公路工程路面養護決策與規劃

胡 博

（云南省交通規劃設計研究院有限公司,云南 昆明 650299 ）

0 引言

公路工程對社會經濟發展起到重要的促進作用，隨著我國公路建設事業的飛速發展，當前已形成了以高速公路為主組成的國道主干線形成“五縱七橫”的總體布局。隨著社會經濟的發展，很多公路原設計等級已經滿足不了交通量暴增的需求。在過重的交通荷載作用下，路面結構出現早期破壞現象，降低使用性能，一些道路使用3~5年后出現縱（橫）向裂縫、塊狀、龜裂等損壞，阻礙交通運輸綜合效益的發揮[1]。公路工程路面養護問題日漸受到關注，必須通過維修技術改造恢復，以保證公路路面服務功能的可持續發展。目前，我國公路養護管理存在許多問題，由于國家養護管理經驗不足等原因，導致尚未形成完善的路面養護決策體系，如何建立科學的養護決策成為當前面臨的重要課題。

1 公路工程路面養護管理概述

1.1 公路工程路面損壞狀況分析

公路路面結構包括面層、基層以及底基層。面層為車輛提供行駛表面，承受行車荷載垂直力與沖擊力的作用，應具有足夠的結構強度、剛度與較好的水穩定性。基層是路面結構的主要承重層，要求具有良好的平整度[2]。墊層主要功能是改善土基的溫濕度狀況，并將路面結構所受到的車輛荷載應力，分散到整個路基上，以減少局部應力的作用。我國高速公路路面結構類型分為半剛性路面、剛性路面以及柔性路面等結構組合。公路路面結構形式選擇是具有長期效應的決策過程，應從經濟評價、能耗比較分析等方面綜合研究。

路面結構是高速公路基礎設施的重要部分，公路建成通車后在交通荷載下路面性能（比如抗滑性能）逐漸下降，影響車輛行駛和路面使用壽命。路面病害原因包括沿線排水系統與施工養護管理水平等因素[3]。瀝青路面破壞按成因分為功能性與結構性破壞，結構性破損主要包括重度裂縫、車轍、沉陷、擁包等；功能性破損常反映為路面抗滑、平整度等性能低。近年來，我國新建公路工程路面以半剛性基層瀝青路面為主，由于材料特性導致路面結構適應變形能力降低，對半剛性基層瀝青混凝土路面使用性能認識不足，導致公路瀝青路面破損加快。瀝青路面早期破壞類型分為裂縫、變形及表面損壞等類型，其中水損壞是公路瀝青路面早期破壞中的重要因素，降水進入瀝青面層后在車輛作用下產生動水壓力，破壞瀝青膜與骨料的黏結，進而導致瀝青混凝土松散破壞現象。

1.2 公路路面養護管理研究

隨著我國公路建設的迅速發展，國家地區高速公路網逐漸形成，公路養護管理日益重要。公路養護是為確保建成運營公路保持良好使用性能，為車輛人員提供安全舒適保障開展系列養護工作。市政公路投運后隨著服務年限增加出現損耗，必須對市政公路進行適當維修養護提高使用效益。目前我國公路養護工作分為大中小修類型，對公路養護不當會造成資源浪費[4]。公路路面養護實施中要采取預防為主、防治結合的方針，合理分配養護資金，確定養護類型[5]。路面工程是公路工程的重要部分，路面養護資金占公路養護的50%以上，路面預防性養護頻率最高，通常用于防止病害發生或輕微病害擴展、減緩路面使用性能衰減、提升服務功能的路面。公路路面養護計劃中要根據具體情況，處理好預防性和修復性養護的關系，優化養護資金的分配，延長路網使用壽命。

2 公路路面工程養護管理決策

2.1 公路路面養護管理決策經濟分析

公路路面養護管理應用工程經濟原理分析養護管理費用效益，確定最佳的養護時間與對策。路面養護的費用與效益分析是確定決策指標的主要依據[6]。養護決策主要是選擇適當的養護時機和措施，相同路面破損可以采用不同養護措施，取得不同的經濟效益。路面養護管理涉及費用包含道路和用戶費用部分，車輛運營費VOC在用戶費用中占比最大，VOC與車輛行駛距離及使用年限有關，車輛運營費用占比較大的因素包括油耗費與管理費。路面性能改善與提高養護費用降低管理成本有關，在路面養護管理優化決策時更多考慮養護維修費用。

