的可行性 經(jīng)濟(jì)的合理性 運(yùn)營(yíng)維護(hù)的難易程度 環(huán)境保護(hù) 其他需特殊考慮的目標(biāo)因子(如建筑景觀(guān)、耕地資源等)四個(gè)大的方面綜合進(jìn)行方案比選。經(jīng)濟(jì)的合理性主要指工程建設(shè)的貨幣成本；運(yùn)營(yíng)維護(hù)的難易程度可以轉(zhuǎn)換為費(fèi)用的形式貨幣量化；環(huán)境保護(hù)更多的表現(xiàn)是工程對(duì)環(huán)境的損害，較難以貨幣量化。工程可替代方案的比選應(yīng)該是在可以量化的基礎(chǔ)上的選擇，應(yīng)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(jué)，是在綜合很多信息的基礎(chǔ)上的一種判斷。因此，在工程技術(shù)均可行的前提下，目前，工程可替代方案的比選主要考察經(jīng)濟(jì)的合理性及營(yíng)運(yùn)費(fèi)用。在營(yíng)運(yùn)費(fèi)用相差不大的情況下，以建設(shè)的成本來(lái)決定方案的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)越性。3 可替代方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析3.1 高填土路提與高架橋方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析3.1.1. 高填土路堤與高架橋的費(fèi)用分析高填土路堤方案與高架橋方案首先從建設(shè)的經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行分析比較。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，考察方案的直接工程費(fèi)與間接費(fèi)之和以及與占地費(fèi)用的合計(jì)。以費(fèi)率定額計(jì)算的其他費(fèi)用多以直接工程費(fèi)與間接費(fèi)之和為基數(shù)。高填土路堤方案主要包含路基土石方(費(fèi)用代號(hào)以T1表示)、排水防護(hù)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(shè)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(gòu)造(Q1)、下部構(gòu)造(Q2)、基礎(chǔ)(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(jià)的主要因素是填土價(jià)格、地基處理及土地補(bǔ)償價(jià)格，影響高架橋造價(jià)的主要因素是跨徑的選擇，而墩、臺(tái)高度對(duì)造價(jià)的影響相對(duì)較弱。以下以24米寬的路基為研究對(duì)象，假設(shè)填土高為h米，現(xiàn)計(jì)算1公里長(zhǎng)的路堤的建設(shè)費(fèi)用，然后與預(yù)應(yīng)力空心板高架橋費(fèi)用進(jìn)行比較。以下費(fèi)用計(jì)算中所采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于湖北省高速公路建設(shè)中的有關(guān)設(shè)計(jì)及造價(jià)數(shù)據(jù)。填土邊坡坡率8米以上取1：1.5，超過(guò)8米取1：1.75，邊坡平臺(tái)寬2米，路基土石方量設(shè)為x(h)*948(扣橋52米)，土石方綜合平均價(jià)為p元立方米，則：T1=x(h)*948*p10000萬(wàn)元公里；常規(guī)排水防護(hù)工程T2一般在160萬(wàn)元/公里左右(暫不考慮高邊坡防護(hù)額外增加費(fèi)用)；軟土地基處理(T3)330萬(wàn)元公里左右，路面工程綜合每平方米220元，則T4一般在460萬(wàn)元公里左右；路基橋涵工程(T5)與路線(xiàn)所經(jīng)過(guò)的自然區(qū)域有很大的關(guān)系，一般地按涵洞4道公里、橋梁長(zhǎng)平均35米公里計(jì)算，得140萬(wàn)元公里左右；交叉工程按通道考慮，每公里2處計(jì)，T6則為120萬(wàn)元公里左右；安全設(shè)施(T7)按85萬(wàn)元公里估列：拆遷及占地(T8)根據(jù)公路建設(shè)項(xiàng)目用地指標(biāo)微丘區(qū)計(jì)算，按一般正常填土高度計(jì)算時(shí)，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(wàn)元公里，當(dāng)填土高度大于一般正常填土高度時(shí)，額外增加占地(h-4.4)*6.3畝/公里，T8大約增加費(fèi)用(h*6.3*1.4-39)萬(wàn)元公里。