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关于地下公用基础设施项目可持续性指数的量化研究
摘要：本文通过四项常用的在地下公用基础设施安装的建造技术来检测环境的影响、成本和社会性影响。其中三个影响因素被用来量化以形成一项全面的地下持续性指数等级，用来评估带有竞争性的安装技术的公用事业项目。本文主要贡献是证明了一种计算持续性指数的方式，当一项技术被提议时，决策者可根据由此方式建立的环境影响、成本和社会影响的标准来进行评估并做出决策。本文目标是去帮助短视的公用基础设施项目负责人的想法，因为他们典型地会以承包人的标准去做决策，即选择最低的成本，而不是通过检测可持续性因素。一个排放图表被用在这项研究中，通过比较这六项排放物（CO2，CO，PM，NOx，SOx和HC）来量化对环境的影响。成本用包括表面恢复的竞争性的技术选择来定义。通过比较和排名13种影响地下公用基础设施的因素来量化社会影响。为证明USIR等级体系，我们在Portland Oregon 的装有长313米，内径400毫米的PVC清洁污水管的街区进行了这一项目的研究。USIRS被用来和微型管道、水平垂直钻孔术和真空微型管道技术来比较。
CE数据库主题词：可持续性发展；非开挖技术；建设管理；基础设施；地下建筑；公用事业；安装
关键词：可持续性；非开挖；指数；建设；基础设施；地下室；建设材料及方法
引文
世界各国都正在面临置换老化污水管系统的问题。许多这些系统被修复，然而其他一些则被要求重新安装新的管道。市政管理者和工程师们一直在积极探索安装这些关键系统的可适用的创新型技术。过去，污水管通常被传统的明挖和非开挖技术方法所安装。如今非开挖方法被广泛使用，因为利益相关者也希望最小化对材料表面活动的破坏。
只要新的隐蔽公用基础设施继续被安装，除了最低成本的那些因素在建设工程中被考虑也是必要的。近年来，使用可持续原则在基础设施发展中逐渐形成一种趋势。像环境影响、成本和社会影响这些因素组成了可持续性理念的核心内容，并被逐渐纳入工程决策的考虑因素中。本文呈现出了一种用以量化这三个因素的方法，形成了一个全面的隐蔽性可持续性指数等级（USIR），用以评估带有各种竞争性安装技术的公用事业项目。本文主要贡献就是以此体系来帮助决策者在被提议的技术应用方面进行评估和决策。
研究现状
传统发展方式已经导致对自然资源消耗更快的速率，并且废气和废水的排放速率已经超过了自然能安全吸收转化的速率。社会也频繁面临有害的气候条件，如扩大的干旱，频繁的火灾，史无前例的洪灾和日益严重的全球变暖。最近几年，环境的巨变已经使得可持续性准则被推上日程，并在重塑环境的过程中被广泛接纳。TBL分析可持续性是强调环境、社会、经济发展的一种提高。大量研究指出在决策过程中，应同时考虑经济发展因素，环境和社会影响因素。许多更早一点的研究也已经量化了可持续性，形成了指示器和指数方法。这些方法都有能转变可持续性概念为数字并被量化和优化的潜力。
Singh et al. (2009)提供了一个详细的关于多样可持续性指数的概念，用以指引政策的施行。LEED作为一个受欢迎的等级系统，已经成功地在建筑项目中使用。这个等级系统由USGBC设计，用以奖励那些有可持续理念的建筑物拥有者。可持续性建筑，被专门列为建筑物的一类。然而，这个方法逐渐被用来评估公用基础项目。现阶段仍存在对城市基础项目系统的可持续性的更为先进的量化需求。
可持续性建筑物的原则是减少消耗、资源再利用、循环使用和翻新资源。保护自然源于生活点点滴滴，减少或消除毒素，采用全成本核算，最终重塑环境质量。大量更早的研究将这三个主要目标用于可持续性理念中，这与TBL分析方法不谋而合。
Bartlett and Guthrie (2005)通过组织包括美国绿色建筑委员会、欧洲绿色建筑论坛（EGBF）和建筑研究机构（BRE）开发的分析方法和可持续发展指标进行研究，他们发现被大多数组织所呼吁的口号有人与环境和谐、保护生态家园、物资的重复利用、减少能源损耗、降低污染风险、减少浪费和节约用水。
Fernaacute;ndez-Saacute;nchez and Rodriacute;guez-Loacute;pez (2010)提供了一种可辨别和区分可持续性项目的标准和方法。他们依托于一系列西班牙的线性基础设施项目，致力于获得一整套有关可持续性的影响因素，包括能源消耗和CO2排放量，并被用作少量的及其重要的指标。
