（道路与铁道工程专业论文）我国高速铁路无砟轨道经济性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 针对高速铁路，有砟轨道和无砟轨道各有优缺点。选取何种型式的轨道 结构，考虑其经济性，是我国高速铁路建设中不可缺少的环节。 本文在总结国内外无砟轨道经济性研究方法与结论的基础上，提出应用 寿命周期成本分析法和层次分析法相结合对我国高速铁路无砟轨道经济性进 行研究的思路和方法，并以实例说明这两种方法的分析过程。 在整个轨道寿命周期内，考虑轨道结构本身的工程建设费用和养护维修 费用，以年值法作为寿命周期成本分析的计算模型，通过费用总和的计算， 得出最经济的轨道型式。对于具有不确定性的研究参数，本文讨论了其合理 的取值范围，在此基础上得出寿命周期成本分析结论的置信区间。 比较寿命周期成本经济性分析的范畴更广，层次分析法将间接影响高速 铁路轨道结构经济效益的因素也考虑进来，建立总体经济性评价的层次结构， 各层因素之间的权值由专家打分计算得出。影响轨道结构总体经济性的众多 因素中，轨道建设成本和运营效率( 维修天窗时间) 的权值最高。 本文以时速2 0 0 公里的成灌铁路( 郫县西至青城山段) 为例，采用上述 两种方法，定性分析和定量分析相结合，得出全线铺设无砟轨道的经济性最 优的结论，为成灌铁路无砟轨道的铺设提供经济性依据。同时，也为高速铁 路无砟轨道的经济性，尤其是行车速度更高情况下无砟轨道应用的经济性提 供了理论依据。 关键词无砟轨道；经济性；寿命周期成本；层次分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t a g a i n s tt oh i g h s p e e dr a i l w a y , b a l l a s tt r a c ka n db a l l a s t l e s st r a c kh a v et h e i r o w nm e r i t sa n dd r a w b a c k s i ti sa ni m p o r t a n ts e g m e n tt h a ts t u d i n gt h ee c o n o m i c a l e f f i c i e n c yo fd i f f e r e n tt r a c k si nt r a c kl e c t o t y p ep r o c e d u r e s u m m a r i z i n gt h el o c a la n df o r e i g ns t u d ym e t h o d sa n do u t c o m eo ft h e e c o n o m i c a le f f i c i e n c yo fb a l l a s t l e s st r a c k ，t h i sa r t i c l es u g g e s t su s i n gl i f ec y c l e c o s t i n g ( l c c ) a n da n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) a sm e t h o d st os t u d yt h e e c o n o m i c a le f f i c i e n c yo fb a l l a s t l e s st r a c ko fh i g h s p e e dr a i l w a yi no u r c o u n t r y a f t e rt h a t ，i tg i v e sa ne x a m p l et os h o wt h ea n a l y s i sp r o c e s s t oc o n s i d e rc o n s t r u c t i o nc o s ta n dm a i n t e n a n c ec o s to ft h et r a c ki t s e l f , i t c a l c u l a t e st h et o t a lc o s tw i t h i nl i f ec y c l e ，u s i n ga n n u i t ya si n d e xo fc o m p a r i s o n a c c o r d i n gt ou n c e r t a i n t yf a c t o r s ，t h ea r t i c l ed i s c u s s e st h e i rr e a s o n a b l es p a n s ，a n d g i v e sf i d u c i a li n t e r v a lr a n g eo ft h el c cc o n c l u s i o n i te m b o d i e sn o to n l yt h ed i r e c ti n f l u e n c i n gf a c t o r sb u ta l s oi n d i r e c to n e si n a h ps t u d yo ft h ee c o n o