鐵路工程建造技術(shù)水平綜合指數(shù)評價(jià)體系研究

李恩良 張雷 史俊玲

1.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司土建結(jié)構(gòu)研究所，天津 300308；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京 100081

截至2020年12月，中國鐵路營業(yè)里程達(dá)14.6萬km，其中高速鐵路3.8 萬km，居世界第一。多數(shù)擁有鐵路的國家都在開展高速鐵路規(guī)劃和建設(shè)，鐵路建造技術(shù)競爭日趨激烈。既有鐵路工程評價(jià)體系均是在特定時(shí)代背景下建立的，關(guān)注點(diǎn)不同，評價(jià)主體也不相同。從目前世界鐵路工程建造技術(shù)水平來看，既有體系的評價(jià)指標(biāo)都不夠全面。世界各國的發(fā)展情況、自然條件、建設(shè)難度等不盡相同，要構(gòu)建一套融合各國鐵路當(dāng)前建造技術(shù)水平、建造規(guī)模、未來發(fā)展等因素的綜合指數(shù)評價(jià)體系，尚需結(jié)合目前鐵路最新發(fā)展情況對既有評價(jià)體系進(jìn)行豐富和擴(kuò)展。

1 綜合指數(shù)評價(jià)體系構(gòu)建

1.1 綜合指數(shù)評價(jià)的目標(biāo)

鐵路工程建造技術(shù)綜合指數(shù)評價(jià)，旨在通過篩選整理出能夠反映世界各國鐵路工程建造技術(shù)發(fā)展情況的關(guān)鍵指標(biāo)，并根據(jù)這些指標(biāo)通過通俗易懂的運(yùn)算法則得到各國鐵路發(fā)展綜合指數(shù)，以此來分析各國的鐵路發(fā)展現(xiàn)狀和潛力，科學(xué)評價(jià)世界各國鐵路工程建造技術(shù)水平。

1.2 評價(jià)指標(biāo)選擇要求

鐵路工程建造技術(shù)水平綜合指數(shù)評價(jià)體系需反映各國鐵路工程建設(shè)技術(shù)水平的整體情況，因此應(yīng)以不同鐵路工程類型為基礎(chǔ)，將能夠反映各國鐵路工程建造技術(shù)發(fā)展情況的關(guān)鍵指標(biāo)作為評價(jià)對象。

中國國家鐵路集團(tuán)有限公司發(fā)布的鐵總發(fā)改〔2019〕86 號《關(guān)于加強(qiáng)鐵路高質(zhì)量發(fā)展統(tǒng)計(jì)指標(biāo)體系建設(shè)的通知》中對“鐵路工程建造技術(shù)水平綜合指數(shù)”的詳細(xì)解釋為：“特殊自然環(huán)境（高原、高寒、風(fēng)沙）、復(fù)雜地質(zhì)條件下（斷層、地震烈度、巖溶、地應(yīng)力、高溫等）工程項(xiàng)目，重大工程（長大隧道、大跨橋梁等），建造規(guī)模（年投產(chǎn)里程）等方面在世界鐵路行業(yè)中排名倒數(shù)之和。”

隨著國內(nèi)京雄高速鐵路、京張高速鐵路的建設(shè)，BIM技術(shù)、裝配式技術(shù)、智能建造技術(shù)等一批新建造技術(shù)得到快速發(fā)展［1-2］，這些技術(shù)是我國鐵路建設(shè)的最新成就，也代表著世界鐵路建設(shè)領(lǐng)域新的發(fā)展方向。因此，選擇評價(jià)指標(biāo)時(shí)應(yīng)考慮智能建造方面的指標(biāo)。

1.3 綜合指數(shù)評價(jià)體系構(gòu)成

根據(jù)上述要求，結(jié)合近年來世界各國鐵路的發(fā)展與創(chuàng)新，基于專業(yè)屬性和公眾視角選取了6個(gè)二級評價(jià)指標(biāo)和12個(gè)三級評價(jià)指標(biāo)，確定了一套三級綜合評價(jià)體系。第一級為綜合評價(jià)，第二級為分項(xiàng)評價(jià)，第三級為單項(xiàng)評價(jià)，詳見圖1。

