基于全寿命周期管理的水工隧洞经济性分析

潘益斌，俞洪良

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122；2.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州，310058）

基于全寿命周期管理的水工隧洞经济性分析

潘益斌1，俞洪良2

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122；2.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州，310058）

从工程项目的全寿命周期理论入手，探讨了水工隧洞工程全过程费用控制管理方法，构建了水利水电工程全寿命周期成本控制模型。通过本项研究工作，拓展了全寿命周期管理在水工隧洞建设和管理领域的应用，有助于全寿命周期费用控制相关理论的完善和提升，有助于业主管理方准确决策、设计方合理设计，并全面提升管理水平，帮助社会大众和工程潜在投资方全面认识水工隧洞建设和运营特点，有助于加速该类项目的规划、立项和投资建设。

全寿命周期；水工隧洞；费用；模型

0 引言

近三十年来，随着我国社会经济和人民生活水平的不断提高，国内水利水电工程建设规模迅速扩大。在引水式开发水电站和长距离引调水项目中，水工隧洞作为其最为重要的建筑物之一，其数量和规模更是史无前例，典型的有鲁布革水电站9.4 km长引水隧洞、天生桥二级水电站3条9.8 km长引水隧洞、锦屏二级水电站4条16.7 km长的世界最大规模水工隧洞群、杭州千岛湖配水工程110 km输水隧洞工程和鄂北地区水资源配置工程269 km输水隧洞工程等。

水工隧洞施工条件复杂、建设周期长、投资规模大、营运时间较长，目前项目业主管理方主要还是关注工程决策阶段和实施阶段的项目管理，特别是这期间的设计优化和成本控制工作，而普遍不够重视工程投产后的运营期管理。随着国内大量水工隧洞工程相继交付使用，一些工程在运营若干年后即发现缺陷而影响正常使用，并为此加固处理的案例也屡见不鲜。因此，针对水工隧洞工程进行较为全面的经济性分析，并据此重新审视规划阶段和工程建设期间确定的设计方案开始受到各方的关注。

1 全寿命周期成本管理

1.1 全寿命周期成本管理的概念和优势

1960年代以来，美国军方率先在军用设备采购领域提出了全寿命成本控制费用（Life Cycle Cost，简称LCC）及全寿命经济性的概念。LCC是从工程项目的整个寿命周期出发，进行全过程的造价和成本控制。因此，LCC是全寿命周期管理（Lifecycle Management，简称LCM）的目标任务之一。

图1 全寿命周期与全寿命周期成本（费用）的关系图Fig.1 Relationship between full life cycle and its cost

LCC通过投资费用的控制、项目效益的分析和评价、运用工程经济学、数理统计学的方法，从工程项目的可行性研究阶段、建设决策阶段、设计阶段、采购及施工阶段直至竣工使用阶段，对费用进行全程计划和控制。这种方法的优势体现在如下几方面：

（1）从投资决策科学性角度来看，全寿命周期工程成本控制中的成本分析，指导人们自觉地、全面地从工程项目全寿命周期出发，综合考虑项目的建造成本和运营与维护成本或使用成本，从多个可行性方案中，按照全寿命周期成本最小化的原则，选择最佳的投资方案，从而实现更为科学合理的投资决策。

（2）从设计方案合理性角度来看，工程项目全寿命周期成本控制可以指导设计者自觉地、全面地从项目全寿命周期出发，综合考虑工程项目的建造成本和运营与维护成本或使用成本，从而实现更为科学的建筑设计和更加合理的建筑材料选择，以便在确保设计质量的前提下，实现降低项目全寿命周期成本的目标。

（3）从工程项目实施的角度来看，工程项目全寿命周期成本控制可以在综合考虑全寿命周期成本的前提下，使施工组织设计方案的评价、工程合同的总体策划和工程施工方案的确定等更加科学合理。这种融合了全寿命周期理论和成本控制理论的成本控制方法已不再单纯是项目经济财务方面的工作，也不再单纯是项目运作方面的工作，而是包含了经济、组织、管理、技术等多方面的综合科学。