m i c me f f i c i e n c yo fb a l l a s t l e s st r a c k t h i sa r t i c l e e s t a b l i s h e sh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo fp o p u l a t i o ne c o n o m i c a le f f i c i e n c yo ft r a c k ，a n d u s e sm e t h o do fe x p e r tp o i n tr a t i n gt of i xw e i g h ta m o n gt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s ，i n w h i c hi ts h o w st h a tc o n s t r u c t i o nc o s to ft h et r a c ka n dm a i n t e n a n c et i m ea r et h e m o s ti m p o r t a n t t ot a k et h e c h e n g d u - d u j i a n g y a nr a i l w a y ( w e s tp i x i a n - q i n g c h e n g s h a n s e c t i o n ) f o ri n s t a n c e ，u s i n gt h em e t h o d sm e n t i o n e da b o v e ，t h ea r t i c l eg e t st h a ti ti s t h em o s te c o n o m yt r a c ks t r u c t u r et ol a yb a l l a s t l e s st r a c ko nt h ew h o l el i n e i n g e n e r a l ，t h i sa r t i c l es u p p l i e st h e o r yp r o o fo fb u i l d i n gb a l l a s t l e s s t r a c ki n t l i g h s p e e dr a i l w a yf r o mt h ee c o n o m ya s p e c t k e yw o r d s ：b a l l a s t l e s st r a c k ；e c o n o m i c a le f f i c i e n c y ；l i f ec y c l ec o s t i n g ；a n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：马遣 日期：归c 7 纫6 同b 同 乡 tt_，)锄0 立6 轹7 猫 少 师砻 ：导期乜日丁-指日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 本文提出应用寿命周期成本分析法和层次分析法相结合对我国高速 铁路无砟轨道经济性进行研究的思路和方法，并以实例说明这两种方法的分 析过程。 ( 2 ) 本文以年值法作为寿命周期成本分析的计算模型，并对不确定性参 数的合理取值范围进行讨论，在此基础上得出寿命周期成本分析结论的置信 区间。 ( 3 ) 本文建立了轨道结构总体经济性评价的层次结构，通过层次分析法 的计算显示，轨道建设成本和运营效率( 维修天窗时间) 在影响轨道总体经 济性的众多因素中所占权值最高。 学位论文作者签名：马鬯 日期：吲年6 月6 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 从世界范围来看高速行车已成为铁路现代化的重要标志。这是因为高速 铁路具有通过能力大、行车速度快、运输效率高等突出特点。我国疆域辽阔、 人口众多，又处于小康水平的发展阶段，更需要能力大、速度快、运价低廉、 节省能源、安全可靠的高速铁路。建设高速铁路是我国改革开放建立社会主 义市场经济的需要，是国民经济发展和人民生活水平提高的需要，也是强化 和优化现代化综合运输体系的需要，为妥善解决大通道运力紧张和城市间旅 客运输开辟了新的途径。2 0 0 4 年1 月国务院审议通过的中长期铁路网规划 及2 0 0 7 年1 0 月国务院常务会议通过的综合交通网中长期发展规划确定 铁路发展目标为：到2 0 2 0 年全国铁路营业旱程达到1 2 万公里，其中建设时 速2 0 0 公里以上的客运专线达1 8 万公里，快速客运网总规模达到5 万公里 以上。在全国范围内建成“四纵四横 铁路快速客运通道，主要包括京哈客 运专线、京沪高速专线、京广客运专线、杭州一宁波一深圳快速专线、青岛 一太原客运专线、徐州一郑州一兰州客运专线、成都一重庆一武汉一南京快 速专线和浙赣客运专线。铁路“十一五”规划提出“十一五 期间将建设 新线1 7 0 0 0 公里，其中客运专线7 0 0 0 公里，2 0 1 0 年全国铁路营业里程达到9 万公里以上，快速客运网规模达到2 万公里以上。 