高架橋方案按預(yù)應(yīng)力空心板進(jìn)行計(jì)算，上部構(gòu)造、下部構(gòu)造、基礎(chǔ)合計(jì)平均3.7萬(wàn)元/米，每公里3700萬(wàn)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(wàn)元公里。若高填土路堤方案與高架橋方案費(fèi)用相等，即TQ時(shí)，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(jiǎn)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(shè)地面線(xiàn)水平)土石方綜合平均價(jià)p取22元立方米時(shí)，應(yīng)用逼近算法，計(jì)算得臨界填土高h(yuǎn)=19.6米；當(dāng)p取30元立方米時(shí)，h=16.2米。以上為存在有軟土地基處理情況。若無(wú)T3項(xiàng)，則x(h)*p+h*6.3*1.42704*10000948 2土石方綜合平均價(jià)p取22元立方米時(shí)，h=21.3米；p取30元立方米時(shí)，h=17.6米。若無(wú)T3項(xiàng)，同時(shí)T2考慮高邊坡防護(hù)額外增加的費(fèi)用，T2一般在350萬(wàn)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(jià)p取22元立方米時(shí)；h=20.4米；P取30元立方米時(shí)，h16.8米。3.1.2 臨界填土高與土石方 方單價(jià)間的關(guān)系以式3為基礎(chǔ)考察p與h之間的關(guān)系，可得以下曲線(xiàn)： 相關(guān)圖片如下隨著p值增加，臨界填土高h(yuǎn)值迅速下降，h表現(xiàn)出對(duì)p的變化敏感性很強(qiáng)；當(dāng)p增至一定值后，h下降幅度開(kāi)始逐漸減弱，h對(duì)p的變化敏感性下降。3.1.3. 臨界填土高與占地補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)間的關(guān)系取p為27元/立方米，設(shè)占地補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為C(萬(wàn)元/畝)，同時(shí)不考慮地基處理費(fèi)用T3，T2按高邊坡防護(hù)考慮，式1可改寫(xiě)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(dāng)C取0.4萬(wàn)元畝時(shí)，h=17.9米；當(dāng)C取1.0萬(wàn)元/畝時(shí)，h=17.5米：C取1.6萬(wàn)元畝時(shí)，h=17.2米；C取2.2萬(wàn)元畝時(shí)，h16.8米；考察C與h之間的關(guān)系，近似得一線(xiàn)性直線(xiàn)。見(jiàn)圖2。對(duì)比ph曲線(xiàn)，可以看出，臨界填土高h(yuǎn)對(duì)占地補(bǔ)償標(biāo)淮C值變化的敏感性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)填土土石方單價(jià)p變化的敏感性。 相關(guān)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(guò)分析填土臨界高與土石方單價(jià)、占地補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，可以認(rèn)為，在無(wú)其他需特殊考慮的目標(biāo)因子約束的一般情況下，當(dāng)填高大于填土臨界高h(yuǎn)時(shí)，選擇高架橋方案是經(jīng)濟(jì)的；當(dāng)填高小于填土臨界高h(yuǎn)時(shí)，選擇高填土方案是經(jīng)濟(jì)的。由于在計(jì)算填土臨界高h(yuǎn)時(shí)，采用的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)歸納及合理地簡(jiǎn)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(yuǎn)值的計(jì)算波動(dòng)主要與地基處理、防護(hù)工程費(fèi)用的波動(dòng)相關(guān)聯(lián)。