高速公路瀝青路面養(yǎng)護管理決策優(yōu)化研究

尹進

（秦皇島市公路養(yǎng)護服務(wù)中心，河北 秦皇島 066000）

1 引言

近年來，交通量逐年增加，尤其是重載或超載車輛占比越來越多。原有的高速公路因設(shè)計理念差、施工技術(shù)落后、施工質(zhì)量控制不嚴(yán)格，使得瀝青路面在各種車輛荷載、降雨、氣候變化等因素影響下產(chǎn)生各種裂縫、變形病害，導(dǎo)致路面性能大幅降低，影響行車安全性和舒適度，甚至?xí)斐山煌ò踩鹿?。鑒于此，養(yǎng)護管理單位應(yīng)做好日常養(yǎng)護，并結(jié)合路面性能預(yù)測模型實施合理的預(yù)防性養(yǎng)護[1]。但由于我國高速公路建設(shè)起步較晚，養(yǎng)護技術(shù)和養(yǎng)護理論仍存在一定的缺陷。同時，一些養(yǎng)護人員并不重視路面使用性能分析，養(yǎng)護方案設(shè)計時盲目參考其他項目，不能做到因地制宜，造成養(yǎng)護經(jīng)濟效益差。因此，進一步研究高速公路瀝青路面的養(yǎng)護決策具有十分重要的工程意義。

2 高速公路瀝青路面性能指標(biāo)

高速公路瀝青路面破壞機理復(fù)雜，路面狀況好壞反映在平整度、抗滑能力、路面破損狀況等方面，不宜用某個性能指標(biāo)來判斷。JTG 5210—2018 《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（下稱《標(biāo)準(zhǔn)》）中，將高速公路瀝青路面使用性能評價指標(biāo)分為單項指標(biāo)和綜合指標(biāo)，單項指標(biāo)只對瀝青路面某一方面的工程特性開展評價，包括路面損壞狀況指數(shù)PCI、路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI、路面車轍深度指數(shù)RDI、路面跳車指數(shù)PBI、路面磨耗指數(shù)PWI、路面抗滑性能指數(shù)SRI、路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)PSSI；綜合指標(biāo)通過給各單項指標(biāo)賦予不同權(quán)重，考慮了各指標(biāo)對瀝青路面使用性能影響的差異性，得到路面技術(shù)狀況指數(shù)PQI，以此綜合評價瀝青路面使用性能，分級標(biāo)準(zhǔn)見表1[2]。

表1 高速公路瀝青路面使用性能分級

本文從路面行駛質(zhì)量、路面結(jié)構(gòu)承載力、路面損壞狀況、路面抗滑能力等方面詳細(xì)闡釋瀝青路面使用性能評價指標(biāo)，為瀝青路面養(yǎng)護決策提供依據(jù)。

2.1 路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)PSSI

路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)可用彎沉表示，目前多采用落錘彎沉儀或自動彎沉儀測定，計算見式（1）：

式中，a0、a1為計算系數(shù)；SSR 為路面結(jié)構(gòu)強度系數(shù)。

《標(biāo)準(zhǔn)》中將PSSI 指數(shù)分為優(yōu)、良、中、次、差5 個等級，國內(nèi)很多高速公路項目都是在PSSI 指數(shù)達(dá)到“良”時實施。本文搜集了多條高速公路在運營期間的PSSI 指數(shù)，基本呈“衰減速度先慢后快”的趨勢[3]。

2.2 路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI

路面行駛質(zhì)量主要體現(xiàn)在行車舒適性，RQI 指數(shù)越高，行車舒適性越好，計算見式（2）：

式中，IRI 為路面平整度指數(shù)，m/km，常用儀器有3 m 直尺測量和連續(xù)式平整度儀；a0為計算系數(shù)，高速公路取0.026；a1為計算系數(shù)，高速公路取0.65。

2.3 路面損壞狀況指數(shù)PCI

高速公路瀝青路面在長期運營期間，在車輛荷載反復(fù)作用下，會出現(xiàn)裂縫、坑槽、沉陷、車轍、唧泥等病害。《標(biāo)準(zhǔn)》中利用PCI 指數(shù)衡量瀝青路面破損狀況，計算見式（3）：

