1． 概述
工程可替代方案指工程在滿足某一目標(biāo)的前提下，有著不同的實(shí)現(xiàn)方式。如改善一個(gè)區(qū)域的交通通行條件，可以新修一條道路，也可以在現(xiàn)有道路基礎(chǔ)上改建，或者修建鐵路等等。工程的目標(biāo)往往從全社會(huì)的角度來確定，在工程整個(gè)壽命期內(nèi)來考察。廣義的工程可替代方案實(shí)質(zhì)上也包括"無為"方案，當(dāng)"有為"在工程壽命期內(nèi)預(yù)計(jì)所耗費(fèi)的成本大于其在壽命期內(nèi)所帶來的效益時(shí)，還不如選擇"無為"方案。
在公路工程設(shè)計(jì)中，我們已經(jīng)習(xí)慣于平面線位間的競(jìng)爭(zhēng)比選，首先是計(jì)算土石方、排水防護(hù)、路面、橋涵、隧道、交叉工程、沿線設(shè)施、占地拆遷等工程量，通過造價(jià)計(jì)算得出工程建設(shè)成本，及估算出營(yíng)運(yùn)期預(yù)計(jì)消耗的費(fèi)用；然后根據(jù)項(xiàng)目在路網(wǎng)中的布局，考察不同方案在壽命期內(nèi)所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益，通過對(duì)比不同方案間的凈效益來選擇路線方案。
在公路某一單項(xiàng)工程中，在滿足機(jī)動(dòng)車通行的功能要求的目標(biāo)下，其實(shí)也有著不同的工程實(shí)現(xiàn)措施，存在滿足同一功能要求的不同實(shí)現(xiàn)方案間的競(jìng)爭(zhēng)，如高填土路堤與高架橋方案之間、深挖方路塹與隧道方案之間的方案競(jìng)爭(zhēng)。這種單項(xiàng)工程方案之間的可替代性競(jìng)爭(zhēng)普遍存在于山嶺重丘區(qū)公路的建設(shè)中。
2． 可替代方案競(jìng)爭(zhēng)比選的一般原則
可替代性工程方案應(yīng)從
● 技術(shù)的可行性
● 經(jīng)濟(jì)的合理性
● 運(yùn)營(yíng)維護(hù)的難易程度
● 環(huán)境保護(hù)
● 其他需特殊考慮的目標(biāo)因子(如建筑景觀、耕地資源等)
四個(gè)大的方面綜合進(jìn)行方案比選。經(jīng)濟(jì)的合理性主要指工程建設(shè)的貨幣成本；運(yùn)營(yíng)維護(hù)的難易程度可以轉(zhuǎn)換為費(fèi)用的形式貨幣量化；環(huán)境保護(hù)更多的表現(xiàn)是工程對(duì)環(huán)境的損害，較難以貨幣量化。
工程可替代方案的比選應(yīng)該是在可以量化的基礎(chǔ)上的選擇，應(yīng)該是理性的而不是感性的，不能等同于決策，決策更多依靠的是管理人員的"直覺"，是在綜合很多信息的基礎(chǔ)上的一種判斷。因此，在工程技術(shù)均可行的前提下，目前，工程可替代方案的比選主要考察經(jīng)濟(jì)的合理性及營(yíng)運(yùn)費(fèi)用。在營(yíng)運(yùn)費(fèi)用相差不大的情況下，以建設(shè)的成本來決定方案的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)越性。
3． 可替代方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
3.1 高填土路提與高架橋方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
3.1.1. 高填土路堤與高架橋的費(fèi)用分析
高填土路堤方案與高架橋方案首先從建設(shè)的經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行分析比較。為簡(jiǎn)化起見，考察方案的直接工程費(fèi)與間接費(fèi)之和以及與占地費(fèi)用的合計(jì)。以費(fèi)率定額計(jì)算的其他費(fèi)用多以直接工程費(fèi)與間接費(fèi)之和為基數(shù)。
高填土路堤方案主要包含路基土石方(費(fèi)用代號(hào)以T1表示)、排水防護(hù)工程(T2)、地基處理(T3)、路面工程(T4)、路基橋涵工程(T5)、交叉工程(T6)、安全設(shè)施(T7)、拆遷及占地(T8)。
表示為：T=T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7+T8
高架橋方案主要包含橋梁上部構(gòu)造(Q1)、下部構(gòu)造(Q2)、基礎(chǔ)(Q3)、拆遷及占地(Q4)。
