轨道交通无砟轨道经济评价研究综述*

李怀龙 李远富

(1.西南交通大学土木工程学院，610031，成都;2.高速铁路线路工程教育部重点实验室，610031，成都∥第一作者，博士研究生)

轨道交通因为运量大、速度快、安全准点、保护环境、节约能源和用地等显著优势，在交通运输体系中占据着重要地位。而无砟轨道因为具有稳定性高、刚度均匀、结构耐久性强、维修工作量少等技术特点，基本取代了传统的有砟轨道，成为了轨道交通主流的轨道结构，在世界范围内得到了广泛应用。

无砟轨道最早从20世纪60年代开始，由德国和日本研发，首先应用于高速铁路。我国从20世纪90年代开始，迅速走过了引进消化吸收再创新的历程，形成了以CRTS(Chinese Railway Track System，中国铁路轨道系统)Ⅰ型板、Ⅱ型板、Ⅲ型板以及双块式为主的无砟轨道技术体系。目前在我国，包括高速铁路、城际铁路、城市轨道交通在内的大规模轨道交通建设正在进行，其中大部分线路均采用无砟轨道。

无砟轨道与有砟轨道相比，工程建设成本增加较大，根据德国和日本的经验，无砟轨道的建设成本约为有砟轨道的1.3～1.5倍。在线路运营过程中，轨道维护的工作量和成本占了维护总成本相当大的比例，需要研究经济有效的维护策略。无砟轨道在运营过程中性能的变化直接影响到维护策略和维护成本，它们的关系需要深入研究。当前，我国应用的无砟轨道形式较多，各有特点，合理的选型可显著减少全寿命周期成本。因此，无砟轨道经济评价研究越来越受到重视。

本文主要介绍了轨道交通领域无砟轨道经济评价的国内外研究现状，阐述了研究发展趋势，并结合我国轨道交通事业的建设和发展，提出了下一步研究方向的建议。

1 国外无砟轨道经济评价研究现状

1.1 初步研究

无砟轨道首先应用于高速铁路，日本、法国、德国作为高速铁路传统大国，也最早开展了无砟轨道经济性研究。由于全寿命周期成本分析法具有概念清晰，考虑了资金的时间价值的优点，可只针对主要成本项计算出全寿命周期成本(Life Cycle Cost，简为LCC)进行对比分析，因而在无砟轨道经济评价方面得到了广泛应用。早期的研究主要是应用该方法，针对无砟轨道和有砟轨道的施工费用和维护费用，计算轨道的全寿命周期成本并进行对比分析。

1.1.1 日本的研究情况

20世纪60年代，日本开始研发新型的轨道结构，经过几十年的发展，日本研发定型了A型板式轨道、A型框架板式轨道以及减振G型等无砟轨道。日本总结板式轨道在山阳新干线应用20年来的经验指出:板式轨道的工程造价一般是有砟轨道的1.3～1.5倍，如果线路的年通过总重达到1 200万t，增加的工程投资可在约10年内偿还。根据维修数据分析，板式轨道每年每km的平均维修费用约为有砟轨道的18%。日本还对东北新干线相关数据进行了分析，结果表明:板式轨道的建设费用约为有砟轨道的1.27倍;由于年维护费用大大降低，相应费用的节省使得建设费用增加的投资约在9年左右得到偿还。

1.1.2 法国的研究情况

法国利用1997年的数据，比较了无砟轨道、有砟轨道的建设费用和维修费用。研究结果表明，当利率减去通货膨胀率的数值低于7%时，无砟轨道的总费用较低，研究设定的前提是无砟轨道的建设费用约为有砟轨道的1.3倍。

1.1.3 德国的研究情况

德国对无砟轨道和有砟轨道的维修费用也进行了统计分析。根据统计资料，1989至1994年雷达型无砟轨道年平均维修费用为2 640马克/km，约为同一时期有砟轨道的五分之一。1998年，德国铁路应用全寿命周期成本分析法，考虑了无砟轨道和有砟轨道结构的不同寿命，加上年度的维修费用，计算出全寿命周期成本。研究表明，在无砟轨道研究开发初期，工程造价是有砟轨道的好几倍，随着技术的成熟和发展，工程造价已降低至约1.5倍，与日本1994年得到的1.3～1.5倍结论非常接近。高速铁路有砟轨道的寿命周期成本最高，其次是雷达型无砟轨道，普通铁路有砟轨道最低。研究结论是:在新建的高速度及高密度运输通道上，采用无砟轨道具有显著的经济性。

