基于路面性能預測的公路養護決策分析

藍繼孟

（廣西壯族自治區都安公路養護中心，廣西河池 530700）

1 公路路面在基于性能預測后的養護決策

1.1 路面狀況勘察

以往路面檢測主要采用路面檢測車來實施，但總體測試設備與人力投入成本較高，且每年只實施1 次數據采集，難以掌握連續性路面病害的實際情況。而現代道路養護工作普遍需要經過兩個不同勘察階段。因此，相關人員必須在基于檢測車輛檢測數據的前提下，合理運用各種附屬設施和便攜式檢測設備來對區域路面實施反復檢測，進而保障整體檢查數據的真實性和準確性，為后續養護決策提供準確的數據依據。

1.2 路段劃分

在對區域路段相關情況進行實地勘察后，應將橋頭、橋面及路面區域清晰劃分，并根據不同路面病害情況制定具有針對性的防護措施和養護方案。其中以各類參考元素作為整體養護方案制定的數據指標，其不僅包括RDI、RQI 及PCI 等方面數值，還包括路面樁號區間、斷面觀測區、車流量、歷史養護數據等。例如，橋頭養護區域的參考元素則主要指的是區域平整度和沉降度，通常采用路面加鋪方式來實施養護處理。除此之外，在劃分路段過程中，可以樁號作為觀測區間路段劃分標準，由于各個公路路段的車輛增長率、軸載、車型及通車數量都在實時變化當中，因此必須合理制定區域路段檢測頻率，結合未來衰變預測情況進行分析研究來制定各種公路養護措施。具體包括以下3 個方面：①應將劃分完成后的車流量根據車輛自然通行數量進行折算，精確計算其當量軸載。②由于各個橋梁建設長度不同，故而可分別以橋梁1000m、100m 和10m 為單位進行分段統計，例如，臨近路面橋頭階段可按照每10m 距離進行數據統計。③所劃分統計的橋面、橋頭和路面必須與樁號和斷面監測區相互對應[1]。

1.3 路面性能衰變模型

關于路面實際性能方面的衰變測試模型的構建，應主要結合斷面監測路段年累積實際交通量與路面相關的PDI、PQI、PCI 和PQI 等性能數據為基準，且應結合具體路段交通車輛年增長率，對未來幾年內區域路段實際交通累積作為軸載計算，最后將具體數據全部引入相關模型當中，進而對未來路面性能進行真實預測。通過構建衰變模型及軸載數據，運用相應的計算公式準確計算RDI、RQI 及PCI 等公路性能衰變值，進而測算公路未來性能測算值，如PCI2023～PCI2039、RQI2023～RQI2039等。

1.4 養護費用規劃

對于公路路面在實際養護過程中所涉及投入規劃方面的全部資金，應以區域路段第一年費用預算為基準，并在未來幾年內逐步遞增直至最后一年。而在第一年路面費用規劃時，必須針對公路區域橋頭、橋面及路段進行綜合性費用計算，制定合理的費用投入標準，如實際費用超出制定預算，則必須詳細分析預算增加原因，并重新制訂整體費用預算計劃。除此之外，應在結合路面衰變值、養護技術應用狀況的基礎上，合理制定費用效益比，其詳細計算公式如式（1）、式（2）所示。

式中：BCR——費用；ΣB——各項參數長期積攢的實際養護效益；C總——全部養護費用綜合；J——路段優先養護區域費用指數；Bi——第i 種公路路面養護方案的實際效益值；ti——第i 種公路路面實際養護方案工程開啟時間；tl——表示路面養護相關技術實施與路面性能衰變的觸發值的具體時間點。在養護工程具體實施過程中可制定相應的優先級，其主要包括對PQI 技術狀況的優先級排序，若各路段PQI 數值指標相同則必須根據RDI、PCI 參數數據大小進行合理的費用投入排序。一旦實際費用超出原始費用規劃，則必須對優先級指數較高的路線進行優先實施養護作業，而針對優先級較低的工程路段可暫時對其實行棄養處理，在所缺少的工程費用全部補齊時，再對其實施養護作業，并重新調整養護費用投入計劃。