表示為：Q=Q1+Q2+Q3+Q4
影響填土路堤方案造價(jià)的主要因素是填土價(jià)格、地基處理及土地補(bǔ)償價(jià)格，影響高架橋造價(jià)的主要因素是跨徑的選擇，而墩、臺(tái)高度對(duì)造價(jià)的影響相對(duì)較弱。
以下以24米寬的路基為研究對(duì)象，假設(shè)填土高為h米，現(xiàn)計(jì)算1公里長(zhǎng)的路堤的建設(shè)費(fèi)用，然后與預(yù)應(yīng)力空心板高架橋費(fèi)用進(jìn)行比較。以下費(fèi)用計(jì)算中所采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于湖北省高速公路建設(shè)中的有關(guān)設(shè)計(jì)及造價(jià)數(shù)據(jù)。
填土邊坡坡率8米以上取1：1.5，超過8米取1：1.75，邊坡平臺(tái)寬2米，路基土石方量設(shè)為x(h)*948(扣橋52米)，土石方綜合平均價(jià)為p元／立方米，則：T1=x(h)*948*p／10000萬元／公里；常規(guī)排水防護(hù)工程T2一般在160萬元/公里左右(暫不考慮高邊坡防護(hù)額外增加費(fèi)用)；軟土地基處理(T3)330萬元／公里左右，路面工程綜合每平方米220元，則T4一般在460萬元／公里左右；路基橋涵工程(T5)與路線所經(jīng)過的自然區(qū)域有很大的關(guān)系，一般地按涵洞4道／公里、橋梁長(zhǎng)平均35米／公里計(jì)算，得140萬元／公里左右；交叉工程按通道考慮，每公里2處計(jì)，T6則為120萬元／公里左右；安全設(shè)施(T7)按85萬元／公里估列：拆遷及占地(T8)根據(jù)《公路建設(shè)項(xiàng)目用地指標(biāo)》微丘區(qū)計(jì)算，按一般正常填土高度計(jì)算時(shí)，需占地88畝／公里；用地中耕地與非耕地各按一半考慮，則T8大約為120萬元／公里，當(dāng)填土高度大于一般正常填土高度時(shí)，額外增加占地(h-4.4)*6.3畝/公里，T8大約增加費(fèi)用(h*6.3*1.4-39)萬元／公里。
高架橋方案按預(yù)應(yīng)力空心板進(jìn)行計(jì)算，上部構(gòu)造、下部構(gòu)造、基礎(chǔ)合計(jì)平均3.7萬元/米，每公里3700萬元(Q1+Q2+Q3)；拆遷及占地(Q4)需占地37畝／公里；耕地與非耕地各按一半考慮，則Q4大約為50萬元／公里。
若高填土路堤方案與高架橋方案費(fèi)用相等，即T＝Q時(shí)，可得
x(h)*948*p／10000+160+330+460+140+120+85+120+(h*6.3*l.4-39)=3700+50 ……1
式1簡(jiǎn)化為：x(h)*p+h*6.3*1.4=2374*10000／948
其中：x(h)＝24*8+1.5*8*8+52*(h-8)+1.75*(h-8)2 (h＞8) (假設(shè)地面線水平)
土石方綜合平均價(jià)p取22元／立方米時(shí)，應(yīng)用逼近算法，計(jì)算得臨界填土高h(yuǎn)=19.6米；當(dāng)p取30元立方米時(shí)，h=16.2米。
以上為存在有軟土地基處理情況。
若無T3項(xiàng)，則x(h)*p+h*6.3*1.4＝2704*10000／948 ……2
土石方綜合平均價(jià)p取22元／立方米時(shí)，h=21.3米；p取30元／立方米時(shí)，h=17.6米。
若無T3項(xiàng)，同時(shí)T2考慮高邊坡防護(hù)額外增加的費(fèi)用，T2一般在350萬元／公里左右，則：x(h)*p+h*6.3*1.4=2514*10000／948 ……3
土石方綜合平均價(jià)p取22元／立方米時(shí)；h=20.4米；P取30元／立方米時(shí)，h＝16.8米。
3.1.2． 臨界填土高與土石方單價(jià)間的關(guān)系
以式3為基礎(chǔ)考察p與h之間的關(guān)系，可得以下曲線：

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隨著p值增加，臨界填土高h(yuǎn)值迅速下降，h表現(xiàn)出對(duì)p的變化敏感性很強(qiáng)；當(dāng)p增至一定值后，h下降幅度開始逐漸減弱，h對(duì)p的變化敏感性下降。
3.1.3. 臨界填土高與占地補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)間的關(guān)系