公路工程路面養護決策優化涉及管理成本僅包括路面養護維修費用，需要分析路面養護管理成本構成成分，發揮養護資金的作用[7]。公路工程養護成本與安全維護費用較高。路面養護管理成本是公路養護成本的主要構成部分。半剛性瀝青基層路面養護費用在公路養護投資中占很大比重。公路路面養護管理成本按養護費用計入成本劃分方式分為直接和間接成本。直接成本包括人工材料費與現場經費等內容。間接成本主要包括企業管理費和相關財務費用等內容。要降低養護成本，可以通過開展預防性養護工作、制定合理的養護定額等技術措施實現。從養護管理體制層面講，要規范培育養護市場，強化養護資金預算，降低養護管理成本。道路路面養護管理效益體現為直接與間接方面，計算用戶費用需要進行車流速度預測等工作。路面養護管理間接效益主要反映在區域經濟發展等方面。目前我國路面預防性養護管理研究處于起步階段，需要改變傳統養護觀念，結合我國實際情況，采取預防性養護措施。

2.2 公路路面養護決策優化

公路是國民經濟的重要基礎設施，其可持續發展要求與社會經濟資源動態協調發展。當前，我國國民經濟整體水平較低，如何使公路系統內部與綜合交通體系協調發展尤為重要[8]。公路養護管理應符合可持續發展的要求，在運營使用年限內使道路維持較高的服務質量水平。目前，我國公路養護管理普遍采用傳統經驗型養護模式，存在養護管理體制不順、養護機械化水平較低等問題，必須進行養護管理體制改革，實現養護管理可持續發展，建立養護市場運行機制，強化公路養護資金預算，優化公路養護管理決策。

決策指采用科學理論方法，制定可選擇行動方案，選定最優方案的過程，包含決策基礎信息與方案等方面因素。隨著現代科學理論的發展，產生自然與社會科學結合的決策科學。復雜系統決策是多目標階段的系統優化決策過程。系統決策優化遵循最優化、科學性等原則。系統決策優化采用方法包括系統效能分析法和層次分析法等。路面管理是達到最大利潤與路面壽命的方法論。隨著公路運輸的快速發展，路面養護管理決策數據采集量不斷增大，導致路網多年存在優化決策問題的困難。集成是將較大路網根據路面狀況等特征，合并項目優化決策。公路路面養護決策是多目標非確定型決策問題，路面養護管理決策中常用優化方法包括數學規劃與人工智能優化法。人工智能優化法適用于大規模路網優化決策問題。

路網養護需求分析需要依靠微觀路面檢測基礎數據完成，為路面養護資金分配優化等決策提供基本依據。以往路面養護需求確定，通過工程師根據經驗判斷需要養護路段采取措施，隨著路面檢測技術的發展，依據規范標準分析路面檢測基礎數據，增加決策的可靠性。根據公路路面性能，綜合分析需要收集歷年路面檢測基礎數據，采用模糊綜合評價法，對路段計算道路行駛質量指數、抗滑性能指數等。公路路面養護指數EPQI與公路養護指數相同，區間評價指標應采用線路內指標算術平均值。公路路面養護對策選擇依據路面使用性能狀況，結合相關政策經濟等因素分析確定。為減小決策問題的規模，需要利用路面性能組合狀態等概念為決策規劃模型建立奠定基礎。

3 公路工程路面養護決策與規劃實踐

3.1 公路工程概況

某高速公路建成通車16年，設計速度80 km/h，路面標準軸截載為雙輪軸載100 kN，路面結構為“4 cm厚細粒式改性瀝青瑪蹄脂SMA-13+6cm厚SBS改性AC-20F中粒式瀝青混凝土+8 cm厚AC-25C粗粒式瀝青混凝土+0.6 cm厚乳化瀝青稀漿封層+38 cm厚水泥穩定級配碎石基層+20 cm厚級配碎石底基層”。隨著公路交通量逐年增加，導致部分路段出現病害，需要養護維修。公路路面養護決策基于路面技術狀況、養護資金規模、公路技術等級、使用年限、交通量大小及組成、氣候條件等。公路制定養護決策前對路面技術狀況分析評價，上行（樁號遞增方向）PQI優等路率為96.22%，良等路率為3.78%，優良路率為100%。下行（樁號遞減方向）PQI優等路率為100%，優良路率為100.00%。

