價(jià)值工程在高鐵隧道優(yōu)化中的應(yīng)用研究

展宏躍， 孟慶余

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)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(shè)，越來越多的高速鐵路隧道建成運(yùn)營，由于高速鐵路速度快，標(biāo)準(zhǔn)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(shù)、安全、節(jié)能環(huán)保至性價(jià)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(shè)計(jì)、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(lǐng)作用，比如正在施工的印尼雅萬高速鐵路，正在參與設(shè)計(jì)的隆新高速鐵路等。

由于國內(nèi)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化使得價(jià)值工程的應(yīng)用相對較少，而國外工程的設(shè)計(jì)、咨詢等參與的國際公司較多，國際鐵路隧道的設(shè)計(jì)、施工對價(jià)值工程的應(yīng)用相對國內(nèi)更廣泛，從設(shè)計(jì)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(jià)值工程來進(jìn)行細(xì)致的評價(jià)，因此，合理的利用價(jià)值工程進(jìn)行分析研究對項(xiàng)目的實(shí)施起到了不可忽視的作用。

價(jià)值工程從對象所必備的功能與成本的匹配關(guān)系為出發(fā)點(diǎn)，以功能分析為核心[3-4]，在分析對象功能的基礎(chǔ)上來研究對象的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)等問題，是一種非常有效的技術(shù)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(shè)計(jì)方案11項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和評價(jià)，提出了相應(yīng)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(xiàng)目背景

本文依托隆新高速鐵路[6]RDC05標(biāo)段隧道工程進(jìn)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(jì)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(jìn)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(fù)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(dāng)?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(jià)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(jìn)度、質(zhì)量和價(jià)值的關(guān)鍵因素。因此，根據(jù)價(jià)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(gòu)

隧道工程設(shè)計(jì)方案確定過程中邀請了5位相關(guān)方面的專家，采用VE提問法進(jìn)行分析和評價(jià)，對隧道工程的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了劃分，如圖2所示。

圖2 隧道工程設(shè)計(jì)方案功能結(jié)構(gòu)

3.2 功能分析

根據(jù)VE技術(shù)，分析并找出隧道工程設(shè)計(jì)方案中功能不足之處予以補(bǔ)充，同時(shí)對隧道設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案分解系統(tǒng)WBS(Working Breakdown System，WBS)。比如，依托項(xiàng)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(shè)計(jì)體系及具體的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了高鐵隧道所必須的防災(zāi)疏散救援通道、出入口、隧道通風(fēng)、照明、消防等輔助結(jié)構(gòu)。同時(shí)，由于考慮隧道為排水型隧道，剔除了結(jié)構(gòu)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(xiàng)一級功能，包括：線形及內(nèi)輪廓、結(jié)構(gòu)及耐久性、隧道防排水、防災(zāi)疏散救援等方面[9-10]。14項(xiàng)二級功能見圖3。

圖3 隧道工程設(shè)計(jì)方案功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 功能評價(jià)

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(jià)方法對功能價(jià)值進(jìn)行分析和評價(jià)[11]，確定各項(xiàng)功能的重要性系數(shù)fi。經(jīng)過5位經(jīng)驗(yàn)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(xiàng)一級功能Fun 01—Fun 06的重要性進(jìn)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(xiàng)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(jià)表，如表1所示。

表1 隧道功能重要度評價(jià)表

4.2 功能費(fèi)用系數(shù)

根據(jù)WBS方案圖，將隧道工程設(shè)計(jì)方案11項(xiàng)工程費(fèi)用分?jǐn)偟紽un 01—Fun 04六級子功能中，從而計(jì)算得出各個(gè)功能成本[12]Ci，根據(jù)單項(xiàng)功能費(fèi)用與總費(fèi)用關(guān)系計(jì)算功能費(fèi)用系數(shù)ci=Ci/∑Ci。結(jié)果見表2。

表2 目標(biāo)成本及成本系數(shù)表

4.3 計(jì)算價(jià)值系數(shù)

價(jià)值工程是將產(chǎn)品的價(jià)值、功能和成本作為一個(gè)整體同時(shí)來考慮。根據(jù)價(jià)值(V)、功能(F)、費(fèi)用(C)三個(gè)基本要素的相互關(guān)系，可以得到：

V=F/C

(1)

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

通過對上述功能價(jià)值系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，可以得到各個(gè)功能價(jià)值系數(shù)，如表3所示。

表3 功能價(jià)值系數(shù)計(jì)算表

以上對對象價(jià)值系數(shù)的評價(jià)分析，可以得到以下幾種結(jié)果：

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

(2)Vi<1，此時(shí)功能實(shí)現(xiàn)成本大于功能評價(jià)值。這表明評價(jià)對象的實(shí)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(shí)現(xiàn)功能的條件或方法不佳，以至使實(shí)現(xiàn)功能的成本大于功能實(shí)際需要的成本。

(3)Vi>1，說明該評價(jià)對象的功能比較重要，但分配的成本較少，即功能實(shí)現(xiàn)成本低于功能評價(jià)值。應(yīng)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(yīng)該提高成本。