1.2 近年来的深入研究

随着世界轨道交通事业的发展，越来越多的城市轨道交通开始采用无砟轨道，对无砟轨道经济性的研究也更趋向深入。研究人员在前期应用全寿命周期成本分析法的基础上，重点关注轨道的施工费用和维修费用的同时，开始研究无砟轨道技术性能与经济指标的结合，并考虑包括环境影响在内的社会影响，扩展了全寿命周期成本的内涵。

1.2.1 全寿命周期成本分析法的延伸应用

(1)铁路的设计和运营维护。研究人员基于全寿命周期成本分析法，研究了决策支持系统。在铁路的设计和运营阶段的应用，主要目的是为在设计阶段无砟轨道的选型以及运营阶段轨道结构(包括部件)的维护策略优化提供支撑。如文献［1］以荷兰高速铁路为例，应用全生命周期成本法，研究了轨道全寿命周期成本决策支持系统，以及轨道和道岔的维护更新策略。研究人员还引入了风险分析，考虑了不确定性因素的影响。如文献［2］等研究了采用故障随机分析的方法评估轨道的经济寿命，提出了建议模型，并结合实例进行了验证。文献［3］将蒙特卡罗模拟和试验设计法结合，提出了评价铁路轨道全寿命周期成本不确定性的方法，并结合实例进行了验证。文献［4］提出了道岔的全寿命周期成本模型，考虑了全寿命周期成本相关的不确定性因素，为铁路基础设施的维护更新策略优化提供支撑。

(2)城市轨道交通。随着城市轨道交通的发展，研究人员也逐渐将全生命周期成本分析法应用于城市轨道交通领域。文献［5］以西班牙马德里地铁为例，应用全寿命周期成本分析法评估轨道结构，研究了其全寿命周期成本。文献［6］将全寿命周期成本分析法应用于韩国的轻轨领域，分析了成本的主要构成，建立了计算模型，还研究了相关的不确定性和成本分类系统。

1.2.2 LCC 与 RAMS的结合

研究人员在关注无砟轨道经济成本的同时，开始研究技术性能与经济成本的关系，引入RAMS技术(Reliability可靠性，Availability可用性，Maintainability可维护性，Safety安全性)，将LCC与RAMS结合起来，以实现无砟轨道技术性能与经济成本的综合优化。如:文献［7］研究指出无砟轨道与有砟轨道相比，在施工时间、可用性、耐久性方面具有显著的优势;文献［8］将LCC和RA(reliability可靠性，availability可用性)结合起来，研究了包括建设投资、运营维护、可用性、可靠性在内的全寿命周期成本，并应用于铁路的设计阶段;文献［9］将RAMS和LCC结合起来，应用于铁路轨道运营维护阶段，寻找优化的维修策略;文献［10］将RAMS和LCC结合起来应用于铁路轨道领域，研究了数据搜集阶段和分析阶段的重要因素和边界条件，并以R260和R350HT 2种轨道为例进行了验证。

1.2.3 LCC 与 SEC 的结合

由于城市轨道交通与城市居民的生活密切相关，包括环境影响成本在内的社会经济影响受到了研究人员的重视。文献［11］研究了LCC和SEC(Socio Economic Cost，社会经济成本)结合，应用于城市轨道交通领域(有轨电车、地铁、轻轨)，建立了标准化的计算工具，分析了轨道技术对经济成本的影响，并将部分定性分析转化为定量分析，最后对4个实例进行了评价。结果表明，城市轨道交通运营阶段的主要成本包括噪声影响和维修成本。维修简便的新型城市轨道交通系统，往往具有更高的全寿命周期成本，但在社会经济方面具有更好的优势(交通堵塞、噪声、振动、二氧化碳排放等)。

综上所述，西方学者关于无砟轨道经济评价的研究比较深入，将LCC与RAMS、风险分析、社会经济因素(包括环境影响)等结合起来，建立了相应的理论框架和计算模型。但RAMS、SEC等作为定性分析，与LCC定量分析之间如何结合，始终是需要进一步研究的难题。

2 国内无砟轨道经济评价研究现状

2.1 初步研究

无砟轨道在我国首先应用于高速铁路。1999年，我国在秦沈客运专线的部分桥梁上铺设了无砟轨道，无砟轨道与有砟轨道工程费用的比值达到了2.65和 3.10，显著高于德国、日本的相应数值。2004年建设的遂渝线相关数据表明，板式无砟轨道工程造价为有砟轨道的2.4～2.7倍，双块式无砟轨道造价为有砟轨道的1.9～2.1倍，与秦沈线的数据相比有所下降，其中双块式无砟轨道造价与有砟轨道比值在2左右，与国外的相应数据比较一致。