取p為27元/立方米，設(shè)占地補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為C(萬元/畝)，同時(shí)不考慮地基處理費(fèi)用T3，T2按高邊坡防護(hù)考慮，式1可改寫為
x(h)*948*27/10000+350+460+140+120+85+88*C+(h-4.4)*6.3*C=3700+37*C ……4
變換為：x(h)*948*27/10000+51*C+6.3*C*h-27.72*C＝2545
當(dāng)C取0.4萬元／畝時(shí)，h=17.9米；當(dāng)C取1.0萬元/畝時(shí)，h=17.5米：C取1.6萬元／畝時(shí)，h=17.2米；C取2.2萬元／畝時(shí)，h＝16.8米；
考察C與h之間的關(guān)系，近似得一線性直線。見圖2。對(duì)比p～h曲線，可以看出，臨界填土高h(yuǎn)對(duì)占地補(bǔ)償標(biāo)淮C值變化的敏感性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)填土土石方單價(jià)p變化的敏感性。
相關(guān)圖片如下


3.1.4. 高填土路堤方案與高架橋方案的選擇
通過分析填土臨界高與土石方單價(jià)、占地補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，可以認(rèn)為，在無其他需特殊考慮的目標(biāo)因子約束的一般情況下，當(dāng)填高大于填土臨界高h(yuǎn)時(shí)，選擇高架橋方案是經(jīng)濟(jì)的；當(dāng)填高小于填土臨界高h(yuǎn)時(shí)，選擇高填土方案是經(jīng)濟(jì)的。
由于在計(jì)算填土臨界高h(yuǎn)時(shí)，采用的數(shù)據(jù)經(jīng)過歸納及合理地簡(jiǎn)化處理，因此h值是在一定置信度條件下的均值。填土臨界高h(yuǎn)值的計(jì)算波動(dòng)主要與地基處理、防護(hù)工程費(fèi)用的波動(dòng)相關(guān)聯(lián)。這兩項(xiàng)費(fèi)用隨填土高度增加而相應(yīng)增加，本文在計(jì)算填土臨界高h(yuǎn)時(shí)，限于掌握的資料，對(duì)這兩項(xiàng)費(fèi)用進(jìn)行了相對(duì)簡(jiǎn)單處理。
高填土路堤方案的路基施工工序多、協(xié)調(diào)工作量大，對(duì)環(huán)境的損害也較高架橋方案大。如果再?gòu)墓こ虊勖趦?nèi)考察高填土方案與高架橋方案，需另預(yù)計(jì)工程所對(duì)應(yīng)的營(yíng)運(yùn)費(fèi)用，包括養(yǎng)護(hù)費(fèi)用與管理費(fèi)用，高填土方案的排水防護(hù)工程砌體、路面、中央分隔綠化帶等養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較高架橋養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高，兩者的管理費(fèi)用則基本相當(dāng)。
基于以上原因，在利用圖1或式1、式3計(jì)算出填土臨界高h(yuǎn)值后，建議填高在h-1米以上時(shí)，就應(yīng)考慮高架橋方案。
在山嶺重丘區(qū)，石方占土石方總量的比例高，如果土、石按各占50％考慮，土石方綜合平均價(jià)在27元／立方米左右。若石方所占比例再增大、運(yùn)輸又不便利，則土石方單價(jià)還要高。加之地面橫坡較大，防護(hù)工程量也較大。以土石方單價(jià)27元/立方米計(jì)算，填土臨界高h(yuǎn)計(jì)算值為17.9米，因此，當(dāng)填高大于17米時(shí)，以采用高架橋方案為優(yōu)。
一般地，在山嶺重丘區(qū)，當(dāng)填高大于16～18米時(shí)，應(yīng)考慮采用高架橋方案。
3.2 深挖方路塹與隧道方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
3.2.1. 深挖方路塹與隧道的費(fèi)用分析
深挖方路塹方案與隧道方案仍然考察方案的直接工程費(fèi)與間接費(fèi)之和以及與占地費(fèi)用的合計(jì)。
深挖方路塹方案主要包含路基土石方(W1)、排水防護(hù)工程(W2)、路面工程(W3)、安全設(shè)施(W4)、拆遷及占地(W5)。
表示為：W=Wl+W2+W3+W4+W5
