陳文，黃能，何若夫，趙正良

(玉溪市晉紅高速公路投資發(fā)展有限公司，云南 玉溪 653199)

隨著高速路網的逐漸完善，越來越多的高速公路為保持良好的路面使用性能，需要開展不同等級的養(yǎng)護工程，傳統(tǒng)養(yǎng)護決策方案僅從道路性能或經濟性等單一指標進行評估，但是傳統(tǒng)的決策方法注重經濟性的分析，而忽略了社會及環(huán)境效益的考慮。作為道路可持續(xù)發(fā)展的重要組成要素，社會、經濟、環(huán)境三大要素必須盡可能全面覆蓋。該文通過建立一種全新的路面養(yǎng)護方案決策方法，以體現道路的社會屬性以及基于壽命周期的可持續(xù)發(fā)展理念，同時針對項目級養(yǎng)護工程提出養(yǎng)護指標標準優(yōu)化方法，在全面統(tǒng)籌分析基礎上開展系統(tǒng)性決策，以降低壽命周期環(huán)境影響及費用，提高養(yǎng)護方案的效益以及可持續(xù)性。

1 壽命周期決策體系分析

路面養(yǎng)護方案的決策是一個復雜的多因素多目標的系統(tǒng)工程，必須在邏輯分析和綜合判斷的基礎上，做出科學決策，全面考核與各個方案相關的基本信息，在性能效益、環(huán)境和費用分析基礎上，基于壽命周期分析理念采用多指標決策體系。由于道路壽命周期費用、環(huán)境分析的前提和基礎都是路面性能發(fā)展趨勢的預測，路面壽命周期決策指標包括效益-環(huán)境指標和效益-費用指標兩個方面。其中效益-環(huán)境指標包括效益-能耗和效益-溫室氣體排放，經濟性分析部分采用效益-費用指標進行評價。

(1)路面養(yǎng)護效益分析

路面性能曲線(圖1)下的面積代表了養(yǎng)護措施的效益大小，綜合反映了路面使用性能和使用壽命。效益計算基線為路面性能指標最低可接受水平,即各分項指標達到中修、大修的觸發(fā)點或預養(yǎng)護措施的失效點，對于路面性能指數而言，其養(yǎng)護效益計算如式(1)所示。

圖1 養(yǎng)護效益計算示意圖

(1)

式中：S為養(yǎng)護措施效益面積；y1(t)為原路面性能衰減曲線；y2(t)為開展養(yǎng)護活動后路面使用性能衰減曲線；y0為路面性能指標最低可接受水平；t1為開展養(yǎng)護活動的時間；t2為原路面性能衰減至最低可接受水平的時間；t3為養(yǎng)護后路面性能指數再次衰減至最低可接受水平的時間。

(2)效益-環(huán)境指標分析

路面全壽命周期環(huán)境效益包括原材料生產運輸、混合料拌和運輸攤鋪以及養(yǎng)護過程中消耗的所有能源。在進行環(huán)境影響分析時，需要將各種能源轉換為統(tǒng)一的度量方位，同時環(huán)境影響分析還包括用戶部分，主要是由在運營過程中車輛的油耗及輪耗組成，路面養(yǎng)護工程環(huán)境效益所需能耗測算如式(2)所示：

E=∑Mi·ei+∑mi·ci+∑Fi·ci·Ni·ρ

(2)

式中：E為瀝青路面養(yǎng)護所需能耗(MJ)；Mi為第i種原材料質量(kg)；ei為第i種原材料單位質量生產能耗(MJ/kg)；mi為第i種能源消耗質量(kg)；ci為第i種能源熱值(MJ/kg)；Fi為第i種車輛的油耗值(MJ/L)；Ni為路段在分析期內交通量；ρ為燃油密度(kg/L)。

路面養(yǎng)護工程環(huán)境效益產生的溫室氣體測算結果如式(3)所示：

G=∑Mi·gi+∑mi·si+∑Fi·si·Ni·ρ

(3)

式中：G為溫室氣體排放量(kg)；gi為第i種原材料單位質量溫室氣體排放量(kg/kg)；si為第i種能源單位質量消耗排放溫室氣體量(kg/kg)。

因此，路面養(yǎng)護工程效益-環(huán)境指標計算如式(4)所示：

BER=S/E；BGR=S/G

(4)

式中:BER為效益-能耗指標；S為根據路面性能曲線計算的效益；BGR為效益-溫室氣體排放指標。

(3)效益-費用指標分析

根據路面養(yǎng)護壽命周期費用發(fā)生情況及分析期，進行壽命周期成本分析時，由于不同的費用投入發(fā)生在不同的時間結點，初建費用發(fā)生在全壽命周期的初期，大中修費用在壽命中期，而殘值發(fā)生在壽命結束?？紤]到折現率，不能簡單地將不同時間費用疊加，若要比較各個方案全壽命周期費用，必須將各個時間費用轉換為同一時間點發(fā)生的費用，因此，該文采用現值法將不同周期的成本轉換為同一時間點，計算得到壽命周期費用現值如式(5)所示：

