軌道交通無砟軌道經(jīng)濟評價研究綜述*

李懷龍 李遠富

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，610031，成都;2.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，610031，成都∥第一作者，博士研究生)

軌道交通因為運量大、速度快、安全準點、保護環(huán)境、節(jié)約能源和用地等顯著優(yōu)勢，在交通運輸體系中占據(jù)著重要地位。而無砟軌道因為具有穩(wěn)定性高、剛度均勻、結(jié)構(gòu)耐久性強、維修工作量少等技術(shù)特點，基本取代了傳統(tǒng)的有砟軌道，成為了軌道交通主流的軌道結(jié)構(gòu)，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

無砟軌道最早從20世紀60年代開始，由德國和日本研發(fā)，首先應(yīng)用于高速鐵路。我國從20世紀90年代開始，迅速走過了引進消化吸收再創(chuàng)新的歷程，形成了以CRTS(Chinese Railway Track System，中國鐵路軌道系統(tǒng))Ⅰ型板、Ⅱ型板、Ⅲ型板以及雙塊式為主的無砟軌道技術(shù)體系。目前在我國，包括高速鐵路、城際鐵路、城市軌道交通在內(nèi)的大規(guī)模軌道交通建設(shè)正在進行，其中大部分線路均采用無砟軌道。

無砟軌道與有砟軌道相比，工程建設(shè)成本增加較大，根據(jù)德國和日本的經(jīng)驗，無砟軌道的建設(shè)成本約為有砟軌道的1.3～1.5倍。在線路運營過程中，軌道維護的工作量和成本占了維護總成本相當大的比例，需要研究經(jīng)濟有效的維護策略。無砟軌道在運營過程中性能的變化直接影響到維護策略和維護成本，它們的關(guān)系需要深入研究。當前，我國應(yīng)用的無砟軌道形式較多，各有特點，合理的選型可顯著減少全壽命周期成本。因此，無砟軌道經(jīng)濟評價研究越來越受到重視。

本文主要介紹了軌道交通領(lǐng)域無砟軌道經(jīng)濟評價的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，闡述了研究發(fā)展趨勢，并結(jié)合我國軌道交通事業(yè)的建設(shè)和發(fā)展，提出了下一步研究方向的建議。

1 國外無砟軌道經(jīng)濟評價研究現(xiàn)狀

1.1 初步研究

無砟軌道首先應(yīng)用于高速鐵路，日本、法國、德國作為高速鐵路傳統(tǒng)大國，也最早開展了無砟軌道經(jīng)濟性研究。由于全壽命周期成本分析法具有概念清晰，考慮了資金的時間價值的優(yōu)點，可只針對主要成本項計算出全壽命周期成本(Life Cycle Cost，簡為LCC)進行對比分析，因而在無砟軌道經(jīng)濟評價方面得到了廣泛應(yīng)用。早期的研究主要是應(yīng)用該方法，針對無砟軌道和有砟軌道的施工費用和維護費用，計算軌道的全壽命周期成本并進行對比分析。

1.1.1 日本的研究情況

20世紀60年代，日本開始研發(fā)新型的軌道結(jié)構(gòu)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，日本研發(fā)定型了A型板式軌道、A型框架板式軌道以及減振G型等無砟軌道。日本總結(jié)板式軌道在山陽新干線應(yīng)用20年來的經(jīng)驗指出:板式軌道的工程造價一般是有砟軌道的1.3～1.5倍，如果線路的年通過總重達到1 200萬t，增加的工程投資可在約10年內(nèi)償還。根據(jù)維修數(shù)據(jù)分析，板式軌道每年每km的平均維修費用約為有砟軌道的18%。日本還對東北新干線相關(guān)數(shù)據(jù)進行了分析，結(jié)果表明:板式軌道的建設(shè)費用約為有砟軌道的1.27倍;由于年維護費用大大降低，相應(yīng)費用的節(jié)省使得建設(shè)費用增加的投資約在9年左右得到償還。

1.1.2 法國的研究情況

法國利用1997年的數(shù)據(jù)，比較了無砟軌道、有砟軌道的建設(shè)費用和維修費用。研究結(jié)果表明，當利率減去通貨膨脹率的數(shù)值低于7%時，無砟軌道的總費用較低，研究設(shè)定的前提是無砟軌道的建設(shè)費用約為有砟軌道的1.3倍。