隧道方案主要包含洞門工程(S1)、洞身工程(S2)、通風(fēng)照明工程(S3)、供電設(shè)備(S4)。明洞工程納入洞身工程中，消防救援設(shè)施由于相對(duì)造價(jià)較低，忽略不計(jì)；為便于對(duì)比，洞門仰坡占地不計(jì)。
表示為：S＝S1+S2+S3+S4
設(shè)路基寬24米，挖深h米，現(xiàn)計(jì)算1公里長(zhǎng)的深挖方路塹的建設(shè)費(fèi)用，然后與雙洞隧道的建設(shè)費(fèi)用進(jìn)行比較。對(duì)比分析的前提條件是自然地形、地質(zhì)滿足隧洞選址的基本要求。
邊溝采用0.8*0.8規(guī)格，碎落臺(tái)寬2米，邊坡按微、弱風(fēng)化硬質(zhì)巖石考慮，邊坡坡率10米以下取1：0.3，超過10米取1：0.5，每10米設(shè)一碎落臺(tái)，路基土石方量設(shè)為f(h)*1000，土石方綜合平均價(jià)p元/立方米，則：wl＝f(h)*1000*p／10000萬元／公里；排水防護(hù)工程W2按420萬元／公里估列；路面工程(W3)一般在460萬元／公里左右；安全設(shè)施(W4)按85萬元／公里估列；深挖方地段的拆遷及占地?cái)?shù)量如果按《公路建設(shè)項(xiàng)目用地指標(biāo)》計(jì)算與實(shí)際偏差較大，此處占地?cái)?shù)量設(shè)為d(h)畝／公里，占地類別按非耕地考慮，W4為d(h)*0.4萬元／公里。
雙洞隧道中洞門工程(S1)與洞身工程(S2)合計(jì)費(fèi)用按3000元/平方米計(jì)算，則S1+S2為7200萬元／公里；通風(fēng)照明工程(S3)約370萬元／公里；供電設(shè)備購(gòu)買及安裝(S4)按500萬元／公里估列。
若深挖方路塹方案與隧道方案費(fèi)用相等，即W＝S時(shí)，可得
f(h)*1000*p／10000+420+460+85+d(h)*0.4=7200+370+500 ……5
式5簡(jiǎn)化為：f(h)*p／10+d(h)* h*0.4＝7105
其中：f(h)=780+52*(h-20)+0.5*(h-20)2 (30≥h＞20時(shí)) (假設(shè)地面線水平)
f(h)＝1350+68*(h-30)+0.5*(h-30)2 (h＞30時(shí)) (假設(shè)地面線水平)
d(h)＝68000/667+(h-20)*1000/667 (30≥h＞20時(shí)) (假設(shè)地面線水平)
d(h)=82000/667+(h-30)*1000/667 (h＞30時(shí)) (假設(shè)地面線水平)
p取為30元/立方米時(shí)，計(jì)算得臨界挖深值h=44米，此時(shí)占地約為143畝/公里，開挖土石方量約235萬立方米/公里。如此巨大的土石方量有兩種處理方法，一是以挖作填，二是另選棄土場(chǎng)。前一情況，大約可供應(yīng)14公里的填土路基，平均運(yùn)距大于7公里；而后一情況，事實(shí)上很難找到滿意的棄土地點(diǎn)。因此在式5中假設(shè)土石方綜合平均價(jià)取為30元/立方米偏低。
再假設(shè)土石方綜合平均價(jià)為40元/立方米。式5可改寫簡(jiǎn)化為：
f(h)*4+d(h)*h*0.4＝7105 ……6
計(jì)算得臨界挖深h＝36米，此時(shí)占地約為132畝/公里，開挖土石方量約176萬立方米/公里。
通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，臨界挖深h對(duì)排水防護(hù)工程費(fèi)用W2變化的敏感性并不大，假設(shè)W2為1000萬元/公里，p取40元/立方米，經(jīng)計(jì)算，h＝34米；假設(shè)W2為2000萬元/公里，p取40元/立方米，經(jīng)計(jì)算，h=130米，而此時(shí)假設(shè)W2為2000萬元/公里并不合理。
若地質(zhì)為軟質(zhì)巖石或強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖石，邊坡坡率10米以下取1：0.75，超過10米取1：1.0，則：
f(h)＝965+73*(h-20)+(h-20)2 (30≥h＞20時(shí)) (假設(shè)地面線水平)
f(h)＝1795+97*(h-30)+(h-30)2 (h＞30時(shí)) (假設(shè)地面線水平)
d(h)＝87000/667+(h-20)*2*1000/667 (30≥h＞20時(shí)) (假設(shè)地面線水平)
d(h)＝lll000/667+(h-30)*2*l000/667 (h＞30時(shí)) (假設(shè)地面線水平)
