軌道交通無砟軌道經濟評價研究綜述*

李懷龍 李遠富

(1.西南交通大學土木工程學院，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、保護環境、節約能源和用地等顯著優勢，在交通運輸體系中占據著重要地位。而無砟軌道因為具有穩定性高、剛度均勻、結構耐久性強、維修工作量少等技術特點，基本取代了傳統的有砟軌道，成為了軌道交通主流的軌道結構，在世界范圍內得到了廣泛應用。

無砟軌道最早從20世紀60年代開始，由德國和日本研發，首先應用于高速鐵路。我國從20世紀90年代開始，迅速走過了引進消化吸收再創新的歷程，形成了以CRTS(Chinese Railway Track System，中國鐵路軌道系統)Ⅰ型板、Ⅱ型板、Ⅲ型板以及雙塊式為主的無砟軌道技術體系。目前在我國，包括高速鐵路、城際鐵路、城市軌道交通在內的大規模軌道交通建設正在進行，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，工程建設成本增加較大，根據德國和日本的經驗，無砟軌道的建設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，它們的關系需要深入研究。當前，我國應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，無砟軌道經濟評價研究越來越受到重視。

本文主要介紹了軌道交通領域無砟軌道經濟評價的國內外研究現狀，闡述了研究發展趨勢，并結合我國軌道交通事業的建設和發展，提出了下一步研究方向的建議。

1 國外無砟軌道經濟評價研究現狀

1.1 初步研究

無砟軌道首先應用于高速鐵路，日本、法國、德國作為高速鐵路傳統大國，也最早開展了無砟軌道經濟性研究。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，因而在無砟軌道經濟評價方面得到了廣泛應用。早期的研究主要是應用該方法，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，日本開始研發新型的軌道結構，經過幾十年的發展，日本研發定型了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。日本總結板式軌道在山陽新干線應用20年來的經驗指出: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年內償還。根據維修數據分析，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數據進行了分析，結果表明:板式軌道的建設費用約為有砟軌道的1.27倍;由于年維護費用大大降低，相應費用的節省使得建設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年的數據，比較了無砟軌道、有砟軌道的建設費用和維修費用。研究結果表明，當利率減去通貨膨脹率的數值低于7%時，無砟軌道的總費用較低，研究設定的前提是無砟軌道的建設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計分析。根據統計資料，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，德國鐵路應用全壽命周期成本分析法，考慮了無砟軌道和有砟軌道結構的不同壽命，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初期，工程造價是有砟軌道的好幾倍，隨著技術的成熟和發展，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濟性。

1.2 近年來的深入研究

隨著世界軌道交通事業的發展，越來越多的城市軌道交通開始采用無砟軌道，對無砟軌道經濟性的研究也更趨向深入。研究人員在前期應用全壽命周期成本分析法的基礎上，重點關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性能與經濟指標的結合，并考慮包括環境影響在內的社會影響，擴展了全壽命周期成本的內涵。

1.2.1 全壽命周期成本分析法的延伸應用

(1)鐵路的設計和運營維護。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。在鐵路的設計和運營階段的應用，主要目的是為在設計階段無砟軌道的選型以及運營階段軌道結構(包括部件)的維護策略優化提供支撐。如文獻［1］以荷蘭高速鐵路為例，應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，以及軌道和道岔的維護更新策略。研究人員還引入了風險分析，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濟壽命，提出了建議模型，并結合實例進行了驗證。文獻［3］將蒙特卡羅模擬和試驗設計法結合，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的不確定性因素，為鐵路基礎設施的維護更新策略優化提供支撐。

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

1.2.2 LCC 與 RAMS的結合

研究人員在關注無砟軌道經濟成本的同時，開始研究技術性能與經濟成本的關系，引入RAMS技術(Reliability可靠性，Availability可用性，Maintainability可維護性，Safety安全性)，將LCC與RAMS結合起來，以實現無砟軌道技術性能與經濟成本的綜合優化。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勢;文獻［8］將LCC和RA(reliability可靠性，availability可用性)結合起來，研究了包括建設投資、運營維護、可用性、可靠性在內的全壽命周期成本，并應用于鐵路的設計階段;文獻［9］將RAMS和LCC結合起來，應用于鐵路軌道運營維護階段，尋找優化的維修策略;文獻［10］將RAMS和LCC結合起來應用于鐵路軌道領域，研究了數據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 的結合