(5)

式中：NPV為某方案壽命周期費用現值；Cinitial為初始新建費用；Cmaint為養(yǎng)護費用；Csalvage為殘值；Cuser,n為第n年用戶費用；i為折現率。

效益-費用指標是一種常用的經濟性分析方法，可表征路面養(yǎng)護壽命周期內所能達到的性價比。在壽命周期費用分析的基礎上，效益-費用指標測算如式(6)所示：

BCR=S/C

(6)

式中：BCR為效益-費用指標；S為根據路面性能曲線計算的效益；C為壽命周期費用，其組成根據分析的對象及目的確定，可包括管理者或用戶費用部分。

(4)養(yǎng)護方案決策分析

養(yǎng)護決策主要包括選擇適當的養(yǎng)護時機和適當的養(yǎng)護措施，不同的道路養(yǎng)護時機確定與道路類型、道路使用性能狀況、交通量等級、氣候、養(yǎng)護條件等相關，為了提高道路養(yǎng)護的效率，實現養(yǎng)護資金、資源、社會效益最優(yōu)化，該文基于壽命周期分析提出道路養(yǎng)護指標閾值優(yōu)化決策方法。

養(yǎng)護時機(指標閾值)的優(yōu)化建立在對路面性能發(fā)展趨勢以及壽命周期環(huán)境、費用的精確測算基礎上，通過對各養(yǎng)護標準條件下的效益-能耗BERi、效益-排放BGRi以及效益-費用指標BCRi的多指標方案決策比選，確定最優(yōu)的養(yǎng)護指標閾值，不同養(yǎng)護標準條件下的相同指標值按式(7)進行標準化：

x′=x/max

(7)

式中：x′為標準化后數值；x為標準化前數值；max為備選方案樣本數據中最大值。

可以看出，標準化后數據越大說明其與最優(yōu)解最為接近。

養(yǎng)護方案決策綜合比選按式(8)進行計算：

(8)

式中：Pi為第i種方案綜合評價值；BERi′、BGRi′、BCRi′分別為第i種養(yǎng)護標準條件下效益-能耗指標、效益-溫室氣體排放指標、費用效益指標的標準化值；w1、w2、w3分別為相應的權重值，采用路面養(yǎng)護方案決策方法中確定的權重值，分別為0.14、0.14、0.72。養(yǎng)護方案綜合比選決策值越大，表明該種養(yǎng)護標準條件下綜合效益越高。

2 項目級路面養(yǎng)護方案分析

某高速公路雙向四車道，里程為45.943 km，設計速度100 km/h，路基寬24.5 m。通車運營13年以來，交通量急劇增加，現階段路面使用性能及服務功能已不能滿足要求，亟需開展路面大修工程，以提升路面綜合服務水平。同時，結合交通運輸部綠色循環(huán)低碳公路主題項目建設要求，推廣節(jié)能減排路面技術。

2.1 養(yǎng)護歷史

根據設計資料可知，原路面結構為：4 cm AK-16A+5 cm AC-20I +6 cm AC-25I+1 cm改性瀝青石屑封層+30 cm二灰碎石+30 cm石灰土。從建成通車以來，經過多年的運營，項目路段路面已有不同程度損壞，養(yǎng)護管理單位除了應用日常養(yǎng)護措施對路面出現的裂縫、坑槽等輕微病害進行處治外，還結合預防性養(yǎng)護及矯正性養(yǎng)護措施以維持路面服務水平。

2.2 交通量分析

項目路段在路面養(yǎng)護改造前，交通量屬于適中水平，交通量主要以一類車為主，其中還包括一部分重載貨車，交通量逐年增長，歷年交通量統(tǒng)計如表1所示。

表1 歷年交通量分析

由表1可知：隨著通車時間的延長，路段交通壓力逐年增大，一類車增長率最高，達到26.26%；其次為五類車，平均增長率為12.47%，表明項目路段小客車、大型貨車及中型貨車比例增長較快；且當量數平均增長率為23.90%。交通量的增長對路面結構的耐久性能考驗較大，因此，在項目路養(yǎng)護改造中，應選擇具有較優(yōu)耐久性能的路面結構和材料。

