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通过多功能隧道进行可持续的公用设施安置
D.V.L. 亨特, D. 纳什, C.D.F. 罗杰斯
（伯明翰大学土木工程学院，英国，伯明翰）
摘要
由于采用短期规划和最低初始建设成本要求，英国公用事业管道的安装和维护是通过明挖的途径实现的。从长远的可持续发展角度来看，越来越多的证据表明这种方法具有社会破坏性，对环境有害，而且价格昂贵，即不可持续。这个问题的一个长期解决方案可能是采用多功能隧道（MUT），即一条隧道，将多个地下公用设施共同定位，便于其后续修复和更新，同时无需进行连续的地表挖掘。不幸的是，相当高的短期直接成本仍然是采用MUT的重大障碍。然而，缺乏研究表明这两种方法之间的经济转折点在何处发生，以及它如何受到公用设施类型，管道数量（即密度），管道直径，对挖掘和重新填埋（E＆R）的避免次数，管道位置（即未开发，郊区和城市地区），以及采用的MUT的种类（即地表镶嵌，浅埋和深埋）的不同所影响。
本文旨在通过研究这些影响因素对各类MUT经济可行性的影响。结果表明，MUT可以在所有三个局部环境中提供更经济的可持续的公用设施放置方法，其中临界点出现在街道工程可能更频繁和/或公用事业管道密度更高的地方。
关键词：可持续性、多功能隧道、经济模型
- 简介
在过去的200年里，明挖已成为英国最广泛采用的地下公用设施解决方案（Rogers and Hunt，2006）。 在一个多世纪以前，这种解决办法可能被认为是经济上适宜于在地下安装饮用水管网和废水管网; 在当时，除了全面的人工开挖隧道外，没有其他选择，而且由于只有这些管网位于地下，对未来的破坏被认为是最小的。与此相关的是，未开发地区，郊区和城市地区的地表主要是未铺砌的，并且道路密度远低于今天。 此外，当时大量劳动力和建筑材料的存在的同时，社会和环境成本则没有明确界定，要么被忽视，要么根本不被认为足以抵消清洁水和污水处理设施的健康和其他社会效益。
2012年，明挖仍是从业者最广泛采用的布设公用设施的解决方案，但也存在多种替代方案，如非开挖技术和多用途隧道(MUTs) (Canto-Perello 和 Curiel-Esparza, 2003; Curiel-Esparza 和 Canto-Perello, 2005 ;Ludovic等，2004)。此外，明挖作为一种工程方法，从早期发现至今其基本方法的变化很小，主要的改进是挖掘和恢复工艺的机械化、深挖掘壁的机械支撑以及对管道材料质量的显著改进。如果不是因为当地的情况发生了无法忽视的变化，这些好处将是非常有益的：覆盖地表的的交通基础设施(道路、行人或者骑自行车)变得具有更复杂的结构和更容易被挖掘损坏, 现有的更多的实用类型地下安装(如雨水排水、燃气、高压和低压电力电缆,通讯电缆,街道照明电缆),在不久的将来,会随着城市中心的增长会更加普遍。(如生活用水网络,气动垃圾收集- PWC，组合供热和电力管道- CHPs，区域供热/制冷，氢气;参见Hunt et al. 2011)。此外，越来越多的人认识到，未来对地下空间使用的竞争(如废物储存、资源开采、运输和人员流动以及生活空间)正在加速。 (Jefferson et al. 2006; bbylev, 2009;帕克,2004;Evans等，2009;Sterling et al. 2012)。与此相关的地面现在主要是在郊区和城市地区(甚至在有绿色边缘的农村地区，公用事业管道通常埋在铺设的道路下)预先铺设或建造，导致成本要求显著提高，例如资产位置(Costello et al。(2007))、设施的挖掘与回复过程中的放置、维护、维修、更新和退役的成本。此外，Brundtl (1987)的报告使工程师们更加清楚地认识到，他们所做的每一件事，包括公用事业管道的安置，都需要考虑与直接经济成本相关的更广泛的当前和未来成本(即间接经济成本，以及对社会和环境的成本)。
