（道路与铁道工程专业论文）沥青路面质量控制策略的分析研究.pdf

摘要 质量控制策略是指选择各阶段时期内实施质量控制的技术措施和时机，控制 策略的优劣直接影响路面使用质量和费用，但目前对各阶段控制策略效果并没有 统一量化的评价指标。我国沥青路面质量控制体系包括前期设计控制阶段、中期 施工过程控制阶段和后期养护控制阶段。本文以全过程控制管理中起关键作用的 中、后期质量控制策略为研究对象，综合考虑效果和成本，提出评价控制策略效 果的指标。 本文按实施时机将质量控制策略界定为中期、后期、综合控制策略。在充分 认识路面使用性能变化规律的基础上，建立控制策略效果分析，预测施工过程控 制及养护后路面使用性能的变化；并引入全寿命周期费用理论，考虑公路寿命周 期内的初建及养护费用问题，评价路面的质量控制策略。找到在路面全寿命周期 内满足使用性能标准和成本最低的方案，使质量控制策略最优化。 建立合理的全寿命周期成本体系是关键，本文在寿命周期费用理论基础上建 立了路面质量控制策略的费用分析框架，阐述了寿命期内各阶段的成本构成及其 计算模型。并分析了各质量控制策略中的关键技术指标及相应的技术措施。 论文总结了路面使用性能预测模型，提出用灰色马尔可夫模型来预测采用质 量控制策略后路面的使用性能，并利用路面衰减模型得到路面性能的变化规律， 奠定了计算质量控制策略的寿命周期费用分析效果的基础。 在质量控制策略效果与成本的基础上，统一为效用指标并给出了沥青路面质 量控制策略效用指标的评价方法和计算步骤。 关键词：质量控制策略；寿命周期费用分析；路面性能评价 a b s t r a c t q u a l i t yc o n t r o ls t r a t e g yr e f e r s t o o p p o r t u n em o m e n t sw h e nc a r r y i n go u t w h e t h e rt h ec o n t r o ls t r a t e g yi sg o o do r c h o o s i n gt h et e c h n i c a lm e a s u r e sa n d q u a l i t yc o n t r o li ne a c hc e r t a i np e r i o d n o td e t e r m i n e st h eq u a l i t yo fp a v e m e n t u t i l i z a t i o na n dc o s t ，b u tt h e r ei sn os t a n d a r de v a l u a t i o nf o rt h ee f f e c to fc o n t r o l s t r a t e g yi ne a c hc e r t a i np e r i o d a tt h ep r e s e n tm o m e n t i nc h i n a ，t h eq u a l i t y c o n t r o ls y s t e mo ft h ea s p h a l tp a v e m e n ti n c l u d e sf r o n td e s i g nc o n t r o lp e r i o d ， m i d d l ec o n s t r u c t i o nc o n t r o lp e r i o da n dl a t e rm a i n t e n a n c ec o n t r o lp e r i o d t h e t h e s i sr e s e a r c h e so nt h em i d d l ea n dl a t e rq u a l i t yc o n t r o ls t r a t e g i e sw h i c hp l a ya v i t a lr o l ei nt h ew h o l ec o n t r o lp r o c e s s ，t a k i n gb o t he f f e c ta n dc o s ti n t o c o n s i d e r a t i o n ，t h e nt op u tf o r w a r dt h ei n d e xi ne v a l u a t i n gt h ee f f e c to ft h e c o n t r o ls t r a t e g y t h eq u a l i t yc o n t r o ls t r a t e g yd i v i d e si n t om i d d l e ，l a t e ra n ds y n t h e t i c a l l y c o n t r o ls t r a t e g i e si n t h i st h e s i sa c c o r d i n gt ot h es p e c i f i co p e r a t i o no c c a s i o n s b a s e do nf u l lc o m p r e h e n s i o no