考虑资源稀缺性的路面养护措施综合效益全寿命周期费用评估

董 侨, 姚 康, 黄梦雨, 倪富健

(1.东南大学交通学院, 南京 211189; 2.东南大学道路交通工程国家级实验教学示范中心, 南京 211189)

道路工程是我国交通运输基础设施的重要组成部分,截至2020年我国高速公路总里程已达16.1万km[1],这标志着我国公路发展已进入建养并重的阶段,养护管理工作也变得愈发重要与艰巨[2-3]。我国不仅公路总里程长,路面结构类型也十分丰富,路面养护所涉及的材料、技术、工艺亦存在诸多种类。因此,如何科学地开展养护方案决策成为道路工程领域面临的重要问题。

目前,大多数学者在养护决策流程中考虑了养护方案的成本效益和道路性能,并且提出了一系列衍生计算方法[4-6],但仍存在因素考虑不全、成本经济数据选取单一、未涉及全寿命周期等问题。因此,全寿命周期费用评价(life-cycle cost assessment,LCCA)理论引起了诸多学者的关注。该方法是一种评估产品或方案全寿命周期费用的经济分析过程,可较好地解决传统方法的不足[7]。Gorvetti等[8]基于LCCA方法评估了刚性和柔性路面的全寿命周期效益和成本。Leng等[9]引入LCCA方法量化了温拌沥青全寿命周期潜在的经济和环境影响。然而,目前国内相关研究十分有限,并且适宜于道路工程养护决策的LCCA框架也有待完善。

另外,交通运输基础设施的可持续发展与资源环境状态密切相关[10]。道路工程所涉及的环境资源,如石料、石油等,均为不可再生资源。随着道路工程建设管理制度的日趋完善,资源属性对建设成本、养护效益的影响也愈发显著。目前,大多养护方案效益评估中,对路用材料的资源稀缺性仍少有体现[11-12]。无论从经济学角度还是从环境科学角度,资源稀缺性都是自然资源最本质的属性[13],亦是道路养护绿色效益评价中的重要一环。因此,亟待构建一套针对路用材料的、综合性强的、可比性好的资源稀缺性评价体系,以期为相关研究或养护决策提供参考借鉴。

因此,本文基于LCCA理论,引入资源稀缺性的评价指标,建立适用于路用材料的项目级资源稀缺性评价体系,并将该指标量化为货币当量,与初期成本、车辆运营成本、延误成本共同计入全寿命周期成本清单。随后,以江苏省典型路面结构为案例,依托路面养护管理系统数据,将资源稀缺性、经济效益、性能发展3个维度统一,定量评估了再生类、铣刨重铺类和罩面类共3类、12个常见养护措施的综合效益。最后,以生态最优的材料处理方式为例,开展各项养护措施的综合成本分析,提出基于全寿命周期成本视角的工程建议。

1 养护措施全寿命周期费用组成及分析方法

1.1 资源稀缺成本

道路工程所涉及的资源,如石料、石油等,以及少量工业成品添加剂,如橡胶废料、改性剂等,均为不可再生资源。其中沥青与石料用量占比95%以上。目前,我国石油化工产业发展较好,产量稳定,销售平稳,可基本维持沥青市场产业链供给平衡。因此,本文仅考虑石料的资源稀缺性,但后续学者仍然需要对沥青的资源稀缺性保持关注。

资源稀缺成本主要从存量稀缺、进口稀缺和技术稀缺3个维度进行评价[13]。存量稀缺通过宏观储采比进行表征,其计算公式为

R=V/P

(1)

式中:R为宏观储采比;V为可供利用资源储量,其为某区域内开采企业占用保有资源储量中允许开采、交易和使用的资源储量;P为当年产量。式(1)为通用公式,在实际计算时需要考虑石料的开采回采率。另外,需要将宏观储采比与其合理界限相比较,确定两者之间的响应关系,判断该耗材是否需要计入稀缺性,详见表1。

