1． 概述
工程可替代方案指工程在滿足某一目標的前提下，有著不同的實現(xiàn)方式。如改善一個區(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。工程的目標往往從全社會的角度來確定，在工程整個壽命期內(nèi)來考察。廣義的工程可替代方案實質(zhì)上也包括"無為"方案，當"有為"在工程壽命期內(nèi)預計所耗費的成本大于其在壽命期內(nèi)所帶來的效益時，還不如選擇"無為"方案。
在公路工程設(shè)計中，我們已經(jīng)習慣于平面線位間的競爭比選，首先是計算土石方、排水防護、路面、橋涵、隧道、交叉工程、沿線設(shè)施、占地拆遷等工程量，通過造價計算得出工程建設(shè)成本，及估算出營運期預計消耗的費用；然后根據(jù)項目在路網(wǎng)中的布局，考察不同方案在壽命期內(nèi)所創(chuàng)造的經(jīng)濟效益，通過對比不同方案間的凈效益來選擇路線方案。
在公路某一單項工程中，在滿足機動車通行的功能要求的目標下，其實也有著不同的工程實現(xiàn)措施，存在滿足同一功能要求的不同實現(xiàn)方案間的競爭，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爭。這種單項工程方案之間的可替代性競爭普遍存在于山嶺重丘區(qū)公路的建設(shè)中。
2． 可替代方案競爭比選的一般原則
可替代性工程方案應從
● 技術(shù)的可行性
● 經(jīng)濟的合理性
● 運營維護的難易程度
● 環(huán)境保護
● 其他需特殊考慮的目標因子(如建筑景觀、耕地資源等)
四個大的方面綜合進行方案比選。經(jīng)濟的合理性主要指工程建設(shè)的貨幣成本；運營維護的難易程度可以轉(zhuǎn)換為費用的形式貨幣量化；環(huán)境保護更多的表現(xiàn)是工程對環(huán)境的損害，較難以貨幣量化。
工程可替代方案的比選應該是在可以量化的基礎(chǔ)上的選擇，應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)濟的合理性及營運費用。在營運費用相差不大的情況下，以建設(shè)的成本來決定方案的競爭優(yōu)越性。
3． 可替代方案的技術(shù)經(jīng)濟分析
3.1 高填土路提與高架橋方案技術(shù)經(jīng)濟分析
3.1.1. 高填土路堤與高架橋的費用分析
高填土路堤方案與高架橋方案首先從建設(shè)的經(jīng)濟成本進行分析比較。為簡化起見，考察方案的直接工程費與間接費之和以及與占地費用的合計。以費率定額計算的其他費用多以直接工程費與間接費之和為基數(shù)。
高填土路堤方案主要包含路基土石方(費用代號以T1表示)、排水防護工程(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的主要因素是填土價格、地基處理及土地補償價格，影響高架橋造價的主要因素是跨徑的選擇，而墩、臺高度對造價的影響相對較弱。
以下以24米寬的路基為研究對象，假設(shè)填土高為h米，現(xiàn)計算1公里長的路堤的建設(shè)費用，然后與預應力空心板高架橋費用進行比較。以下費用計算中所采用的基礎(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)計及造價數(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)，土石方綜合平均價為p元／立方米，則：T1=x(h)*948*p／10000萬元／公里；常規(guī)排水防護工程T2一般在160萬元/公里左右(暫不考慮高邊坡防護額外增加費用)；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、橋梁長平均35米／公里計算，得140萬元／公里左右；交叉工程按通道考慮，每公里2處計，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)項目用地指標》微丘區(qū)計算，按一般正常填土高度計算時，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，當填土高度大于一般正常填土高度時，額外增加占地(h-4.4)*6.3畝/公里，T8大約增加費用(h*6.3*1.4-39)萬元／公里。
高架橋方案按預應力空心板進行計算，上部構(gòu)造、下部構(gòu)造、基礎(chǔ)合計平均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用相等，即T＝Q時，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p取22元／立方米時，應用逼近算法，計算得臨界填土高h=19.6米；當p取30元立方米時，h=16.2米。
以上為存在有軟土地基處理情況。
若無T3項，則x(h)*p+h*6.3*1.4＝2704*10000／948 ……2
土石方綜合平均價p取22元／立方米時，h=21.3米；p取30元／立方米時，h=17.6米。
若無T3項，同時T2考慮高邊坡防護額外增加的費用，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p取22元／立方米時；h=20.4米；P取30元／立方米時，h＝16.8米。