实现高速铁路的高速度、高安全性和高舒适性，土建工程中的轨道结构 起着重要的基础性作用。目前高速铁路的轨道结构主要有两种类型有砟 轨道和无砟轨道，这两种轨道结构均可运行时速3 0 0 公里的高速列车。 有砟轨道具有建设费用低、噪声传播范围小、建设周期短、弹性良好、 破坏时修复时间短、自动化及机械化维修效率高、轨道超高和几何状态调整 简单等优势。但在高速铁路上，石砟道床的变形非常快，给轨道的维修造成 困难，同时还因为石砟变形的不均匀性造成轨道的各种不平顺，影响高速列 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 车的安全性和舒适性。其次，高速铁路上，因高速行车造成强大的列车风， 致使道砟颗粒被风卷起，道床形状难以保持，不得不采用措施进行道砟表面 封闭，从而使有砟轨道失去了方便维修这一最大的优势。此外，在长大隧道 及城市地铁中，因维修不方便，不宜采用变形快且维修量大的有砟轨道，其 原因在于碎石道床在列车荷载长期作用下产生变形及道砟的磨损和粉化1 2 4 7 1 。 无砟轨道在国内外高速铁路上获得了越来越广泛的应用，其铺设范围己 从桥梁、隧道发展到土质路基和道岔区。无砟轨道具有整体性强，纵向、横 向稳定性高、能持久地保持轨道的几何尺寸、养护维修工作量少、维修费用 小以及使用寿命周期长等优点。在桥梁上铺设无砟轨道可减j , - 期恒载，隧 道中的无砟轨道结构可降低隧道的净空、减少其开挖面积。无砟轨道的缺点 是建设费用较高，轨道施工难度更大、对路基强度要求较高及振动、噪声较 大等1 2 f 3 】。 有砟轨道和无砟轨道对于高速铁路来说各有优缺点。有砟轨道的投资成 本低、维修费用较高，而无砟轨道投资成本较高、维修费用少。因此，选取 何种型式的轨道结构，考虑其经济性，是我国高速铁路建设中不可缺少的环 节。 1 2 国内外无砟轨道经济性研究现状 1 2 1 国外无砟轨道经济性研究现状 1 2 1 1 日本板式无砟轨道的经济性研究 日本是无砟轨道发展较早的国家，在2 0 世纪6 0 年代中期就开始了无砟 轨道的研究与试验并逐步推广应用。东海道新干线由于建造比较早，5 7 51 4k m 全部采用有砟轨道，钢轨采用5 4 k g m ，轨枕长度2 1 4 m ，道床厚度只有 2 0 2 5 c m ，但运营后发现不能维持良好的轨道状态，不得不进行大修，更换 轨道结构。7 0 年代建造的山阳新干线，冈山以东1 6 4k m 的线路，修建了8 k m 的无砟轨道，占线路全长的5 ；冈山以西修建了2 7 3k m 的无砟轨道，占线路 全长的6 9 ；东北新干线铺设无砟轨道4 1 1 k m ，占线路全长的8 2 ；上越新 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 干线铺设无砟轨道2 4 3 k m ，占线路全长的9 1 。目前，无砟轨道不仅在桥梁、 隧道中铺设，而且在路基上也全面推广使用。日本无砟轨道有适用于不同使 用范围的轨道板系列，包括适用于高架桥和隧道的a 型和框架型轨道板、适 用于土质路基上的r a 型轨道板以及特殊减振区段用的防振g 型轨道板。 日本对山阳新干线板式无砟轨道历年各项作业的维修费用进行统计，并 与有砟轨道作了比较，见图1 1 。可以看出，有砟轨道的维修工作主要用于 “捣固 、“高低 及与道床作业有关的“其他”作业。而无砟轨道则完全没 有“捣固作业，“高低、“方向”和“其他”作业量也大大减少。由于板式 轨道几何状态较有砟轨道稳定，维修项目和维修作业量明显减少，为新干线 旅客运输提供了安全可靠、平顺、高质量的轨道，实现了板式无砟轨道少维 修和维修费用大幅度降低的目标。 f 嚣 图1 1 山阳新干线1 9 7 5 1 9 9 4 年年维修费用嘲 根据上图的数据，无砟轨道每年每千米的平均维修费用( 维修工作量) 为有砟轨道相应费用的1 8 左右。 日本铁道综合技术研究所于1 9 9 4 年总结日本铁路板式无砟轨道铺设2 0 年的经验时指出 5 1 ：自1 9 6 4 年东海道新干线开通之后，有砟轨道的轨道维修 和行车之间的矛盾日益突出。在轨道维修中，道床维修工作量占整个维修工 作量的4 0 。在总结中还提到，板式轨道的工程造价是有砟轨道的1 3 1 5 倍，如果线路的年通过总重视1 2 0 0 万吨，则附加的工程投资在1 0 年内可以 偿还。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 由文献 6 ，日本新干线板式轨道和有砟轨道的经济分析见表1 1 。 表1 - 1 东北新干线的有砟轨道和板式轨道的经济性比较( 1 9 9 0 年) 有砟轨道普通板式轨道差额 项目 一 建设费用 1 2 2 2 0 0 1 5 5 0 0 0 3 2 8 0 0 其中：维护人员 0 1 8o 1 30 0 5 年维护费用 1 7 6 8 71 5 2 9 82 3 8 8 ，( 千日y r _ , k m ) 经常费 9 6 2 25 0 6 84 5 5 4 其中：职工工资 1 0 8 77 8 43 0 3 维修费 7 2 8 02 6 8 94 5 9 1 固定资产税 1 2 5 5 1 5 9 5 3 4 0 资本费 8 0 6 51 0 2 3 02 1 6 5 其中：折旧费 3 2 3 54 1 0 08 6 5 利息 4 8 3 06 1 3 01 3 0 0 ( 千日元l ( m ) 利息除外的年度费用 1 2 8 5 79 1 6 83 6 8 9 ，( 千日确) 增加投资的收益率3 6 9 3 2 8 - - 0 113 增加投资的回收期年 i 0 11 3 = 8 8 年 由表l 一1 可以看出，板式轨道的建设费约为道碴轨道的1 2 6 8 倍，养护 维修费约为后者的0 5 3 倍。