式中，DR 為路面破損率，%，破損面積檢測可選擇車載高速攝像儀器。

《標(biāo)準(zhǔn)》給出了瀝青路面日常養(yǎng)護和矯正性養(yǎng)護時PCI 指數(shù)范圍，但未提及預(yù)防性養(yǎng)護。同樣，搜集了多條高速公路在運營期間的PCI 指數(shù)，發(fā)現(xiàn)路齡較小時，PCI 指數(shù)平穩(wěn)下降；路齡較大時，路面PCI 指數(shù)急速下降[4]。

2.4 路面抗滑性能指數(shù)SRI

路面抗滑性能主要體現(xiàn)在行車安全性，一般情況下，路面等級越高，對路面抗滑性能要求也越高。SRI 指數(shù)可按式（4）計算：

式中，SRImin為標(biāo)定系數(shù)；SFC 為橫向力系數(shù)，可使用擺式儀檢測，其值越大，道路事故率越低。

3 高速公路瀝青路面養(yǎng)護決策優(yōu)化方法探討

高速公路瀝青路面養(yǎng)護的目標(biāo)就是在各性能指標(biāo)良好的狀態(tài)下，在瀝青路面上實施各種封層、表面處治措施，使路面服務(wù)水平恢復(fù)到初始狀態(tài)，從而提高路面運營壽命。如果太早進行路面養(yǎng)護，是不經(jīng)濟的；反之，瀝青路面破損嚴(yán)重，養(yǎng)護難以發(fā)揮修復(fù)作用，可能需要銑刨重鋪。因此，瀝青路面根據(jù)使用性能的衰減規(guī)律，選擇經(jīng)濟合理的養(yǎng)護時機和養(yǎng)護措施十分關(guān)鍵[5]。

3.1 工程概況

本文以某高速公路工程為研究對象，探討高速公路瀝青路面使用性能的衰減規(guī)律及最佳養(yǎng)護時機。該高速公路路線全長68.2 km，路線起訖樁號為K0+000～K68+200，設(shè)計速度為100 km/h，設(shè)計荷載為公路-I 級，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為雙向4 車道，路基寬度27 m，行車道和硬路肩橫坡2%，土路肩橫坡4%，瀝青路面結(jié)構(gòu)厚70 cm。路面結(jié)構(gòu)組合為：4 cm 細(xì)粒式AC-13C+5 cm 中粒式AC-20C+7 cm 粗粒式AC-25+18 cm水穩(wěn)碎石上基層+18 cm 水穩(wěn)碎石下基層+18 cm 低劑量水穩(wěn)碎石底基層。

項目所處區(qū)域地下水豐富，年降雨量較充足。高速公路在運營期間，局部范圍出現(xiàn)了裂縫、坑槽等病害，影響行車安全性和舒適度，擬結(jié)合現(xiàn)場路面狀況調(diào)查數(shù)據(jù)，擬定養(yǎng)護時機和養(yǎng)護措施。

3.2 養(yǎng)護決策目標(biāo)

根據(jù)養(yǎng)護規(guī)劃的時間不同，高速公路瀝青路面養(yǎng)護決策的目標(biāo)也有差異；對于多年養(yǎng)護規(guī)劃，應(yīng)結(jié)合瀝青路面使用性能預(yù)測模型，提前預(yù)判合理的養(yǎng)護時機，并考慮多年的整體經(jīng)濟效益； 而瀝青路面的年度養(yǎng)護計劃會受到多年度養(yǎng)護規(guī)劃的限制，主要考慮具體的養(yǎng)護方案、施工工期和施工機械的安排，以控制養(yǎng)護費用。

3.3 瀝青路面的PQI 指數(shù)計算

由上文可知，PQI 指數(shù)是評價高速公路瀝青路面性能的綜合指，故調(diào)查了本項目的PCI、RQI、RDI、PBI、PWI、SRI、PSSI，并邀請路面養(yǎng)護領(lǐng)域的專家對各單項路面性能指標(biāo)賦予權(quán)重。由于各個評價指標(biāo)的權(quán)重受專家主觀意見影響大，為了提高路面狀況評價結(jié)果的準(zhǔn)確性和說服力，參與評分的專家應(yīng)涉及設(shè)計、養(yǎng)護、施工等領(lǐng)域，以保證專家團隊成員配置的合理性和權(quán)威性。本項目共邀請了5 名專家，得到了瀝青路面PQI 指數(shù)見表2。