ft h ev a r i a t i o nr e g u l a r i t yo ft h ep a v e m e n t s u t i l i z a t i o n ，t h et h e s i sa n a l y z e st h ee f f e c t ，p r e d i c t st h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t y c o n t r o la n dc h a n g e so fp a v e m e n tu t i l i z a t i o np e r f o r m a n c ea f t e rm a i n t e n a n c e i t i n t r o d u c e st h ef u l ll i f ec y c l ec o s tt h e o r ya n dc o n s i d e r st h ep r o b l e mo ff i r s t c o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c ee x p e n s e si np a v e m e n tl i f ec y c l e ，i no r d e rt o e v a l u a t ei t sq u a l i t yc o n t r o ls t r a t e g y i nt h i sw a y ，t r yt of i n dt h ep r o je c tw h i c h c a ns t a n d a r d i z et h eu t i l i z a t i o np r o p e r t ya n de n s u r et h el o w e s tc o s ts oa s t o m a k et h eb e s to ft h eq u a l i t yc o n t r o ls t r a t e g y i ti sv e r yi m p o r t a n tt ob u i l dt h es c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l el c cs y s t e m ， b a s e do n1 i f ec y c l ec o s tt h e o r y t h i st h e s i se s t a b l i s h e st h ef r a m eo fc o s t a n a l y s i s o f r o a dq u a l i t yc o n t r o ls t r a t e g y ，e x p l a i n st h ec o s tm a k e 。u p sa n d c a l c u l a t i o n so fe a c hp e r i o di nal i f ec y c l e ，a n da n a l y z e ss o m ek e yt e c h n i c a l i n d e xa n dr e l e v a n tm e a s u r e si nq u a l i t yc o n t r o ls t r a t e g y t h et h e s i ss u m m e du pt h e p r e d i c t i o n m o d e lo fp a v e m e n tu t i l i z a t i o n p r o p e r t y ，p u t f o r w a r du s i n g g r e ym a r k o v m o d e lt o p r e d i c tp a v e m e n t s u t i l i z a t i o np r o p e r t ya f t e ra p p l y i n gt h eq u a l i t yc o n t r o ls t r a t e g y i ta l s op r o d u c e s t h ev a r i a t i o nr e g u l a r i t yo fp a v e m e n tp e r f o r m a n c eb yt a k i n gt h ea d v a n t a g eo f p a v e m e n ta t t e n u a t i o nm o d e l ，a n de s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o ni na n a l y z i n ge f f e c t u o fc a l c u l a t i n gt h ec o s to fq u a l i t yc o n t r o ls t r a t e g yi nal i f ec y c l e i nt h i sf o u n d a t i o n ，au n i f o r mi n