Dasgupta and Tam (2005)发展了一整套可持续性指标用以社会公用基础设施系统，并提出了一种方法来识别和对多元化的可持续发展指标进行联系。他们提出一个假设的架空输电线路的方法和使用指标，以更好地满足选定指标加权方案的建议。Shen et al. (2005)开发了一个原型模型，使用系统动力学方法在其生命周期评价建设项目的可持续性。Ugwu and Haupt (2007)提出了一个指标体系来评估基础设施的可持续发展重点项目运作阶段。一些早期的研究也表明了这些可持续发展指标。然而，该指标通过项目，研究和组织变化的研究，对于评估关键基础设施的可持续性并不存在一个公认的标准(Jones and Silva 2009)。
存在着地下基础设施系统的详细可持续发展研究，如供水和污水处理系统。然而，它们更注重水质，污染和能源回收的问题(Jones and Silva 2009)。Balkema et al. (2002)建立多目标优化和一套完整的可持续发展指标用以项目选择上的决策。然而很少有模型试图建立可持续发展指标侧重于地下基础设施的建设。Koo and Ariaratnam (2008)提出了可持续发展评估模型（SAM），以评估在城市环境可持续水管替代方案。基础设施建设项目的环境和社会影响通常不会在项目的可行性研究中，通常，他们在或项目实施后确定(World Bank 2006)。在一些研究中，地下建设项目的环境和社会影响分别进行了分析。
Filion et al. (2004)开发的生命周期能耗分析 （LCEA）来量化一个水分配系统的能量消耗。该CLEA模型应用于纽约隧道的问题用以比较对不同管道更换时间表进行生命周期性能源使用的安排。Sihabuddin and Ariaratnam (2009) 开发了排放计算器，以量化从地下公用设施项目产生的排放。该工具是用户友好的，并且投入可以从日常项目进度报告，并可以从公司的维修记录设备数据获得。Piratla and Ariaratnam (2012a)从一个52.4米（500英尺），200毫米（8英寸）的直径的饮水线项目预计生命周期内的二氧化碳排放量。Wu et al. (2010)开发的一种多目标优化程序来设计配水系统，最大限度地减少成本和温室气体排放。Piratla and Ariaratnam (2012b)通过使用多目标优化框架将生命周期中的二氧化碳排放量量化，用以纳入给水管网的设计之中。Mosley (2006)提出了可持续的污水处理系统的一个点数评级工具。Gilchrist and Allouche (2005)提出了一种方法，通过概述与建设项目有关的22个社会成本的信息源用以量化社会成本。社会成本的四大类被用以区别，包括交通，经济活动，污染的影响，以及社会/生态/健康的影响。Matthews and Allouche (2010)提出，通过引导用户使用交互式界面以展现社会成本计算器和通过针对微型隧道选项比较明挖来估计设施建设项目的社会成本，显示出它的实用性。目前，众多的可持续性评估模型可以在文献中找到。然而，大多数是适用于建筑物但是对于基础设施系统寥寥无几。由于在美国埋入基础设施需要进行多次的更换并且在不久的将来这种系统不断处以劣化状态，所以至关重要的是有一个用户友好的方法，用于选择一个可持续建筑方法，该方法是成本有效的和对环境和社会友善。随后，本文提出了一种决策支持工具，它利用一套新的可持续发展指标选择那些最具有可持续性的地下管线安装工程项目。作为示范，四种流行的安装方法是基于对环境的影响，成本和社会影响比较：明挖，导引管微型隧道，水平定向钻井和真空微型隧道。
安装关键公用事业级的方法
传统的明挖，导向管微型隧道（PTMT），水平定向钻（HDD），真空微型隧道（VMT）可用于安装关键级地下公共基础设施的所有技术。根据作业现场的条件和项目规范，一种技术可以比其他人更合适。安装程序占了很多的技术之间的差异，并为给定项目确定最适合的技术选择提供了基础。以下部分简单介绍一下一般安装程序和每种技术的功能。关于每个技术的其他信息可以通过在相应的部分引用的参考文献的调查发现。
明挖