1.1.3 德國的研究情況

德國對無砟軌道和有砟軌道的維修費用也進行了統(tǒng)計分析。根據(jù)統(tǒng)計資料，1989至1994年雷達型無砟軌道年平均維修費用為2 640馬克/km，約為同一時期有砟軌道的五分之一。1998年，德國鐵路應(yīng)用全壽命周期成本分析法，考慮了無砟軌道和有砟軌道結(jié)構(gòu)的不同壽命，加上年度的維修費用，計算出全壽命周期成本。研究表明，在無砟軌道研究開發(fā)初期，工程造價是有砟軌道的好幾倍，隨著技術(shù)的成熟和發(fā)展，工程造價已降低至約1.5倍，與日本1994年得到的1.3～1.5倍結(jié)論非常接近。高速鐵路有砟軌道的壽命周期成本最高，其次是雷達型無砟軌道，普通鐵路有砟軌道最低。研究結(jié)論是:在新建的高速度及高密度運輸通道上，采用無砟軌道具有顯著的經(jīng)濟性。

1.2 近年來的深入研究

隨著世界軌道交通事業(yè)的發(fā)展，越來越多的城市軌道交通開始采用無砟軌道，對無砟軌道經(jīng)濟性的研究也更趨向深入。研究人員在前期應(yīng)用全壽命周期成本分析法的基礎(chǔ)上，重點關(guān)注軌道的施工費用和維修費用的同時，開始研究無砟軌道技術(shù)性能與經(jīng)濟指標的結(jié)合，并考慮包括環(huán)境影響在內(nèi)的社會影響，擴展了全壽命周期成本的內(nèi)涵。

1.2.1 全壽命周期成本分析法的延伸應(yīng)用

(1)鐵路的設(shè)計和運營維護。研究人員基于全壽命周期成本分析法，研究了決策支持系統(tǒng)。在鐵路的設(shè)計和運營階段的應(yīng)用，主要目的是為在設(shè)計階段無砟軌道的選型以及運營階段軌道結(jié)構(gòu)(包括部件)的維護策略優(yōu)化提供支撐。如文獻［1］以荷蘭高速鐵路為例，應(yīng)用全生命周期成本法，研究了軌道全壽命周期成本決策支持系統(tǒng)，以及軌道和道岔的維護更新策略。研究人員還引入了風(fēng)險分析，考慮了不確定性因素的影響。如文獻［2］等研究了采用故障隨機分析的方法評估軌道的經(jīng)濟壽命，提出了建議模型，并結(jié)合實例進行了驗證。文獻［3］將蒙特卡羅模擬和試驗設(shè)計法結(jié)合，提出了評價鐵路軌道全壽命周期成本不確定性的方法，并結(jié)合實例進行了驗證。文獻［4］提出了道岔的全壽命周期成本模型，考慮了全壽命周期成本相關(guān)的不確定性因素，為鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的維護更新策略優(yōu)化提供支撐。

(2)城市軌道交通。隨著城市軌道交通的發(fā)展，研究人員也逐漸將全生命周期成本分析法應(yīng)用于城市軌道交通領(lǐng)域。文獻［5］以西班牙馬德里地鐵為例，應(yīng)用全壽命周期成本分析法評估軌道結(jié)構(gòu)，研究了其全壽命周期成本。文獻［6］將全壽命周期成本分析法應(yīng)用于韓國的輕軌領(lǐng)域，分析了成本的主要構(gòu)成，建立了計算模型，還研究了相關(guān)的不確定性和成本分類系統(tǒng)。