圖1 鐵路工程建造技術(shù)水平綜合指數(shù)評價(jià)體系構(gòu)成

2 綜合指數(shù)計(jì)算方法

2.1 三級評價(jià)單項(xiàng)指標(biāo)分值計(jì)算方法

1）高速鐵路指標(biāo)IGS。該指標(biāo)反映一個(gè)國家高速鐵路技術(shù)水平，選取易讓大眾接受的該國鐵路最高運(yùn)營速度作為IGS的分值。速度的單位為km∕h。

2）重載鐵路指標(biāo)IZZ。該指標(biāo)反映一個(gè)國家重載鐵路技術(shù)水平。根據(jù)我國現(xiàn)行TB 10625—2017《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中重載鐵路的定義，選取線路的牽引質(zhì)量M、軸重T和年運(yùn)量Q作為計(jì)分因素，并考慮權(quán)重。IZZ= 0.5M∕8 000+0.3T∕270+0.2Q∕40。M、T、N的單位分別為t、kN、Mt。

3）高原高速鐵路指標(biāo)IGG。該指標(biāo)反映一國高原高速鐵路技術(shù)水平，將該國高速鐵路海拔最高線路高程作為IGG的分值。高程單位為m，下同。

4）高原普速鐵路指標(biāo)IGP。該指標(biāo)反映一國高原普速鐵路技術(shù)水平，將該國普速鐵路海拔最高線路高程作為IGP的分值。

5）嚴(yán)寒高速鐵路指標(biāo)IHG。該指標(biāo)反映一國嚴(yán)寒高速鐵路技術(shù)水平，將該國高速鐵路歷年極端最低環(huán)境溫度的絕對值作為IHG的分值。溫度單位為℃，下同。

6）嚴(yán)寒普速鐵路指標(biāo)IHP。該指標(biāo)反映一國嚴(yán)寒普速鐵路技術(shù)水平，將該國普速鐵路歷年極端最低環(huán)境溫度的絕對值作為IHP的分值。

7）橋梁指標(biāo)IQL。該指標(biāo)反映一國橋梁技術(shù)水平。反映橋梁技術(shù)水平的最重要因素為主跨長度和橋上列車的運(yùn)行速度。當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)速高于200 km 時(shí)，橋梁剛度、線形等控制難度越來越大。因此，選取該國最具代表性橋梁主跨的跨度L作為IQL的計(jì)分因素，并考慮設(shè)計(jì)運(yùn)行速度V的影響。IQL=（V∕200）L=VL∕200。L、V的單位分別為m、km∕h。

8）隧道指標(biāo)ISD。該指標(biāo)反映一國隧道的技術(shù)水平，反映隧道技術(shù)水平的最重要因素為隧道的長度A和斷面跨度B。隧道斷面跨度大于12 m 時(shí)，開挖難度將進(jìn)一步增加。因此，選取該國最具代表性的隧道長度作為ISD的計(jì)分因素，并考慮斷面跨度的影響。ISD=（B∕12）A=AB∕12。A、B的單位分別為km、m。

9）年投產(chǎn)高速鐵路指標(biāo)ILG。該指標(biāo)反映一國高速鐵路年投產(chǎn)規(guī)模，選取年投產(chǎn)高速鐵路里程作為ILG的分值。里程單位為km，下同。

10）年投產(chǎn)普速鐵路指標(biāo)ILP。該指標(biāo)反映一國普速鐵路年投產(chǎn)規(guī)模，選取年投產(chǎn)單線、雙線普速鐵路里程C、D作為計(jì)分因素，雙線鐵路考慮1.2 的規(guī)模增大系數(shù)。ILP=C+1.2D。

11）年投產(chǎn)電氣化改造鐵路指標(biāo)ILD。該指標(biāo)反映一國既有鐵路電氣化改造年投產(chǎn)規(guī)模，將年投產(chǎn)既有鐵路電氣化改造里程作為ILD的分值。

12）智能建造指標(biāo)IZJ。該指標(biāo)反映一國鐵路建造技術(shù)未來發(fā)展方向，將采用智能設(shè)計(jì)、智能建設(shè)管理和智能施工的鐵路里程作為IZJ的分值。

