基于性能預(yù)測(cè)的瀝青路面壽命周期養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)分析

盧輝庭，蔣龍松，張洪波，周 勇

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司 南京市 211112)

隨著路面通車時(shí)間的延長(zhǎng)，路面各項(xiàng)使用性能會(huì)出現(xiàn)衰減，根據(jù)高速公路交通量數(shù)據(jù)以及近幾年路況檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)路面使用性能進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，結(jié)合發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型和交通量增長(zhǎng)趨勢(shì)，采用壽命周期養(yǎng)護(hù)環(huán)境影響及費(fèi)用測(cè)算方法，計(jì)算不同養(yǎng)護(hù)閾值條件下壽命周期內(nèi)綜合效益值，為實(shí)現(xiàn)壽命周期內(nèi)最優(yōu)養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 路面性能分析

1.1 交通量分析

選取了具有代表性交通量的G25淮連段作為項(xiàng)目路段開展養(yǎng)護(hù)指標(biāo)閾值的優(yōu)化分析[1]，以確定壽命周期最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)。根據(jù)高速公路交通量統(tǒng)計(jì)，項(xiàng)目路段的年平均日交通量分布在23500～30200veh/d之間。選取路段如表1所示。

表1 項(xiàng)目路段交通量分析

1.2 路面性能預(yù)測(cè)

根據(jù)項(xiàng)目路段典型結(jié)構(gòu)的車轍深度指數(shù)RDI檢測(cè)數(shù)據(jù)及發(fā)展趨勢(shì)[2]，進(jìn)行冪函數(shù)模型回歸，得到車轍深度RDI發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型。

通車以來(lái)各年檢測(cè)數(shù)據(jù)及發(fā)展趨勢(shì)見圖1所示。RDI發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型見式(1)所示。

RDIt=96.48t-0.068

(1)

式中，RDIt為第t年路面車轍深度指數(shù)；t為通車時(shí)間，年。

圖1 車轍深度指數(shù)RDI發(fā)展趨勢(shì)圖

2 決策指標(biāo)測(cè)算分析

采用壽命周期養(yǎng)護(hù)環(huán)境影響及費(fèi)用測(cè)算方法[3]，以項(xiàng)目路段為具體算例，其交通量復(fù)合增長(zhǎng)率為5.0%，分析期為15年。

2.1 車轍深度指數(shù)預(yù)測(cè)

采用車轍深度指數(shù)RDI為路面養(yǎng)護(hù)決策指標(biāo)，分別測(cè)算在車轍深度指數(shù)為90、85、80、75等閾值條件下路面壽命周期內(nèi)包括管理者以及用戶部分的環(huán)境影響和費(fèi)用。為便于分析比較，選取單車道公里路段為分析單元[4]。

當(dāng)采用不同車轍深度指數(shù)閾值時(shí)，在壽命周期內(nèi)的路面車轍深度指數(shù)發(fā)展趨勢(shì)以及養(yǎng)護(hù)時(shí)間安排如圖2和表2所示。

圖2 不同RDI閾值條件下車轍深度指數(shù)

表2 不同RDI閾值條件下養(yǎng)護(hù)計(jì)劃

為了便于分析，中修養(yǎng)護(hù)以恢復(fù)路面車轍性能均采用銑刨4cm表面層并重鋪4cm SMA-13的方案[5]。同時(shí)，由于測(cè)算路面壽命周期養(yǎng)護(hù)的環(huán)境效益及費(fèi)用用于確定不同養(yǎng)護(hù)閾值下的養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)，不考慮日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。

2.2 壽命周期費(fèi)用測(cè)算

壽命周期費(fèi)用測(cè)算過(guò)程考慮用戶費(fèi)用，用戶費(fèi)用主要由車輛油耗、車輛輪耗以及維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用組成。根據(jù)測(cè)算結(jié)果，得到不同養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下各年用戶費(fèi)用情況[6]，如圖3所示。

由于用戶費(fèi)用與路面平整度關(guān)系較大，因此不同的養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)情況下，路面平整度不同導(dǎo)致用戶費(fèi)用存在差異。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)閾值標(biāo)準(zhǔn)下用戶費(fèi)用

由于資金的時(shí)間價(jià)值關(guān)系，不同時(shí)間點(diǎn)的資金價(jià)值是不同的，因此，為了進(jìn)行統(tǒng)一的分析比較，采用折現(xiàn)率i=8%將各年的費(fèi)用折算為現(xiàn)值[7]，不同養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下的壽命周期費(fèi)用(養(yǎng)護(hù)費(fèi)用及用戶費(fèi)用)現(xiàn)值如圖4所示。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下的壽命周期費(fèi)用現(xiàn)值