d e xa n dt h ee v a l u a t i o nm e t h o d sa n d c a l c u l a t i o ns t e p so ft h eq u a l i t yc o n t r o ls t r a t e g ye v a l u a t i o nw i t ht h ei n d e xa r e p r o p o s e d k e y w o r d s ：q u a l i t yc o n t r o ls t r a t e g y ；l i f ec y c l ec o s ta n a l y s i s ；p a v e m e n t p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声1 1 月：所! t ! 交的论文是本人在导师的指导下独立进 。j 二研究所 取得的研究成果。除了丈中特别加以标沣引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者虢 谬 日期：矽，9 年 6 月乙曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 作者签名： ( 请在以上相应方框内打“4 ) 锣缮 导师躲袁到砾 ，、1 日期：矽，年钐月3 日 日期：加fp 年i 【月9 - 日 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，沥青公路建设大干快上，形势喜人，但公路数量剧增的同时也使施 工过程忽视质量控制的现象日趋严重，并且在公路发展中“久治难愈”的“重建 轻养”的问题也日益凸现，对维护道路服务长期效能产生了越来越大的制约，不 利于公路网络的可持续性发展。实际上，公路建设、质量控制这两者并不相悖， 应属于一个有机的整体，需要把它们结合起来统筹对待。 在沥青路面质量控制体系的各个阶段：路面设计控制、施工过程控制、养护 控制都取得了卓有成效的研究成果。在设计阶段，计算机技术己得到广泛应用， 结构设计可靠度分析方法与有限元理论等数值分析方法的引入，很大程度上提高 了路面设计的效率和可靠性。在施工过程控制阶段，大量国外先进施工机械设备 的引进以及国内自主研发的各类性能良好的机械设备使沥青路面施工质量大大提 升。在检测养护阶段，随着现代检测技术和设备的不断发展进步，路面检测技术 正经历着由传统人工检测向自动化检测发展的过程，并为路面性能预测评价和路 面养护管理决策提供了可靠的依据。路面养护也正由被动养护向科学养护转变， 由单一养护、粗放型养护向复合型、集约型养护转变，预防性养护得到全面推行， 具有主动性、预见性和系统性的公路养护工作体系日益完善。 然而，在质量控制体系全面发展的同时，沥青路面质量控制策略方面研究的 相对薄弱，严重影响了沥青路面质量控制措施的实施，路面质量控制可以有多种 策略可供选择：是采用较强承载力结构、承担较高的初期修建费用，以获得较长 的路面使用寿命、较少的大修、改建费用、较好的服务水平及较少的使用者费用； 还是承担更高的质量控制技术及措施以提高路面性能，保证优良的施工质量和较 少的后期养护；还是采用较弱的结构，维持不高的施工质量，以节省初期修建费， 但由此带来较短的使用寿命、较多的养护和改建费用、较差的路面服务水平和较 高的使用者费用。对于不同等级的道路、不同的投资方式和不同地区，人们可以 有不同的考虑。但我们很难主观地从这些方案中做出正确的选择，所以必须借助 于科学的分析工具一寿命周期费用分析方法，才能从整个寿命费用角度去选择最 经济合理的路面控制方案。我国现行有关沥青路面质量控制规范主要是技术方面 的内容，基本没有涉及有关寿命周期费用经济管理模式、控制策略或方法等方面 的内容。工程质量控制和养护时机策略选择不仅是技术问题，同时也是经济管理 问题。如何保证公路工程在其寿命周期的施工、使用及养护阶段中贯彻设计意图、 保持质量的均匀性与稳定性是保障沥青路面使用性能、减少寿命周期费用的关键， 同时也是目前公路工程技术领域和工程管理领域所必须共同面临的一个重大课 题。 我国沥青路面质量控制体系包括前期设计控制阶段、中期施工过程控制阶段 和后期养护控制阶段，三个阶段体现了公路项目全过程质量管理特点，由于篇幅 所限，本文只将全过程控制管理中起关键作用的中期质量过程控制与后期养护作 为研究对象，分析如何获得一个既能表征路面性能衰减变化又能体现路面寿命费 用的综合指标对质量过程控制策略进行评价、决策，这对沥青路面工程质量提高 和经济投入的减少具有重要的理论意义和现实意义。 1 2 文献综述 路面是公路的重要组成部分，其路面质量直接影响到道路使用者的舒适性、 安全性、快捷性等服务水平，决定了道路本身的使用寿命。因此，加强对路面的 质量控制势在必行。自上世纪6 0 、7 0 年代以来，许多国家都陆续对路面质量控制 体系进行了研究，其中理论的研究有效地保证了质量控制的科学性，但当前的路 面控制体系中，普遍存在路面质量控制的方法过于单一，没有总体考虑各个路面 质量性能的综合全过程控制和各控制阶段之间的相互联系，也没有从经济角度出 发，对路面质量性能进行经济性分析，缺乏经济理论依据。