1.2 水工隧洞全寿命周期成本管理的思路

我国自20世纪90年代开始引入LCM和LCC的概念以来，开展了很多理论研究和实践应用工作。但在具体的项目管理中，相关概念仍不够成熟，特别是水工隧洞的全寿命周期管理和基于此的全过程经济分析工作仍处于起步阶段，鲜有成熟的研究成果。深入开展基于全寿命周期管理的水工隧洞经济性分析研究工作，不仅有助于LCC理论研究在我国项目管理实践中的应用，也具有显著的社会、经济效益，具有较为广泛的实用价值，意义重大。

水工隧洞工程全寿命周期包括项目开始阶段（包括可行性研究）、设计阶段、招标采购阶段、施工阶段、使用阶段（主要是运行和维护）以及拆除更新阶段等。其全寿命周期费用分析采用工程经济学中的“总现值法”，即一次性投资费用和后续经常发生的费用都要按规定的建筑物寿命年限、利息等折算为现值，并据此选择总费用最小者为经济方案。

本项研究工作的路线图拟定如图2所示。

图2 水工隧洞全寿命周期成本管理研究路线图Fig.2 Procedure of research on full life cycle cost of hydraulic tunnels

2 水工隧洞建设与运营特点

水工隧洞穿山越岭，通过支护和衬砌与周边围岩联合承担山岩压力、内水压力等荷载，并源源不断地调运水流，产生了巨大的社会与经济效益。但同时，水工隧洞的建设与运营也是一项施工条件艰巨且复杂的工程任务。

2.1 水工隧洞规划设计及建造中的特点

2.1.1 用途广泛

水工隧洞用途广泛，可引水发电，可输水灌溉，还可以泄洪排沙等，市场需求极为广泛，工程要求也各不相同。

2.1.2 技术难度较大

水工隧洞位于岩层（土层）中，隧洞支护或衬砌结构与围岩（土体）联合承载，承担岩体（土层）开挖后引起的二次应力及水压力，特别是在岩层中开挖的隧洞，周边围岩由于开挖导致应力重新分布，岩体产生变形，需要隧洞衬砌结构体系予以抵抗并维持洞室稳定。有压隧洞需同时抵御最高逾千米的内水压力，泄洪隧洞还要承担高速水流的冲刷，对相应的岩（土）体稳定分析、渗流分析、衬砌结构计算、水头损失计算、水力过渡过程仿真、抗冲耐磨、消能防冲设计等综合技术要求较高。

2.1.3 施工工艺复杂、建设工期较长

水工隧洞施工作业断面较小，施工场地狭窄，洞线较长，施工作业工序多，干扰大，施工组织较为复杂，相关安全风险也较大。同时，水工隧洞建造工期一般较长，尤其是兼有导流任务的隧洞，其施工进度往往控制着整个工程的工期。因此，在保证质量的前提下加快施工进度是隧洞工程建设中需要引起足够重视的问题。

2.1.4 工程使用寿命较长

根据《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》等的相关规定，水工隧洞设计使用年限一般按30～100年考虑，在这样漫长的运营期间，工程的维护管理工作不容忽视。

2.1.5 后期改造难度较大

水工隧洞在地下一次开挖成型，围岩在开挖后通过及时的喷锚支护、衬砌灌浆等形成应力二次平衡，后期一旦需要扩大输水容量，几乎不可能在原工程基础上进行扩建，而在原工程附近新建水工隧洞也将受到原工程布置的制约。因此，在工程立项、确定规模时需要有一定的前瞻性。

2.1.6 投资规模较大

业内素有“金桥银路白金洞”一说，客观上说明隧洞工程造价较高——水工隧洞单位公里洞长的造价少则数千万，多则数十亿。类似巨型水电站长引水隧洞群工程、跨流域长距离大流量引调水隧洞工程，其投资数额之高，甚至需要动用国内外科研、技术、施工力量方能实现建设目标。因此，这类项目的立项决策、建设和运营等各方面均备受关注。

