川藏公路柔性加固基層瀝青路面結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性分析*

李 銘，楊 帆，吳佳鑫，劉 苗

(西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710021)

川藏公路路基在使用過程中，由于頻繁劇烈的凍融循環(huán)作用與嚴(yán)重的超載重載現(xiàn)象，導(dǎo)致含水率不均勻，形成不均勻變形[1-3]。該公路一直廣泛使用的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，易在路基不均勻變形影響下，產(chǎn)生諸如結(jié)構(gòu)層斷裂等嚴(yán)重結(jié)構(gòu)性破壞[4-5]，造成交通堵塞，影響通行能力。已有研究和實踐表明[6-10]，采用柔性加固基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，比半剛性基層路面結(jié)構(gòu)擁有更好的路基不均勻變形適應(yīng)能力。典型合理的路面結(jié)構(gòu)除了滿足性能合理性要求之外，還應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)合理性要求[11-13]，當(dāng)前多采用壽命周期成本分析(Life Cycle Cost Analysis,LCCA)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性計算分析。我國對全壽命周期在公路工程中的研究開展較晚，且大多應(yīng)用于內(nèi)地公路中，而在川藏公路中的應(yīng)用研究較為少見。

因此，文中擬在先前研究基礎(chǔ)上，基于不均勻變形影響條件，通過LCCA分別計算不同路面結(jié)構(gòu)的初期建設(shè)和后期養(yǎng)護(hù)維修費用，并以總費用最低為評價指標(biāo)，揭示柔性加固基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理性，為該地區(qū)典型路面結(jié)構(gòu)的選擇提供理論依據(jù)。

1 川藏公路瀝青路面結(jié)構(gòu)合理型式

現(xiàn)行的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，在凍融循環(huán)和重載引發(fā)的較大路基不均勻變形影響下，會導(dǎo)致其多種路面病害頻發(fā)甚至發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重影響正常使用性能?；诖耍狙芯酷槍Σ痪鶆蜃冃?，提出了由土工格室加固級配碎石形成的柔性加固基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，用以減緩變形影響，提高道路使用壽命，完善該地區(qū)路面結(jié)構(gòu)合理組合型式。

其中不均勻變形影響程度的大小，可根據(jù)公路可能受到的影響情況預(yù)測。在積水較多、滲水嚴(yán)重且凍土大范圍存在的區(qū)域，不均勻變形會引發(fā)較大的路面沉陷、波浪和裂縫等病害，該區(qū)域情況即為受影響較大情況；相反，積水少和凍土較少存在的區(qū)域，不均勻變形可能僅造成輕微裂縫等病害，該區(qū)域情況即為受影響較小情況。因此，本研究根據(jù)不同公路等級要求以及不均勻變形影響程度，推薦以下四種瀝青路面結(jié)構(gòu)作為川藏公路合理路面組合型式，見表1。

表1 川藏公路瀝青路面合理組合結(jié)構(gòu)型式Tab.1 Rational combination form of Sichuan-Tibet highway asphalt pavement structure

結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)三屬于典型半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，分別適用于該地區(qū)不均勻變形影響較小情況下的二級公路和高速公路。結(jié)構(gòu)二和結(jié)構(gòu)四是本研究提出的柔性加固基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中的級配碎石通過土工格室加固，具有良好的承載能力，可通過自身材料調(diào)節(jié)塑性變形的特點，減少不均勻變形對結(jié)構(gòu)層的影響，在不均勻變形影響較小和較大情況下均適用。

四種結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)一已在川藏公路得到多年應(yīng)用，結(jié)構(gòu)二、三、四通過室內(nèi)剛性承載板力學(xué)性能試驗以及有限元模擬計算，已驗證均具有良好的力學(xué)性能和抵御變形能力，可以有效提高瀝青路面使用性能。加之川藏公路施工的人力、機(jī)械設(shè)備、材料保障，科學(xué)的施工方法和應(yīng)對惡劣環(huán)境的經(jīng)驗，可確定四種路面結(jié)構(gòu)不存在工程質(zhì)量方面的制約因素，可以用于川藏公路抵御不均勻變形破壞。