随着公路事业高速发 展，有关路面质量控制理论研究的结果不断积累，在最近的2 0 年里有突破性的进 展。路面质量控制体系共包含3 个方面t 路面施工前质量控制，路面施工质量过 程控制和路面施工后质量控制。下面就本文中沥青路面质量控制体系中涉及的路 面质量控制策略的相关研究发展现状进行简要的综述。 1 2 1 前期质量控制策略 前期质量控制主要体现在路面结构设计，当前世界范围内有很多的沥青路面 设计方法，可概括地分为2 类：一类是以经验或试验为依据的经验法：一类是以力 学分析为基础，考虑到环境、交通条件以及材料特性等因素的力学一经验法。 经验法主要通过使用道路的实验观测或对试验路进行测试，建立路面结构、荷 载和路面性能三者间的经验关系。其中尤为引人注目的经验设计方法有美国加州 承载比( c b r ) 法【2 】和美国各州公路和运输工作者协会( a a s h t o ) 在1 9 5 8 - - 1 9 6 2 年间a a s h o 试验路的基础上建立的柔性路面设计法【3 1 4 1 。 力学经验法首先分析路面结构在荷载和环境作用下的力学响应( 应力、应变、 位移) ，利用在力学响应与路面性能( 各种损坏模式) 之间建立的性能模型，按设计要 求设计路面结构。最著名的是美国沥青协会( a i ) 法【5 】【6 】【7 删和壳牌石油公司柔性路 面设计( s h e l l ) 法【5 儿6 】【7 】【8 1 。 2 我国沥青路面设计中普遍采用的是力学经验法。其路面模型借鉴了s h e l l 的理论设计法【9 1 。 1 2 2 中期质量控制策略 质量控带i j ( q c ) 在i s 0 9 0 0 0 ：2 0 0 5 的定义是“质量管理的一部分，致力于满足质量 要求”，即在工业生产过程中，对产品定期抽样检查，根据测量数据、及时判断生 产情况是否正常、产品质量是否达到预定的要求，从而及时调整生产流程、工艺 条件。q c 是因商品竞争的需要和科学技术的发展而产生、形成、发展至今的。 它的发展过程大致可分为三个阶段：单纯质量检验( s q i ) 、统计质量控铝l j ( s q c ) 和全 面质量控制( t q c ) 【1 0 】【j 。经过4 0 多年的实践和运用、总结和提高，全面质量控制 的内容和方法不断充实和发展。目前大部分质量控制工作都在单机上完成，随着 i n t e r n e t 的深入发展，质量控制工作逐渐走出单机环境，走向世界】。 学者们将质量控制理论引入到公路工程领域，提出施工质量过程控制，它是 指具有过程监控与信息反馈控制特色的、能控制工程质量变异性的一套过程控制 配套技术。该套技术应该是控制施工变异性、实现设计意图、落实规范质量检测 标准的强有力的支持，是对以保证工程质量为核心的工程管理的一个科学方法的 补充。 从当前我国高速公路沥青路面状况来看：使用寿命短、早期损坏现象严重， 路面通车使用后不久就不得不耗巨资进行养护、维修、改造等，大多数高速公路 沥青面层虽然已经使用了优质的材料，先进的施工机械，但仍无法修出高水平的 沥青面层。目前我国沥青路面施工技术总体水平偏低，质量保证体系不完善，尤 其对施工过程中影响路面性能的关键技术指标认识不足，没有形成一个完备的指 标控制体系，对沥青路面的施工过程缺乏系统、深入的研究，施工质量控制方法 不科学，是其中主要的原因【7 】。在我国高速公路修建中把施工过程质量控制作为 重点的工程项目比较少，在国内应用比较成功当属广东开阳公司联合华南理工大 学，将美国沥青路面施工质量控制与质量保证体系研究成果引入公路项目的建设 过程，结合开阳高速公路沥青路面建设实践，开展了有关路面施工控制系统的研 究。该课题成果包括：高速公路沥青路面施工q c q a 系统研究报告，沥青路 面施工q c q a 计算机管理系统。在报告中提出了沥青混凝土路面施工质量控制 和质量保证系统( q c q a ) 的定义，分析了目前我国沥青混凝土路面施工q c q a 系 统的现状，总结开阳高速公路沥青路面施工质量控制的实践，初步建立了科学规 范的高速公路沥青路面施工质量控制系统及相应的工程质量过程控制方法，使路 面的施工质量水平和服务水平得到极大提高，延长路面的使用寿命，大幅度降低 路面养护维修费用。 江苏省在高性能沥青路面施工技术的研究领域也做了大量的工作，提出了高 性能沥青混合料的拌和、运输、摊铺及碾压施工各技术环节的施工控制技术要点 和质量检测标准、施工质量控制和质量保i j e ( q c q a ) 体系。课题组还编制了江 苏省高性能沥青路面施工技术指南。 辽宁省根据工程实际进行了施工过程质量控制技术的研究，侧重于在沥青路 面工程质量过程控制指标、方法与标准等方面的研究，成果为确定沥青混合料和 路面施工过程温度测试的方法等等。 交通部公路科学研究院也进行了沥青路面工程质量过程控制的研究，对我国 目前沥青路面施工质量过程控制和质量保证体系及现行沥青路面技术规范执行情 况全面调查研究的基础上，结合西部地区特殊的自然地理气候情况，对多个依托 工程的沥青路面施工过程进行了调研和分析，建立了适合我国西部地区沥青路面 施工实际情况的施工质量过程控制指标体系。