明挖安装技术在加工技术进步的上个世纪不断的发展前进，但是，基本的思想已经存在了几千年。一般地，安装程序涉及挖掘一个沟，放置沟床用品材料到所需等级，铺设管道，在管道周围回填，和压实回填，如图1所示。由于在相对简单的安装过程中，可与明挖安装管道直径的范围是巨大的。此外，还有对最大安装长度的一些较少的限制。但是，由于为保持足够的沟槽稳定性，安装生产力，和随深度增加整体物流产生等困难，最大的安装深度是有限的。深设施通常需要钳工的边坡和大幅提高建筑的足迹，因此他们可能成为一种替代安装技术的候选人。使用明挖技术确实有利，然而，我们可能期望在农村和非拥挤的地区，在那里安装深度不要超过一个挖掘机的覆盖范围。
图1 传统明挖（作者拍摄）
导向管微型隧道
试点微型隧道管是一种非开挖技术，利用一个引导螺旋钻孔技术安装关键级管道，如重力下水道，具有高精确度。安装长度大于120米（400英尺）和100和1,200毫米（4和48英寸）之间的直径是可以可实现的(Boschert 2007)。对驱动长度来说，从沙井到沙井之间受限是很常见的，因为挖掘需要顶和接收轴服务于双重目的并被用作孔位置。PTMT技术可以在各种土壤类型中使用。然而，随着鹅卵石和石块，或一个较大的地下水头标准贯入试验击数达到50以上的土壤可能会造成困难。有对PTMT技术使用过程一些细微的变化，但在大多数情况下安装在三个不同的阶段的完成。
阶段1（图2）包括安装先导管，以获得适当的行和等级(Lueke and Olson 2012)。一种照相机，安装在数字经纬仪，指向向下的管，以定位在铅管的LED照明目标的中心。如果铅管偏离离线或等级，皮托管被旋转以定向在优选方向引线杆的倾斜面。成功安装试点管后才能开始进入阶段2。当管套贯穿对准轴后，皮托管被压入接收轴并除去。
图2 导向管微型隧道
水平定向钻机
水平定向钻机是一种非开挖技术，能够安装超过3000米长（10000英尺）、管道直径范围从50毫米（2英寸）到1650毫米（65英寸）的运输线。它相对于其它技术有一个最小的占用空间结构，因此非常适合在城市环境中安装。安装程序（图3）包括在沿拟议镗初始导孔到目标位置对准，扩孔钻孔到一个大的直径，并拉回制品管。先导孔的目的是创建具有所需的行和档次孔路径。线路和档次的调整都由直接跟踪发射器的钻头用的表面背后定位器和旋转试杆定位在最佳方向的铅棒位进行。一旦在目标位置的导频杆突出，铰刀和旋转系统用于将制品管附加到导频抽油杆和挖掘钻孔，以容纳较大的产品管。根据产品的管道和其他网站特征的直径，多个扩孔可能是必要的，以逐步增加的井眼尺寸。由于该产品类型的管被拉入到位，需要具有约束或稠合接头和高拉伸应力的级别管道。
图3 水平定向钻机
真空微型隧道
真空微型隧道是一种高精度，拥有激光制导装置，并能够安装直径不少于600毫米（24英寸）的管道通过技术或顶回调方法(Ariaratnam and Milligan 2012)。正如PTMT，典型的安装长度是位于沙井位置之间。此方法的第一阶段是从一个轴推进343毫米（13.5英寸）的引导棒到另一个引导棒，如图4所示。这些棒是独特的，因为它们的横截面包括两个腔室，一个输送赃物和另一个提供用于激光的光路。当钻头前进，附加钻杆的管套被延伸到延长孔的长度。旋转刀具位于内核的孔处，而真空系统通过钻外壳的中心移除尘屑。在工作时间时间，激光束由一个相机查看目标钻头内进行全程监测，并轻微转向校正是为保持对准线路的前方。在到达出口坑，截面积管被推入到换棒的位置。对于涉及连续管件的安装中，钻头头部被移除，并用拉出器头部代替，并且该产品管随后被拉入孔。该浆料去除过程导致要设立清洁作业现场，并注意增加现场安全。导引棒一旦安装后，根据在规范中详述的管材要求，产品管可以拉动或顶起到位。VMT可以在各种土壤类型中使用。然而，宽松、粒状土或一个较大的地下水源处可能会出现在安装过程中面临的土壤问题(Ariaratnam et al. 2012)。
图4 真空微型隧道
地下工程可持续发展指数评价的发展
三个因素（图5）被用作输入，用于USIR：对环境的影响，成本和社会影响。为量化对环境的影响，一个软件工具被用来检测评估某个设备六种气体的排放量。基于四个竞争施工技术的估计对项目成本进行量化，而社会的影响是通过基于感知的社会影响分配数字权重（低，中，高）来对13个因素进行量化。
图5
环境影响
如今，工程师们面临对建筑方案的选择，以确保所选方案能够能够提供最优成本和环境友好。减少六项空气中显著的污染物：一氧化碳（CO），氮氧化物（NOx），烃（HC），二氧化硫（SOX）和颗粒物（PM），用已由美国环保署确定的可持续发展的关键。随后，对环境影响的量化是任何可持续发展评估模
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