基于層次分析法的公路路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究

莫力

（貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550003）

0 引言

2016 年，交通運(yùn)輸部明確指出要提高公路建設(shè)的質(zhì)量，創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)工程，推動(dòng)公路建設(shè)的“五化五高”，并把生命周期費(fèi)用和建設(shè)養(yǎng)護(hù)一體化的設(shè)計(jì)方法納入綜合考核的內(nèi)容。2018 年，在交通運(yùn)輸部發(fā)布的《公路水運(yùn)品質(zhì)工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)“壽命周期費(fèi)用”和“建設(shè)養(yǎng)護(hù)一體化”進(jìn)行了明確規(guī)定。對(duì)工程結(jié)構(gòu)、服務(wù)設(shè)施、管理設(shè)施、安保設(shè)施等的功能體系進(jìn)行了合理配置，對(duì)未來的拓展需要進(jìn)行充分的考慮；公路路面養(yǎng)護(hù)在設(shè)計(jì)上要有一定的前瞻性，應(yīng)充分考慮到在運(yùn)行維護(hù)階段，結(jié)構(gòu)是可檢測(cè)、可維修、可更換的，同時(shí)設(shè)置便利的檢養(yǎng)通道，對(duì)特殊結(jié)構(gòu)也提出針對(duì)性的養(yǎng)護(hù)方法和要求[1]。因此，在公路路面鋪設(shè)過程中，必須重視對(duì)路面鋪設(shè)質(zhì)量的監(jiān)管，選擇適宜的路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)，以保證路面鋪設(shè)質(zhì)量。所以，在當(dāng)前的時(shí)代背景下，公路建設(shè)更加注重全壽命周期理念和可持續(xù)發(fā)展理念，如何推動(dòng)公路建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展、綠色發(fā)展及品質(zhì)發(fā)展，已成為公路建設(shè)者關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 公路路面養(yǎng)護(hù)的原則以及影響因素

1.1 公路路面養(yǎng)護(hù)的原則

綜合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外公路路面養(yǎng)護(hù)的實(shí)際現(xiàn)狀，公路路面養(yǎng)護(hù)的原則主要體現(xiàn)在四個(gè)方面。第一，技術(shù)性原則。公路路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)在實(shí)際開展過程中需要保證選擇的養(yǎng)護(hù)技術(shù)滿足高速公路的使用要求，提升公路的整體壽命。第二，經(jīng)濟(jì)性原則。公路路面養(yǎng)護(hù)作為一項(xiàng)長(zhǎng)期性的工程，是整個(gè)公路使用過程中的重要部分。因此，需要在滿足現(xiàn)有的使用性能的基礎(chǔ)上選擇性價(jià)比最高的公路路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)，節(jié)省施工技術(shù)成本，從而獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。第三，服務(wù)性原則。高速公路作為一項(xiàng)服務(wù)民生的工程，能夠?yàn)槌鲂姓咛峁└哔|(zhì)量的服務(wù)。因此，所采用的養(yǎng)護(hù)技術(shù)以及養(yǎng)護(hù)原則等應(yīng)與公路使用者的需要相符。第四，施工便捷性原則。高速公路作為地區(qū)經(jīng)濟(jì)、文化發(fā)展的重要支撐，在養(yǎng)護(hù)技術(shù)的選擇上應(yīng)當(dāng)重視減少養(yǎng)護(hù)作業(yè)對(duì)交通正常運(yùn)行產(chǎn)生的影響[2]。

1.2 公路路面養(yǎng)護(hù)的影響因素

按照公路路面養(yǎng)護(hù)的原則，在養(yǎng)護(hù)方案的選擇上，可以從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、施工工藝、氣候、用戶及環(huán)境六個(gè)方面進(jìn)行分析。其中，需要重點(diǎn)關(guān)注的是經(jīng)濟(jì)、技術(shù)以及施工工藝的選擇，綜合路面的實(shí)際情況、交通運(yùn)輸情況等進(jìn)行綜合考量，選擇相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)方案。影響預(yù)養(yǎng)期的經(jīng)濟(jì)因素包括預(yù)養(yǎng)時(shí)間、使用期費(fèi)用等；其中，建筑材料利用率、建筑質(zhì)量、交通干擾、環(huán)境保護(hù)等都是重要的影響因素。