在对我国沥青路面施工质量过程控 制调查研究的基础上，提出了适合我国沥青路面施工质量过程控制和信息反馈控 制的实用系统和沥青路面施工质量过程控制的指标体系、适用方法和检测手段。 并制定出了沥青路面工程质量过程控制施工技术指南。编制了沥青路面质量过程 控制综合评价软件。 在国外，沥青路面的过程质量控制被更早的予以关注，1 9 9 6 年美国就开始从 4 0 个州调查和收集一系列工程项目，着手整理过程质量控制的相关规范，然后紧 跟着在1 9 9 7 年细化和分类整理先前收集的内容，形成了较为系统的质量过程控制 和质量保证体系。大多数的州在施工前期要求施工单位制定混合料设计和提供质 量控制计划，各州通过为业主和施工单位提供条例来强调试验和生产过程的重要 性。质量控制计划是被作为质量控制质量保证体系中一种评判成分在工程中广泛 使用。a a s h t o 的q a 执行手册讨论了试验的标准。规定控制施工质量的试验频 率进度可能来自时间、数量或者它们之间的联系，其设计规范r 9 9 0 已经定义了 承认施工质量的可知变化和不可知变化的方法。a a s h t o 已经推荐在q a 出版物 中使用q l a 规范。与q l a 类似的规范被认为是检测施工质量最为严密的手段， 对业主和施工单位更为有效，因为它在验收过程中提供了量化的表示。 1 2 3 后期质量控制策略 后期质量控制的研究一般是通过路面系统模型预测路面性能进行预防性养 护，或通过实施路面检测技术对路面性能作出评价后进行反应性养护以及项目的 重建，其中最关键的是路面性能评价体系的研究。 路面性能评价的概念最早在1 9 6 2 年由a a s h o 提出，作为路面长期性能研究的 重要组成部分。此后随着道路修筑技术的日益成熟和人们对道路工作性能认识的 深入，路面性能评价方法和评价指标也不断完善【l2 1 。现有路面结构检测主要包括 路面调查、强度评价、承载板试验检测、摩擦抗滑评价、钻芯取样试验检测与排 4 水系统调查几大方面内容，其中，路面调查包括路面破损状况、路面结构强度、 路面平整度及路面抗滑能力、排水情况及排水设施的损坏情况等多项内容【1 3 】 路况综合评价有系统分析法和回归模型法，系统分析法以层次分析法和模糊 数学为代表【l4 1 ，由于不同的人对各因素的认识程度不同，会造成很大影响。回归 模型法是回归分析路面综合指标与各影响因素的相互关系，须建立它们之间的函 数关系。该方法通过大量的统计数据分析得到，有其科学依据，但其使用受地域 条件的限制，不同的地域条件如气候、温度、土质、材料性能参数的变异，使评 价体系受到了较大的约束。 2 0 世纪8 0 年代末，交通部公路科学研究所根据我国沥青路面状况，在参照国 外模型的基础上，确定了沥青路面使用性能评价方法，在河北、浙江两省有关地 区选择了代表性的试验路段，组织专家进行了以行驶舒适性和路面使用状况为重 点的专家评价和路面数据检测。针对河北省的路面状况，经过数据分析和整理， 建立了如下评价模型： p c i = 1 0 o 7 3 x d r o 3 3 4 2 2 x 1 0 5 1 9 0 + 彤) 1 8 4 9 r 1 1 ) 式中：d r 一路面破坏率，： b i 一平整度测试设备的测试结果，m m k m ； 针对杭州路面状况，建立的评价模型为。 p c i = 1 1 5 2 5 2 x d r 0 2 5 0 0 0 0 1 6 x 1 0 5 1 9 ( 1 + 拼) 】7 4 7( 1 2 ) 很显然，随着地域、环境等影响因素的不同，所建立的评价模型也会不同。 因此，建立一个较理想的、适应性广的评价模型，成了路面性能研究中的难题。 f h w a 和n r c 于1 9 8 7 年开始正式启动美国国家战略研究计划( s h r p ) ，其目标 是为“提高路面性能和使用寿命，在不过分增加投资的前提下使道路更好地为客 货运输服务提供手段和帮助【l5 1 。5 年内投资1 5 亿美元，使全美公路研究总费用 增力 1 3 0 4 0 ，而研究计划的主要目的是建立评价、预估路面结构状况的较理想 的综合模拟模型。我国须采用适合我国国情的路面检测和评价方法及相应的标准 体系。从1 9 9 2 年开始，同济大学道路与交通开放实验室和日本运输省港湾技术研 究所合作，共同执行“机场混凝土道路无破损评价的研究计划 ，旨在推进无破损 试验( n d t ) 在两国的应用，其研究成果己为改进路面设计、施工、养护、修复提 供了很有价值的参考，但是由于路面结构评价系统技术性较强，考虑因素复杂， 对于数据和样本的采集与研究还有待进一步扩大。 1 3 课题主要研究内容 本文通过引入寿命周期费用的经济学理论，建立起路面寿命周期内费用组成 以及计算框架，将项目寿命周期内不同时期质量控制策略所支付的费用，按某一 预定的贴现率转化为现在的费用。并由路面性能预测以及性能衰减方程获得采取 控制策略所取得的效果，将控制策略的效果与费用转化成统一的综合的指标，即 可在等值的基础上对效率和费用进行权衡，即建设费和养护费之间进行权衡，评 价各种控制策略，由此为路面质量控制策略的决策提供了系统、完整的经济学理 论，为路面质量控制的研究及日后的设计、施工、养护、维修及改建提供有力的 指导和帮助。 