Stochastic cost estimation of road tunnels: Case study for the twin bore tunnel Tyrnavos-Elassona

Ioannides KostasStudent: Kostas Ioannidis
Year: 2013
Affiliation: National Technical University of Athens/Athens University of Economics and Business
Level: Postgraduate
Thesis written in Greek

Press on the photo to see more about Kostas...

The accurate estimation of a road tunnel construction's total cost is considered to be of major importance for the total construction cost of the road, especially in times of economical uncertainty financial hardship and recession when financial resources available for development and construction are clearly limited.

The objective of the present thesis is the suggestion of a suitable approach through which awarding authorities (such us owner or funder of the project) will be able to estimate the variation and the probable upper limit of a road tunnel construction's cost and therefore to avoid "unpleasant surprises" during the construction phase, such as cost overruns compared to the price at which the project was undertaken, which many times may lead to an excessive increase of the final as-completed cost which could have been avoided by using a stochastic cost estimation.

An attempt is made to understand and determine various parameters, which contribute to the cost estimation of road tunnels, taking into account the stochastic variation of these parameters. However, due to the complexity and large number of parameters composing the construction's cost estimation problem of a road tunnel, this subject could not be fully covered within the framework of the present thesis (mainly due to time constraints). Therefore, it was considered appropriate to confine these parameters within the limits of Civil Engineering works considering tunnel's Geotechnical and Structural design (stability – structural works).

All chosen parameters and data, regarding tunnel design were analyzed on the basis of the Work Breakdown Structure (WBS), focusing mainly on stability and structural works. The case study concerns a real case of a twin tube road tunnel at Tyrnavos – Elassona section. For this case study a total number of 89 cost variables were taken into account.

Based on WBS and by using Microsoft Excel, a detailed model for the calculation of all individual cost values of each task (Work Packages, Components and Deliverables) and hence the deterministic calculation of geotechnical and structural work's total cost was created. Unit prices for each cost variable were based on existing work tariffs as defined by the Greek Ministry of Public Works (YPO.ME.DI.) and published in the Government Gazette. The result of this initial calculation was equal to 47.890.347,00€.

Following, a quantitative analysis of stochastic cost estimation was performed with the use of @RISK v5.7.1 software by Palisade. In the analysis, major cost variables with greater uncertainty were determined. The cost impact of each one of these variables is quantified probabilistically through a triangular distribution and the determination of minimum, maximum and most probable values. Model's cost variables refer to application rates of typical cross sections of tunnel excavation, temporary support and final lining and to main unit prices of work tariffs for earthworks, concrete and steel.

The values used for the triangular distribution were based on the experience in tunnels under similar geological conditions and on a reasonable consideration of price unit change due to inflation and current state of the country. The analysis was performed by using the Monte Carlo method of simulation by applying 10.000 iterations. From this analysis, a cost distribution was determined, where the total cost with a 5% overrun probability was estimated equal to 49.446.830,00€, increased by 3,25% (1.556.483,00€), compared to the initial cost. Based on this cost distribution the initially estimated cost shows a 94% overrun probability.

Τίτλος στα ελληνικά: Στοχαστικός Προσδιορισμός Κόστους Οδικών Σηράγγων: Μελέτη Περίπτωσης σε Σήραγγα Διπλού Κλάδου στο Τμήμα Τύρναβος – Ελασσόνα


Ο κατά το δυνατόν ακριβέστερος προσδιορισμός του συνολικού κόστους κατασκευής των οδικών σηράγγων, θεωρείται υψίστης σημασίας για τη συνολική δαπάνη των οδικών αξόνων, ιδιαίτερα στη σημερινή εποχή της οικονομικής αβεβαιότητας όπου οι πόροι που διατίθενται για την ανάπτυξη και κατασκευή έργων παρόμοιας εμβέλειας είναι σαφώς περιορισμένοι.

Ο σκοπός της εργασίας αυτής είναι η υπόδειξη προσέγγισης μέσω της οποίας ο ιδιοκτήτης (π.χ. Ελληνικό Δημόσιο) ή χρηματοδότης (π.χ. Τράπεζες) του έργου και εν τέλει ο φορέας που προκηρύσσει το διαγωνισμό κατασκευής και ο οποίος έχει την οικονομική και τεχνική εποπτεία του έργου, θα είναι σε θέση να εκτιμά τη διακύμανση και το πιθανό άνω όριο του κόστους κατασκευής των οδικών σηράγγων ούτως ώστε να αποφεύγονται "δυσάρεστες εκπλήξεις" κατά την κατασκευή με φαινόμενα υπερκοστολόγησης σε σχέση με το τίμημα στο οποίο αναλήφθηκε το έργο, που πολλές φορές οδηγούν και σε υπερβολικές αυξήσεις του συνολικού κόστους και τα οποία θα μπορούσαν να είχαν αποφευχθεί με την βοήθεια του στοχαστικού προσδιορισμού του κόστους.

Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία έγινε προσπάθεια κατανόησης, προσδιορισμού και αποτύπωσης των επιμέρους παραμέτρων που συντελούν στην κοστολόγηση των οδικών σηράγγων λαμβάνοντας υπόψη τη στοχαστικότητα των μεταβλητών κόστους. Εντούτοις, η πολυπλοκότητα αλλά και το πλήθος του συνόλου των παραμέτρων που συνθέτουν το πολύπλευρο πρόβλημα του προσδιορισμού του συνολικού κόστους κατασκευής μιας σήραγγας δεν ήταν δυνατό (λόγω χρονικών περιορισμών) να καλυφθεί πλήρως. Για το λόγο αυτό θεωρήθηκε σκόπιμος ο περιορισμός των παραμέτρων στα έργα Πολιτικού Μηχανικού που αφορούν το Γεωτεχνικό αλλά και το Στατικό σχεδιασμό του τεχνικού έργου της σήραγγας (εργασίες ευστάθειας - στατικότητας).

Δημιουργήθηκε το διάγραμμα Δομής Ανάλυσης Εργασιών (Work Breakdown Structure) που αφορά εν γένει το σχεδιασμό των οδικών σηράγγων και το οποίο κυρίως εστιάζει στις εργασίες ευστάθειας και στατικότητάς τους. Η μελέτη περίπτωσης αφορά πραγματική οδική σήραγγα διπλού κλάδου στο τμήμα Τύρναβος – Ελασσόνα, όπου και εντοπίστηκαν συνολικά 89 μεταβλητές κόστους.

Με βάση το WBS δημιουργήθηκε στο Microsoft Excel ένα λεπτομερές μοντέλο για τον υπολογισμό όλων των επιμέρους τιμών του κόστους κάθε εργασίας και κατ' επέκταση το ντετερμινιστικό υπολογισμό του συνολικού κόστους των εργασιών ευστάθειας και στατικότητας της σήραγγας. Οι τιμές μονάδος κάθε μεταβλητής κόστους που χρησιμοποιήθηκε, βασίστηκαν στα ισχύοντα ενιαία τιμολόγια εργασιών όπως αυτά ορίζονται από το Υπουργείο ΥΠΟ.ΜΕ.ΔΙ. και έχουν δημοσιευθεί στην Εφημερίδα της Κυβερνήσεως. Ο αρχικός αυτός υπολογισμός προσδιόρισε το κόστος σε 47.890.347,00€.

Ακολούθως πραγματοποιήθηκε ποσοτική ανάλυση στοχαστικού προσδιορισμού του κόστους με τη βοήθεια του λογισμικού @RISK v5.7.1 της εταιρείας PALISADE. Για την πραγματοποίηση της ανάλυσης, εντοπίστηκαν οι βασικότερες μεταβλητές κόστους με τη μεγαλύτερη αβεβαιότητα, προσδιορίστηκαν οι ελάχιστες, οι μέγιστες αλλά και οι πιθανότερες τιμές τους και εισήχθησαν στην ανάλυση με προσέγγιση τριγωνικής κατανομής. Οι μεταβλητές κόστους του μοντέλου αφορούν στα ποσοστά εφαρμογής των τυπικών διατομών προσωρινής εκσκαφής, υποστήριξης και μόνιμης επένδυσης της σήραγγας αλλά και στις τιμές μονάδος των κυριότερων εργασιών των ενιαίων τιμολογίων (τιμή μονάδος των χωματουργικών εργασιών καθώς και οι τιμές μονάδος του σκυροδέματος και του χάλυβα).

Οι τιμές για τη διαμόρφωση της κατανομής βασίστηκαν σε εμπειρία από σήραγγες σε παρόμοιες γεωλογικές συνθήκες αλλά και σε μια εύλογη θεώρηση μεταβολής της τιμής μονάδος των τιμολογίων με βάση τον πληθωρισμό αλλά και την υφιστάμενη κατάσταση στη χώρα. Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε με την μέθοδο προσομοίωσης Monte Carlo και την εφαρμογή 10.000 επαναλήψεων. Από την ανάλυση προσδιορίστηκε η κατανομή του κόστους, σύμφωνα με την οποία το κόστος με πιθανότητα υπέρβασης 5% ανέρχεται σε 49.446.830,00€ δηλαδή αυξημένο κατά 1.556.483,00€ (αύξηση της τάξης του 3,25%). Αξίζει να σημειωθεί πως με βάση την καμπύλη κόστους το αρχικά εκτιμώμενο κόστος, εμφανίζει πιθανότητα υπέρβασης 94%.

LinkedIn logoContact