2.2 进一步研究

随着我国轨道交通事业的发展，城际铁路和城市轨道交通也开始大规模使用无砟轨道。早期关于无砟轨道经济性的研究主要集中在设计、施工方面，随着运营里程的增加，无砟轨道的运营维护也得到了重视。相关的研究主要包括:

(1)技术经济分析。我国无砟轨道形式较多，设计阶段的无砟轨道选型成为关注的重点。研究人员结合高速铁路、城际铁路、城市轨道交通的特点，对各种类型的无砟轨道进行了技术经济分析，研究了包括经济成本在内的多项指标。如:文献［12］对双块式无砟轨道和板式无砟轨道的建设直接成本、建设间接成本、维修费用和运营效率等技术经济指标进行了研究分析。文献［13］根据城市轨道交通的特点，分析了运营特征，提出了轨道结构选型的基本要求，建议城市轨道交通应优先采用无砟轨道。在轨道结构选型时，不但要注意节约投资，更要重视运营阶段对环境保护的要求，在不同的地区应选择不同类型的减振降噪型轨道结构。文献［14］根据城际铁路的特点，分析了城际铁路对轨道结构的要求，提出了轨道结构的选型原则，并通过对钢轨、扣件和轨下基础的分析比较，提出了200 km/h城际铁路轨道选型建议。文献［15］研究了市域铁路轨道结构形式及主要结构设计参数，比较了无砟轨道和有砟轨道的优缺点，建议采用无砟轨道，并进一步对CRTSⅠ型、Ⅱ型、Ⅲ型板式以及双块式无砟轨道的技术优缺点、经济性、知识产权等进行了比较分析，建议铺设双块式无砟轨道，还指出了优化设计的研究方向。

(2)全寿命周期成本方法研究。在无砟轨道经济评价理论和方法研究方面，文献［16］提出应用价值工程进行全寿命经济分析的新思路;文献［17］参考德国的相关研究，将LCC法应用于我国无砟轨道经济性研究中，并结合工程实例进行了分析;文献［18］将全寿命周期成本分析法和层次分析法相结合，考虑无砟轨道的工程建设费用和养护维修费用，讨论了具有不确定性的研究参数取值范围。

(3)工程造价研究。研究人员结合我国轨道交通工程建设，对无砟轨道的工程造价进行了研究。文献［19］阐述了无砟轨道定额测定的基本情况和工作内容，研究了无砟轨道工程定额测定问题;文献［20］结合遂渝线铁路工程，对不同类型的无砟轨道造价指标进行了计算和分析;文献［21］研究了铁路工程造价的组成及确定问题，调整、计算了更为合理的综合工程造价指标和专业单项工程造价指标，并论证了指标的合理性。

(4)综合评价。建立模型对无砟轨道的技术和经济指标进行综合评价。文献［22］应用层次分析法和模糊综合评价相结合的方法，建立模糊模型，从系统的角度对无砟轨道进行综合评价;文献［23］介绍了无砟轨道性能评价专家系统，利用该系统对无砟轨道中的典型代表进行了定量综合评价和分析，并结合实例对该系统进行了验证［23］。

总之，我国关于无砟轨道经济评价研究方面取得了一些成果，但理论性、系统性研究不够，需要对无砟轨道经济评价的理论和方法以及指标体系进行深入研究。

3 结语

当前我国大规模的轨道交通建设尚未结束，有必要借鉴学习西方的经验，结合我国轨道交通工程实践，建立无砟轨道经济评价的理论体系和计算模型，为我国轨道交通事业的建设和发展提供支撑。建议加强以下方面的研究。

(1)系统的理论框架:应用全寿命周期成本分析法，进一步与RAMS、社会经济因素等结合，建立系统的无砟轨道经济评价理论框架。

(2)标准化的基础数据:基础数据是经济评价的依据，有必要建立标准化的基础数据体系，并在今后的工程实践中不断积累。

(3)完善的计算模型:需要提出比较完善的计算模型，并结合工程实践进一步修正。

(4)重视环境影响:有必要研究LCC与LCA(Life Cycle Assessment，生命周期评价)的结合，分析无砟轨道全寿命周期的环境影响，重点研究运营阶段的环境影响成本(振动、噪声等)，并进一步研究技术经济综合最优的减振降噪措施。

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