随着公用设施安置的成本增加的不断被认可 (例如交通中断、有害的环境影响、健康和安全危害、铺面过早老化以及邻近基础设施受损的主要风险，见Tighe等，2002)，越来越多的人反对将明挖作为管道安装和更新的主要形式。例如，在英国伦敦，在钻孔隧道中铺设电缆的一个重要驱动因素就是为了避免重复开挖和修复过程中的干扰索赔。然而，如果要使减少环境和社会影响的好处(通过采用MUTs)得到国家承认，就需要对其进行充分的量化/限定，并抵消与建造和运营MUTs相关的额外金钱成本。尽管有这一要求，这些费用仍需包括在公用事业和道路费用计划内。一种选择是将栖息地，社会设施，景观以及其他外在因素的价值直接纳入成本效益的方程式(1997)然而，有人建议可能需要进行其他的“成本效益”评价;因此，决定是基于以最低边际成本以实现预定目标(经济、社会和环境)的计划(1997年后期)。无论采取何种途径，第一个要求必须是明确明挖设施安置的每一项可持续性成本(即直接和间接的经济、社会和环境成本)，在这一背景下，可以将所有的可持续性优势和劣势通过MUTs(第2和3节)来描述，下一阶段将是量化/限定并比较明挖公用事业安置与MUTs(在不同情况下)的每一项成本，以建立一个令人信服的支持或反对采用MUTs的可持续性论据。在第4节中，我们为此目的制订了一种方法，通过使用成本这一反映当前现实世界决策的最佳依据(即直接经济费用- -劳动力、材料和设备)加以说明。这些直接经济成本被认为是在三个地点(未开发、郊区和城市地区)采用明挖施工的三个重要阶段(即开挖、管道铺设和更新)，并与安装三种不同类型的MUT(即地表镶嵌、浅管和深管)的直接经济成本进行比较。未来的研究将着眼于对本文描述的剩余可持续性成本采用同样的方法。研究表明，即使没有社会和环境成本，而这些成本被认为是更广泛地采用地下解决办法所必不可少的（1997)，但在某些情况下部署某些类型的替代品也是有经济案例支持的。
- 开放式公用设施配置的可持续性成本
越来越多的研究表明，明挖放置公用事业的总成本应不仅仅是经济成本(例如Iseley和Tanwani, 1990;Chapman, et al. 2003; Najafi 和 Kim,2004; Rogers 和 Hunt，2006;Jung和Sinha, 2007;Woodroffe和Ariaratnam, 2008; Ormsby,2009)。Iseley, Tanwani(1990)和Woodroffe Ariaratnam(2008)表明,总成本(TC)应该被视为直接、间接和社会成本而Jung和Sinha(2007)表达了TC包含直接成本(如土方工程、修复、管理费用、材料、劳动力、设备),环境成本(如噪音和空气污染),社会成本(如交通延误和损失的业务收入)和其他因素(如安全、生产率和结构行为)。Ormsby(2009)假设TC分为直接成本、间接成本和外部成本(即经济成本、社会成本和环境成本)，其中外部经济成本包括两个因素(即噪声造成的财产价值损失和企业收入损失);而这些在其他研究中被认为是社会成本。与Chapman等人(2003)和Rogers 与 Hunt(2006)的工作一致，这项研究表明，总的可持续性成本应该包括三个不同的可持续性构成：
可持续性成本 = 经济成本（直接和间接） 社会成本 环境成本
（CSUSTANABILITY = CECNOMIC(DIRECT INDIRECT) CSOCIAL CENVIRONMRNTAL）
然而，本研究也包括了时间因素，这在整体决策和建设过程中是至关重要的。如图1所示，开发时间表框架建立在Hunt等(2008a,b)和Lombardi 等人(2011)的工作基础上，并提供了一个可视化的表示，用于映射决策、影响和成本(即C sustainability)随时间的变化(从左上角到右下角)。用粗体突出显示的箭头显示了第4节中执行的数值分析的重点。公用事业建设过程的阶段(1 -建设前，2 -建设期，3 -后期后)与Najafi 和 Kim(2004)的报道一致。Iseley和Tanwani(1990)以前为这一进程安排了第四阶段(4 -退役和更新)，这已列入第三阶段的一个更广泛方面。第1和第2阶段包括决策和短期(即几天到几年)的可持续性，而第3阶段考虑的影响可能远远超出资产的生命周期。(即。50年甚至100年)。这些成本可能是可比的或远远高于合同价值(Ormsby, 2009)。2.1-2.3节对图1所示的可持续发展的各个支柱进行了更广泛的讨论。
图1 在开发时间表框架内的公用事业管道的可持续性成本(粗体箭头显示了本研究的重点)
2.1经济成本