表2 不同專家的PQI 指數(shù)計算結(jié)果

由表2 計算結(jié)果可知，D 專家的PQI 指數(shù)計算結(jié)果偏大，E 專家的PQI 指數(shù)計算結(jié)果偏小。在去掉1 個最大值和1 個最小值后，該高速公路運營時間為1 a、2 a、3 a、4 a 的PQI 指數(shù)平均值分別為98.2、94.1、87.8、81.0，分別處于優(yōu)、優(yōu)、良、良的狀態(tài)。

3.4 瀝青路面的養(yǎng)護時間決策

基于瀝青路面PQI 指數(shù)計算結(jié)果，使用數(shù)理統(tǒng)計軟件Origin 對高速公路瀝青路面運營時間和PQI 平均值的對應(yīng)關(guān)系用多項式函數(shù)擬合，擬合結(jié)果如圖1 所示。

圖1 瀝青路面PQI 值預(yù)測模型

由圖1 可知： 瀝青路面的PQI 值隨高速公路運營時間的增加而降低，但是降低速率并不是固定的，呈“凸型曲線”衰減趨勢。當(dāng)高速公路運營時間＜2 a 時，路面使用性能衰減不明顯；當(dāng)高速公路運營時間大于3 a 時，路面使用性能衰減速度加快。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于：瀝青路面結(jié)構(gòu)在運營初期，承載能力較強，能有效抵抗各種行車載荷。但隨著運營時間增加，路面出現(xiàn)各種裂縫、坑槽等，降低路面結(jié)構(gòu)能力，使路面損壞速度加快。

瀝青路面運營時間和PQI 平均值的函數(shù)關(guān)系模型相關(guān)系數(shù)接近1，精確度較高。利用該函數(shù)模型，可以預(yù)測不同運營時間的PQI 值，以此來評價瀝青路面的使用性能，決策養(yǎng)護時間。將運營時間=5 a 代入數(shù)值模型中，PQI 值僅為73.6，路面使用性能等級為“中”，建議高速公路運營第1～4 a 開展日常養(yǎng)護，第5 年開始預(yù)防性養(yǎng)護。

3.5 瀝青路面的養(yǎng)護決策效益分析

高速公路瀝青路面養(yǎng)護措施的經(jīng)濟效益也是養(yǎng)護決策的重點考慮內(nèi)容，可用養(yǎng)護后的路面使用性能衰變曲線高于養(yǎng)護標(biāo)準(zhǔn)值的部分與路齡所圍成的面積來表示，如圖2 所示[6]。

圖2 瀝青路面養(yǎng)護經(jīng)濟效益面積

圖中t0表示瀝青路面開始實施養(yǎng)護措施所對應(yīng)的年限；tc表示瀝青路面從新建開始算起的年限。效益面積越大，選擇的瀝青路面養(yǎng)護時機和養(yǎng)護措施越好，反之亦然。

4 結(jié)論

本文基于路面性能評價指標(biāo)，以某高速公路項目為研究對象，探討了瀝青路面的養(yǎng)護決策目標(biāo)、最佳養(yǎng)護時機、養(yǎng)護決策效益等，主要得到以下幾個方面的結(jié)論：（1）瀝青路面服務(wù)水平與路面性能指標(biāo)密切相關(guān)，可利用路面技術(shù)狀況指數(shù)PQI 綜合評定；（2）高速公路瀝青路面的養(yǎng)護決策目標(biāo)取決于養(yǎng)護規(guī)劃時間，但都是為了實現(xiàn)“路段—措施—時機”和養(yǎng)護資金的平衡；（3）隨高速公路運營時間的增加,瀝青路面的PQI值呈“凸型曲線”衰減趨勢；（4）高速公路瀝青路面養(yǎng)護措施的經(jīng)濟效益可用養(yǎng)護后路面使用性能衰變曲線高于養(yǎng)護標(biāo)準(zhǔn)值的部分與路齡所圍成的面積來表示。