但由于运行成本的节省，对于板式轨道的增加投 资可在大约9 年收回。 以上的经济分析中，没有考虑由于板式轨道顶面宽度的减小，轨道结构 高度的减小，轨道结构自重的减低在减小路基宽度、减小桥面宽度、减小隧 道开挖面积、减少桥梁及高架结构的二期恒载所带来的经济效益。 根据日本板式轨道的研究资料m ，二期恒载对高架桥建筑费用的影响如 图1 2 所示。从图1 2 中可以看出，在倒l 形防音壁高架桥上采用有砟轨道 时，其建筑费用比采用无砟轨道时的相应费用多l o 万日元m ，在直立型防音 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 壁高架桥的，其上述费用为5 万日：v r j m 。 1 东北( 有碴轨道、倒l 形) - _ _ _ - - + l 。 。o 。一 东北( 板式轨道、倒l 形) 东北( 有硷轨道、直壁) 东北( 板式轨道、直壁) 山阳( 新人阪冈山) ( 两外伸) 山阳( 冈山博多) ( 两格伯式桥) _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - 东海道新干线 田一 田一 矽 r 注) 对象高架桥均为震度0 2 、3 跨的两格伯式桥或两外伸式， 桩体基础。 7 o8 。5l o o1 2 。o“o1 6 。0 高度m ) 图1 - 2 日本高架桥有砟轨道与板式轨道的结构物施工费用比较【7 j 小结：日本应用增额投资回收期的概念，考虑轨道的建设成本和维修费 用，得出板式轨道相对于有砟轨道增加的投资可在9 年左右回收的结论。此 外，日本从结构物总体的建设成本判断，板式轨道在经济上更有利。 1 2 1 2 德国无砟轨道的经济性研究 德国自2 0 世纪6 0 年代开始进行无砟轨道的研究以来，先后提出了1 7 种无砟轨道结构，目前经德铁正式批准的无砟轨道结构型式有6 种，包括： r h e d a 型、b o g l 板型、z t i b l i n 、a t d 、g e t r a c 和b e r l i n 型。德国首先研究 解决了土质路基铺设无砟轨道的技术问题，然后逐步推广到隧道和桥梁上， 从而为全区间铺设无砟轨道创造了条件。基于高速铁路有砟轨道维修工作量 、镑 v 重 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 大、道砟粉化及道床累积变形速率加快，德国铁路根据其咨询公司对现行的 有砟轨道和无砟轨道的综合技术经济比较得出的建议，决定在所有隧道、道 岔区、制动区间以及3 0 0 k m h 的高速铁路线上均采用无砟轨道1 2 3 8 1 。 德国铁路是根据用轨检车测得的轨道几何状态( 高低、水平、方向、三 角坑) 质量q 值来综合评价轨道几何质量。一般新线有砟、无砟轨道的q 值 均可达1 0 2 0 分，随着线路的运营，轨道几何质量下降，q 值上升，当q 值 超过1 0 0 分时，就需要进行轨道维修作业- 引。 汉诺威维尔茨堡高速铁路森格贝格隧道内于1 9 9 0 年铺设了雷达型 无砟轨道，1 9 9 0 年至1 9 9 5 期间其轨道几何质量q 值的变化情况除在无砟轨 道和有砟轨道的过渡区q 值较高外，无砟轨道区段的q 值都很低，多数在 1 0 2 0 分之间。 科隆哈姆线上铺设s a t o 型无砟轨道与相邻路段有砟轨道轨道质量 q 值的对比测试分析资料显示【9 1 0 1 ，无砟轨道路段一直保持在大体2 0 分的水 平，而相邻的有砟轨道路段的q 值少数达到1 0 0 分以上，即使是中间进行过 大修的有砟轨道线路，q 值也在4 0 6 0 分之间。 由于无砟轨道采用整体式轨下基础，对抵御轨道变形及变形积累有极好 的性能，故自高精度铺设完成之后，轨道几何状态的变化很小，轨道几何质 量q 值就低，轨道的平顺性就好，从而维修作业量大大减少。 德国铁路对无砟轨道和有砟轨道的维修费用也有过大量的统计分析1 1 1 ， 见表1 2 。可以看出，维修费用主要用于过渡段处理，其次是用于轨道检查， 而真正用于线路修理和其他作业的费用极少。除1 9 9 0 年有每千米线路维修费 用2 0 0 马克之外，其他年份就基本没有线路维修费用。从1 9 8 9 年到1 9 9 4 年 的年平均维修总支出为2 6 4 0 马克( k m 年) 。 表1 23 2 5 3 k m 雷达型无砟轨道的维修费用( 1 0 3 马克k m 。