2.3 路面養(yǎng)護方案選擇

為創(chuàng)建綠色循環(huán)低碳公路示范工程，提升養(yǎng)護工程的整體綠色循環(huán)低碳水平，使項目路在壽命周期內施工運營能耗及碳排放顯著降低、環(huán)境效益明顯改善，此次養(yǎng)護方案確定基于壽命周期養(yǎng)護決策方法，以提高道路養(yǎng)護的效益，實現養(yǎng)護資金、社會效益及綠色低碳效益資源利用最優(yōu)化。

對該項目而言，由于交通量大幅度增加，中下面層應優(yōu)先考慮抗車轍性能更佳的材料組合方案，對于基層，原路面采用二灰碎石早期強度較高，同時在運營一段時間后，強度還會有小幅增長，根據目前的檢測結果，現階段部分路段二灰碎石基層強度仍然較高，但是仍有部分路段的基層出現破損，需要進行補強處治。

2.3.1 養(yǎng)護方案A

為了改善路面使用性能，延長路面使用壽命，對路面狀況較好路段加鋪罩面層，并對局部路段進行病害處治后加鋪罩面層，罩面層為4 cm改性瀝青SMA-13。采用老路局部病害處治后加鋪罩面方案路段累計60.85(半幅)km。

除了路面結構保存較好的路段加鋪罩面外，其余部分均需要將面層、基層全部銑刨后重新鋪筑基層及抗車轍性能更優(yōu)的路面層，路面結構為4 cm改性瀝青SMA-13+6 cm改性瀝青Sup-20+8 cm普通瀝青Sup-25+38 cm抗裂嵌擠水穩(wěn)碎石，處治路段累計31.036(半幅)km。

2.3.2 養(yǎng)護方案B

為了提升項目路綠色循環(huán)低碳示范效應，提高路面方案低碳化水平以及廢棄資源循環(huán)利用率，養(yǎng)護方案B銑刨原路面后采用廠拌冷再生、溫拌技術、成品濕法橡膠瀝青等組合方案，同時針對路面結構強度滿足要求路段采用加鋪罩面方案。

(1)廠拌冷再生技術方案

考慮到銑刨重鋪方案產生大量的銑刨料，為提高舊料的循環(huán)利用效率，此次采用乳化瀝青廠拌冷再生技術進行再生利用，該方案將冷再生混合料用于路面結構下面層以及部分路段上基層。廠拌冷再生技術實施范圍為路面損壞嚴重路段下面層以及部分上基層，面層采用溫拌技術，能夠更好地節(jié)能減排，具體方案為4 cm溫拌SMA-13罩面+8 cm抗車轍結構層+9 cm冷再生層+15 cm冷再生層+原9 cm二灰碎石基層，累計實施長度約為25.75(半幅)km。

(2)成品濕法橡膠瀝青混合料方案

成品濕法橡膠瀝青的性能優(yōu)勢主要體現在抗裂和耐久性方面，對于裂縫密集的路段，可采用成品橡膠瀝青替代SBS改性瀝青，在原路面裂縫密集段加鋪罩面層采用橡膠瀝青混合料，具體方案為4 cm AR-SMA-13+6 cm改性瀝青Sup-20+9 cm乳化瀝青廠拌冷再生+38 cm抗裂嵌擠水穩(wěn)碎石，累計實施路段長度為4.1(半幅)km。

2.3.3 養(yǎng)護方案C

針對項目路交通量逐年增加的實際情況，從減少路面車轍方向考慮，該方案采用低標號瀝青和連續(xù)級配的高模量瀝青混合料EME，相比于常用的混合料而言，具有更高的模量，可顯著提高路面結構抗疲勞性能和抗車轍性能，達到增強路面抗疲勞、抗高溫性能的目的。高模量混合料主要用于中面層，具體方案為4 cm溫拌SMA-13+8 cm高模量EME+9 cm乳化瀝青廠拌冷再生+38 cm抗裂嵌擠水穩(wěn)碎石，累計實施長度約為63(半幅)km。

3 項目級壽命周期決策分析

3.1 路面養(yǎng)護方案效益分析

針對項目路段路面結構利用方案提出的3種備選養(yǎng)護方案，利用車轍指標作為效益測算對象，根據效益測算公式計算車轍指標性能曲線下面積。針對項目路段擬采用的3種不同路面結構形式，根據力學計算結果及路面性能發(fā)展數據統(tǒng)計分析，不同養(yǎng)護方案的車轍指標性能發(fā)展趨勢如圖2所示。

根據大中修養(yǎng)護標準，當車轍深度指數RDI達到80時即需要養(yǎng)護維修，為了便于對比不同方案的效益差異，均以RDI曲線與養(yǎng)護標準為80時組成的形狀面積作為效益值，按照式(1)對3種養(yǎng)護方案的效益進行計算，結果如表2所示。