2 實例分析

2.1 工程概況

以某高速公路工程為例，該工程全長140.132km，為國家重點高速公路工程。該公路自開通以來車輛超載、重載現象屢見不鮮，又因長期受到區域多雨天氣等方面的因素影響，各個路段均存在不同程度的路面病害，嚴重威脅著區域路段車輛交通安全。因此，必須運用合理方式加以控制。

2.2 公路現狀

經過相關人員實地勘察，結合往年相關的各項檢測數據分析得知，該公路路面養護問題主要包括以下3點：①交通嚴重過載。經過對公路原始圖紙進行分析和研究得知，該公路設計軸次為每年1.488×107次，經過交通數據統計后發現早在2020 年便已超出原始設計軸次，這也是引起公路病害的主要因素之一。②反復修補區域損壞率極高。因該公路通車時間已超過15 年，很多路段早已經過多次修補，但在修補路段重復發生病害率竟高達60%，且在修補路段病害已逐漸向周圍路面延伸，其主要原因在于新舊路面層間銜接不良，也同樣表明以往采用的路面修復方式存在一定問題。③路面積水損害及開裂病害多發。目前，該公路很多路段均存在不同程度的唧漿、松散和坑洞，這表示該公路排水系統和混凝土結構穩定性較差。而路面開裂病害主要以龜裂和橫縱向裂縫為主，橫向裂縫主要是因為當地氣候早晚溫差和季節溫差過大，部分路面薄弱區域長期在熱脹冷縮作用下導致。縱向裂縫病害則多數因為區域車輛超載或重載而引發剪切疲勞所導致。而龜裂病害則主要是因混凝土結構材料結合性較差、交通過載及區域路段疲勞導致[2]。

2.3 預測模型對比分析及選擇

根據上述案例公路實際情況分析，并依照相關公路預測模型構建條件和構建原則，主要對下列3 種預測模型進行對比分析，模型一：以區域路面結構性能及實際損壞狀態PCI 指數、車輛行駛質量PQI 指數作為性能參數變量，并結合公路設計使用壽命作為影響變量來構建詳細的預測模型，如式（3）、式（4）所示。

式中：字母a-e 部分——模型具體參數；y——道路使用時間。模型二預測模型計算，如式（5）所示。

式中：PPI——公路區域路面實際性能指數；PPIO——路面初始性能指數數值；y——道路使用時間；而β 和α——模型參數值。模型三則屬于一種S 型預測模型，其具體計算公式如式（6）所示。

式中：RCI——性能預測詳細參數指標數據；RCImax——最大路面初始性能數值，通常將其設定為98～100；RCImin——最低性能指數值，通常可將其設定為30～40；T——路齡；a1和a0——各個模型參數數值，其對公路初期使用性能和后期使用性能衰減率有著較大影響，詳細數據需根據相關標準及工程實際情況來綜合設定。

經過一系列預測分析，通過以上3 種模型計算擬合預測相應的公路RQI 及PCI 數值，并詳細考慮其在實際工程中的可行性，并運用相關軟件測算出該工程2015—2020 年的PQI 和PCI 中的平均預測值及相對誤差，如表1、表2 所示。

表1 三種模型PCI 平均預測值與相對誤差數據

表2 三種模型PQI 平均預測值與相對誤差數據

由上述表1、表2 數據得知，雖然1 號預測模型和3 號預測模型所預測數據完全能夠滿足工程項目預測需求，但2 號預測模型預測數據誤差值與實際指數相差最少。因此，本次案例工程最終決定以2 號作為工程參數指標預測模型。

