北京市五環路病害分析與養護對策研究

田 濤

（住房和城鄉建設部標準定額研究所，北京 100835）

1 引言

北京市五環路自2004年建成并取消收費以來，對服務首都經濟、保護環境、緩解交通壓力等方面起著極為重要的作用，具備著高速公路和城市快速路的交通屬性和功能，承擔著更大的過境交通流量壓力[1]。而交通量大，通行車輛結構復雜，導致路面出現了不同程度的破損。由于五環路的建設和運營維護的特殊性，可參考的項目又極少，因此，本文通過實測調研交通量和道路病害調查監測，分析了路面病害成因、分布特點、嚴重程度、以及相關重要技術指標，針對不同標段的具體病害狀況，利用綜合檢測方法全面分析五環路病害特征，提出適應多種病害類型的養護維修對策技術方案，可操作性強，研究成果可以為五環路整體道路質量性能的提高提供技術支持。

2 工程概況

北京五環路于2000年11月開工建設，至2003年10月底完工（見表1），全長98.775km，設計行車速度為100km/h，雙向六車道加連續應急停車帶。主路為雙向六車道，單向車道3m×3.75m，每側硬路肩3.25m，土路肩寬0.75m；匝道為路面寬7m，路基寬8.5m，每側土路肩寬0.75m，五環路建設情況見表1和圖1。

表1 五環路建設情況

圖1 五環路段位置示意圖

五環路道路路面全部為瀝青混凝土路面，從2000年建設開始，進行了相關養護維修工作，具體情況如圖2所示。

圖2 路面建養情況

3 交通量情況

根據五環路特點，交通量按規范中車型折算系數換算為小客車交通量，并采用高速公路服務水平分級和最大服務交通量（小客車量/h/車道）劃分標準[2]，得出五環路預測的各特征年交通量（非路上收費），見表2。

表2 五環路各特征年分路段交通量預測（非路上收費）

為比較預測量與實際量的差距情況，在五環路設置了4個交通量人工觀測點，采用常規調查方式，在每月的10日、20日進行24h的雙向交通量人工觀測，得出年平均日交通量數據，具體情況見表3。

表3 2013年交通量觀測站年平均日交通量

通過對2013年的實測值和預測值對比可以看出：2013年的預測交通量在6萬左右，在4個交通量觀測站中，一個觀測站的交通量與預測持平，兩個站點的交通量較預測值約高出50%，交通量最高的站點甚至是預測值的兩倍，交通荷載過大加速了路面的破壞。

圖3 五環路段位置示意圖

由圖3分析可知，五環路基本以小汽車通行為主，約占65%～80%，其余車輛為特大、大、中、小貨車、大型客車和集裝箱等車輛類型。2013年交通量折合成標準小客車數量為11萬輛～16萬輛，已超過六車道高速公路的適應交通量（六車道高速公路應能適應各種汽車折合成小客車的年平均日交通量4.5萬輛～8萬輛），五環路累計交通軸載作用次數已經超過設計軸載作用次數，達到大修年限。

4 路面病害調查

4.1 病害統計

經對舊路表面病害類型和位點調查統計，橫向裂縫、縱向裂縫和坑槽等是最常見的病害類型，見表4。

表4 路面破損類型分布情況

根據表4可知，三個車道路面破損類型基本相同，出現最多的病害類型為橫向裂縫、縱向裂縫和坑槽，局部路面出現嚴重的龜裂病害，主要原因有：①道路使用年限長，路面建成時間較早，自2001年～2003年建成通車后僅進行過中小修處理，表面瀝青層老化，瀝青層抗疲勞性能、抗彎拉性能降低。②道路交通量較大，雖然五環路重載車輛較少，但是超載的輕型車對路面也有很大破壞，超飽和的交通量也加速路面病害。③環境影響，較大溫差產生溫度應力，形成縱、橫縫，濕度加速這一作用[3]。

