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(guò)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(shí)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(jì)算分析。我國(guó)對(duì)全壽命周期在公路工程中的研究開(kāi)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(jiàn)。

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(guò)LCCA分別計(jì)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(fèi)用，并以總費(fèi)用最低為評(píng)價(jià)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(huì)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。基于此，本研究針對(duì)不均勻變形，提出了由土工格室加固級(jí)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(cè)。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(huì)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(jí)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(jiàn)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(jí)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(jí)配碎石通過(guò)土工格室加固，具有良好的承載能力，可通過(guò)自身材料調(diào)節(jié)塑性變形的特點(diǎn)，減少不均勻變形對(duì)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(guò)室內(nèi)剛性承載板力學(xué)性能試驗(yàn)以及有限元模擬計(jì)算，已驗(yàn)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(duì)惡劣環(huán)境的經(jīng)驗(yàn)，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(jì)指標(biāo)是否滿足來(lái)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(fèi)的項(xiàng)目，其具有投資期較長(zhǎng)的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在其建成使用后，還會(huì)經(jīng)過(guò)維修和養(yǎng)護(hù)來(lái)維持其正常的使用性能。這就要求在對(duì)路面結(jié)構(gòu)組合型式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)合理性分析的時(shí)候，不僅僅只對(duì)其初期建設(shè)投資進(jìn)行計(jì)算，還應(yīng)對(duì)其建成營(yíng)運(yùn)后的日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算。因此，有必要采用LCCA對(duì)路面結(jié)構(gòu)整個(gè)壽命周期內(nèi)的總費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 計(jì)算方法與費(fèi)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(duì)四種不同路面結(jié)構(gòu)總費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算分析。費(fèi)用計(jì)算模型如下所示：

式中：p為總費(fèi)用；lc為初期建設(shè)費(fèi)用；xn為分析期內(nèi)第n年產(chǎn)生的費(fèi)用；n為費(fèi)用發(fā)生的時(shí)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(fèi)用差別，因此費(fèi)用分析過(guò)程中并未對(duì)所用費(fèi)用項(xiàng)進(jìn)行考慮，只重點(diǎn)關(guān)注對(duì)路面使用性能造成影響的費(fèi)用組成，故選用初期建設(shè)費(fèi)、養(yǎng)護(hù)費(fèi)以及大中修改建費(fèi)進(jìn)行計(jì)算與對(duì)比分析。其中，初期建設(shè)費(fèi)依據(jù)路面不同材料價(jià)格和定額進(jìn)行計(jì)算；養(yǎng)護(hù)費(fèi)和大中修改建費(fèi)依據(jù)川藏公路以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算。

2.2 影響因素的選取

壽命周期費(fèi)用的計(jì)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(jí)公路和高速公路的設(shè)計(jì)年限分別為12 a和15 a，但考慮到我國(guó)西藏地區(qū)公路由于各種因素的影響限定了其無(wú)法使用至設(shè)計(jì)年限，加之我國(guó)行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)《多年凍土地區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》中通過(guò)條文說(shuō)明明確指出：西藏地區(qū)特殊的施工與使用條件會(huì)對(duì)瀝青路面使用性能與使用壽命造成顯著影響，導(dǎo)致其實(shí)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(shí)際情況，均選擇為10 a；貼現(xiàn)率是對(duì)資金時(shí)間價(jià)值的一種反映，是連接不同時(shí)期費(fèi)用與現(xiàn)時(shí)期費(fèi)用的橋梁，美國(guó)多采用3%～5%，而我國(guó)目前一般是按照6%增長(zhǎng)率的高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)來(lái)安排國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的，因此本研究依據(jù)我國(guó)國(guó)情選取6%。

2.3 道路使用性能預(yù)估和修復(fù)方案

通過(guò)對(duì)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(shí)，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(shí)，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(gè)鎮(zhèn)，討厭鎮(zhèn)上所有的人。你是知道這一點(diǎn)。我一開(kāi)始就不愿意住在這兒，可你爸卻喜歡這個(gè)地方，硬要蓋這幢房子，這樣我也只好每年夏天來(lái)這兒住了。

二級(jí)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(duì)于國(guó)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(bǔ)強(qiáng)，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(duì)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(wú)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(shí)間進(jìn)行一次中修，不均勻變形影響較小和較大時(shí)的中修間隔時(shí)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(fèi)用計(jì)算

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

由表2所示數(shù)據(jù)分析可知，無(wú)論在不均勻變形影響較小還是較大時(shí)，柔性加固基層結(jié)構(gòu)初期建設(shè)費(fèi)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(fèi)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(fèi)用約為2.7萬(wàn)元·a-1，因此計(jì)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(jià)

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(fèi)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(fèi)用同樣小于結(jié)構(gòu)三。故在維修費(fèi)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(fèi)和維修費(fèi)進(jìn)行匯總，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

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

表4 總費(fèi)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(shí)，結(jié)構(gòu)二的總費(fèi)用要小于結(jié)構(gòu)一；在不均勻變形影響較大時(shí)，結(jié)構(gòu)四的總費(fèi)用要小于結(jié)構(gòu)三。因此在總費(fèi)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(guò)分析以上多項(xiàng)費(fèi)用的計(jì)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(fèi)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(fèi)用，從而在總費(fèi)用方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。因此，在以總費(fèi)用最低和長(zhǎng)遠(yuǎn)利益為評(píng)價(jià)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(fèi)用分析法中的凈現(xiàn)值法，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。通過(guò)初期建設(shè)費(fèi)用、維修費(fèi)用和總費(fèi)用計(jì)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(fèi)用，均大于對(duì)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(fèi)用和總費(fèi)用均小于半剛性基層結(jié)構(gòu)。

2) 通過(guò)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。