2.4 預測模型參數及性能衰變曲線分析

在2 號預測模型中，主要通過α、β 作為衰變曲線參數，并根據相關計算方法來準確判讀性能變化規律，通常上述兩項數值可通過數據觀測而獲得。工作人員結合以往相關經驗和數據分析，可將α 值設定為2～20，并將β 變化值設定為0.2～2。將公路性能各項參數PRD、PQI 和PCI 進行預測合并，利用2 號預測模型進行綜合計算，最終得出以2020 年原始公路信息數據為基準，對未來10 年（2020—2039 年）公路性能數據進行綜合預測，最終得到相關的性能衰變曲線區間數據。而隨著車輛荷載及使用年限的不斷增加，整體公路使用性能會在10 年內持續下降。在結合衰變測算數據后，相關工作人員已將案例工程結構強度、面層厚度及交通荷載等數據引入2 號預測模型，所獲取的最終性能參數如下：該工程PDI 曲線因子測算數據為0.882、壽命因子測算數據為7.647。PQI 曲線因子測算數據為0.919，壽命因子測算數據為9.491。PCI 曲線因子測算數據為0.847、壽命因子測算數據為7.517。由此便可基于上述測算出數據對未來路面各項性能指標進行綜合分析和評估[3]。

2.5 養護決策分析

公路路面在長期使用過程中，其本身性能隨時可能因行車荷載或環境因素而大幅度衰減。當外力荷載超出路面極限承受能力時，便會產生各種公路病害而影響正常交通。因此，必須采取適當方式加以處理和修復。養護決策主要是對現有路面實際狀況進行分析和研究，并全面分析工程經濟性、技術性及其他影響因素，最終制定具有針對性的路面養護方案，進而提升路面養護效果。為此，下文主要針對本案例工程K1567—K1634 路段進行各項性能指標的預測和分析，并結合公路相關要求規范和法律法規，制定詳細的路面養護方案。在經過一系列實際調查后得知，針對該路段RDI指數已達到80 以上、RQI 指數已達到90 以上、PCI 指數同樣達到90 以上區域。為此，可主要采用加鋪罩面方式進行區域路段修復。

2.6 詳細養護方案

2.6.1 路面問題分析

經過上述計算得知，該區域路段軸載量早已超出設計次數，通過相關力學計算，該公路已無法達到標準公路強度要求，至少需增加9cm 瀝青路面才能符合標準公路荷載要求。此外，在路面病害方面，整體路段PCI數值較低，這主要源于很多路面大范圍病害較多，其中主要包括橫向裂縫、縱向裂縫、塊狀裂縫及龜裂等病害，且病害程度各不相同、類型多樣、分布范圍較廣。而PQI 數值過低，主要源于橋頭跳車、不均勻沉降等不良現象居多，其路面破損、反復修補區域較多，進而導致整體路面平整度較差[4]。

2.6.2 方案選擇

在充分明確2023 年度公路養護標準的前提下，結合實際病害特點和病害類型，應在制定詳細公路養護方案時，分別對路基沉降、橋面及基段病害制定不同的修復方案，其主要實施方案包括以下3 點：①普通路基段養護。針對普通路基區域養護方面，必須結合具體情況根據路面實測強度信息，綜合分析交通荷載及區域環境氣候等因素，以加鋪罩面為主要處理措施，在原始路段區域加鋪適當厚度的混凝土瀝青路層（本次案例工程瀝青鋪設厚度為9cm），充分結合原始路面建設結構進行合理建造，適當調整路面坡度，對縱斷面區域病害加以修復和優化，進而延長公路使用年限。②橋梁段養護方案。應基于原始橋梁恒載標準，實施鋪裝銑刨在原始橋面上敷設兩層或兩層以上同配比規格的瀝青混凝土，并采取合理方式進行加固防水層。③路基沉降段養護方案。大部分橋頭軟土過渡區域極易產生不同程度的沉降反應，進而導致橋頭跳車、橋頭高低不平及路面裂縫等一系列病害發生，嚴重降低路面使用性能。針對此類情況，可在加鋪兩層或兩層以上混凝土的前提下，運用柔性基層結構對其實施路面調平處理，并基于縱斷面坡度情況來制定整平方案[5]。

3 結語

綜上所述，應以區域公路實際情況，合理構建路面RDI、PQI 及PCI 等數據模型，采用誤差值最低的模型構建方法來測算各種路面性能數據，對未來10 年公路性能狀態進行精確預測，并基于相關預測數據制定相關公路路面養護策略，進而為區域路段提供一個長期穩定的安全保障。