同時(shí)p取30元/立方米，代入式5，經(jīng)計(jì)算，h=35米；p取40元/立方米，計(jì)算h=30米。
3.1.2. 臨界挖深與土石方單價(jià)間的關(guān)系
以式5為基礎(chǔ)從純數(shù)學(xué)角度考察土石方單價(jià)p與臨界挖深h之間的關(guān)系。如圖3所示。
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圖3所示曲線與圖1所示曲線數(shù)學(xué)特性類似，隨著p值增加，臨界挖深h值下降迅速；當(dāng)p增至一定值后，h下降幅度開始逐漸減弱，h對(duì)p的變化敏感性開始下降。通過試算后，得出下述結(jié)論：臨界挖深值的大小對(duì)開挖土石方單價(jià)、邊坡巖石類別最敏感，對(duì)防護(hù)工程造價(jià)、占地補(bǔ)償標(biāo)推的變化敏感性并不很大。
3.1.3. 深挖方路塹方案與隧道方案的選擇
上述對(duì)深挖方路塹的臨界挖深h值的計(jì)算基于技術(shù)可行的前提，以純工程經(jīng)濟(jì)的角度分析，計(jì)算所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行了理想化處理，特別是土石方數(shù)量的計(jì)算；不同的隧道隨地質(zhì)條件的不同，襯砌工程量相差較大，相互問造價(jià)波動(dòng)也較大。但并不妨礙本文近似地給出深挖方路塹與隧道的臨界挖深h參考值：微、弱風(fēng)化硬質(zhì)巖石為36米，軟質(zhì)巖石或強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖石為30米。
從環(huán)境保護(hù)的角度看，深挖方路塹對(duì)環(huán)境的破壞程度較隧道要大得多。再?gòu)墓こ虊勖趦?nèi)考察深挖方路塹與隧道的營(yíng)運(yùn)費(fèi)用，隧道養(yǎng)護(hù)費(fèi)用中以用電、設(shè)備更新?lián)Q代為主，深挖方路塹養(yǎng)護(hù)費(fèi)用中防護(hù)工程的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用所占比重可能最大。隧道的用電、設(shè)備更新?lián)Q代所需費(fèi)用可以大致預(yù)計(jì)，而深挖方路塹的防護(hù)工程養(yǎng)護(hù)費(fèi)用與邊坡的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件關(guān)系十分緊密，估算相對(duì)困難，偶然因素多。因此，在進(jìn)行方案選擇時(shí)，宜在上述臨界挖深h值的基礎(chǔ)上減低1～2米。
一般地，在山嶺重丘區(qū)，當(dāng)微、弱風(fēng)化硬質(zhì)巖石挖深大于34～36米，軟質(zhì)巖石或強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖石挖深大于28～30米時(shí)，應(yīng)考察采用隧道方案的技術(shù)可行性；低于給定的挖深判斷值時(shí)，以探路塹方案為優(yōu)選。
根據(jù)公路建設(shè)的實(shí)際，深挖方路塹與隧道方案之間的選擇，常見于1000米以下的中、短隧道與深挖方路塹方案間。由于實(shí)際自然地形起伏變化大，考察挖深的對(duì)象應(yīng)是至少50米長(zhǎng)路塹段的最小挖深值，孤立點(diǎn)處的挖深與建議的挖深值相比不具備可比性。
4．結(jié)語
通過高填土路堤與高架橋方案之間、深挖方路塹與隧道方案之間的費(fèi)用分析，尋找可替代方案間費(fèi)用相同時(shí)的臨界填挖高h(yuǎn)，發(fā)現(xiàn)h受土石方綜合單價(jià)影響最大，同時(shí)臨界挖深還同巖石類別有緊密聯(lián)系。
本文提出的工程可替代方案間填挖高判斷值，對(duì)可行性研究階段山嶺重丘區(qū)的平面選線、縱坡設(shè)計(jì)、工程數(shù)量的估計(jì)有較強(qiáng)的參考價(jià)值。
本文建議：一般情況下，在山嶺重丘區(qū)，當(dāng)填高大于16～18米時(shí)，應(yīng)考慮采用高架橋方案。當(dāng)微、弱風(fēng)化硬質(zhì)巖石挖深大于34～36米，軟質(zhì)巖石或強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖石挖深大于28～30米時(shí)，應(yīng)考察采用隧道方案的技術(shù)可行性。