2 路面結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理性分析

路面結(jié)構(gòu)組合型式的優(yōu)劣，不僅僅是由設(shè)計指標(biāo)是否滿足來決定的，在很大程度上也與經(jīng)濟(jì)方面相關(guān)因素有關(guān)。路面工程作為一種非一次性消費的項目，其具有投資期較長的特點，主要表現(xiàn)在其建成使用后，還會經(jīng)過維修和養(yǎng)護(hù)來維持其正常的使用性能。這就要求在對路面結(jié)構(gòu)組合型式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)合理性分析的時候，不僅僅只對其初期建設(shè)投資進(jìn)行計算，還應(yīng)對其建成營運后的日常養(yǎng)護(hù)費用進(jìn)行計算。因此，有必要采用LCCA對路面結(jié)構(gòu)整個壽命周期內(nèi)的總費用進(jìn)行計算分析。

2.1 計算方法與費用的選取

本研究擬采用LCCA現(xiàn)值法中的凈現(xiàn)值法，在相同的壽命周期中對四種不同路面結(jié)構(gòu)總費用進(jìn)行計算分析。費用計算模型如下所示：

式中：p為總費用；lc為初期建設(shè)費用；xn為分析期內(nèi)第n年產(chǎn)生的費用；n為費用發(fā)生的時間；N為分析期；i為折現(xiàn)率；S為路面殘值。

基于本研究考慮的僅是由路面使用性能不同所造成的費用差別，因此費用分析過程中并未對所用費用項進(jìn)行考慮，只重點關(guān)注對路面使用性能造成影響的費用組成，故選用初期建設(shè)費、養(yǎng)護(hù)費以及大中修改建費進(jìn)行計算與對比分析。其中，初期建設(shè)費依據(jù)路面不同材料價格和定額進(jìn)行計算；養(yǎng)護(hù)費和大中修改建費依據(jù)川藏公路以往的經(jīng)驗進(jìn)行估算。

2.2 影響因素的選取

壽命周期費用的計算與多種影響因素密切相關(guān)，其中主要有分析期、使用壽命以及貼現(xiàn)率。二級公路和高速公路的設(shè)計年限分別為12 a和15 a，但考慮到我國西藏地區(qū)公路由于各種因素的影響限定了其無法使用至設(shè)計年限，加之我國行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)《多年凍土地區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則》中通過條文說明明確指出：西藏地區(qū)特殊的施工與使用條件會對瀝青路面使用性能與使用壽命造成顯著影響，導(dǎo)致其實際使用年限要比一般地區(qū)短，約在6～10 a之間。因此，本研究中不同路面結(jié)構(gòu)的分析期與使用壽命遵照實際情況，均選擇為10 a；貼現(xiàn)率是對資金時間價值的一種反映，是連接不同時期費用與現(xiàn)時期費用的橋梁，美國多采用3%～5%，而我國目前一般是按照6%增長率的高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)來安排國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的，因此本研究依據(jù)我國國情選取6%。

2.3 道路使用性能預(yù)估和修復(fù)方案

通過對川藏公路存在病害及其修復(fù)情況調(diào)查得出，當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門根據(jù)不均勻變形影響程度，制定了相應(yīng)養(yǎng)護(hù)方案。不均勻變形影響較小時，每3 a左右進(jìn)行一次中修，每5 a左右進(jìn)行一次大修或改建；而不均勻變形影響較大時，每2 a左右進(jìn)行一次中修，每4 a左右進(jìn)行一次大修或改建。

瑪麗：……我一向討厭這個鎮(zhèn)，討厭鎮(zhèn)上所有的人。你是知道這一點。我一開始就不愿意住在這兒，可你爸卻喜歡這個地方，硬要蓋這幢房子，這樣我也只好每年夏天來這兒住了。

二級公路的中修方案[14]根據(jù)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范一般采取加鋪罩面的方式，參照西藏自治區(qū)林芝公路分局對于國道318線色季拉山段路面的中修工程方案，罩面材料選用厚度為4 cm的細(xì)粒式瀝青混凝土；大修或改建方案采用厚度為4 cm的細(xì)粒式瀝青混凝土面層，以及厚度為20 cm的瀝青碎石混合料或半剛性基層進(jìn)行補強，使其承載能力得到提高。高速公路的中修方案為選用厚度為5 cm的細(xì)粒式瀝青混凝土罩面；大修或改建方案選用4 cm的細(xì)粒式瀝青混凝土+6 cm的粗粒式瀝青混凝土面層，以及厚度為30 cm的瀝青碎石混合料或者半剛性基層。