3.1.2． 臨界填土高與土石方單價間的關(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：

相關(guān)圖片如下

隨著p值增加，臨界填土高h值迅速下降，h表現(xiàn)出對p的變化敏感性很強；當p增至一定值后，h下降幅度開始逐漸減弱，h對p的變化敏感性下降。
3.1.3. 臨界填土高與占地補償標準間的關(guān)系
取p為27元/立方米，設(shè)占地補償標準為C(萬元/畝)，同時不考慮地基處理費用T3，T2按高邊坡防護考慮，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C取0.4萬元／畝時，h=17.9米；當C取1.0萬元/畝時，h=17.5米：C取1.6萬元／畝時，h=17.2米；C取2.2萬元／畝時，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。對比p～h曲線，可以看出，臨界填土高h對占地補償標淮C值變化的敏感性遠遠低于對填土土石方單價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、占地補償標準之間的關(guān)系，可以認為，在無其他需特殊考慮的目標因子約束的一般情況下，當填高大于填土臨界高h時，選擇高架橋方案是經(jīng)濟的；當填高小于填土臨界高h時，選擇高填土方案是經(jīng)濟的。
由于在計算填土臨界高h時，采用的數(shù)據(jù)經(jīng)過歸納及合理地簡化處理，因此h值是在一定置信度條件下的均值。填土臨界高h值的計算波動主要與地基處理、防護工程費用的波動相關(guān)聯(lián)。這兩項費用隨填土高度增加而相應增加，本文在計算填土臨界高h時，限于掌握的資料，對這兩項費用進行了相對簡單處理。
高填土路堤方案的路基施工工序多、協(xié)調(diào)工作量大，對環(huán)境的損害也較高架橋方案大。如果再從工程壽命期內(nèi)考察高填土方案與高架橋方案，需另預計工程所對應的營運費用，包括養(yǎng)護費用與管理費用，高填土方案的排水防護工程砌體、路面、中央分隔綠化帶等養(yǎng)護費用較高架橋養(yǎng)護費用高，兩者的管理費用則基本相當。
基于以上原因，在利用圖1或式1、式3計算出填土臨界高h值后，建議填高在h-1米以上時，就應考慮高架橋方案。
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，土石方綜合平均價在27元／立方米左右。若石方所占比例再增大、運輸又不便利，則土石方單價還要高。加之地面橫坡較大，防護工程量也較大。以土石方單價27元/立方米計算，填土臨界高h計算值為17.9米，因此，當填高大于17米時，以采用高架橋方案為優(yōu)。
一般地，在山嶺重丘區(qū)，當填高大于16～18米時，應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)濟分析
3.2.1. 深挖方路塹與隧道的費用分析
深挖方路塹方案與隧道方案仍然考察方案的直接工程費與間接費之和以及與占地費用的合計。
深挖方路塹方案主要包含路基土石方(W1)、排水防護工程(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)施由于相對造價較低，忽略不計；為便于對比，洞門仰坡占地不計。
表示為：S＝S1+S2+S3+S4
設(shè)路基寬24米，挖深h米，現(xiàn)計算1公里長的深挖方路塹的建設(shè)費用，然后與雙洞隧道的建設(shè)費用進行比較。對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，碎落臺寬2米，邊坡按微、弱風化硬質(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，路基土石方量設(shè)為f(h)*1000，土石方綜合平均價p元/立方米，則：wl＝f(h)*1000*p／10000萬元／公里；排水防護工程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數(shù)量如果按《公路建設(shè)項目用地指標》計算與實際偏差較大，此處占地數(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)合計費用按3000元/平方米計算，則S1+S2為7200萬元／公里；通風照明工程(S3)約370萬元／公里；供電設(shè)備購買及安裝(S4)按500萬元／公里估列。
若深挖方路塹方案與隧道方案費用相等，即W＝S時，可得
f(h)*1000*p／10000+420+460+85+d(h)*0.4=7200+370+500 ……5
式5簡化為：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) (假設(shè)地面線水平)
f(h)＝1350+68*(h-30)+0.5*(h-30)2 (h＞30時) (假設(shè)地面線水平)
d(h)＝68000/667+(h-20)*1000/667 (30≥h＞20時) (假設(shè)地面線水平)