表1 储采比的合理界限与响应

确定该耗材需要计入稀缺性后,须进一步开展技术稀缺与进口稀缺维度评价,根据不同来源、不同施工行为确定其耗材数量系数,详见表2。基于上述计算步骤,本文通过对江苏省路用石料进行存量稀缺、技术稀缺、进口稀缺3个维度的评价,最终确定耗材调整系数如表3所示。

表2 技术稀缺、进口稀缺及其响应

表3 江苏省路用石料的耗材数量调整

最后,通过

(2)

计算资源稀缺成本。式中:C1为资源稀缺成本;ci为某种当地材料市场价格(见表3);ni为某种稀缺耗材数量。

1.2 初期成本

初期成本是指政府相关部门对初始路面建设和未来养护的投资,包含各项材料采购支出、设备租用与养护等,并且各类养护行为均被考虑在内,包含预防性养护、功能性养护、修复性养护与日常养护活动等。表4给出了常见养护方案单位造价,对于未列出的方案,可依据该表进行估计,如铣刨重铺M.SMA-13的方案造价可参考铣刨、M.SMA-13罩面得出。

表4 常见养护方案单位造价

1.3 车辆运营成本

用户成本包括车辆运营成本及延误成本。其中,车辆运营成本主要包含燃油费、轮胎损耗费、过路费、车辆折旧费等[16-17]。其中,车辆折旧费和过路费与路面养护决策无关,同时,轮胎损耗相关成本占比较小[18],因此,本文仅考虑将施工过程中绕路或者路面性能恶化导致车辆运行产生的额外油耗费用作为车辆运营成本,在本模型中采用使用阶段的燃料成本进行表征,以更好地比较实施不同养护方案的路面性能,其计算公式为

C2=N×Q×coil

(3)

式中:C2为车辆运营成本;N为车辆数,基于历史数据的时间序列模型获取;Q为单位额外油耗;coil为油价,92#汽油为7.84元/L,0#柴油为7.55元/L。由于平整度和速度是影响油耗的主要因素,计算模型引入路面弯沉和抗滑系数进行微调[19],不同车型Q的公式如下。

小客车:Q=m×(0.164eS×I+5.075e0.002L+0.004S),m=0.865λ2-1.280λ+1.408,λ=v/100

大客车:Q=m×(0.386e0.001L+0.002S×I+21.27e0.003S),m=1.277λ2-1.984λ+1.738,λ=V/90

小货车:Q=m×(0.048L0.005S0.413×I+5.925L0.023S0.256),m=1.492λ2-2.260λ+1.805,λ=v/90

中货车:Q=m×(0.170e0.004L+0.011S×I+13.886e0.004L+0.009S),m=2.933λ2-4.142λ+2.382,λ=v/80

大货车:Q=m×(0.147e0.007+0.015S×I+12.739e0.005L+0.016S),m=3.071λ2-4.133λ+2.348,λ=v/70

(4)

式中:I为国际平整度,m/km;S为横向力因数;L为弯沉,0.01mm;v为车速,km/h;m、λ为拟合因数。

此外,本文设定一个基准状态,并取车辆运营时各项成本的后来状态与基准状态的差值作为评价指标,因为该部分才是可以通过技术手段优化的部分。因此,本文规定基准状态下的速度、平整度、横向力系数、弯沉如表5所示。

表5 基准状态

对于后来状态的各项指标,本文基于路面养护管理系统数据,结合相关文献及工程经验[14-15, 20-21],确定不同养护措施实施后的平整度、横向力系数、弯沉值的初始性能及发展趋势,结果如表6所示。

