路面壽命周期評價及養(yǎng)護(hù)決策探討

■馮 雷

（河北交通投資集團(tuán)公司，石家莊 050000）

目前我國公路行業(yè)正由建設(shè)期過渡到養(yǎng)護(hù)期，公路養(yǎng)護(hù)維修部門在面臨養(yǎng)護(hù)決策時除了考慮降低總體維護(hù)成本外，還需要將路面狀況對車輛燃油消耗和維護(hù)成本考慮在內(nèi)，即路表較低的粗糙度水平會降低車輛燃油的消耗和車輛磨損，而且這對環(huán)境是有益的。 此外，為了保證道路運(yùn)營通暢，路政部門往往需要進(jìn)行更頻繁的路面維護(hù)作業(yè)，以保持道路的服役性能，但在這一過程中通常會增加廢氣排放量且對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。 但是，目前國內(nèi)路面養(yǎng)護(hù)決策通常只考慮經(jīng)濟(jì)成本。

1 理論基礎(chǔ)

Horvath 等[1]在選擇路面類型（即水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)或?yàn)r青混凝土路面結(jié)構(gòu)）時，認(rèn)為必須要考慮可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境的相關(guān)影響。Ekvall[2]認(rèn)為LCA（全壽命周期評估） 技術(shù)是評估全壽命周期環(huán)境影響的基本技術(shù)。 迄今為止，許多研究人員[3-5]已將其應(yīng)用于許多道路工程的建設(shè)中，其中包括高速公路等高等級路面。

由于交通荷載和老化引起的路面功能性退化，導(dǎo)致路面粗糙度（通常用國際平整度指數(shù)IRI 表示）增加，隨后車輛運(yùn)行速度降低，燃油消耗增加，最后導(dǎo)致二氧化碳排放量的增加。根據(jù)Yu 等[6]提出的模型，IRI 每增加1 m/km， 其相同狀態(tài)下的平均速度就會降低0.84 km/h。 同樣基于這一假設(shè)，提出了計算燃油消耗系數(shù)（FCF）的方法，以描述在老化路面上行駛車輛的實(shí)際燃油消耗[7]。 FCF 是一個取值大于1 的因子，提出了兩個單獨(dú)的方程：一個用于客車（公式1），一個用于卡車（公式2）。

式中，F(xiàn)CF—燃油消耗系數(shù)；IRI——國際平整度指數(shù)（m·km-1）。

Zhang 等[8-9]也提出了FCF 的計算公式，該公式也給出了IRI 和FCF 之間的簡單線性關(guān)系，如公式（3）所示。Reger 等[10]認(rèn)為，溫室氣體（GHG）排放與粗糙度引起的額外燃料消耗有關(guān)，同時也單獨(dú)考慮了客車和卡車二氧化碳排放量的差異性。 假設(shè)油耗的變化與粗糙度呈線性關(guān)系，即每增加一個粗糙度單位（1 m·km-1），汽車的油耗增加1.05%，卡車的油耗增加0.725%。

本試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯渴褂秒A段和養(yǎng)護(hù)階段二氧化碳排放量與路面劣化程度之間的關(guān)系，同時確定路面劣化程度與加鋪層厚度之間的關(guān)系。

2 計算模型

由二氧化碳排放水平?jīng)Q定的全球變暖潛能值（GWP），可以對路面維護(hù)活動（即各種厚度的熱拌瀝青覆蓋層）和使用階段的二氧化碳排放量進(jìn)行評估。

2.1 二氧化碳排放量計算模型

為了研究道路使用階段與建設(shè)階段對環(huán)境影響的程度，可以通過計算兩個過程的累積二氧化碳排放量進(jìn)行表征，如公式（4）所示。

wn——加鋪層厚度（mm）。

該公式假設(shè)是道路服役階段的GWP 與路面的當(dāng)前狀況成正比，通過國際粗糙度指數(shù)（IRI）表示，而養(yǎng)護(hù)處理的GWP 主要取決于加鋪層的厚度。

從公式（4）可以看出，通過以下兩個方法可以使GWP 達(dá)到最小化：（1）在更加平整的瀝青路面上行駛；（2）延長兩次養(yǎng)護(hù)維修工作之間的間隔時間。

其中，路面養(yǎng)護(hù)階段的改進(jìn)程度取決于瀝青加鋪層厚度wn和處理前的路面狀況s2n。因此，其改進(jìn)模型如公式（5）所示。

2.2 路面劣化模型

1994 年，Tsunokawa 等[11]在提出了路面劣化模型，并在后續(xù)的許多路面設(shè)計和養(yǎng)護(hù)決策程序中得到了應(yīng)用，如公式（8）所示。 該模型表征了隨著路面使用時間的增長， 道面狀況的變化遵循鋸齒形軌跡；并且運(yùn)用該模型的前提假設(shè)為檢測率僅取決于路面的當(dāng)前狀況，該假設(shè)以公式（6）進(jìn)行表示。

路面劣化模型如公式（8）所示：

式中，si——路面狀態(tài)；F[s(t)]——基于當(dāng)前路面狀況的檢測率；s(t)——在t 時刻的路面狀態(tài)；f1——路面劣化過程的劣化因子，且劣化因子與道路所處的環(huán)境氣候和交通條件有關(guān)；tn——路面使用時間。

上述公式所表征的含義為： 在經(jīng)過時間tn之后，道路從狀態(tài)s1劣化到狀態(tài)s2。

3 路面狀況與二氧化碳排放量關(guān)系研究

3.1 路面使用階段二氧化碳排放量計算模型

HDM-4 模型通常用于計算路面使用階段的CO2排放量。 該模型包含中型汽車和重型卡車的二氧化碳排放量模型。 基于數(shù)據(jù)模擬可以看出，對于重型車，當(dāng)IRI 低于4 m·km-1時，粗糙度和CO2排放量之間存在著密切的線性關(guān)系。 然而，當(dāng)粗糙度大于4 m/km 和5 m/km 時，在中型車和重型車模型中粗糙度和CO2排放量之間開始呈現(xiàn)出非線性行為，見圖1 和圖2。