2.2 水工隧洞运营维护中的特点

2.2.1 巡查及维护时机难得

水工隧洞日常巡查或维护时，需要暂停隧洞功能、放空隧洞。这恰恰是绝大部分水工隧洞与交通隧道、地下厂房等其他地下工程最主要的区别。一般情况下，虽然运营管理单位制定了日常放空隧洞检查的时间间隔要求，但实际执行过程中却相当不容易，需要统筹考虑经济影响和社会影响。

2.2.2 出入不便、通行不易

水工隧洞建成后，可供人员进入的通道十分有限，较为常见的通道有进口闸门后通气孔、施工支洞改建后的进人门（管）等。隧洞平洞段检修尚有条件，对于竖井、斜井和倒虹吸管等特殊洞段，目前尚无成熟的检修条件。同时，水工隧洞进人通道较为狭小，大型设备进入困难，限制了检修能力和效率的提升。

2.2.3 缺乏照明和通风条件

水工隧洞投入运行后，其沿线基本不会配置永久照明和通风设备，维护检查作业前虽放空隧洞内水流，但通常无法有效排空，且常因积水、渗漏等因素导致隧洞内非常潮湿，出现水气妨碍视线。

2.2.4 衬砌表面结垢或渗出物结晶，遮蔽衬砌表面

污水隧道衬砌壁面常有泥质结垢、污物粘黏，一般水工隧洞表面也可能附着微生物，渗漏处若地下水含钙离子浓度较高，或衬砌混凝土中溶出氢氧化钙，也可与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙，从而在衬砌表面形成钙化。这些情况都会遮蔽衬砌表面，对维护检查时相关问题的发现十分不利。

2.2.5 维修工艺复杂且修补位置再次破坏的可能性大

水工隧洞投运后，常见的病害有坍塌、涌水、渗漏、围岩和衬砌变形、衬砌裂缝、错动、剥离、变形等。在洞内相对密闭、潮湿的条件下，开展维修工作是十分困难的，效率也较低。同时实践证明，在这样的环境下，修补位置再次破坏的可能性较大。

2.2.6 监测设备长期成活率低

水工隧洞运行条件相对严酷，且相对于施工期，隧洞投运后环境条件变化较大。因此施工期埋设的监测仪器在长期运行条件下普遍存在成活率低、可能存在无法继续表征隧洞运行状态的问题。

3 水工隧洞全寿命周期管理体系

结合我国水利水电工程基建工作流程，并为方便水工隧洞全寿命周期费用分析工作的开展，水工隧洞全寿命周期范围内一般可包括项目立项阶段（项目建议书）、可行性研究阶段、初步设计阶段、前期工程准备阶段、主体工程建造施工阶段、工程运营阶段以及拆除更新阶段等。

在项目立项和可行性研究阶段，主要任务是论证项目建设的必要性、可行性，并初步拟定项目建设规模。在初步设计阶段，主要任务是确定项目建设规模，并在此基础上深入分析、确定水工隧洞的线路、长度、断面尺寸、开挖及结构设计方案、施工方案、工程建设对周边影响及相关处理等。在前期工程准备和主体工程建造施工阶段，主要任务是根据设计图纸，一次性完成水工隧洞及其他附属建筑物的建造。工程运营阶段的主要任务则是根据检修周期和实际情况，进行水工隧洞的维护检修、更新评估直至报废拆除。

另外，由于水工隧洞全寿命周期管理工作庞杂，数据繁多，且时间跨度较大，试图用传统的管理方法实现全寿命周期成本控制是难以想象的，因此，在工程开工建设前即应在全寿命周期管理的思路指导下成立专业的组织结构，并搭建统一的信息化管理平台，这对于预期成果的质量保证至关重要，也为实现项目成本的持续、高效、准确管理奠定基础。