表6 养护后平整度、横向力因数、弯沉的初始性能及发展趋势

1.4 延误成本

延误成本是用户成本的另一组成部分,是指受施工区禁行或限速的影响,交通流发生减速、排队或绕行,从而造成交通延误或使用户被迫取消出行计划产生的延误时间成本与延误运营成本。其中,延误运营成本是指频繁刹车、低速运行或绕行而付出的额外油耗费用,其计算思路与上述车辆运营成本相同。延误时间成本则通过单位时间价值乘以车辆延迟时间及车辆数进行计算[22-23]。其中车辆延误时间一般可通过交通历史数据进行仿真模拟获得。对于单位时间价值,本文参考文献[24]中总结的数据,基于工资法对缺失数据进行计算,最终确定不同类型车辆延误成本计算参数,如表7所示。

表7 延误成本计算参数

2 案例背景

2.1 路面及交通条件信息

案例分析的功能单元定义为3 km半幅单向三车道路面,单个车道宽3.75 m,不涉及路肩、中央分隔带。道路寿命分析期为35～45 a,其中包含已服役的9 a。同时,该系统假定对于同一功能单元,天气、温度等外部因素对各养护方案的效益相同,故将其忽略后对最终结果不产生影响。旧路面结构选取江苏省典型路面结构,如图1所示。此外,假定基层与路基均表现良好,无须进行大修养护。

图1 旧路面结构

对于交通量数据,本文基于路面养护管理系统,根据2002—2021年的AADT与不同车型比例,对未来50 a的数值进行预测,最终结果见表8。

表8 不同车型的单向AADT

此外,本文还对该案例交通条件做出以下规定:

1) 第1车道为超车道,仅限小客车行驶,限速120 km/h;第2车道可行驶70%的大客车以及30%的小客车,限速100 km/h;第3车道可行驶全部的货车以及30%的大客车,限速100 km/h.

2) 所有车辆行驶速度均为表9所示的恒定值。

表9 车辆行驶速度

3) 施工期间所有车辆有序绕行,绕行距离8 km(比原路程多出5 km);绕行时假设车辆速度保持不变,不存在拥堵、频繁刹车、降速等行为。

2.2 养护方案信息

本文基于路面管理养护系统数据,总结了目前江苏省近年来主要的养护方案,并结合量化难易程度、可参考数据完整性、新技术新材料发展等因素,最终选择铣刨重铺、罩面、就地再生共3类、12种养护方案,对比不同材料、技术、工艺的综合成本效益。各养护方案基础信息见表10。

表10 养护方案基础信息

3 结果与讨论

3.1 稀缺性成本

不同养护方案的资源稀缺成本如图2及表11所示。结果表明:再生类养护措施旧料利用率较高,其中冷再生可100%循环利用旧料,具有极佳的资源合理性;ECA-10薄层罩面处治厚度薄、耗材量小,相比普通罩面措施能节省50%左右的资源;废弃旧料、消耗本地石材将使资源稀缺成本增加5～15倍,其中铣刨重铺上中下面层可造成约500万的经济损失,占综合成本的20%。

表11 不同养护方案的资源稀缺成本

综上所述,养护方案决策时应谨慎对待石料的来源与去向,合理采用外来石材,提高旧料利用率。从节省石料的角度对养护方案的优劣排序如下。

1) 上面层养护措施由优到劣依次为罩面类、就地热再生类、铣刨重铺类。

2) 中下面层养护措施由优到劣依次为就地冷再生类、铣刨重铺类。

3) TFC作为抗滑专项,处治厚度极薄。

3.2 初期成本

不同养护方案的初期成本如图3所示,其中包含施工成本(人工费用、设备租赁、拆建成本、燃油费等),结果表明:

图3 不同养护方案的初期成本

1) 不同类型的混合料初期成本差异明显。SMA混合料单价比AC高10%;改性沥青混合料单价比AC高7%;ECA-10薄层罩面(2.5 cm)相比于M.SMA-13罩面(4 cm)节省成本35%,相比于M.AC-13罩面(4 cm)节省成本25%。