圖2 不同養(yǎng)護方案車轍指標性能發(fā)展趨勢

表2 不同養(yǎng)護方案效益計算結果

從表2可知：方案C達到養(yǎng)護標準年限時間最長，為4.64年，養(yǎng)護效益最大為135.96，由此說明，方案C能夠更好地緩解路面性能衰減速率，達到抗疲勞和抗車轍性能，相同處治時間下，方案C具有較高的養(yǎng)護效益和使用性能。

3.2 效益環(huán)境及效益費用分析

(1)養(yǎng)護方案A

根據銑刨重鋪養(yǎng)護方案及工程量，利用該文建立了瀝青路面養(yǎng)護環(huán)境效益分析方法，對銑刨重鋪方案進行能耗及碳排放測算，測算過程中根據該工程實際設定工程運距，其中原材料運距為50 km，混合料綜合運距為20 km。由于3種方案在用戶費用和環(huán)境影響方面沒有明顯的差異，因此在分析時暫未考慮用戶部分，根據式(2)、(3)能耗及排放測算結果，方案A總能耗E=190.905 GJ，相當于6 521.53 t標準煤，溫室氣體排放G=20 364 t。

(2)養(yǎng)護方案B

根據養(yǎng)護方案B的工程量能耗及排放測算結果，該方案總能耗E=179.864 GJ，相當于6 144.38 t標準煤，溫室氣體排放G=19 661 t。

(3)養(yǎng)護方案C

根據養(yǎng)護方案C工程量的能耗及排放測算結果，該方案總能耗E=182.55 GJ，相當于6 236.13 t標準煤，溫室氣體排放G=19 818 t。

(4)效益-環(huán)境及效益-費用分析

根據環(huán)境-效益指標測算方法[式(4)]，以及效益-費用指標測算方法[式(5)、(6)]，僅考慮路面養(yǎng)護本身的環(huán)境影響及費用影響后，不同養(yǎng)護方案的效益-環(huán)境及效益-費用BCR測算結果如表3所示。

表3 各方案效益-環(huán)境及效益-費用測算結果

由表3可以得出，在相同的養(yǎng)護標準前提下，方案C的效益-能耗值、效益-排放值及效益-費用值都最高，表明方案C單位能耗及排放所產生的效益最大，節(jié)能減排效果最好，資金利用效益最高。

3.3 養(yǎng)護方案壽命周期決策分析

采用傳統(tǒng)決策方法，僅針對各方案能耗、碳排放以及費用現值進行單一的排序分析，得到各養(yǎng)護方案的單一指標決策分析結果見表4。

表4 各養(yǎng)護方案單一指標決策分析結果

按傳統(tǒng)決策方法即費用現值、能耗或碳排放單個指標的最小化原則，方案B為各單一指標決策最優(yōu)方案，但傳統(tǒng)決策未考慮壽命周期費用及養(yǎng)護效益對3種方案的影響，雖然目前的成本是最低的，道路壽命和生命周期效益并非最優(yōu)。

因此，根據該文建立的壽命周期決策方法，采用式(7)極大型指標標準化方法對各方案的效益-環(huán)境指標及效益-費用指標進行標準化處理，根據決策指標的權重系數，按式(8)進行方案綜合評價值測算，方案A、B和C的綜合評價值Pi如表5所示。

表5 各養(yǎng)護方案壽命周期綜合評價

由表5可得：方案C壽命周期綜合效益最高，相較于傳統(tǒng)決策方法單個指標最低的方案B，可以看出方案C的效益-費用值較方案B高30%，效益-能耗值較方案B高32%，效益-排放值高32%，即在同樣的資金投入以及能源消耗條件下，方案C基于壽命周期效益的BCR、BER、BGR可分別提升30%、32%和32%，因此，基于壽命周期分析的綜合決策指標分析得到方案C養(yǎng)護效益最高，方案綜合效益最優(yōu)。

4 結論

基于經濟效益和環(huán)境效益的壽命周期方法，建立了項目級路面養(yǎng)護方案決策方法，得到如下主要結論：

(1)建立了項目級壽命周期決策分析方法，不僅包括經濟性指標，還將環(huán)境影響指標納入，并結合路面性能發(fā)展趨勢，形成了基于養(yǎng)護效益的經濟、環(huán)境綜合決策方法。

(2)結合項目級養(yǎng)護路段，通過將壽命周期綜合決策結果與傳統(tǒng)單指標決策方法進行對比，結果表明傳統(tǒng)單指標決策方法未考慮到不同養(yǎng)護方案之間路面使用性能導致的效益差別，通過壽命周期決策方法評價經濟效益、環(huán)境效益和綜合養(yǎng)護效益最優(yōu)方案，在全面統(tǒng)籌分析基礎上開展系統(tǒng)性決策，以提高養(yǎng)護方案的效益以及可持續(xù)性，可為類似工程提供參考。