圖1 重型車二氧化碳排放量隨粗糙度的變化

圖2 中型車二氧化碳排放量隨粗糙度的變化

表1 為中型車和重型車模型的回歸參數(shù)。

表1 中型車和重型車擬合回歸模型及回歸參數(shù)

使用HDM-4 模型通過數(shù)據(jù)模擬獲得的數(shù)據(jù)，可用于模型開發(fā)的線性和非線性回歸。 中型車的線性模型回歸系數(shù)R2等于0.869。 然而，二次多項式模型的回歸系數(shù)R2等于0.986。 這說明非線性回歸模型顯示出比線性回歸模型的結(jié)果更好。 因此，公式（9）給出了使用階段二氧化碳排放量與路面狀況（通過粗糙度指數(shù)）之間采用的關(guān)系。

3.2 路面養(yǎng)護(hù)維修階段二氧化碳排放量計算模型

養(yǎng)護(hù)維修階段實(shí)際上包括3 個獨(dú)立的階段，而在本研究中養(yǎng)護(hù)維修僅指在舊路面上加鋪瀝青罩面層，即不考慮生命周期的其他2 個階段。 計算養(yǎng)護(hù)維修階段二氧化碳排放量所采用的數(shù)據(jù)包括瀝青混合料的體積組成（瀝青與骨料的比例）、運(yùn)輸距離，以及用于運(yùn)輸和攤鋪瀝青混合料的設(shè)備等。 使用PaLATE 軟件計算了二氧化碳排放量與加鋪層厚度之間的關(guān)系，見圖3。

圖3 養(yǎng)護(hù)維修階段的二氧化碳排放量

從圖中可以看出加鋪層厚度與二氧化碳排放量之間呈現(xiàn)線性相關(guān)關(guān)系。 本研究建立了二者之間的線性回歸方程，如公式（11）所示，其回歸數(shù)R2為0.999。

4 路面劣化程度與加鋪層厚度關(guān)系研究

為了進(jìn)一步分析，本研究選取5 個現(xiàn)有的正常運(yùn)營路段作為優(yōu)化模型進(jìn)行分析。 選取的5 個路段均為城市道路，路段1 為交通量相對較小的城市輔路，路段5 為交通量最大的主干道，而路段2～4 為交通量介于二者之間的城市交通聯(lián)通道路。 優(yōu)化模型以遺傳算法為基礎(chǔ)，利用上述模型，僅考慮IRI 值與二氧化碳排放量之間的關(guān)系。 該算法給出了一個最優(yōu)解，即在先前定義的某個時間段內(nèi)，使二氧化碳排放總量最小化。 另外，在計算前還需定義4 個約束條件：（1）分析期為30 年；（2）兩個加鋪層之間施工間隔的最短時間為4 年；（3）兩個加鋪層之間施工間隔的最長時間為12 年；（4）養(yǎng)護(hù)維修后路面的IRI 不大于2.0 m/km。

根據(jù)公式（8）可得試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示，即根據(jù)路段的交通等級其路面養(yǎng)護(hù)維修的閾值也不相同。

圖4 30 年分析期內(nèi)5 個斷面的國際粗糙度指數(shù)變化情況

在交通量較低的第1 路段中的分析期內(nèi)，IRI的最大值為6.35 m·km-1，最佳的養(yǎng)護(hù)修復(fù)方案是采用厚度為7.0～8.0 cm 的加鋪層。 然而，在交通量相對較高的第5 路段中的分析期內(nèi)，需要對路面進(jìn)行更多的定期養(yǎng)護(hù)；其IRI 的最大值是4.25 m/km，最佳養(yǎng)護(hù)方案是采用厚度為4.5～5.5 cm 的加鋪層。

對于交通量適中的第3 路段，IRI 的最大值為4.33 m/km，最佳養(yǎng)護(hù)方案為鋪設(shè)厚度為4.5～6.0 cm的加鋪層。 其他2 個路段，即第2 路段和第4 路段，顯示出類似的關(guān)系。

綜上所述，在交通量較大的情況下，使用階段產(chǎn)生的二氧化碳排放量遠(yuǎn)多于維護(hù)階段二氧化碳的排放量。 因此，為了降低總體排放量，需要對其進(jìn)行更為頻繁的養(yǎng)護(hù)維修。

5 結(jié)論

（1）本試驗(yàn)研究了路面劣化程度與二氧化碳排放量之間的關(guān)系，對于路面使用階段而言，重型車對路面平整度IRI 更為敏感，其二氧化碳排放量隨IRI 值的增加呈線性增長。 中型車則對路面不平整度IRI 的敏感程度較低， 其二氧化碳排放量隨IRI值的增加呈先增加后降低的一元二次多項式關(guān)系。

（2）在路面維修階段，二氧化碳排放量與加鋪層厚度呈線性關(guān)系。

（3）5 個實(shí)際路段的數(shù)值計算例子表明，瀝青加鋪層的厚度與IRI 之間有著密切的關(guān)系。 IRI 的最大值為4.25 m/km 時，加鋪層厚度為4.5～5.5 cm，而IRI 的最大值為6.35 m/km 時， 加鋪層厚度為7.0～8.0 cm；這說明為了使路面恢復(fù)合理的平整度，舊路面的IRI 值越高，其加鋪層的厚度也相對較高。