2 公路路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)的對(duì)策庫(kù)建設(shè)

以我國(guó)高速公路瀝青路面為研究對(duì)象，擬對(duì)瀝青混合料路面結(jié)構(gòu)與性能退化規(guī)律、交通流量與預(yù)養(yǎng)期的需求與限制、預(yù)養(yǎng)期的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)等問題進(jìn)行研究。在多年的工程實(shí)踐中，篩選出較為成熟的養(yǎng)護(hù)措施，并形成了備選決策庫(kù)，具體措施包括：微表處、薄層罩面、灌縫與封縫、就地?zé)嵩偕㈧F封層與銑刨重鋪，具體內(nèi)容，如表1 所示。

表1 高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)對(duì)策庫(kù)

3 基于層次分析法的公路路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)模型

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)高速公路路面養(yǎng)護(hù)策略的選擇主要是結(jié)合定量和定性的方式，采取相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)技術(shù)。其中，以層次分析法最為方便和快捷，同時(shí)層次分析法在實(shí)際應(yīng)用過程中具有實(shí)用、靈活性較高、系統(tǒng)層次性明顯等優(yōu)勢(shì)。因此，此次研究將基于層次分析法構(gòu)建公路路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)模型。

3.1 構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)模型

層次分析法是一種能夠較好地呈現(xiàn)出等級(jí)層次之間控制的變量方式，是一種對(duì)決策問題進(jìn)行分層描述的方法。此次研究在此基礎(chǔ)上提出從“目標(biāo)層”“準(zhǔn)則層”“子準(zhǔn)則層”再到“方案層”的分層結(jié)構(gòu)，提出一種采用預(yù)先維護(hù)措施的高速公路瀝青路面的養(yǎng)護(hù)方案；該目標(biāo)層在此基礎(chǔ)上提出由經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)性能和施工工藝3 個(gè)要素構(gòu)成的子評(píng)價(jià)層次，并給出平均費(fèi)用和使用壽命等9 項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。方案層能夠根據(jù)路面使用性能評(píng)價(jià)結(jié)果、路面損壞情況、交通量等因素，制訂技術(shù)方案，遞階層次結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建，如圖1 所示。

3.2 判別矩陣的構(gòu)建

層次結(jié)構(gòu)直接反映不同層次結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，然而，準(zhǔn)則層中的每個(gè)準(zhǔn)則在目標(biāo)度量中所占比重存在一定差異，其本身所占比重在整個(gè)決策過程中是相同的。在上層目標(biāo)的基礎(chǔ)上對(duì)下層元素展開對(duì)比，進(jìn)而判斷出下層元素對(duì)上層目標(biāo)的重要程度，在多因素的重要性比較中，可以根據(jù)公式（1）的判斷矩陣來進(jìn)行。

公式（1）代表了與第一個(gè)目標(biāo)相關(guān)的重要性。相對(duì)重要性通常是按照Saaty 從1 到9 的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)分級(jí)的。對(duì)兩兩指數(shù)進(jìn)行對(duì)比得出對(duì)應(yīng)的比率。

對(duì)不同的判別矩陣之間進(jìn)行綜合分析，將計(jì)算之后的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式如下：

3.3 一致性檢驗(yàn)分析

為了確保層次分析法在評(píng)價(jià)矩陣中的各個(gè)要素的一致性，必須對(duì)其進(jìn)行檢查和分析。綜合層次分析法的要求和特性選取的一致性指標(biāo)是CI元素和一致性比率Cr，對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，在檢驗(yàn)時(shí)需確保所選擇的矩陣值為最大，計(jì)算公式如下：

（4）～式（6）中：將隨機(jī)選擇一個(gè)一致性指標(biāo)為RI，即可計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值。當(dāng)一致性比率Cr＜0.1 時(shí)，則aij能夠達(dá)到一致性檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 層次總排序

此次研究在層次分析法的基礎(chǔ)上提出了一種基于模糊聚類分析方法。可以通過公式（7）、（8）來計(jì)算k層單元對(duì)于頂層總體標(biāo)準(zhǔn)的綜合加權(quán)矢量w(k)。其中，P(k)是指在k-1 層中的各個(gè)單元相對(duì)于k層中的各個(gè)單元的組合加權(quán)。在遞進(jìn)每個(gè)層級(jí)時(shí)都需要對(duì)層級(jí)的總體排序進(jìn)行對(duì)應(yīng)的一致性檢查。