1 ) 1 3 1 序号工作区 1 9 8 91 9 9 01 9 9 11 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 4 平均值 1 线路维修 0 o oo 2 00 o o0 0 00 0 00 0 00 o o 2 处理过渡区 o 8 01 6 03 o o2 4 02 6 01 1 01 9 2 3 检查o 7 0o 7 00 5 0o 7 0o 6 01 1 0 0 7 2 4 其他 0 0 0o 0 0o o oo o oo o o0 2 00 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 而在同一时期，曼海姆斯图加特的高速有砟轨道线路维修费用的统 计如表1 3 。其中，线路维修作业费每年每千米平均9 7 9 0 马克，而年平均维 修总支出为每年每千米1 3 1 8 7 马克，大约是无砟轨道相应费用( 维修工作量) 的5 倍1 3 1 。 表1 3 曼海姆斯图加特的高速有砟轨道线路维修费用( 1 0 3 马克k m - 1 ) 序号工作区1 9 8 7 1 9 8 81 9 8 9 1 9 9 01 9 9 1 1 9 9 21 9 9 3 平均 1 修理作业费 8 5 71 0 3 28 1 89 1 79 4 98 4 91 4 3 49 7 9 2 维修总开支 1 2 5 81 3 3 61 1 4 31 2 4 91 3 1 91 2 5 01 6 7 61 3 1 8 7 德国铁路于1 9 9 8 年对无砟轨道和有砟轨道的技术经济效益进行了系统 的比较分析【1 2 】。在“经济性比较 中指出，“过去，有砟轨道的工程投资明显 低于无砟轨道。在研究开发初期，无砟轨道的工程造价是有砟轨道的好几倍， 而目前的价格比值有利于无砟轨道，已减少到约1 5 倍”，与日本1 9 9 4 年总 结中的1 3 1 5 倍比较接近。 而文献 1 3 】对于雷达型无砟轨道的经济性则做了如下总结：r h e d a 投资 要比有砟轨道多1 5 倍以上。科隆一法兰克福线预算4 6 亿欧元，实际费用大 约为6 0 亿欧元，增加大约3 0 ，如此高的初期投资包括巨大的资本成本。 有砟轨道成本为3 5 0 欧元m ，无砟轨道最低为5 0 0 欧元m ，最高为7 5 旺11 0 0 欧元m 。即使施工方法得到优化，建设长度增加，成本系数仍达到1 5 2 0 。 隧道内的无砟轨道相对有砟轨道具有良好的经济效益，但桥上和路基上的无 砟轨道往往经济效益差一些。 小结：德国高速铁路对有砟轨道和无砟轨道的几何状态质量q 值进行了 统计，认为无砟轨道稳定性、耐久性好的特点可显著减小线路的维修工作量。 无砟轨道的结构高度低、每延米重量轻的特点，可使桥梁、隧道等结构物的 建设费用降低，由此带来的社会经济效益明显。 1 2 1 3 法国无砟轨道经济性研究 法国是以有砟轨道为代表的高速铁路国家，其有砟轨道由u i c 6 0 钢轨、 双块式混凝土枕及n a b l a 弹性扣件组成，并使用胶水把道砟固定，防止石 子被溅起。随着铁路的运营，法国发现早期建造的东南线、大西洋线，道砟 粉化严重，使轨道几何尺寸难于保持，维修周期缩短，维修费用大大增加， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 甚至影响正常的运营，结果使用不到1 0 年不得不全面大修，更换道砟。为此， 法铁对道砟的粒径级配、颗粒形状指标、硬度系数标准进行了重新研究，拟 订了新的规定。除此之外，为减缓道砟的粉化，在桥梁上还采取了道砟下铺 设橡胶垫的方式。与此同时，法国开始认识到无砟轨道的优越性，开始了无 砟轨道的研究与应用【2 】。 法国国铁对无砟轨道和有砟轨道经济比较，主要从以下几方面进行考 虑： 1 ) 基础结构的费用比较 路堤无砟轨道结构可以节省土方开挖的费用，因为这种结构深 度减小了2 5 c m 。无砟轨道结构可能需要在无砟轨道和路基之间增加 另外的结构部分，以使结构能够承受足够的荷载作用并使荷载分配 到地面土体上，以避免发生较大的沉降。 桥梁有砟轨道结构的静载大于无砟轨道的静载。 隧道由于使用无砟轨道可以减小基础结构深度2 5 c m ，因此可以 相应地减小隧道结构断面。 由于法国t g v 线路上的多数桥梁和隧道比例相对较小，并且长度也较 短，因此，在选择轨道类型时首先考虑路堤结构。 2 ) 轨道建设费用和维修养护费用的比较 法国高速铁路无砟轨道和有砟轨道的主要费用分项比较见表1 - 4 ，表中 数值为1 9 9 7 年数据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 表1 _ 4 法国无砟轨道和有砟轨道的建设费用及维修费用1 1 4 ) 结构类型项目费用( 欧；t r _ j k r n )频率( 年) 建设施工 7 0 0 0 0 05 0 无砟轨道 钢轨打磨 4 5 0 06 建设施工 5 5 0 0 0 04 0 道砟翻新3 5 0 0 0 02 4 起道5 50 0 01 4 捣固维护4 0 0 05 有砟轨道 补充道砟 3 0 0 06 道砟翻整和道砟断面调整 1 5 06 钢轨打磨 4 5 0 04 焊接连接 4 0 01 更换轨枕1 0 01 3 ) 考虑资金的时间价值 无砟轨道前期投资较高，而有砟轨道后期维修养护费用较高，因此需考 虑到针对项目的利息率和通货膨胀率( 根据项目所在地的总体情况) ，采用净 现值法把将来预计产生的费用折算成现值，在进行有砟轨道和无砟轨道费用 的比较，评价出最经济的结构类型。