路面质量控制策略的研究比较复杂，涉及学科范围广泛，目前很多问题更待 解决。本文具体研究内容包括以下几点： 1 ) 对论文涉及到的寿命周期费用理论进行介绍与分析，为论文提供理论框架。 其中包括寿命周期费用计算理论的基本概念、确定寿命周期费用分析中的费用组 成及每种费用对应的成本函数、概述了寿命周期费用分析的步骤。 2 ) 通过对目前质量控制策略研究的分析与总结，确定出质量控制策略中与路 面性能相关的关键技术指标； 3 ) 沥青路面的质量性能直接影响路面资金投入，为了在时间和空间上的经济 最优化，评价出最佳的质量控制策略，必须预测一定时期内路面的使用性能。本 文分析比较了已有的各种预测模型，并结合质量动态控制的特点，选择适合于本 文的预测模型。 4 ) 对质量控制策略的效果和费用统一为量化指标，建立了以寿命周期内效果 费用比来确定最优化质量控制策略的评价模型。 5 ) 通过实际工程案例进行分析，对本文提出的基于寿命周期费用的最优化质 量控制策略的预测模型进行数据验证。 1 4 课题创新点和研究意义 课题的提出基于当前沥青路面质量控制体系存在的问题：控制策略可行性都 缺少经济理论支持；工程实际与经济脱轨，造成沥青路面质量控制体系实际应用 的瓶颈；其绩效未有经济性指标加以评价，使其在应用的过程中失效或是效果不 佳。 本文的研究将为沥青路面质量控制策略的决策引入寿命周期费用经济因素， 为优化沥青路面质量的控制策略及控制策略的拓展应用打开了瓶颈。本文的创新 点在于将路面质量控制视为全面、动态的过程；将寿命周期费用分析方法首次引 入各阶段质量控制策略的分析评价中，不同于传统的针对某一特定控制策略中实 施时机的评价；对质量控制策略的费用和效率进行了量化，并转化成统一的指标 应用于各种质量控制策略评价及最优化策略的比选。该课题可为高速公路施工和 管理部门制订路面质量控制策略提供经济理论依据，减少因人为主观因素而造成 经济损失，引导高速公路质量控制步入规范化、科学化轨道，提高路面质量。对 质量控制体系的完善和路面寿命周期费用经济理论体系的建立有重要的理论意 6 义，该课题的付诸应用，将产生良好的社会效益和经济效益。 7 第二章寿命周期费用分析 公路是交通运输体系的重要组成部分。由于公路运输具有快速、机动、灵活 等运输特点，因此，它成了当今交通运输业中具有很大发展前景和活力的产业。 它的投资决策会影响到经济社会的各个领域，这使得公路经济的地位尤为关键。 在进行质量控制策略的投资决策时，必须注重对资源和资产的有效利用和管理配 置。由于质量控制策略的实施与路面性能及路面的使用寿命密切相关，不能够单 一从质量控制所投资的费用角度进行分析，而应当对质量控制策略实施的整个路 面寿命周期内分析工程经济费用，并为策略的评价提供充分合理的依据，其中寿 命周期费用分析为进行质量控制后路面的寿命费用计算提供了方法。 本文中涉及的寿命周期费用分析是指在一定的时期内，通过分析某一公路项 目的初建费用( 包括中期控制所追加的初建费用) 和以后的折扣费、养护费用来 评价其经济价值的过程。路面质量控制策略旨在推迟了昂贵的路面大修活动，但 前提是要求提前支付质量过程控制而追加的费用或养护费用。利用经济学理论指 导质量控制策略的制定可以使得支付少的费用而实现高的效用，即便是在不同时 期支付同样多的费用也有不同的经济价值，所以有必要进行经济分析。分析的方 法是将分析期内不同时间支付的费用，按某一预定的贴现率转化为现在的费用。 以便与控制策略所带来的效果一并转化成单一的指标，就可在等值的基础上评价 各质量控制策略优劣。 2 1 寿命周期费用的组成及计算 2 1 1 寿命周期费用的组成 我国公路经济发展和建设水平决定了公路的寿命周期费用的具体情况；其次， 由于公路运输的具体情况多样性，首先是车辆类型繁多，各类车的性能、车速都 不同且我国区域性差异明显，故很难形成统一的寿命周期费用组成模型。这些都 需要进一步的研究，为我国公路建设的经济分析评价提供一套科学的、完整的、 具有广泛适应性的计算模型。在路面寿命周期或分析期内，所包含的主要费用详 见表2 1 。 表2 1 路面寿命周期内的费用组成 费用 费用组成费用定义费用的确定方法 分类 根据一定的费率和工程造 设计费设计新建或改建路面所需费用 价 初建费按设计文件和规范修建路面的费用依据设计文件和定额标准 管 理 日常养护费用日常保养和修补费用 通过调查历史记录和使用 部 性能及交通量建立关系 预防性养护工为延迟路面的损坏而采取的预防性养 门 依据设计文件和定额标准 费 程费用护措施费用 为恢复路面使用性能到某一可接受水 用 大中修费用 依据设计文件和定额标准 平而进行的修复费 可按剩余寿命占预期使用 残值分析期末路面残存的价值 寿命的比例确定 油耗费 车辆行驶所消耗燃油的费用 车辆 轮胎消通过调查将这三种费用和 车辆行驶所消耗轮胎的费用 运营耗费路面平整度之间建立起回 费 保修材归关系 用 维持车辆运行所需要的维修材料费 料费 户 费延误费 养护或改建活动导致的车辆延误费 增加的行驶时间乘以单位 时间的价值 用 行驶时间乘以单位时间的 行程时间费车辆行驶所消耗的时间价值 价值 按事故率乘以事故的平均 事故费因出现交通事故而支出的费用 费用 2 1 2 寿命周期费用的计算 1 寿命周期费用计算流程如图2 1 所示。 