價值工程在高鐵隧道優(yōu)化中的應用研究

展宏躍， 孟慶余

(中國鐵路設計集團有限公司， 天津 300142)

近年來，伴隨著大規(guī)模高速鐵路的快速建設，越來越多的高速鐵路隧道建成運營，由于高速鐵路速度快，標準高，曲線半徑大，穿山越嶺隧道在高鐵隧道中的作用尤為突出。中國高速鐵路從技術、安全、節(jié)能環(huán)保至性價比等優(yōu)越特性日益凸出[1-2]。目前，在國內(nèi)高鐵大發(fā)展的背景下，中國國內(nèi)設計、施工企業(yè)逐步走向了國際舞臺，為世界高速鐵路的發(fā)展起到了引領作用，比如正在施工的印尼雅萬高速鐵路，正在參與設計的隆新高速鐵路等。

由于國內(nèi)設計的標準化使得價值工程的應用相對較少，而國外工程的設計、咨詢等參與的國際公司較多，國際鐵路隧道的設計、施工對價值工程的應用相對國內(nèi)更廣泛，從設計方案的確定、工程措施的制定、施工方法的選擇等均需要通過價值工程來進行細致的評價，因此，合理的利用價值工程進行分析研究對項目的實施起到了不可忽視的作用。

價值工程從對象所必備的功能與成本的匹配關系為出發(fā)點，以功能分析為核心[3-4]，在分析對象功能的基礎上來研究對象的結(jié)構和材質(zhì)等問題，是一種非常有效的技術分析方法[5]，特別適用于大型工程方案的對比優(yōu)化分析。

本文從高鐵隧道單雙洞的選擇、以及隧道工程設計方案11項指標進行了詳細的分析和評價，提出了相應的隧道優(yōu)化理念，為后續(xù)的類似工程分析提供借鑒和參考。

1 項目背景

本文依托隆新高速鐵路[6]RDC05標段隧道工程進行研究分析。隆新高速鐵路全長約350 km，其中馬來西亞境內(nèi)約335 km，新加坡境內(nèi)約15 km。其中隧道共計8座，全長約14.29 km，全部為雙線隧道。

依托工程隧道位于Johor州，地處低山丘陵地帶，隧道最大埋深約129 m，隧道進口里程為CK132+320，出口里程為CK134+150，全長1 830 m。隧道穿越段地形復雜，地表植被茂密，所處國家土地私有，征地及交通較為不便(見圖1)。

圖1 隧道方案示意圖

2 對象的選擇

由于當?shù)罔F路隧道工程較少，各界對隧道工程的重視度較高，加之隧道工程造價較高，且施工工期較長，施工難度較大，施工占用勞動力較多，以上是影響該地區(qū)隧道工程進度、質(zhì)量和價值的關鍵因素。因此，根據(jù)價值工程的對象選擇原則，將該隧道工程列為VE研究對象是很有必要的。

3 系統(tǒng)功能分析

3.1 功能結(jié)構

隧道工程設計方案確定過程中邀請了5位相關方面的專家，采用VE提問法進行分析和評價，對隧道工程的功能結(jié)構進行了劃分，如圖2所示。

圖2 隧道工程設計方案功能結(jié)構

3.2 功能分析

根據(jù)VE技術，分析并找出隧道工程設計方案中功能不足之處予以補充，同時對隧道設計方案中的過剩功能和不必要功能予以剔除，組成必要和完整的設計方案分解系統(tǒng)WBS(Working Breakdown System，WBS)。比如，依托項目中高速鐵路隧道長1 830 m，根據(jù)隧道所處的現(xiàn)場條件，采用的設計體系及具體的技術要求，設計了高鐵隧道所必須的防災疏散救援通道、出入口、隧道通風、照明、消防等輔助結(jié)構。同時，由于考慮隧道為排水型隧道，剔除了結(jié)構抗水壓等不必要的功能要求[7-8]。經(jīng)過系統(tǒng)的功能定義和歸納，整理出4項一級功能，包括：線形及內(nèi)輪廓、結(jié)構及耐久性、隧道防排水、防災疏散救援等方面[9-10]。14項二級功能見圖3。

圖3 隧道工程設計方案功能系統(tǒng)結(jié)構圖

4 功能評價

4.1 功能重要性系數(shù)