2.2 各級評價(jià)指數(shù)計(jì)算方法

一級綜合評價(jià)指數(shù)N等于6個(gè)二級評價(jià)指標(biāo)指數(shù)之和，N=N1+N2+N3+N4+N5+N6。

二級分項(xiàng)評價(jià)指數(shù)等于相應(yīng)三級評價(jià)指標(biāo)指數(shù)之和，如技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)N1=N11+N12，其他類同。

三級單項(xiàng)評價(jià)指數(shù)等于各評價(jià)指標(biāo)分值在國際上排名的倒數(shù)，如高速鐵路指數(shù)N11=1∕PGS，其他類同。

綜 上 可 得 綜 合 指 數(shù)N= 1∕PGS+ 1∕PZZ+ 1∕PGG+1∕PGP+1∕PHG+1∕PHP+1∕PQL+1∕PSD+1∕PLG+1∕PLP+1∕PLD+1∕PZJ。其中：PGS為各國IGS的國際排名，其他類同。

3 世界各國鐵路工程建造技術(shù)水平調(diào)研分析

3.1 調(diào)研對象的選取

目前有146個(gè)國家擁有鐵路，選取所有已開通運(yùn)營高速鐵路、重載鐵路、高原鐵路（海拔1 000 m 以上的鐵路）、嚴(yán)寒鐵路（最冷月平均氣溫-8 ℃以下）、擁有重大代表性橋梁和隧道工程以及近年來鐵路營業(yè)里程有明顯變化的34個(gè)國家和地區(qū)為研究對象。其分別為德國、法國、西班牙、意大利、英國、日本、韓國、俄羅斯、美國、加拿大、巴西、阿根廷、印度、澳大利亞、南非、瑞典、波蘭、芬蘭、挪威、丹麥、奧地利、瑞士、荷蘭、比利時(shí)、土耳其、摩洛哥、伊朗、泰國、沙特阿拉伯、秘魯、玻利維亞、肯尼亞、中國、中國臺灣。

3.2 三級單項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)調(diào)研分析

根據(jù)前述調(diào)研對象和計(jì)算方法，得到各三級評價(jià)指標(biāo)的得分排名情況，這里僅列出各評價(jià)指標(biāo)國際排名第一的情況，見表1。

表1 各評價(jià)指標(biāo)國際排名第一的情況

由表1 可知，在12 項(xiàng)三級評價(jià)指標(biāo)中，中國有10項(xiàng)指標(biāo)得分國際排名第一。

3.3 二級分項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)調(diào)研分析

1）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)

對于高速鐵路，中國、日本、德國、法國、意大利、西班牙、韓國、中國臺灣的高速鐵路運(yùn)營時(shí)速都達(dá)到了300 km 以上［3］。從2017年9月21日起，“復(fù)興號”在京滬高速鐵路率先實(shí)現(xiàn)了時(shí)速350 km 運(yùn)營，使中國高速鐵路的運(yùn)營速度領(lǐng)先世界。

對于重載鐵路，從綜合指標(biāo)來看中國領(lǐng)先，從牽引質(zhì)量來看巴西、澳大利亞、中國分別達(dá)到了3 萬t、4 萬 t、2 萬 t；從 軸 重 來 看 澳 大 利 亞 達(dá) 到 了 375 kN 以上，美國為320 kN，南非和瑞典均為300 kN，巴西為275 kN，中國為270 kN；從年運(yùn)量來看中國的大秦鐵路達(dá)到了450 Mt［4］。因此，在重載鐵路牽引質(zhì)量和軸重方面我國與上述國家尚有一定的差距。

2）高原鐵路指標(biāo)

對于高原高速鐵路，我國的蘭新高速鐵路途經(jīng)青藏高原北部，突破了高風(fēng)沙等惡劣自然環(huán)境的限制，海拔最高為4 345 m，其他國家沒有高原高速鐵路。