對于柔性加固基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)優(yōu)越性，如無特殊情況一般不需要進(jìn)行大修，但基于修復(fù)因行車荷載和環(huán)境因素共同作用下造成的表面損壞的目的，路面應(yīng)每隔一定時間進(jìn)行一次中修，不均勻變形影響較小和較大時的中修間隔時間，分別為5 a和4 a，中修方案采用加鋪厚度為5 cm的細(xì)粒式瀝青混凝土罩面。

2.4 費用計算

不同路面結(jié)構(gòu)材料的預(yù)算定額基價按照《公路工程預(yù)算定額》，進(jìn)行查找并計算(僅對各層結(jié)構(gòu)所用材料的單價、拌合及拌合設(shè)備的安裝拆除、材料運輸以及鋪筑基價進(jìn)行了簡約計算，即僅考慮建筑安裝工程費用中的直接工程費，所有單價均按照最簡方式取整計算)，可得每千米的造價，見表2。

由表2所示數(shù)據(jù)分析可知，無論在不均勻變形影響較小還是較大時，柔性加固基層結(jié)構(gòu)初期建設(shè)費均較半剛性基層大。由于路面結(jié)構(gòu)均屬于瀝青路面，用于日常養(yǎng)護(hù)的費用差別不大，依據(jù)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范可得每千米養(yǎng)護(hù)費用約為2.7萬元·a-1，因此計算中可不考慮。

表2 川藏公路不同瀝青路面結(jié)構(gòu)每千米造價

由表3所示數(shù)據(jù)分析可知，在不均勻變形影響較小情況下，結(jié)構(gòu)二在分析期內(nèi)的總維修費用，小于結(jié)構(gòu)一；而在不均變形影響較大情況下，結(jié)構(gòu)四在分析期內(nèi)的總維修費用同樣小于結(jié)構(gòu)三。故在維修費方面，柔性加固基層路面結(jié)構(gòu)小于半剛性基層路面結(jié)構(gòu)。

根據(jù)以上分析，將不同路面結(jié)構(gòu)型式的初期建設(shè)費和維修費進(jìn)行匯總，計算結(jié)果見表4。

表3 川藏公路不同瀝青路面結(jié)構(gòu)大中修費用現(xiàn)值

表4 總費用現(xiàn)值

由表4所示數(shù)據(jù)分析可知，在不均勻變形影響較小時，結(jié)構(gòu)二的總費用要小于結(jié)構(gòu)一；在不均勻變形影響較大時，結(jié)構(gòu)四的總費用要小于結(jié)構(gòu)三。因此在總費用方面，柔性加固基層路面結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)小于半剛性基層路面結(jié)構(gòu)。

通過分析以上多項費用的計算結(jié)果可知，在不均勻變形影響條件下，柔性加固基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在初期建設(shè)費用上要高于半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，但其優(yōu)良路用性能可減少后期維修養(yǎng)護(hù)費用，從而在總費用方面具有一定的優(yōu)勢。因此，在以總費用最低和長遠(yuǎn)利益為評價指標(biāo)的前提下，柔性加固基層具有良好的經(jīng)濟(jì)合理性。

3 結(jié) 論

文中分別選取適用于不同不均勻變形影響程度下的路面合理結(jié)構(gòu)型式，采用壽命周期費用分析法中的凈現(xiàn)值法，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。通過初期建設(shè)費用、維修費用和總費用計算比較，得出以下結(jié)論：

1) 結(jié)構(gòu)二和結(jié)構(gòu)四兩種柔性加固基層的初期建設(shè)費用，均大于對應(yīng)比較的結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)三兩種半剛性基層；而柔性加固基層結(jié)構(gòu)的維修費用和總費用均小于半剛性基層結(jié)構(gòu)。

2) 通過LCCA經(jīng)濟(jì)合理性分析比較，推薦柔性加固基層瀝青路面結(jié)構(gòu)作為川藏公路不均勻變形路段的典型合理結(jié)構(gòu)組合型式。