根據(jù)上述功能系統(tǒng)，采用功能系數(shù)綜合評價方法對功能價值進行分析和評價[11]，確定各項功能的重要性系數(shù)fi。經(jīng)過5位經(jīng)驗豐富的地質(zhì)及隧道方面的工程師采用多比例打分法對上述6項一級功能Fun 01—Fun 06的重要性進行打分(對比評分中按照0∶10，1∶9，2∶8，3∶7，4∶6及5∶5確定功能的重要程度)，各項功能的重要性系數(shù)fi=Fi/∑Fi，通過匯總分析得到隧道功能重要度評價表，如表1所示。

表1 隧道功能重要度評價表

4.2 功能費用系數(shù)

根據(jù)WBS方案圖，將隧道工程設計方案11項工程費用分攤到Fun 01—Fun 04六級子功能中，從而計算得出各個功能成本[12]Ci，根據(jù)單項功能費用與總費用關系計算功能費用系數(shù)ci=Ci/∑Ci。結(jié)果見表2。

表2 目標成本及成本系數(shù)表

4.3 計算價值系數(shù)

價值工程是將產(chǎn)品的價值、功能和成本作為一個整體同時來考慮。根據(jù)價值(V)、功能(F)、費用(C)三個基本要素的相互關系，可以得到：

V=F/C

(1)

式中：F為評價對象的功能價值，或稱為功能指數(shù)；C為評價對象的成本指數(shù)。

通過對上述功能價值系數(shù)的統(tǒng)計分析，可以得到各個功能價值系數(shù)，如表3所示。

表3 功能價值系數(shù)計算表

以上對對象價值系數(shù)的評價分析，可以得到以下幾種結(jié)果：

(1)Vi=1，標識功能價值等于功能實現(xiàn)成本。這表明評價對象功能實現(xiàn)成本與施工功能所必需的最低成本大致相當，說明評價對象的價值為最佳，一般無需改進。

(2)Vi<1，此時功能實現(xiàn)成本大于功能評價值。這表明評價對象的實現(xiàn)成本偏高，而功能要求不高，此種情況可能是存在著過剩的功能，也可能是功能雖無過剩，但實現(xiàn)功能的條件或方法不佳，以至使實現(xiàn)功能的成本大于功能實際需要的成本。

(3)Vi>1，說明該評價對象的功能比較重要，但分配的成本較少，即功能實現(xiàn)成本低于功能評價值。應具體分析，可能功能與成本分配已較理想，也有可能存在不必要的功能，對于后者應該提高成本。

(4)Vi=0，因為只有分子為0，或者分母趨于∞時，才能是Vi=0。如果是完全不必要的功能，則取消該評價對象；但如果是較為不重要的必要功能，要根據(jù)實際情況處理。

然而，在具體的工程方案設計中，價值系數(shù)等于1或0的情況比較少，對于價值系數(shù)趨于1時，對象的功能與成本大致平衡，可以認為功能與成本較為匹配，方案合理可行，不必作為改進對象。

4.4 確定提高隧道功能價值的改進目標成本

對于建設工程，應用價值工程的重點是在規(guī)劃和設計階段[13]，因為這兩個階段是提高技術方案經(jīng)濟效果的關鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)價值工程基本原理公式V=F/C，提高價值工程有以下五種途經(jīng)，見表4。

表4 價值工程提高途經(jīng)類型表

由價值工程提高途經(jīng)類型表，對價值工程提高途徑進行分析：(1) 雙向型為增加功能的同時，減少工程投資，該方案為最佳方案，但實現(xiàn)的概率較低。(2) 改進型為保持成本不變的同時提高工程的功能；(3) 節(jié)約型為保持功能不變的情況下，有效的節(jié)約工程投資；(4) 投資型為在增加投資不多的情況下，功能可以較大幅度提升，有效改善產(chǎn)品的附加功能；(5) 犧牲型為適當減少工程功能的情況下大幅度減少投資，有效節(jié)約工程的投資。