(4)Vi=0，因?yàn)橹挥蟹肿訛?，或者分母趨于∞時(shí)，才能是Vi=0。如果是完全不必要的功能，則取消該評價(jià)對象；但如果是較為不重要的必要功能，要根據(jù)實(shí)際情況處理。

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

4.4 確定提高隧道功能價(jià)值的改進(jìn)目標(biāo)成本

對于建設(shè)工程，應(yīng)用價(jià)值工程的重點(diǎn)是在規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段[13]，因?yàn)檫@兩個(gè)階段是提高技術(shù)方案經(jīng)濟(jì)效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)價(jià)值工程基本原理公式V=F/C，提高價(jià)值工程有以下五種途經(jīng)，見表4。

表4 價(jià)值工程提高途經(jīng)類型表

由價(jià)值工程提高途經(jīng)類型表，對價(jià)值工程提高途徑進(jìn)行分析：(1) 雙向型為增加功能的同時(shí)，減少工程投資，該方案為最佳方案，但實(shí)現(xiàn)的概率較低。(2) 改進(jìn)型為保持成本不變的同時(shí)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(dāng)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(shè)計(jì)方案的評價(jià)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(jià)值系數(shù)1.02，而雙洞單線的價(jià)值系數(shù)1.01，說明兩種方案價(jià)值系數(shù)相當(dāng)；結(jié)構(gòu)及耐久性Fun 02，價(jià)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(gòu)及耐久性功能相當(dāng)；防排水方案Fun 02，價(jià)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(jìn)一步優(yōu)化；從防災(zāi)疏散救援Fun 04方面來看，單洞雙線的價(jià)值系數(shù)1.01，而雙洞單線的價(jià)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(dāng)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(zāi)害工況下列車運(yùn)行能力和應(yīng)急處理能力方面，單、雙洞隧道均能滿足其各項(xiàng)功能要求。其中，在疏散條件功能完備的同時(shí)，對于雙洞單線隧道設(shè)計(jì)方案，由于線路平縱斷面、隧道前后工程的銜接以及結(jié)構(gòu)工程數(shù)量的增加導(dǎo)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(shè)置一處緊急出口的方案，達(dá)到實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)，有效降低了工程建設(shè)投資及運(yùn)營維護(hù)的費(fèi)用[14]。

由于隧道工程設(shè)計(jì)方案考慮因素較多，且施工工藝復(fù)雜，受多方面因素的制約，在設(shè)計(jì)之初對其進(jìn)行細(xì)致的價(jià)值工程分析，尋求達(dá)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(jià)值工程的比選，實(shí)現(xiàn)了高鐵隧道功能的同時(shí)，大大降低了隧道工程的建設(shè)成本，為了我國高速鐵路隧道設(shè)計(jì)“走出去”，提高對英標(biāo)、歐標(biāo)的適應(yīng)性，提出了相應(yīng)的優(yōu)化理念：

(1) 為滿足火災(zāi)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(zāi)害工況下人員能從列車車廂安全進(jìn)入隧道內(nèi)的疏散通道。

(2) 為了適應(yīng)我國高速鐵路“走出去”戰(zhàn)略，針對對英標(biāo)、歐標(biāo)等國際標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性，對防災(zāi)疏散救援進(jìn)行了充分的研究，對比TSI、UIC、NFPA130等國際標(biāo)準(zhǔn)要求，確定了隧道內(nèi)間隔不大于1 000 m設(shè)置一處緊急出口或避難所是合理可行的[15]。本案例隧道設(shè)置了1處緊急出口，有效降低了工程建設(shè)投資及運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用。

(3) 取消隧道內(nèi)兩側(cè)水溝，襯砌結(jié)構(gòu)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(shè)置沉淀池集中處理積水，達(dá)到清污分流的目的。

6 結(jié) 論

價(jià)值工程在項(xiàng)目方案制定及設(shè)計(jì)階段尤為重要，其涉及不斷創(chuàng)新的過程，價(jià)值工程分析過程中應(yīng)充分利用專家群體知識和決策技術(shù)，尋求多渠道的改進(jìn)途經(jīng)和方法。應(yīng)用VE綜合評價(jià)技術(shù)，不僅可以在早期工程方案的確定階段靈活應(yīng)用價(jià)值工程，同時(shí)，針對工程的具體設(shè)計(jì)中，結(jié)合有效的施工組織和運(yùn)營維護(hù)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(jìn)一步提升隧道工程的功能水平，以此達(dá)到節(jié)約隧道工程投資、維修及管理費(fèi)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(fù)雜價(jià)值工程的高速鐵路隧道設(shè)計(jì)方案比選和優(yōu)化模型；利用價(jià)值工程詳細(xì)的對隧道結(jié)構(gòu)價(jià)值、功能和費(fèi)用三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)分析，進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案；同時(shí)建議防災(zāi)疏散救援用的隧道緊急出口每1 000 m設(shè)置一處較為經(jīng)濟(jì)合理。

(3) 價(jià)值工程在本文依托隧道工程中的應(yīng)用，使得此隧道工程達(dá)到實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)，有效降低了工程建設(shè)投資及運(yùn)營維護(hù)的費(fèi)用。本文研究可為價(jià)值工程在我國高速鐵路隧道工程領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用提供借鑒和參考。