d(h)=82000/667+(h-30)*1000/667 (h＞30時) (假設(shè)地面線水平)
p取為30元/立方米時，計算得臨界挖深值h=44米，此時占地約為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。前一情況，大約可供應14公里的填土路基，平均運距大于7公里；而后一情況，事實上很難找到滿意的棄土地點。因此在式5中假設(shè)土石方綜合平均價取為30元/立方米偏低。
再假設(shè)土石方綜合平均價為40元/立方米。式5可改寫簡化為：
f(h)*4+d(h)*h*0.4＝7105 ……6
計算得臨界挖深h＝36米，此時占地約為132畝/公里，開挖土石方量約176萬立方米/公里。
通過計算發(fā)現(xiàn)，臨界挖深h對排水防護工程費用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)計算，h＝34米；假設(shè)W2為2000萬元/公里，p取40元/立方米，經(jīng)計算，h=130米，而此時假設(shè)W2為2000萬元/公里并不合理。
若地質(zhì)為軟質(zhì)巖石或強風化硬質(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) (假設(shè)地面線水平)
f(h)＝1795+97*(h-30)+(h-30)2 (h＞30時) (假設(shè)地面線水平)
d(h)＝87000/667+(h-20)*2*1000/667 (30≥h＞20時) (假設(shè)地面線水平)
d(h)＝lll000/667+(h-30)*2*l000/667 (h＞30時) (假設(shè)地面線水平)
同時p取30元/立方米，代入式5，經(jīng)計算，h=35米；p取40元/立方米，計算h=30米。
3.1.2. 臨界挖深與土石方單價間的關(guān)系
以式5為基礎(chǔ)從純數(shù)學角度考察土石方單價p與臨界挖深h之間的關(guān)系。如圖3所示。
相關(guān)圖片如下


圖3所示曲線與圖1所示曲線數(shù)學特性類似，隨著p值增加，臨界挖深h值下降迅速；當p增至一定值后，h下降幅度開始逐漸減弱，h對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開挖土石方單價、邊坡巖石類別最敏感，對防護工程造價、占地補償標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
上述對深挖方路塹的臨界挖深h值的計算基于技術(shù)可行的前提，以純工程經(jīng)濟的角度分析，計算所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行了理想化處理，特別是土石方數(shù)量的計算；不同的隧道隨地質(zhì)條件的不同，襯砌工程量相差較大，相互問造價波動也較大。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、弱風化硬質(zhì)巖石為36米，軟質(zhì)巖石或強風化硬質(zhì)巖石為30米。
從環(huán)境保護的角度看，深挖方路塹對環(huán)境的破壞程度較隧道要大得多。再從工程壽命期內(nèi)考察深挖方路塹與隧道的營運費用，隧道養(yǎng)護費用中以用電、設(shè)備更新?lián)Q代為主，深挖方路塹養(yǎng)護費用中防護工程的養(yǎng)護費用所占比重可能最大。隧道的用電、設(shè)備更新?lián)Q代所需費用可以大致預計，而深挖方路塹的防護工程養(yǎng)護費用與邊坡的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件關(guān)系十分緊密，估算相對困難，偶然因素多。因此，在進行方案選擇時，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)，當微、弱風化硬質(zhì)巖石挖深大于34～36米，軟質(zhì)巖石或強風化硬質(zhì)巖石挖深大于28～30米時，應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，以探路塹方案為優(yōu)選。
根據(jù)公路建設(shè)的實際，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。由于實際自然地形起伏變化大，考察挖深的對象應是至少50米長路塹段的最小挖深值，孤立點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用分析，尋找可替代方案間費用相同時的臨界填挖高h，發(fā)現(xiàn)h受土石方綜合單價影響最大，同時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，對可行性研究階段山嶺重丘區(qū)的平面選線、縱坡設(shè)計、工程數(shù)量的估計有較強的參考價值。
本文建議：一般情況下，在山嶺重丘區(qū)，當填高大于16～18米時，應考慮采用高架橋方案。當微、弱風化硬質(zhì)巖石挖深大于34～36米，軟質(zhì)巖石或強風化硬質(zhì)巖石挖深大于28～30米時，應考察采用隧道方案的技術(shù)可行性。