4 案例分析

4.1 工程概況

貴州省某高速公路段全長(zhǎng)約91km，設(shè)計(jì)行車速度80km/h，涵蓋79座主線橋梁、75座上跨橋、197座涵洞、7座隧道和336 處邊坡結(jié)構(gòu)物，該路段至2022 年已運(yùn)營(yíng)近16 年，養(yǎng)護(hù)任務(wù)艱巨。對(duì)該路段的路面情況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，路面問題主要表現(xiàn)為路面輕微松散和老化，存在不同程度車轍和裂縫的情況。該路段于2007 年交付使用，交通運(yùn)輸部門相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2018—2022 年日平均交通量分別為5653pcu、6805pcu、7735pcu、11811pcu、14355pcu，屬于地區(qū)重點(diǎn)使用的交通路段。

4.2 層次分析模型構(gòu)建

根據(jù)該路段的路面結(jié)構(gòu)、交通車流量情況、路面損傷情況等因素構(gòu)建對(duì)應(yīng)的養(yǎng)護(hù)決策層次圖，如圖1 所示。

以貴州省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、建設(shè)實(shí)況等為基礎(chǔ)，以公司在道路維護(hù)領(lǐng)域中積累的豐富經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，判斷矩陣的具體參數(shù)如表2 所示，并對(duì)下列矩陣進(jìn)行一致性測(cè)試，具體數(shù)據(jù)如表2、表3 所示，平均費(fèi)用判斷矩陣的計(jì)算數(shù)值，如表4 所示。通過表2、表3 的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)一致性比例Cr都小于0.1，因此目標(biāo)層與準(zhǔn)則層判斷矩陣、技術(shù)性能判斷矩陣的計(jì)算結(jié)果是可以接受的。

表2 目標(biāo)層與準(zhǔn)則層判斷矩陣

表3 基于技術(shù)性能判斷矩陣

表4 平均費(fèi)用判斷矩陣

4.3 計(jì)算結(jié)果

基于層次分析法模型計(jì)算得出各個(gè)準(zhǔn)則層的結(jié)果數(shù)值如表5～表7 所示。基于層次分析法計(jì)算最終的綜合權(quán)重值為：W=（0.2475，0.1645，0.2355，0.1385，0.2138）T。在5 種養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案中，銑刨重鋪目標(biāo)層的權(quán)重是最大的，因此在該路段的養(yǎng)護(hù)中推薦使用薄層罩面和就地?zé)嵩偕夹g(shù)。

表5 基于經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)算結(jié)果

表6 基于技術(shù)性能的計(jì)算結(jié)果

表7 基于施工工藝的計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語

此次研究基于層次分析法構(gòu)建公路路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)模型，將遞階層次結(jié)構(gòu)模型中9 個(gè)不同的指標(biāo)進(jìn)行分別分析，根據(jù)路面的實(shí)際使用情況制定針對(duì)性的技術(shù)決策庫(kù)，可為相關(guān)公路路面的養(yǎng)護(hù)工作的開展提供一定指導(dǎo)。另外，還構(gòu)建了判別矩陣，通過一致性檢驗(yàn)分析的方式提升層次分析法矩陣計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，幫助減少路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)選擇或者施工人員主觀因素造成的決策失誤。該方法可以將復(fù)雜的路面養(yǎng)護(hù)施工技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單化處理，具有操作便捷的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)貴州省某高速公路段養(yǎng)護(hù)進(jìn)行分析，通過對(duì)高速公路段的銑刨重鋪、微表處、薄層罩面、灌縫與封縫、就地?zé)嵩偕? 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行層次分析法模型計(jì)算，將經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)、技術(shù)性能指標(biāo)以及施工工藝指標(biāo)作為計(jì)算要點(diǎn)，計(jì)算得出的結(jié)果表明銑刨重鋪目標(biāo)層權(quán)重最大，推薦使用薄層罩面和就地?zé)嵩偕夹g(shù)作為備選技術(shù)方案，提升公路路面養(yǎng)護(hù)的整體質(zhì)量，提高公路的使用壽命。