净现值的计算公式i - 5 1 ： n p v ： 竺 ( 1 + ( i ，一i i ) ) c ：预计未来产生的费用 t ：费用产生的年份与轨道完工年份的差值 i r ：利率 i i ：通货膨胀率 例如： c = 3 5 00 0 0 欧元( 道砟翻新) t = 2 4 i r = 5 i i = 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 则n p v = 3 5 00 0 0 ( 1 + ( o 0 5 0 0 2 ) ) 2 4 = 1 7 2 1 7 6 ( 欧元) 根据上述方法，对于利率和通货膨胀率取值不同的情况，法国无砟轨道 和有砟轨道结构建设施工和维修总费用的净现值比较，见图1 5 。 ? 24681 01 2 利率通货膨胀率 图1 3 无砟轨道与有砟轨道结构总费用比较i 4 】 该图显示，如果利率减去通货膨胀率的值低于7 时，无碴轨道结构最 节省费用。 在法国高速铁路有砟轨道和无砟轨道经济性比较中，无砟轨道建设施工 费用为有砟轨道的1 4 倍，考虑资金时间价值，如果利率减去通货膨胀率的 值低于7 ，无砟轨道结构就具有明显的经济性。 法国高速铁路在t g v 线路轨道结构形式的比选过程中，还考虑了振动、 噪音等因素，如采用带道砟垫的有砟轨道、板式轨道需安装降噪装置以满足 特殊地段的防振、降噪要求。需要指出的是，带道砟挚的有碴轨道结构比板 式轨道结构的建设成本还高( 即使板式轨道中使用了降噪装置) 。 法国认为，即使在部分隧道内、桥梁上以及有较高防振要求的地段使用 板式无砟轨道更为经济，为了方便维修养护，在较长距离内最好采用同一类 型的轨道结构，而不是一段段地交替使用有砟和无砟轨道，因此法国高速铁 路基本上采用的是有砟轨道。 小结：法国采用净现值的方法对高速铁路无砟轨道和有砟轨道的经济性 恤 嘶 嘞 啷 咖 旺靠捌秦怡忙、匠积捌秦怡瞅 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 进行比较，研究结果表明：在基准投资收益率( 此处为利率减去通货膨胀率) 小于7 的条件下，无砟轨道结构的经济性要优于有砟轨道。由于历史原因 以及从技术和经济方面的综合考虑，法国高速铁路主要采用有砟轨道。目前 法国也开始认识到无砟轨道的优越性，开始了无砟轨道的研究与试验。 1 2 1 4 荷兰高速铁路无砟轨道的经济性研究 荷兰高速铁路土质条件不好，软土较多，但也积极采用无砟轨道。荷兰 无砟轨道经济性分析采用了生命周期成本的概念，只考虑下部混凝土基础之 上的上部结构的成本，且利率取为5 t 1 6 j 。“生命周期成本”的概念是，考虑到 有砟、无砟轨道结构的不同使用寿命，把工程费( 加上利息) 分摊到整个寿 命周期，再加上每年的经常维修支出，计算不同轨道结构的寿命周期成本， 寿命周期成本最低的结构型式即最经济。 表1 5 不同轨道结构的工程费和生命周期成本 工程费生命周期成本 轨道结构型式 ( 欧元m - 1 ) 。 ( 欧元( m - 1 年) 。1 ) 与下部混凝土结构不联结的 1 2 0 0 9 0 钢轨埋入式轨道( e r sn 1 3 无 优化后的与下部混凝土结构不联结 砟 8 6 07 0 轨 的钢轨埋入式轨道 道 与下部混凝土结构联结的 9 l o8 0 钢轨埋入式轨道( e r si n r 3 雷达型轨道( r h e d a ) 1 2 7 0 1 0 0 有 优化后的e r s 轨道结构 8 0 06 0 砟 轨 高速铁路有砟轨道( b a l l a s t ) 1 0 0 011 0 道 普通铁路有砟轨道( c o n v e n t i o n a l ) 5 9 07 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 1 2 0 1 0 0 8 0 1 r 6 0 甾 4 0 2 0 0 式轨道 轨道 利率= 5 图1 _ 4 几种不同轨道结构的生命周期成本分析 小结：荷兰无砟轨道经济性分析从轨道整个使用寿命周期的角度，采用 年值作为寿命周期成本的比较指标，利率取为5 ，得出高速铁路有砟轨道 的寿命周期成本高于无砟轨道的结论。 1 2 2 我国无砟轨道经济性研究现状 1 9 9 9 年2 0 0 1 年秦沈客运专线三座特大桥成功铺设了长枕埋入式和板式 无砟轨道，其中沙河桥铺设了6 9 2 m 长枕埋入式无砟轨道，狗河桥和双河桥 分别铺设了7 4 1 m 、7 4 0 m 板式无砟轨道；1 9 9 9 年2 0 0 0 年在西康线秦岭隧道 内铺设了1 8 4 k m 的弹性支承块式无砟轨道；2 0 0 3 年2 0 0 4 年，为完善新型无 砟轨道结构和施工工艺，在渝怀线鱼嘴2 号隧道、赣龙线枫树排隧道分别铺 设了长枕埋入式和板式无砟轨道1 3 4 。2 0 0 6 年，铁道部专家对世界各国无砟轨 道型式进行分析研究，选用了双块式无砟轨道结构和单元板式无砟轨道结构 作为我国现阶段发展无砟轨道的主要型式。同年，遂渝线建成了我国首条无 砟轨道综合试验段，在包括桥梁、隧道和路基及各种过渡段在内的不同线下 基础上研究和试铺了双块式无砟轨道、轨枕埋入式无砟轨道、板式轨道( 含 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 平板型、框架型和减振型板式轨道) 和纵连板式轨道等轨道结构类型7 1 。