9 图2 1 周期费用计算流程图 2 建设费用 建设投资包括原始建设费用、质量过程控制费用、现场监理费、材料费、日 常开支和其他费用。质量过程控制费用指采用质量过程控制策略延长其设计寿命 而追加的初建费，没有建立计算模型，可以按材料、人工、机械台班等费用价格 进行估算。管理费用单元中的预防性养护工程费用及大中修费用计算方法与建设 费用计算方法一致，文中不再赘述。 3 日常养护费用 养护费用是指养护部门为使路面在使用年限内维持路网所必需的一定服务水 平进行道路养修时所需的费用，包括人工、筑路材料、机械台班等费用。通常也 分为日常养护费用和大中修费用。大中修费用可根据定额计算，路面日常养护费 用的大小，取决于后期质量控制水平的高低。它还与公路等级、交通量、采取的 养护措施类型和各地的养护管理方式等因素有关。一般应通过调查养护记录和总 结养护经验，通过回归分析建立养护费用模型。本文中参考国内典型的日常养护 费用模型【17 1 ，建立日常养护费用模型如式( 2 1 ) 所示： m c i = a + b ( 1 0 0 一p c i , ) 州d 巧( 2 1 ) 式中：m c i 一第i 年养护费用( 元m 2 年) ； p c i i 一第i 年路况指数： i o 以d 正一第i 年平均日交通量； a b 一参数，各地根据实际情况可对其进行标定。 4 残值模型 公路项目在预计使用寿命已满处于使用寿命或分析期末，路面的使用性能可 能还没有下降到所规定的最低可接受水平，即路面还有剩余寿命可继续承受车辆 荷载作用，业主从目前该项目资产处置中获得的扣除预计处置费用后所余下部分 剩余寿命所具有的价值就被称为残值。 、广、厂、 量t 可接受承平 f - l r - 一 ；-，l | 图2 2 残值计算示意图 不同的质量控制策略可能会产生不同的剩余寿命，在经济分析时应考虑这部 分剩余寿命所具有的价值。路面残值可按多种方法近似计算，本文中按剩余寿命 占期望寿命的比例的方法来确定【1 8 】，如图2 2 和式( 2 2 ) 所示： s v = ( 1 一l l e ) c( 2 2 ) 式中：三。一最后一次养护的施工年份到寿命周期末( 或分析期末) 的年数； 三f 一该养护措施的预期使用寿命； c r 一该项改建措施的修建费用； s y 一路面残值 4 用户费用模型 用户费用是指道路用户在使用时所需支付的费用，包括作业区产生的车辆运 营成本，阻塞引起的成本，绕行引起的成本，养护带来的相应事故成本，用户费 用的组成是路面l c c a 的最主要的组成部分，尤其当交通量较大时，它在总费用 中所占的比例可高达9 0 以上，由于用户车辆出行的特点不同、差异很大，导致 费用计算分析很复杂。特别是在公路养护和维修过程中，交通很容易出现拥挤阻 塞情况，这时道路用户的费用更加复杂，如减速的时间延误和车辆运行费用、停 车时间延误和车辆运行费用等等，同时也应考虑司机主观能动的选择绕行或者变 换时段出行等诸多情况。这些费用的计算都需要相应的具体的计算模型，模型的 建立需要大量的数据。在用户费用组成中，车辆运营成本是与道路状况关系最密 切，也是受其他因素影响较小的，其中的轮胎消耗、燃料消耗以及保修材料等资 源消耗的成本，通常占可变成本的8 0 以上。本文中车辆运营成本也仅指考虑上 述的三大消耗，这三项费用的消耗可以通过已有的模型计算。 ( 1 ) 油耗费用 为建立适合我国国情的车辆运营费用模型，1 9 8 8 年同济大学、交通部公路科 学研究所等科研单位在不同的道路路况下作了大量的油耗试验，得到了不同路况 ( i r i ) 与油耗的关系，如式( 2 3 ) ，( 2 4 ) ： f l = 口+ b i r ( 2 3 ) 式中：儿一百公里油耗( l 1 0 0 k m ) 口，6 一回归系数， i r 一国际平整度指数( m k m ) 根据油耗平整度关系建立油耗费用计算公式为 c f l = f u c a + 6 - i r i )( 2 4 ) 式中：c f l 一汽车百公里油耗费用( 元1 0 0 k m ) ； f 阮一燃油单价( 元l ) 。 ( 2 ) 轮耗费用 1 8 1 1 9 】 轮胎消耗也是车辆运营费用的重要组成，要准确进行公路工程的用户费用评 估和投资效益分析就必须建立轮胎消耗与车辆、道路状况之问的关系。很多国家 在这方面都进行了研究，其中尤为瞩目的是世界银行公路发展与管理( h i g h w a y d e v e l o p m e n ta n dm a n a g e m e n t ，简称h d m - i i i ) 中采用力学集成法建立的轮耗模型。 它以理论为基础，又引入了集成指标，以便于应用外延和推广。但由于建模所用 的数据均来自巴西的实验，与我国轮胎的实际使用状况存在较大的差别。在 1 9 8 9 1 9 9 2 年间，同济大学的姚祖康、王忠仁等曾根据我国的调查数据对该轮耗 模型进行了标定，建立了适合我国的模型。 