2) 再生类养护方案具有良好的经济效益。就地热再生和就地冷再生造价相比于铣刨重铺分别下降16.5%和56.5%,能显著节省开支。

综上所述,从节省政府开支的角度对养护方案的优劣排序如下。

1) 上面层养护措施由优到劣依次为ECA-10薄层罩面、AC罩面、就地热再生、SMA罩面、铣刨重铺。

2) 中下面层养护措施由优到劣依次为就地冷再生、铣刨重铺。

3) TFC作为抗滑专项,成本高于普通微表处措施。

3.3 车辆运营成本

不同养护方案的车辆运营成本见表12,结果表明:

表12 不同养护方案的车辆运营成本

1) 车辆运营成本逐年下降。在图1所示的典

型结构下,平整度与弯沉增长缓慢,相比之下抗滑性能的衰变更为显著,这导致车辆的额外油耗逐年减少。同时,基于上述特征,在相同的路面性能衰变下,养护措施的服役年限越长,年均车辆运营成本越小,用户端性价比越高。

2) 车辆运营成本与养护水平直接相关。路面性能的恢复能降低额外油耗,进而降低车辆运营成本。结合表6发现:再生类养护的平整度依赖于压实工艺,可能导致车辆油耗偏大;TFC针对抗滑性能,车辆运营成本最高;普通罩面能有效改善路面性能,其年均车辆运营成本受使用寿命影响;罩面类养护中,M.SMA-13罩面寿命更长,因此,其年均车辆运营成本明显优于其他方案,用户端性价比更高;铣刨重铺能有效改善路面性能,并且使用寿命普遍较长,车辆运营成本最佳。

综上所述,从用户端经济性的角度对养护方案性价比的优劣排序如下。

1) 上面层养护措施由优到劣依次为SMA罩面、ECA-10薄层罩面、AC罩面、就地热再生、TFC。

2) 中下面层养护措施由优到劣依次为铣刨重铺、就地冷再生。

3.4 延误成本

不同养护方案的延误成本见表13,结果表明:

表13 不同养护方案的延误成本

1) 应重视延误带来的间接经济损失。延误成本中,延误时间成本占比高达99.6%,这说明交通延误带来的间接经济损失远高于直接的油耗支出。此外,在AADT∈[3 000,5 000]辆/d的中交通路段,交通流每中断1 d,就将给用户造成约25万元的经济损失。

2) 当交通量一定时,大型车辆比例越高,延误成本越大。

3) 施工工期对延误成本有决定性作用。

综上所述,有效组织车流避开施工区、合理优化施工流程、缩短养生时间对交通流的影响非常关键,尤其在大型车辆比例较高的路段,该举措可收获显著的经济效益。

从驾驶者间接经济的损失角度,对养护方案的优劣排序如下。

1) 上面层养护措施由优到劣依次为TFC、就地热再生、 ECA-10薄层罩面、普通罩面、铣刨重铺。

2) 中下面层养护措施由优到劣依次为就地冷再生、铣刨重铺。

3.5 综合成本分析

本文以生态最优的材料处理方式(外地石材、旧料留存)为例,分析不同养护方案的综合成本,如图4及表14所示。整体来看,综合成本以用户经济损失为主(50%～60%),其次为政府投入成本(30%～40%),资源稀缺成本占比不超过3%。在用户成本中,延误成本由施工工期决定,车辆运营成本与养护水平相关。这表明:施工特性,如施工工期、施工水平、工艺先进性等,对用户成本效益改善具有重要意义;政府投入与混合料种类、工艺选择有关。

图4 不同养护方案的各类成本占综合成本百分比

表14 不同养护方案的综合成本及其组成

此外,对比不同养护工艺,结果表明:

1) 对于普通罩面类、铣刨重铺类养护措施,在上面层处治措施中,初期政府投入40%左右,油耗支出超过30%,延误成本不到30%,这说明这类养

护应谨慎进行混合料种类和工艺的选择;在中下面层处治措施中,延误成本占比45%左右,初期政府投入40%左右,用户油耗支出10%～20%,这说明这类养护应重点关注施工对交通流的影响。此外,罩面类综合成本相比铣刨重铺方案下降20%,主要差异体现在政府投入和用户的间接经济损失。