由于城市軌道交通與城市居民的生活密切相關，包括環境影響成本在內的社會經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，社會經濟成本)結合，應用于城市軌道交通領域(有軌電車、地鐵、輕軌)，建立了標準化的計算工具，分析了軌道技術對經濟成本的影響，并將部分定性分析轉化為定量分析，最后對4個實例進行了評價。結果表明，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，往往具有更高的全壽命周期成本，但在社會經濟方面具有更好的優勢(交通堵塞、噪聲、振動、二氧化碳排放等)。

綜上所述，西方學者關于無砟軌道經濟評價的研究比較深入，將LCC與RAMS、風險分析、社會經濟因素(包括環境影響)等結合起來，建立了相應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合，始終是需要進一步研究的難題。

2 國內無砟軌道經濟評價研究現狀

2.1 初步研究

無砟軌道在我國首先應用于高速鐵路。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、日本的相應數值。2004年建設的遂渝線相關數據表明，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，與秦沈線的數據相比有所下降，其中雙塊式無砟軌道造價與有砟軌道比值在2左右，與國外的相應數據比較一致。

2.2 進一步研究

隨著我國軌道交通事業的發展，城際鐵路和城市軌道交通也開始大規模使用無砟軌道。早期關于無砟軌道經濟性的研究主要集中在設計、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。相關的研究主要包括:

(1)技術經濟分析。我國無砟軌道形式較多，設計階段的無砟軌道選型成為關注的重點。研究人員結合高速鐵路、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經濟分析，研究了包括經濟成本在內的多項指標。如:文獻［12］對雙塊式無砟軌道和板式無砟軌道的建設直接成本、建設間接成本、維修費用和運營效率等技術經濟指標進行了研究分析。文獻［13］根據城市軌道交通的特點，分析了運營特征，提出了軌道結構選型的基本要求，建議城市軌道交通應優先采用無砟軌道。在軌道結構選型時，不但要注意節約投資，更要重視運營階段對環境保護的要求，在不同的地區應選擇不同類型的減振降噪型軌道結構。文獻［14］根據城際鐵路的特點，分析了城際鐵路對軌道結構的要求，提出了軌道結構的選型原則，并通過對鋼軌、扣件和軌下基礎的分析比較，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構形式及主要結構設計參數，比較了無砟軌道和有砟軌道的優缺點，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優缺點、經濟性、知識產權等進行了比較分析，建議鋪設雙塊式無砟軌道，還指出了優化設計的研究方向。

(2)全壽命周期成本方法研究。在無砟軌道經濟評價理論和方法研究方面，文獻［16］提出應用價值工程進行全壽命經濟分析的新思路;文獻［17］參考德國的相關研究，將LCC法應用于我國無砟軌道經濟性研究中，并結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合，考慮無砟軌道的工程建設費用和養護維修費用，討論了具有不確定性的研究參數取值范圍。

(3)工程造價研究。研究人員結合我國軌道交通工程建設，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容，研究了無砟軌道工程定額測定問題;文獻［20］結合遂渝線鐵路工程，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，調整、計算了更為合理的綜合工程造價指標和專業單項工程造價指標，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和經濟指標進行綜合評價。文獻［22］應用層次分析法和模糊綜合評價相結合的方法，建立模糊模型，從系統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，利用該系統對無砟軌道中的典型代表進行了定量綜合評價和分析，并結合實例對該系統進行了驗證［23］。

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

3 結語

當前我國大規模的軌道交通建設尚未結束，有必要借鑒學習西方的經驗，結合我國軌道交通工程實踐，建立無砟軌道經濟評價的理論體系和計算模型，為我國軌道交通事業的建設和發展提供支撐。建議加強以下方面的研究。

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

(2)標準化的基礎數據:基礎數據是經濟評價的依據，有必要建立標準化的基礎數據體系，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，并結合工程實踐進一步修正。

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

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