肛叫等1 等kn rv o l + o 毗i 亿5 ， ii + )i 式中：t c 一轮耗( 条1 0 0 0 k m ) ； 胛一轮数； 尉硒c 一轮胎翻新的费用与新轮胎价格的比值： n r 一翻新次数； r 孵一轮胎磨耗( d m 3 胎f a n ) 1 2 阳e 一轮胎可磨耗体积( d m 3 ) 七一轮胎系数，( 一般取0 7 7 ) 系数0 0 0 2 为考虑预估偏差( 同实际调查结果相比) 的修正值。 上述分析，适用于货车和公共汽车。对于中、小客车用下面公式： t c = n t ( o 0 11 6 5 + 0 0 0 1 7 8 i l r ) ( 2 6 ) 综合式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) ，对于平直路段，可按各类车辆的特性，直接建立轮胎 消耗与平整度之间的关系。 t c = a o + 口l 删 ( 2 7 ) 式中，a o 和a l 为回归系数 则有轮胎消耗费用计算模型为： l c t c = 枷正玛 ( 2 8 ) i - - i 式中：c 粥一轮耗费用( 条1 0 0 0 k m ) 尸一新轮胎价格 飓一第行中车辆1 0 0 0 车一公里消耗的当量轮胎数 ( 3 ) 保修材料消耗 汽车保修费用包括人工费、车辆维修的料耗费等。其中车辆的损坏主要与道 路几何线形及路面平整度引起的两种应力有关。前者主要由于车辆运行状态的改 变( 转弯、爬坡等) 直接使发动机受力，从而造成车辆驱动系、制动系的磨损，后 者则通过重复作用使受力部件如车辆驾驶系、悬挂系等其它部件产生疲劳及损坏。 车辆行驶时，车辆各个部分在这两种应力交互下或同时作用下造成车辆的损坏。 汽车保修费用包括车辆维修的料耗费、人工费等。 在已有的计算模型中，世界银行的h d m i i i 模型可谓集大成者。它通过在巴 西进行的大规模详细的用户调查，收集了大量的数据，得到了接近实际的模型参 数。模型中采用集成指标，避免了价格等因素的波动对模型所确定的物理关系的 影响，在不同经济地区或不同时间段，模型有较强的适用性及可转换能力。 2 0 世纪9 0 年代初，同济大学道路与交通工程系也采纳了世界银行的h d m i i i 模型，对我国车辆用户运营成本的实际调查数据，标定了h d m i i i 中的料耗费模 型参数，并由此建立了料耗费用模型： 客车：p c = e k e x p ( f i r ) c k m r p ( 2 9 ) 卡车：p c = e k ( 1 + 厂1 r ) c k m r p ( 2 1 0 ) 式中：p c 一千车公里的维修费用与该种车型的当时的新车价格的比值； e ，厂一模型的回归系数； 七一维修费系数； 勋一车龄指数或车辆老化系数； c 捌一车辆的累计行车里程； i r 一道路平整度指数。 则车辆保修材料的消耗费用为： c 陀= a m g z , 己p c f ( 2 11 ) i = 1 式中：c 陌一车辆保修材料消耗费用； 异，一第f 种类型车辆的价格； 尸e 一第衍中类型车辆1 0 0 0 运行一公里消耗的保修材料费用占新车价 格的比例。 2 2 寿命周期费用分析方法和步骤 2 2 1 分析方法 寿命周期费用分析的方法很多，如：现值法、年度等额费用法、收益率法、效 益一费用比法等。 1 现值法 由于一个道路建设项目的效益和费用是相关的，按某一预定的贴现率转换为 现在的费用( 现值) 。通过转换成单一的现值，便可在等值的基础上进行直接比较， 现值法包括费用现值和净现值两种。费用现值仅考虑费用，而净现值则考虑费用 和效益两方面。 费用现值法 费用现值法可用下式表示： 尸觋，。= 砜+ p w f , j ( 崛 f + p m c i f + 尺巳f + u 巳，) 一p 峨。s k 。 ( 2 1 2 ) f = 0 式中：p v c x 阳一方案x i 在分析期内n 年内的总费用现值( p r e s e n tv a l u eo f f u t u r ec o s t s ) i c c x i - - 方案x i 的初期建设费( i n i t i a lc o n s t r u c t i o nc o s t ) ； m g f 厂方案x i 在第t 年的日常养护费( m a i n t e n a n c ec o s t s ) ； p m c x f 广方案x i 在第t 年的预防性养护工程费用( p r e v e n t i v e m a i n t e n a n c ec o s t ) r c x i f 一方案x i 在第t 年的大中修费用( r e p a i rc o s t s ) ； 1 4 u c x j 广方案x i 在第t 年的用户费( u s e rc o s t s ) ； s 圪j ，竹一方案x i 在分析期末( n 年) 的残值( s u r p l u sv a l u e ) ； 尸峨广贴现率i 在年份t 的现值系数( p r e s e n tw o r t hf a c t o r ) 。 p 啊，= 1 ( 1 + f ) ( 2 1 3 ) 净现值法 净现值法可用下式表示： 尸圪= 尸吼。一p 岷，。 ( 2 1 4 ) 式中：尸圪删一方案x i 在分析期n 年内的净现值( n e tp r e s e n tv a l u e ) ； p 阳虮弹一方案x i