施工前的费用可能相当可观，包括在实际施工之前需要进行的地面调查和勘测工作。作为这一阶段的组成部分，由于土壤类型、效用类型和深度的限制，资产选址可能会吸引大量成本(Sterling, 2000;Thomas等2008)。这里的不确定性会增加意外事件/施工活动的风险，因此承包商需要保护(例如保险)免受昂贵的法律索赔(Stein 和 Drewniok, 1998)。虽然设计决策(例如开挖vs非开挖vs MUT)将对项目的社会和环境等生命周期成本产生重大影响(Iseley 和 Tanwani, 1990)，但在公用事业项目的投标准备中很少考虑这些因素来决策(Ormsby, 2009)。这里的主要成本是直接经济成本（C ECONOMIC(DIRECT)）,传统上以pound;/ m(Podevin 1998, McKim 1997)或pound;/m3(为了正常化实用操作可以不同的大小)。Najafi和Kim(2004)认为间接经济成本（CECNOMIC(INDIRECT)）约占直接经济成本的15%，而实际建筑成本(如材料、劳动力、设备等)约占间接经济成本的15%。(McKim, 1997)，要求对土壤进行双重处理，并修复表面(图2),约占直接和间接经济成本之和（C ECONOMIC(DIRECT 和 INDIRECT)）的70%。这与Jung和Sinha(2007)报告的以下成本细目一致:21% 的土方工程; 30%的管道铺设; 21%的恢复成本以及28%的其他费用(例如办公开支、交通管制措施及临时公用事业的成本)。
经济成本（C ECONOMIC(DIRECT ＋ INDIRECT)）可以在不同的项目之间有很大的差异(Ormsby, 2009)，由于具体的当地因素的影响:建设速度(Najafi, 2005);公用事业类别(即直径及物料);挖掘深度(Mohring, 1987;Chapman et al. 2003)。对于最后一种影响，较深的挖掘可能需要脱水和支撑(如板桩)，而不是倾斜的工作(Najafi和Kim, 2004)，大型设施可能需要关闭道路和绕道(Jung和Sinha,2007)。此外,拥挤的地下空间可能需要临时设施计划和/或改道和仔细的挖掘,以避免损害第三方工具(McKim, 1997; Rogers 和 Hunt, 2006)。这些较慢的施工速度(例如明挖施工每天8米，非开挖施工每天22米;Jung和Sinha, 2007)对于管理费用来说是昂贵的(Najafi和Kim, 2004)，但对于长期的活动，如脱水和车道占用(Balance et al. 2002)也是昂贵的。
后期建设成本包括运营成本，紧急维修，维护，退役和更新。与维修和维护相关的成本与第1阶段和第2阶段已经概述的成本没有什么不同（即这些阶段将在公用事业的整个生命周期内以不同程度重复），并且这些成本的影响可能很大。例如，2003年在英国估计约有100万街道工程（DFT，2003年）或700万天的公用事业街道工程（Goodwin，2005），需要公用事业公司在高速公路和人行道上进行400多万次挖掘工作。直接成本为10亿英镑（McMahon等，2005）。尽管成本很高，但一旦直接开挖操作完成，估计路面使用寿命将减少30％（Tighe等，2002）。因此，需要对表面材料的进一步修复的可能越来越大。这是因为当挖掘沟渠时，地面会发生应力消除软化，路面逐渐变形，边缘附近会出现裂缝（Pucker等，2006）。
2.2 社会成本
在英国，平均社会成本（C SOCIAL）占直接经济成本（C ECONOMIC(DIRECT)）的30-80%，尽管有个别超过400%的数据被报道(Peters, 1984; McKim, 1997; McMahon等.,2005)。最近在美国宾夕法尼亚州的研究估计，繁忙道路的交通影响是合同成本的80倍以上(Jung 和 Sinha, 2007)。很明显，社会成本对可持续性成本的贡献取决于所包括的内容，以及成本(通常是经济成本)是如何衡量或考虑的。例如Rahman et al.(2005)将管理费用、建筑、公用事业损害、结构损害和恢复作为社会成本，而本研究与之前提到的大多数研究一致，将这些称为直接和间接经济成本。也就是说，当财产损失发生在较晚的日期，而不是由于承包商，这确实成为一种社会成本(Kolator, 1998)，就像公用事业损害导致服务中断(如水和废水服务中断- WSI;Ormsby,2009)。尽管存在这些不足，但据估计，50%的社会成本归因于交通延误(Matthews 和 Allouche, 2010)，有时也称为交通中断成本(Boyce 和 Bried, 1994)。这些是货币工具成本（VOC monetary vehicular costs）(Jung 和 Sinha, 2007;(Ormsby, 2009)由于交通拥堵;碰撞频率;车辆行程时间
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资料编号：[849]
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