2) 对于ECA-10薄层罩面养护措施,其厚度薄、耗材量少,能有效改善路面性能并快速开放交通。2.5 cm ECA-10薄层罩面的综合成本相当于4 cm M.SMA-13罩面的75%,但其车辆运营成本占比较高,接近40%。需要注意的是,实施ECA-10前需要进行一系列既有病害处理,这些琐碎的修补工作在LCA中被忽略,但累积作用可能对整体产生不可忽视的影响。

3) 对于TFC养护措施,由于对平整度和弯沉改善有限,用户端油耗甚至超过铣刨重铺,在综合成本中占比接近50%。需要注意的是,实施TFC前需要进行一系列既有病害处理,这些琐碎的修补工作在LCA中被忽略,但累积作用可能对整体产生不可忽视的影响。

4) 对于就地热再生养护措施,其综合效益与普通罩面接近。尽管就地热再生能循环旧料、节省耗材且快速开放交通,但其造价不低、施工阶段过度排放、对平整度改善有限等劣势使其不具有明显的综合效益优势。其中,初期成本占比接近50%,车辆运营成本占比35%。但是,由于能够较快地开放交通,该养护措施对用户造成的间接经济损失较小。

5) 对于就地冷再生养护措施,其综合效益良好,与同层位铣刨重铺相比综合成本降低40%,其中延误成本占比约50%。可见冷再生技术的优化重点在如何缩短再生层养生时间。

综上所述,考虑综合效益对不同养护方案的优劣排序如下。

1) 上面层养护措施由优到劣依次为ECA-10薄层罩面、就地热再生接近普通罩面、铣刨重铺。

2) 中下面层养护措施由优到劣依次为就地冷再生、铣刨重铺。

3.6 工程建议

本文基于考虑资源稀缺性下不同养护方案的综合成本效益,对道路工程中养护施工作业提出以下工程建议。

1) 加快推进铣刨料再生利用,尤其应杜绝旧料直接废弃现象。相关监管部门可引入惩罚机制,将其列为养护管理水平的考察项之一。

2) 优化施工流程、选择合理的工区封闭方式能够减少施工对交通流的干扰,大幅降低用户的间接经济损失。尤其对于就地冷再生,若能缩短其施工工期,将进一步提高用户端应用效益。此外,施工水平的提高,如注重再生效果、充分有效压实等,能有效改善路用性能,直接降低用户的油耗开支。

3) 须重点开展长期的科学养护决策工作,关注不同养护方案在整个生命周期内的应用潜能,避免无效养护、重复养护。

4 结论

1) 基于存量稀缺、进口稀缺和技术稀缺3个评价维度,建立了适用于路用材料的资源稀缺性评价体系,并将资源的稀缺性量化为货币当量计入成本清单中,便于后续开展不同养护方案的LCCA。

2) 基于LCCA理论,将资源稀缺性、经济效益、性能发展3个维度统一为综合成本指标,解决了养护决策过程中多目标问题的难点,并给出了不同养护方案单项成本及综合效益的优劣排序。

3) 在考虑资源稀缺性下,再生类养护措施旧料利用率较高,具有极佳的资源合理性;ECA-10薄层罩面措施与普通罩面相比能节省50%左右的资源;铣刨料直接废弃、石料来源选择不当将导致额外支出10%～20%的当量成本,其中铣刨重铺上中下面层可造成约500万元的经济损失,占综合成本的20%。

4) 各养护方案与施工特性相关的成本效益接近60%,其中用户间接的经济损失占比超过30%,直接由施工工期决定。

5) 基于上述分析结果,建议优化养护施工流程以降低用户的间接经济损失,提高施工水平以降低用户的直接油耗开支,谨慎选择材料、开展科学养护决策以节省政府投入成本。