這兩項(xiàng)費(fèi)用隨填土高度增加而相應(yīng)增加，本文在計(jì)算填土臨界高h(yuǎn)時(shí)，限于掌握的資料，對(duì)這兩項(xiàng)費(fèi)用進(jìn)行了相對(duì)簡(jiǎn)單處理。高填土路堤方案的路基施工工序多、協(xié)調(diào)工作量大，對(duì)環(huán)境的損害也較高架橋方案大。如果再?gòu)墓こ虊勖趦?nèi)考察高填土方案與高架橋方案，需另預(yù)計(jì)工程所對(duì)應(yīng)的營(yíng)運(yùn)費(fèi)用，包括養(yǎng)護(hù)費(fèi)用與管理費(fèi)用，高填土方案的排水防護(hù)工程砌體、路面、中央分隔綠化帶等養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較高架橋養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高，兩者的管理費(fèi)用則基本相當(dāng)?；谝陨显?，在利用圖1或式1、式3計(jì)算出填土臨界高h(yuǎn)值后，建議填高在h-1米以上時(shí)，就應(yīng)考慮高架橋方案。在山嶺重丘區(qū)，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(jià)在27元立方米左右。若石方所占比例再增大、運(yùn)輸又不便利，則土石方單價(jià)還要高。加之地面橫坡較大，防護(hù)工程量也較大。以土石方單價(jià)27元/立方米計(jì)算，填土臨界高h(yuǎn)計(jì)算值為17.9米，因此，當(dāng)填高大于17米時(shí)，以采用高架橋方案為優(yōu)。一般地，在山嶺重丘區(qū)，當(dāng)填高大于1618米時(shí)，應(yīng)考慮采用高架橋方案。3.2 深挖方路塹與隧道方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析3.2.1. 深挖方路塹與隧道的費(fèi)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(fèi)與間接費(fèi)之和以及與占地費(fèi)用的合計(jì)。深挖方路塹方案主要包含路基土石方(W1)、排水防護(hù)工程(W2)、路面工程(W3)、安全設(shè)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(mén)工程(S1)、洞身工程(S2)、通風(fēng)照明工程(S3)、供電設(shè)備(S4)。明洞工程納入洞身工程中，消防救援設(shè)施由于相對(duì)造價(jià)較低，忽略不計(jì)；為便于對(duì)比，洞門(mén)仰坡占地不計(jì)。表示為：SS1+S2+S3+S4設(shè)路基寬24米，挖深h米，現(xiàn)計(jì)算1公里長(zhǎng)的深挖方路塹的建設(shè)費(fèi)用，然后與雙洞隧道的建設(shè)費(fèi)用進(jìn)行比較。對(duì)比分析的前提條件是自然地形、地質(zhì)滿(mǎn)足隧洞選址的基本要求。邊溝采用0.8*0.8規(guī)格，碎落臺(tái)寬2米，邊坡按微、弱風(fēng)化硬質(zhì)巖石考慮，邊坡坡率10米以下取1：0.3，超過(guò)10米取1：0.5，每10米設(shè)一碎落臺(tái)，路基土石方量設(shè)為f(h)*1000，土石方綜合平均價(jià)p元/立方米，則：wlf(h)*1000*p10000萬(wàn)元公里；排水防護(hù)工程W2按420萬(wàn)元公里估列；路面工程(W3)一般在460萬(wàn)元公里左右；安全設(shè)施(W4)按85萬(wàn)元公里估列；深挖方地段的拆遷及占地?cái)?shù)量如果按公路建設(shè)項(xiàng)目用地指標(biāo)計(jì)算與實(shí)際偏差較大，此處占地?cái)?shù)量設(shè)為d(h)畝公里，占地類(lèi)別按非耕地考慮，W4為d(h)*0.4萬(wàn)元公里。雙洞隧道中洞門(mén)工程(S1)與洞身工程(S2)合計(jì)費(fèi)用按3000元/平方米計(jì)算，則S1+S2為7200萬(wàn)元公里；通風(fēng)照明工程(S3)約370萬(wàn)元公里；供電設(shè)備購(gòu)買(mǎi)及安裝(S4)按500萬(wàn)元公里估列。