2.3 壽命周期環(huán)境影響

采用壽命周期環(huán)境影響測(cè)算方法，重點(diǎn)對(duì)分析期內(nèi)的能耗及排放進(jìn)行測(cè)算，本次測(cè)算包括用戶部分環(huán)境影響條件下，各養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的壽命周期能耗及排放，如圖5所示。

圖5 不同養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下環(huán)境影響分析

2.4 壽命周期效益測(cè)算

采用車轍作為養(yǎng)護(hù)指標(biāo)，測(cè)算壽命周期效益時(shí)也以車轍深度指數(shù)RDI發(fā)展趨勢(shì)效益面積作為不同養(yǎng)護(hù)閾值條件下的效益[8]。其中效益面積計(jì)算公式如式(2)，單指標(biāo)效益計(jì)算示意圖見圖6。

圖6 單指標(biāo)效益計(jì)算示意圖

(2)

式中，s為養(yǎng)護(hù)的效益；y1(t)為原路面性能衰減曲線；y2(t)為開展養(yǎng)護(hù)活動(dòng)后路面使用性能衰減曲線；y0為路面性能指標(biāo)最低可接受水平，一般取y0=60；t1為開展養(yǎng)護(hù)活動(dòng)的時(shí)間；t2為原路面性能衰減至最低可接受水平的時(shí)間；t3為養(yǎng)護(hù)后路面性能再次衰減至最低可接受水平的時(shí)間。

對(duì)于同一項(xiàng)工程，計(jì)算效益所包含的性能指標(biāo)應(yīng)統(tǒng)一[9]。效益-環(huán)境指標(biāo)、效益-費(fèi)用指標(biāo)測(cè)算如下式：

(3)

式中，BER為效益-能耗指標(biāo),S為根據(jù)路面性能曲線計(jì)算的效益。

(4)

式中，BCR為效益-費(fèi)用指標(biāo),C為壽命周期費(fèi)用，其組成根據(jù)分析的對(duì)象及目的確定，可包括管理者或用戶費(fèi)用部分。

根據(jù)路面車轍性能預(yù)測(cè)模型測(cè)算得到不同養(yǎng)護(hù)閾值條件下的效益，結(jié)果如表3和圖7所示。

表3 不同養(yǎng)護(hù)閾值條件下壽命周期效益

圖7 不同養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下效益分析

3 最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)確定

考慮用戶費(fèi)用及環(huán)境影響后，不同養(yǎng)護(hù)閾值條件下的效益-費(fèi)用、效益-環(huán)境指標(biāo)值如表4所示。

表4 不同閾值條件下效益值

采用多指標(biāo)綜合決策方法[10]，考察不同方案與最優(yōu)方案指標(biāo)的差距，并結(jié)合不同指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，得到綜合評(píng)價(jià)值，結(jié)果如表5和圖8所示。

表5 不同閾值條件下綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

圖8 不同養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下綜合評(píng)價(jià)值分析

從表5可以看出，考慮用戶部分的費(fèi)用及環(huán)境影響后，當(dāng)RDI=83時(shí)具有最高的綜合評(píng)價(jià)值。并將此時(shí)最佳效益-費(fèi)用/環(huán)境影響值與其他養(yǎng)護(hù)閾值相比，可以看出在最佳養(yǎng)護(hù)閾值條件下，效益-費(fèi)用值高15%，效益-環(huán)境值高18%，也就是說(shuō)在同樣的資金投入以及能源消耗情況下，在最佳養(yǎng)護(hù)閾值標(biāo)準(zhǔn)條件下，效益可提高15%和18%。

因此，考慮用戶部分費(fèi)用及環(huán)境影響后，項(xiàng)目路段以車轍深度指數(shù)RDI=83作為養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)具有最高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

同時(shí)，從測(cè)算結(jié)果也可以發(fā)現(xiàn)，在交通量等級(jí)越高的道路上，應(yīng)提高道路養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，保持路面良好的使用性能，尤其是路面平整度，對(duì)于降低壽命周期內(nèi)的管理者和用戶的費(fèi)用及能耗具有重要的作用。

4 結(jié)論

(1)考慮用戶部分費(fèi)用及環(huán)境影響后，項(xiàng)目路段以車轍深度指數(shù)RDI=83作為養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)具有最高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。在同樣的資金投入以及能源消耗情況下，在最佳養(yǎng)護(hù)閾值標(biāo)準(zhǔn)條件下，效益可提高15%和18%。

(2)在交通量等級(jí)越高的道路上，應(yīng)提高道路養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，保持路面良好的使用性能，尤其是路面平整度，對(duì)于降低壽命周期內(nèi)的管理者和用戶的費(fèi)用和能耗具有重要的作用。