其 中平板型板式轨道3 5 9 1 m ，框架型板式轨道4 0 3 7 m ，减振型板式轨道3 2 0 m ， 纵连板式轨道1 2 4 9 m ，双块式轨道8 6 3 6 m ，道岔区轨枕埋入式轨道7 4 6 m 。 2 0 0 8 年建成通车的京津城际高速铁路采用的是博格纵连板式无砟轨道结构。 1 2 2 1 秦沈线无砟轨道经济性分析 由于秦沈客运专线无砟轨道尚属实验性工程，其有关轨道材料、轨道部 件、施工机械、施工工艺远不够规范，离规模化、工业化、标准化、专业化 生产和施工的要求还有一定的差距，因而其工程费用与轨道材料、轨道部件、 施工机械和工艺都业已成熟的有砟轨道的工程费用之比值要高得多。据秦沈 线的统计分析，其有砟、无砟轨道的工程费用如表1 - 6 所示。 表1 - 6 秦沈客运专线轨道结构工程费【3 l 工程费 铺设地点轨道型式 费用( 万元k m l ) 比值 狗河桥板式无砟轨道 5 2 43 1 0 沙河桥长枕埋入式无砟轨道 4 4 82 6 5 其他混凝土桥有砟轨道 1 6 91 o o 非渗水十路基有砟轨道 1 8 8 1 1 1 小结：秦沈线无砟轨道工程费与有砟轨道工程费之比高达2 5 倍以上， 高于国外。除了首次试铺、机具及材料造价高、施工效率低等原因，还因为 秦沈线作为比较基准的有砟轨道在道砟标准、道床结构和断面尺寸方面与高 速铁路的有砟轨道有很大的差距。因此对于客运专线，有砟轨道与无砟轨道 相比，建设成本的差别会进一步缩小。 1 2 2 2 遂渝线综合经济性分析 表1 7 遂渝线无砟轨道试验段的综合指标汇总刀 序号轨道形式 单位 指标( 万元k m ) 1 板式无砟轨道铺轨公里 4 9 4 9 3 2 双块式无砟轨道铺轨公里 3 6 7 2 8 3 有砟轨道铺轨公里 1 9 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 根据文献i 1 7 】，双块式轨道工程造价较低，但主要工程均在现场完成， 现场施工工程量大，施工设备复杂，施工进度较慢；板式轨道对于制板的质 量和制造设备要求较高，但现场施工工作量小，现场设备的投入也相对较少。 板式轨道指标高的主要原因是c a 砂浆和轨道板的单价过高，轨道板预制的 模板因试验段生产轨道板数量少而摊销过大，但随着施工技术设备的规模化、 工厂化和逐渐完善，板式轨道还具有一定的降价空间。 小结：遂渝试验段板式轨道造价为有砟轨道的2 4 - 2 7 倍，双块式轨道 造价为有砟轨道的1 9 2 1 倍。在预算价格的组成内容中，直接费中的材料 费用占7 5 一8 0 左右，是影响成本的主要因素，随着施工技术的不断完善和 新材料的出现，无砟轨道的工程造价会有所降低。 1 2 2 3 台湾地区无砟轨道经济性研究 中国台湾地区高速铁路铺设了1 5 5 k m 无砟轨道，占正线长度的4 5 。根 据文献 1 8 】，几种高速铁路轨道结构型式的建造费用和维修费用比较见表 1 8 。 表1 - 8 不同型式轨道经费比较【1 8 1 弹性基板式p c 枕弹性直结 板式轨道有砟轨道 轨道式轨道 初期建造成本( 元k m ) 17 ，7 3 5 ，0 0 019 ，6 6 2 ，0 0 0 1 4 ，9 7 7 ，0 0 0 11 ，2 3 7 ，0 0 0 每年养护成本 4 2 ，3 4 04 2 ，3 4 04 2 ，3 4 02 ，11 5 ，3 0 0 ( 元( 年k m 。) ) 设计寿命( 年) 5 05 05 01 2 年利息4 4 4 4 采用年值法( a w ) 计算评估几种轨道结构型式，如下： a 板式轨道a w l = 1 7 7 3 5 0 0 0 ( a p , 4 ，5 0 ) + 4 2 3 4 0 = 8 6 7 9 0 4 ( 元) b 弹性基板式轨道a w 2 = 1 9 6 6 2 0 0 0 ( a p , 4 ，5 0 ) + 4 2 3 4 0 = 9 5 7 6 0 6 ( 元) cp c 枕弹性直结式轨道a w 3 = 1 4 9 7 7 0 0 0 ( a p , 4 ，5 0 ) + 4 2 3 4 0 = 7 3 9 5 1 9 ( 元) d 有砟轨道a w 4 = 1 1 2 3 7 0 0 0 ( 胛，4 ，1 2 ) + 2 1 1 5 3 0 0 = 2 1 1 6 4 9 7 ( 元) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 由上面的计算，可以得出各种轨道结构型式的经济效益性：最经济的高 速铁路轨道结构型式是p c 枕弹性直结轨道，其次分别是板式轨道、弹性基 板式轨道，最不经济的是有砟轨道。 台湾地区在评估各种轨道结构型式时，也考虑到了无砟轨道比有砟轨道 的载重要轻，可节省桥梁结构的建造成本。相对于有砟轨道，无砟轨道虽初 期建造成本更高，但具有稳定性、自重轻、耐高速行驶、低维修费等优点， 故其经济效益在建成若干年后远远高于有砟轨道。 对于三种不同型式无砟轨道，经e m 8 0 轨道检查车检测比较轨道不整值， 差异性不大。