4 水工隧洞全寿命周期费用控制模型

为突出主要问题，简化分析工作，水工隧洞工程全寿命周期费用可概化分解为以下10个部分：前期工程咨询费T1、前期及施工辅助工程准备费T2、工程勘测设计费T3、工程咨询审查费T4、建设期工程费T5、运营期贷款利息T6、运营期检查维护费T7、运营期可能灾害损失费用T8、工程报废拆除费T9、项目全寿命周期管理费T10。

故水工隧洞全寿命周期费用模型可表述为如下公式：

式中：L——工程全寿命周期费用；

N——工程一次性投资费用，包括勘察设计、建造施工等一次性投资，又包括贷款利息等筹资费用等；

R——工程运营期经常发生的费用，包括建筑物使用期内的管理费用，设施和设备的修理、更换、更改和改善费用，功能使用费用等。

4.1 前期工程咨询费

在项目立项前，业主管理方需委托有资质的咨询单位对项目建设的必要性和可行性进行论证，主要成果有项目建议书、可行性研究报告及相关附件等。本阶段还需结合进洞条件、成洞条件、水文地质条件等现场布置初步的地质勘察工作，必要时还要开展现场材料试验工作，进行关键技术问题的专题研究。

4.2 前期及施工辅助工程准备费

前期及施工辅助工程费主要指建设及施工场地征用费、三通一平等前期施工准备费，是工程准备开工建设前需要花费的必要费用。水工隧洞为地下工程，建设及施工场地征用费一般较少，但其洞线长，工程区一般距离城市较远，交通、电力、供水和场地平整等前期施工准备费较高，是一项占比很大的费用支出。

4.3 工程勘测设计费

当项目的必要性和可行性均得到上级主管部门批复认可后，原则上就已立项并具备正式开工建设条件。此时，业主管理方就需要委托有经验的勘测设计单位开展实质性详细的技术研究和图纸设计工作，为工程全面建设奠定基础。

水工隧洞位于地下深处，对工程区地形地质研究成果的准确性要求较高，一般通过在进出洞口、埋深较浅处和特殊地质洞段布置钻孔、坑探，甚至布置探洞方能达到工作深度要求。水工隧洞工程设计工作需在深入比较的基础上，研究洞线、断面尺寸、支护和衬砌方案、水力学条件等多类技术问题，综合性要求较高、技术难度较大。因此，水工隧洞工程勘测设计工作一般时间较长，短则数年，长则十余年，是勘测设计工作者辛勤工作的结晶。

4.4 工程咨询审查费

依据国家基本建设管理流程，且考虑水工隧洞的技术复杂性，项目前期研究和技术设计阶段的各类研究成果，均需委托有经验的专家队伍对成果进行认真全面的咨询和审查，借此优化设计、促进施工、控制投资，提高工程的性价比，并避免勘测设计工作偏差。因此应按一定比例考虑工程咨询审查费的支出。

4.5 建设期工程费

工程开工后，即进入主体工程施工阶段，本阶段项目从蓝图变为现实，投资集中，是全寿命周期费用中最为突出的部分。结合近年国内水利水电工程可研概算编制实际要求，水工隧洞工程建设期工程费由建筑安装工程费、设备及工器具购置费、环境保护工程费、建设征地和移民安置费、独立费用（包括项目建设管理费、生产准备费、勘察设计费、其他税费）、预备费和建设贷款利息等七大项组成。其中独立费用项目中，除勘测设计费已单独计列，其他都纳入到后面的全寿命周期管理费用中。

4.6 运营期的贷款利息

工程竣工后的最初几年，由于建设期累计的大量借款，会产生较大的利息支出，这就形成了运营期的贷款利息。其作为工程成本费用之一，占有相当比重。

4.7 运营期间的检查维护费

运营期间的检查维护费是指水工隧洞建成后，在正常使用期间所发生的必要费用以及为保证工程正常运行所产生的必要的修复费用，一般包括安全定检费、每年例行维护维修费用和大修（包括综合性大修或改造性大修）费用等。