根據現行《公路技術狀況評定標準》，路面技術狀況總體評定為“優”，優等路率為98.11%，優良路率為100%，次差路率為0.00%。該高速公路整體路面技術狀況優良，但部分路段仍存在路面損壞較差、抗滑性能較差等情況，應對重點路段采取預防和修復養護措施。路面技術狀況評定時，瀝青路面裂縫寬度小于或等于3 mm損壞程度為輕度，裂縫寬度大于3 mm損壞程度為重度。規劃養護路段公路路面破損情況評價標準為PCI不小于92為優。根據檢測結果，對養護路段路面使用性能衰減情況進行分析，近5年間路基路段路面PCI指標變化規律為凹形衰減形態，養護路段整體PCI指標呈S形。養護路段路面RSI指標為上下波動形態。由于養護路段全線過去經過多次養護維修，使得路面使用性能指標呈現不同的發展狀態，養護決策提出采用養護衰減幅度平均值為衡量指標。

3.2 公路路面養護決策與規劃方案

公路工程路面養護決策需要從規劃目標、養護標準與措施方面設計。工程逐步進入設計壽命周期，必須實施路面養護方案。養護規劃以恢復至不低于路面原有技術狀況為主要目的。養護目標定位于延長路面使用壽命，包括高速公路路面技術狀況（PQI）優等路率保持在88%以上。普通國道PQI優良路率達到80%以上，其中東、中、西部分別達到88%、80%、72%以上。普通省道PQI優良路率達到75%以上，其中東、中、西部分別達到80%、75%、70%以上。年度預防性養護比例不低于8%，廢舊瀝青路面材料循環利用率為95%。養護規劃要在充分考慮實際路況基礎上設定標準值。工程路面養護以預防養護、功能性修復及結構性修復為主。路面損壞狀況PCI在 90~92路 面 PCI≥ 90、RQI≥ 90、RDI≥ 80、SRI＜80時應進行預防性養護；PCI≥90、RQI≥90、RDI＜80時應進行修復性養護。養護規劃包括子單元規劃與總體設計實施。

瀝青路面養護處治中，路面典型病害為縱（橫）向裂縫、抗滑性能衰減、跳車等現象。病害主要集中在行車道上，養護工程處治段落應以行車道為主，并兼顧超車道的預防性養護。計劃采取微表處或超薄罩面等預防性養護措施進行矯正性養護。5年內平均分配養護任務。

一般存在輕度裂縫的路段采取預防性養護措施。對于重度裂縫類、變形類路段，采取結構性修復的形式進行養護處治。養護路段中長下坡、急彎、雨水較多的路段使用性能較差，子單元養護規劃時優先規劃該路段，針對部分路段橋頭跳車治理同步處理。公路養護結合路面性能衰減預測結果制定養護方案。實施計劃為第一年罩面養護20 km，路基段路面銑刨重鋪9.0 km經費投入估算1 056.0萬元。第二年養護罩面養護經費投入估算3 357.2萬元；預防性養護3.0 km，經費投入231萬元。第三年一般路基段落路面銑刨重鋪13.4 km，經費投入估算1 624.7萬元。第四年一般路基段落路面銑刨重鋪2.0 km，經費投入估算1 232.5萬元。第五年罩面養護15.46 km，經費投入估算3 357.2萬元，預防性養護7.0 km，經費投入411萬元。

4 結語

公路是為國民經濟、社會發展提供服務的基礎設施，隨著公路建設里程的增長，高負荷養護作業下經驗式養護決策情況普遍，無法滿足高質量快速決策的需求。由于缺少科學決策標準，導致養護維修對策設計不合理，造成運營周期內維護費用增加，因此，必須建立科學高效的公路路面養護決策系統，保證公路的運行效率，為路面管理決策者合理確定養護資金需求等提供科學支持。高速公路路面養護中，要以各檢測指標狀況為前提，充分掌握路面病害科學決策及時處理。養護規劃中，采用中長期策略合理安排，延長路面使用壽命。