在工程造价及施工难易度上，以弹性预力混凝土( p c ) 枕较佳， 弹性基板式次之，板式轨道由于受专利权限制，工程造价及施工工期较长。 小结：台湾高速铁路无砟轨道的初期建造成本为道砟轨道的1 3 - 1 7 5 倍， 而前者的年养护费用为后者的o 0 2 倍( 相比日本的0 5 倍及德国的0 2 倍低 很多，源于台湾无砟轨道维修费用数据采集年数有限) ，采用年值法对各种轨 道结构的经济性进行评估，年利率取为4 。评估结果是，作为高速铁路无 砟轨道型式的p c 枕弹性直结轨道、板式轨道及弹性基板式轨道，其经济性 均优越于高速铁路道砟轨道。 1 3 本文的主要研究内容 1 3 1 基于寿命周期成本分析的高速铁路轨道结构经济性研究 本文将论述寿命周期成本分析法在高速铁路轨道结构经济性研究中的运 用及其过程，并期望提出经济性研究参数的合理取值范围，如高速铁路无砟 轨道和有砟轨道的维修费用、寿命年限和高速铁路项目基准收益率等。 1 3 2 成灌铁路郫县西至青城山段轨道结构寿命周期成本分析 本文以时速2 0 0 公里的成灌铁路( 郫县西至青城山段) 为例，说明如何 应用寿命周期成本分析对高速铁路不同的轨道结构方案进行经济性分析，为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 成灌铁路无砟轨道的铺设提供经济性依据。同时，也为高速铁路无砟轨道的 经济性，尤其是行车速度更高时无砟轨道的经济性提供理论依据。 1 3 3 基于层次分析法的高速铁路无砟轨道总体经济性评价 本文将论述层次分析法在高速铁路轨道结构总体经济性研究中的应用， 提出其经济性评价的层次结构，并以成灌铁路( 郫县西至青城山段) 为例， 分别对无砟轨道和有砟轨道的总体经济性进行评价。采用寿命周期成本分析 法对高速铁路轨道结构的经济性研究，未考虑到除轨道结构以外的其他经济 因素，层次分析法则弥补了前者涵盖指标不足的缺陷。两种方法相互印证、 相互补充，实现了特大型项目经济性评价定性分析和定量分析相结合的原则， 使高速铁路无砟轨道的经济性研究更为合理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 第2 章基于寿命周期成本分析的高速铁路轨道结 构经济性研究 2 1 寿命周期成本分析法简介 寿命周期费用( l i f ec y c l ec o s t ，简称l c c ) 是指设备、项目或系统从研究、 设计、发展、生产( 施工) 、运行一直到最终报废的整个期间内所需要的各种 费用的总和。l c c 分析的核心内容是从一开始就把工作做好，并进行决策。 l c c 概念起源于瑞典铁路系统，1 9 6 5 年美国国防部研究实施l c c 技术 并普及全军。之后，英国、德国、法国、挪威等军队普遍运用l c c 技术。上 世纪7 0 年代，l c c 技术已从美国军事领域推广应用到其他领域，如航空航 天、发电业，石油化学工业及铁路系统。1 9 9 9 年，以英国、挪威为首组建了 l c c 国际组织，由5 0 个国家、地区参加，该组织为保护参加国购置装备的 经济利益，要求设备、工程中间商、推销商为买方提供l c c 估算1 1 9 , 2 0 1 。 2 - 2 高速铁路轨道结构寿命周期成本分析 寿命周期成本( l c c ) 分析主要有6 个过程，分别是：问题定义、成本 项定义、系统建模、数据采集、成本特性研究及评估1 2 1 1 。结合高速铁路轨道 项目自身特点，其寿命周期成本分析主要从6 个方面进行。 2 2 1 问题定义 在进行l c c 分析时，首先要明确问题和适用范围，如待建模型设备的适 用范围，待建模型活动的适用范围等。此时，必须对成本项进行明确的定义， 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 这是进行寿命周期成本分析的基础。评价准则的定义也是非常重要的，评价 准则不仅包含总的成本，同时也包含系统的性能和效用( 即在决策时不仅要 考虑成本，也要考虑系统效用) 。系统效用除了包括系统性能( 如可用性、安 全性等) 外，还包括运营( 生产) 能力、质量等。 针对高速铁路轨道结构成本项构成的特点，从三个角度进行评价准则的 定义，分别为： 1 ) 只考虑轨道结构本身的工程建设费用和养护维修费用，并不涉及到线 路下部结构的费用和结构以外的其他费用； 2 ) 考虑轨道结构型式对基础结构( 路基、桥梁、隧道) 费用的影响。由 于无砟轨道顶面宽度的减小，轨道结构高度的减小，轨道结构自重的减低在 减小路基宽度、减小桥面宽度、减小隧道开挖面积、减少桥梁及高架结构的 二期恒载所带来的效益。 3 ) 考虑不同轨道结构型式的综合经济效益。 本文应用l c c 分析高速铁路轨道结构经济性的评价准则为：只比较轨道 结构本身的工程建设费用和养护维修费用，并不涉及到线路下部结构的费用 和结构以外的其他费用，l c c 分析结论以费用最小的轨道结构型式为最经济。 这一评价准则的定义有利于定量分析，与国内外有关无砟轨道寿命周期成本 分析的评价准则相一致。 2 2 2 成本项定义 确定对系统l c c 有显著影响的成本项是非常重要的。为避免对显著成本 项的遗漏，通常依据i e c 6 0 3 0 0 3 3 m l 建立成本分解结构，并将其作为l c c 分 析的基础。成本分解结