若深挖方路塹方案與隧道方案費(fèi)用相等，即WS時(shí)，可得f(h)*1000*p10000+420+460+85+d(h)*0.4=7200+370+500 5式5簡(jiǎn)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(shí)) (假設(shè)地面線(xiàn)水平)f(h)1350+68*(h-30)+0.5*(h-30)2 (h30時(shí)) (假設(shè)地面線(xiàn)水平)d(h)68000/667+(h-20)*1000/667 (30h20時(shí)) (假設(shè)地面線(xiàn)水平)d(h)=82000/667+(h-30)*1000/667 (h30時(shí)) (假設(shè)地面線(xiàn)水平) p取為30元/立方米時(shí)，計(jì)算得臨界挖深值h=44米，此時(shí)占地約為143畝/公里，開(kāi)挖土石方量約235萬(wàn)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(chǎng)。前一情況，大約可供應(yīng)14公里的填土路基，平均運(yùn)距大于7公里；而后一情況，事實(shí)上很難找到滿(mǎn)意的棄土地點(diǎn)。因此在式5中假設(shè)土石方綜合平均價(jià)取為30元/立方米偏低。再假設(shè)土石方綜合平均價(jià)為40元/立方米。式5可改寫(xiě)簡(jiǎn)化為：f(h)*4+d(h)*h*0.47105 6計(jì)算得臨界挖深h36米，此時(shí)占地約為132畝/公里，開(kāi)挖土石方量約176萬(wàn)立方米/公里。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，臨界挖深h對(duì)排水防護(hù)工程費(fèi)用W2變化的敏感性并不大，假設(shè)W2為1000萬(wàn)元/公里，p取40元/立方米，經(jīng)計(jì)算，h34米；假設(shè)W2為2000萬(wàn)元/公里，p取40元/立方米，經(jīng)計(jì)算，h=130米，而此時(shí)假設(shè)W2為2000萬(wàn)元/公里并不合理。若地質(zhì)為軟質(zhì)巖石或強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖石，邊坡坡率10米以下取1：0.75，超過(guò)10米取1：1.0，則：f(h)965+73*(h-20)+(h-20)2 (30h20時(shí)) (假設(shè)地面線(xiàn)水平)f(h)1795+97*(h-30)+(h-30)2 (h30時(shí)) (假設(shè)地面線(xiàn)水平)d(h)87000/667+(h-20)*2*1000/667 (30h20時(shí)) (假設(shè)地面線(xiàn)水平)d(h)lll000/667+(h-30)*2*l000/667 (h30時(shí)) (假設(shè)地面線(xiàn)水平)同時(shí)p取30元/立方米，代入式5，經(jīng)計(jì)算，h=35米；p取40元/立方米，計(jì)算h=30米。3.1.2. 臨界挖深與土石方單價(jià)間的關(guān)系以式5為基礎(chǔ)從純數(shù)學(xué)角度考察土石方單價(jià)p與臨界挖深h之間的關(guān)系。如圖3所示。相關(guān)圖片如下 圖3所示曲線(xiàn)與圖1所示曲線(xiàn)數(shù)學(xué)特性類(lèi)似，隨著p值增加，臨界挖深h值下降迅速；當(dāng)p增至一定值后，h下降幅度開(kāi)始逐漸減弱，h對(duì)p的變化敏感性開(kāi)始下降。通過(guò)試算后，得出下述結(jié)論：臨界挖深值的大小對(duì)開(kāi)挖土石方單價(jià)、邊坡巖石類(lèi)別最敏感，對(duì)防護(hù)工程造價(jià)、占地補(bǔ)償標(biāo)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(duì)深挖方路塹的臨界挖深h值的計(jì)算基于技術(shù)可行的前提，以純工程經(jīng)濟(jì)的角度分析，計(jì)算所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行了理想化處理，特別是土石方數(shù)量的計(jì)算；不同的隧道隨地質(zhì)條件的不同，襯砌工程量相差較大，相互問(wèn)造價(jià)波動(dòng)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(fēng)化硬質(zhì)巖石為36米，軟質(zhì)巖石或強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖石為30米。從環(huán)境保護(hù)的角度看，深挖方路塹對(duì)環(huán)境的破壞程度較隧道要大得多。再?gòu)墓こ虊勖趦?nèi)考察深挖方路塹與隧道的營(yíng)運(yùn)費(fèi)用，隧道養(yǎng)護(hù)費(fèi)用中以用電、設(shè)備更