1.2.2 LCC 與 RAMS的結(jié)合

研究人員在關(guān)注無砟軌道經(jīng)濟成本的同時，開始研究技術(shù)性能與經(jīng)濟成本的關(guān)系，引入RAMS技術(shù)(Reliability可靠性，Availability可用性，Maintainability可維護性，Safety安全性)，將LCC與RAMS結(jié)合起來，以實現(xiàn)無砟軌道技術(shù)性能與經(jīng)濟成本的綜合優(yōu)化。如:文獻［7］研究指出無砟軌道與有砟軌道相比，在施工時間、可用性、耐久性方面具有顯著的優(yōu)勢;文獻［8］將LCC和RA(reliability可靠性，availability可用性)結(jié)合起來，研究了包括建設(shè)投資、運營維護、可用性、可靠性在內(nèi)的全壽命周期成本，并應(yīng)用于鐵路的設(shè)計階段;文獻［9］將RAMS和LCC結(jié)合起來，應(yīng)用于鐵路軌道運營維護階段，尋找優(yōu)化的維修策略;文獻［10］將RAMS和LCC結(jié)合起來應(yīng)用于鐵路軌道領(lǐng)域，研究了數(shù)據(jù)搜集階段和分析階段的重要因素和邊界條件，并以R260和R350HT 2種軌道為例進行了驗證。

1.2.3 LCC 與 SEC 的結(jié)合

由于城市軌道交通與城市居民的生活密切相關(guān)，包括環(huán)境影響成本在內(nèi)的社會經(jīng)濟影響受到了研究人員的重視。文獻［11］研究了LCC和SEC(Socio Economic Cost，社會經(jīng)濟成本)結(jié)合，應(yīng)用于城市軌道交通領(lǐng)域(有軌電車、地鐵、輕軌)，建立了標準化的計算工具，分析了軌道技術(shù)對經(jīng)濟成本的影響，并將部分定性分析轉(zhuǎn)化為定量分析，最后對4個實例進行了評價。結(jié)果表明，城市軌道交通運營階段的主要成本包括噪聲影響和維修成本。維修簡便的新型城市軌道交通系統(tǒng)，往往具有更高的全壽命周期成本，但在社會經(jīng)濟方面具有更好的優(yōu)勢(交通堵塞、噪聲、振動、二氧化碳排放等)。

綜上所述，西方學(xué)者關(guān)于無砟軌道經(jīng)濟評價的研究比較深入，將LCC與RAMS、風(fēng)險分析、社會經(jīng)濟因素(包括環(huán)境影響)等結(jié)合起來，建立了相應(yīng)的理論框架和計算模型。但RAMS、SEC等作為定性分析，與LCC定量分析之間如何結(jié)合，始終是需要進一步研究的難題。

2 國內(nèi)無砟軌道經(jīng)濟評價研究現(xiàn)狀

2.1 初步研究

無砟軌道在我國首先應(yīng)用于高速鐵路。1999年，我國在秦沈客運專線的部分橋梁上鋪設(shè)了無砟軌道，無砟軌道與有砟軌道工程費用的比值達到了2.65和 3.10，顯著高于德國、日本的相應(yīng)數(shù)值。2004年建設(shè)的遂渝線相關(guān)數(shù)據(jù)表明，板式無砟軌道工程造價為有砟軌道的2.4～2.7倍，雙塊式無砟軌道造價為有砟軌道的1.9～2.1倍，與秦沈線的數(shù)據(jù)相比有所下降，其中雙塊式無砟軌道造價與有砟軌道比值在2左右，與國外的相應(yīng)數(shù)據(jù)比較一致。

2.2 進一步研究

隨著我國軌道交通事業(yè)的發(fā)展，城際鐵路和城市軌道交通也開始大規(guī)模使用無砟軌道。早期關(guān)于無砟軌道經(jīng)濟性的研究主要集中在設(shè)計、施工方面，隨著運營里程的增加，無砟軌道的運營維護也得到了重視。相關(guān)的研究主要包括:

(1)技術(shù)經(jīng)濟分析。我國無砟軌道形式較多，設(shè)計階段的無砟軌道選型成為關(guān)注的重點。研究人員結(jié)合高速鐵路、城際鐵路、城市軌道交通的特點，對各種類型的無砟軌道進行了技術(shù)經(jīng)濟分析，研究了包括經(jīng)濟成本在內(nèi)的多項指標。如:文獻［12］對雙塊式無砟軌道和板式無砟軌道的建設(shè)直接成本、建設(shè)間接成本、維修費用和運營效率等技術(shù)經(jīng)濟指標進行了研究分析。文獻［13］根據(jù)城市軌道交通的特點，分析了運營特征，提出了軌道結(jié)構(gòu)選型的基本要求，建議城市軌道交通應(yīng)優(yōu)先采用無砟軌道。在軌道結(jié)構(gòu)選型時，不但要注意節(jié)約投資，更要重視運營階段對環(huán)境保護的要求，在不同的地區(qū)應(yīng)選擇不同類型的減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)。文獻［14］根據(jù)城際鐵路的特點，分析了城際鐵路對軌道結(jié)構(gòu)的要求，提出了軌道結(jié)構(gòu)的選型原則，并通過對鋼軌、扣件和軌下基礎(chǔ)的分析比較，提出了200 km/h城際鐵路軌道選型建議。文獻［15］研究了市域鐵路軌道結(jié)構(gòu)形式及主要結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，比較了無砟軌道和有砟軌道的優(yōu)缺點，建議采用無砟軌道，并進一步對CRTSⅠ型、Ⅱ型、Ⅲ型板式以及雙塊式無砟軌道的技術(shù)優(yōu)缺點、經(jīng)濟性、知識產(chǎn)權(quán)等進行了比較分析，建議鋪設(shè)雙塊式無砟軌道，還指出了優(yōu)化設(shè)計的研究方向。

(2)全壽命周期成本方法研究。在無砟軌道經(jīng)濟評價理論和方法研究方面，文獻［16］提出應(yīng)用價值工程進行全壽命經(jīng)濟分析的新思路;文獻［17］參考德國的相關(guān)研究，將LCC法應(yīng)用于我國無砟軌道經(jīng)濟性研究中，并結(jié)合工程實例進行了分析;文獻［18］將全壽命周期成本分析法和層次分析法相結(jié)合，考慮無砟軌道的工程建設(shè)費用和養(yǎng)護維修費用，討論了具有不確定性的研究參數(shù)取值范圍。

(3)工程造價研究。研究人員結(jié)合我國軌道交通工程建設(shè)，對無砟軌道的工程造價進行了研究。文獻［19］闡述了無砟軌道定額測定的基本情況和工作內(nèi)容，研究了無砟軌道工程定額測定問題;文獻［20］結(jié)合遂渝線鐵路工程，對不同類型的無砟軌道造價指標進行了計算和分析;文獻［21］研究了鐵路工程造價的組成及確定問題，調(diào)整、計算了更為合理的綜合工程造價指標和專業(yè)單項工程造價指標，并論證了指標的合理性。

(4)綜合評價。建立模型對無砟軌道的技術(shù)和經(jīng)濟指標進行綜合評價。文獻［22］應(yīng)用層次分析法和模糊綜合評價相結(jié)合的方法，建立模糊模型，從系統(tǒng)的角度對無砟軌道進行綜合評價;文獻［23］介紹了無砟軌道性能評價專家系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對無砟軌道中的典型代表進行了定量綜合評價和分析，并結(jié)合實例對該系統(tǒng)進行了驗證［23］。

總之，我國關(guān)于無砟軌道經(jīng)濟評價研究方面取得了一些成果，但理論性、系統(tǒng)性研究不夠，需要對無砟軌道經(jīng)濟評價的理論和方法以及指標體系進行深入研究。

3 結(jié)語

當前我國大規(guī)模的軌道交通建設(shè)尚未結(jié)束，有必要借鑒學(xué)習(xí)西方的經(jīng)驗，結(jié)合我國軌道交通工程實踐，建立無砟軌道經(jīng)濟評價的理論體系和計算模型，為我國軌道交通事業(yè)的建設(shè)和發(fā)展提供支撐。建議加強以下方面的研究。

(1)系統(tǒng)的理論框架:應(yīng)用全壽命周期成本分析法，進一步與RAMS、社會經(jīng)濟因素等結(jié)合，建立系統(tǒng)的無砟軌道經(jīng)濟評價理論框架。

(2)標準化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù):基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是經(jīng)濟評價的依據(jù)，有必要建立標準化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系，并在今后的工程實踐中不斷積累。

(3)完善的計算模型:需要提出比較完善的計算模型，并結(jié)合工程實踐進一步修正。

(4)重視環(huán)境影響:有必要研究LCC與LCA(Life Cycle Assessment，生命周期評價)的結(jié)合，分析無砟軌道全壽命周期的環(huán)境影響，重點研究運營階段的環(huán)境影響成本(振動、噪聲等)，并進一步研究技術(shù)經(jīng)濟綜合最優(yōu)的減振降噪措施。

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