5 設計方案的評價和優(yōu)化理念

通過上述綜合分析：線型及隧道內(nèi)輪廓Fun 01，單洞雙線的價值系數(shù)1.02，而雙洞單線的價值系數(shù)1.01，說明兩種方案價值系數(shù)相當；結(jié)構及耐久性Fun 02，價值系數(shù)分別為0.99和1.02，采用雙洞單線隧道投資較大，結(jié)構及耐久性功能相當；防排水方案Fun 02，價值系數(shù)分別為0.97和0.89，采用雙洞單線隧道在清污分流上不如單洞隧道便利，其功能上可進一步優(yōu)化；從防災疏散救援Fun 04方面來看，單洞雙線的價值系數(shù)1.01，而雙洞單線的價值系數(shù)1.21，說明兩種方案均能滿足功能要求，但雙洞單線功能過高，可以適當降低功能，節(jié)約部分投資。

依托工程隧道長度為1 830 m，對于災害工況下列車運行能力和應急處理能力方面，單、雙洞隧道均能滿足其各項功能要求。其中，在疏散條件功能完備的同時，對于雙洞單線隧道設計方案，由于線路平縱斷面、隧道前后工程的銜接以及結(jié)構工程數(shù)量的增加導致投資額增加較多，而不能顯著增加其功能系數(shù)。故本隧道工程采用了單洞雙線隧道設置一處緊急出口的方案，達到實現(xiàn)功能的同時，有效降低了工程建設投資及運營維護的費用[14]。

由于隧道工程設計方案考慮因素較多，且施工工藝復雜，受多方面因素的制約，在設計之初對其進行細致的價值工程分析，尋求達到不降低工程功能要求的條件下盡可能節(jié)約工程投資的目的。本案例通過價值工程的比選，實現(xiàn)了高鐵隧道功能的同時，大大降低了隧道工程的建設成本，為了我國高速鐵路隧道設計“走出去”，提高對英標、歐標的適應性，提出了相應的優(yōu)化理念：

(1) 為滿足火災工況下快速疏散的目的，在不增大斷面尺寸的情況下將隧道兩側(cè)的水溝電纜槽道加高460 mm，作為疏散通道，確保災害工況下人員能從列車車廂安全進入隧道內(nèi)的疏散通道。

(2) 為了適應我國高速鐵路“走出去”戰(zhàn)略，針對對英標、歐標等國際標準的適應性，對防災疏散救援進行了充分的研究，對比TSI、UIC、NFPA130等國際標準要求，確定了隧道內(nèi)間隔不大于1 000 m設置一處緊急出口或避難所是合理可行的[15]。本案例隧道設置了1處緊急出口，有效降低了工程建設投資及運營維護費用。

(3) 取消隧道內(nèi)兩側(cè)水溝，襯砌結(jié)構外側(cè)的地下水通過縱向盲管自洞口排至洞外低洼處或與路塹側(cè)溝相連，隧道中心溝集中排放隧道內(nèi)其他積水，在洞口附近設置沉淀池集中處理積水，達到清污分流的目的。

6 結(jié) 論

價值工程在項目方案制定及設計階段尤為重要，其涉及不斷創(chuàng)新的過程，價值工程分析過程中應充分利用專家群體知識和決策技術，尋求多渠道的改進途經(jīng)和方法。應用VE綜合評價技術，不僅可以在早期工程方案的確定階段靈活應用價值工程，同時，針對工程的具體設計中，結(jié)合有效的施工組織和運營維護方案，在確保隧道工程必備功能完善的條件下，可以較多的節(jié)約工程投資，或投資不變的條件下，進一步提升隧道工程的功能水平，以此達到節(jié)約隧道工程投資、維修及管理費用的目的。

(1) 本文依托具體的高速鐵路隧道工程，提出了一種基于復雜價值工程的高速鐵路隧道設計方案比選和優(yōu)化模型；利用價值工程詳細的對隧道結(jié)構價值、功能和費用三個指標進行評價分析，進行隧道設計方案的優(yōu)化比選。

(2) 提出在不增大隧道斷面尺寸的情況下將隧道兩側(cè)的水溝電纜槽道加高460 mm，作為疏散通道的設計方案；同時建議防災疏散救援用的隧道緊急出口每1 000 m設置一處較為經(jīng)濟合理。

(3) 價值工程在本文依托隧道工程中的應用，使得此隧道工程達到實現(xiàn)功能的同時，有效降低了工程建設投資及運營維護的費用。本文研究可為價值工程在我國高速鐵路隧道工程領域中的推廣應用提供借鑒和參考。