（1）安全定检费：对已建工程开展定检工作，可以系统全面评估工程运行状态，为开展必要的工程加固、维修提供依据。目前，对于水利水电大坝工程，国家相关部委制定了定检管理办法，水工隧洞工程可予以参考。

（2）检修放空期间的直接费用：水工隧洞工作环境恶劣，工作状态多样，运行寿命较长，在实际运行过程中均会发生不同程度的病害现象，如渗漏水、围岩变形、掉块、混凝土衬砌开裂、排水孔堵塞、止水带断裂、防腐层脱落、供水水质污染等。因此从这个角度说，为了确保水工隧洞能在设计基准寿命内正常发挥功能要求，利用隧洞检修放空期间开展一定的补强加固是必要的。

（3）检修放空期间的间接费用：水工隧洞的检修放空就意味着停水停电，可能带来一定的经济效益影响或社会效益影响。因此，除意外事故外，隧洞放空检修时机一般都选在用水低谷时段，必要时还要启用备用水源、电源，由此带来的间接费用也需要考虑。

4.8 运营期可能遭遇灾害损失费

就水工隧洞而言，危害较大的灾害类型有地震、泥石流、进水口边坡塌滑等地质灾害和超标洪水，可以应用地质学原理，结合水工隧洞的自身特点，估算地质灾害给工程造成的可能灾害损失费用。

4.9 报废拆除费

报废拆除费是指工程使用期满后，报废拆除恢复原始状态的费用。

4.10 项目全寿命周期管理费

基于全寿命周期管理的工程，应计入专项管理费，该费用可依据传统管理模式中工程建设期间的管理费，向前向后延伸考虑。具体的可分为决策阶段管理费、实施阶段管理费、运营阶段管理费等。

5 结语

以工程经济学理论为基础，从工程项目的全寿命周期理论入手，探讨了水工隧洞工程全过程费用控制管理方法，构建了水利水电工程全寿命周期成本控制模型，拓展了全寿命周期管理在水工隧洞建设和管理领域的应用，有助于全寿命周期费用控制相关理论的完善和提升，有助于业主管理方准确决策，最终帮助社会大众和工程潜在投资方全面认识水工隧洞建设和运营特点，有助于加速该类项目的规划、立项和投资建设。

[1]何清华,陈发标,芦勇.全寿命周期集成化管理模式的思想和组织[J].基建优化,2001,22(2):38-40.

[2]黄斐娜,王进.工程项目全寿命周期管理的整体构想[J].铁路工程造价管理,2002,17(4):15-17.

[3]蔡绍宽,李玉钦,宋洋.基于全寿命周期的水电工程项目风险管理[J].天津大学学报,2008,10(4):298-302.

[4]黄辉,肖昱.全寿命周期成本理论在水利工程项目中的应用[J].水利建设与管理,2009,29(7):13-15.

[5]H Shang,T Wang,L Chiahan,M Lin.Life cycle design con⁃siderations of hydraulic tunnels based on inspection and maintenance cases[J].Tunnel Construct,2010-S1.

2016-02-29

潘益斌（1981-），男，安徽安庆人，高级工程师，研究方向为水工结构工程与工程管理。

作者邮箱：pan_yb@ecidi.com

Economic analysis of hydraulic tunnel based on life cycle management

PAN Yi-bin and YU Hong-liang

PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited

Based on the whole life cycle theory of engineering project,this paper discusses the manage⁃ment method of the whole process cost control of hydraulic tunnel project,and sets up the whole life cy⁃cle cost control model of hydraulic and hydropower project.This research expands the application of life cycle management in hydraulic tunnel construction and management field,and it is helpful to improve and enhance the life cycle cost control theory which helps owners with management decision-making,accurate and reasonable design and management level enhancement.As well,its helps the public and potential investors better understanding the characteristics of hydraulic tunnel construction and opera⁃tion,and further accelerate the project planning,investment and construction.

full life cycle;hydraulic tunnel;cost;model

TV697

A

1671-1092（2017）05-0006-05