對于高原普速鐵路，我國的青藏鐵路以其最高海拔5 072 m 排在首位，并突破了高原凍土、風(fēng)沙、生態(tài)環(huán)境等多項(xiàng)技術(shù)難題［5］。其次是秘魯?shù)陌驳谒怪醒腓F路最高海拔為4 818 m、玻利維亞的Ferrocarril de Antofagasta a Bolivia 鐵路最高海波4 815 m、阿根廷的薩爾塔—安托法加斯塔鐵路最高海拔4 221 m，其他國家高原普速鐵路最高海拔均未超過4 000 m。

3）嚴(yán)寒鐵路指標(biāo)

對于嚴(yán)寒高速鐵路，我國的哈大高速鐵路、哈齊高速鐵路設(shè)計(jì)極限最低溫度已達(dá)到-40 ℃［6］，排名第一。其次是芬蘭境內(nèi)的俄羅斯圣彼得堡—芬蘭赫爾辛基高速鐵路，極限最低溫度為-36 ℃。

對于嚴(yán)寒普速鐵路，日本的JR宗谷本線設(shè)計(jì)極限最低溫度達(dá)到了-41 ℃，瑞典東北部干線鐵路為-40 ℃、俄羅斯的中西伯利亞鐵路為-38 ℃，我國哈佳鐵路為-37.7 ℃。

4）重大工程指標(biāo)

對于重大橋梁，我國國際排名第一，最大跨橋梁為滬蘇通長江公鐵大橋，主跨跨度已達(dá)到1 092 m。其次為西班牙，其最大跨橋梁阿爾蒙特河拱橋主跨跨度為384 m。因此我國在重大橋梁工程方面優(yōu)勢明顯。

對于重大隧道，韓國、瑞士、日本、英國等國最長隧道均達(dá)到了50 km 以上，綜合得分最高的為韓國的栗峴（Yulhyeon）隧道，隧道長度為50.52 m，跨度為12 m。中國最長的隧道為青藏鐵路新關(guān)角隧道，全長32.645 km，跨度約8 m，在各國最長隧道綜合得分中排名第八。

5）建造規(guī)模指標(biāo)

近年來中國在鐵路建設(shè)方面持續(xù)大規(guī)模投入，在年投產(chǎn)高速鐵路、普速鐵路、電氣化改造鐵路方面均領(lǐng)先。歐美國家近年來鐵路建設(shè)規(guī)模較小或停滯不前，在年投產(chǎn)里程方面相對落后。

6）智能建造指標(biāo)

隨著京張、京雄等高速鐵路的建設(shè)，基于BIM 的三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)、裝配式施工技術(shù)、智能建設(shè)管理及協(xié)同施工技術(shù)、智能監(jiān)控及聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)等一大批高新技術(shù)得到應(yīng)用。在鐵路智能建造領(lǐng)域中，我國走在了世界各國的前列。

3.4 一級綜合評價(jià)及分析

根據(jù)調(diào)研情況，計(jì)算得到各調(diào)研對象的鐵路工程建造技術(shù)水平綜合指數(shù)及排名，見表2。可知：在各調(diào)研對象的鐵路工程建造技術(shù)水平綜合指數(shù)排名中，中國第一，大幅領(lǐng)先其他國家和地區(qū)；第二名到第十名依次為日本、西班牙、韓國、瑞典、瑞士、俄羅斯、芬蘭、丹麥和印度。

表2 各調(diào)研對象鐵路工程建造技術(shù)水平綜合指數(shù)及排名

4 結(jié)論

1）針對現(xiàn)有評價(jià)體系不能準(zhǔn)確反映各國鐵路工程建造技術(shù)在國際上的發(fā)展定位問題，基于專業(yè)屬性及公眾視角選取19個(gè)指標(biāo)建立了一套三級鐵路工程建造技術(shù)水平綜合指數(shù)評價(jià)體系。

2）在12個(gè)三級單項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)中中國占據(jù)10個(gè)第一，在6個(gè)二級分項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)中中國占據(jù)4 項(xiàng)第一，但在重載鐵路、隧道工程方面中國與其他國家尚有一定的差距。

3）鐵路工程建造技術(shù)水平綜合指數(shù)排前十名的國家分別為中國、日本、西班牙、韓國、瑞典、瑞士、俄羅斯、芬蘭、丹麥和印度。