4.2 取芯分析

為了掌握不同程度路面病害發生位置所對應的面層和基層的實際損壞狀況，了解不同程度路面病害破壞狀況與面層和基層實際損害狀況的聯系，對典型路面病害位置進行了取芯研究。取芯方法主要有：根據道路的破損實際情況，選取典型病害的路段；在不同的建設期進行典型路段取芯；車轍主要集中在五環四期，取芯要選擇在車轍較深的位置，每個斷面取三個芯樣，分別在車轍波谷和兩側波峰各取芯一個。其余路段主要根據破損的情況，選擇橫、縱裂縫較多或者出現龜裂的位置。

根據取芯結果分析如下：共計取芯168個，其中36個芯樣取到基層。在取芯結果中有80.4%的樣芯面層完好、光滑完整；19.6%的樣芯顯示基層破碎、破損、斷層，但是樣芯的面層完好、表面光滑，主要集中在橫裂縫、縱裂縫的路面。取芯位置病害類型及樣芯情況如圖4、表5所示。

圖4 取芯位置病害類型統計

表5 取樣樣芯情況

由圖4、表5可知，五環路路面病害主要是車轍、縱橫裂縫、龜裂等，主要分布在外環外道、內環外道，這和外道通車流量大、大型車占比多等因素緊密相關。通過兩年的取芯分析，說明大量裂縫開始出現后經過了路面使加速破損，因位于裂縫處的芯樣多數都出現了表面的裂縫貫通下行發展到了整個面層（包括表面已經采取灌縫和封縫措施的芯樣）。表面的橫向裂縫向下發展后，路面出現的細微裂縫無法阻擋水的浸入，浸入的水在交通荷載的反復作用下使內部結構破壞。當裂縫出現后灌縫和封縫措施能夠有效阻止水向下浸入，防止對道路結構產生快速的破壞，但是無法阻止裂縫繼續發展。

經過抽樣實測發現，舊路材料油石比在5.2%～6.0%，平均值為5.51%，與常規SMA-16設計的油石比6.0%相比普遍較低，瀝青不足以裹覆集料，瀝青混合料強度降低；礦料組成中骨料偏細，表明骨料受到較多磨損；填料部分通過率偏低，表明填料有損失。取芯試驗情況如表6所示，由表6可知，針入度和延度大幅度下降，瀝青軟化點提高，表明瀝青中油分和輕質成分減少，瀝青老化較明顯。總體情況表明，瀝青膠結料的含量在降低，膠結料在老化，性能在下降。

表6 取芯實驗情況

5 路面技術狀況

依據以往有關北京市瀝青路面評價方法研究成果[4]，結合五環路的病害調查情況，對五環路瀝青路面使用性能相關指標進行檢測，路面技術狀況評價主要以路面損壞狀況指數PCI、路面車轍深度指數RDI、以及路面結構強度指數PSSI為主（圖5～圖14）。

圖6 行車道路面損壞狀況指數分布圖

①路面狀況指數PCI。

PCI結合了路面損壞類型、損壞程度、損壞范圍或密度等方面的定量狀況，PCI計算公式如下：

式中：DR—路面破損率（%）；

A—調查的路面面積（m2）；

Ai—第i類路面損壞的面積（m2）；

Wi—第i類路面破損的權重。

圖7 外車道路面損壞狀況指數分布圖

路面的PCI評定等級中及以下集中分布的路段主要在下行超車道K86-K68、下行行車道K59-K53、上行外側行車道K18-K24、下行外側行車道K95-K74、K29-K23等路段，行車道上、下行方向中及以下路段間斷分布在整個路段中，其原因可能是由于對于較差的路段在2011年實施了路面維修工程，整體來看，超車道的路面狀況相對較好。

②路面車轍深度指數RDI。

瀝青路面車轍是路面結構各層永久變形的積累，其變形對路面平整、使用性能、行車安全和舒適均有重要影響。RDI計算公式如下：

RD—車轍深度，mm；

RDa—車轍深度參數，采用20mm；

RDb—車轍深度限值，采用35mm；

a0—模型參數，采用2.0；

a1—模型參數，采用4.0。

圖8 超車道路面車轍深度指數分布圖

三個車道中車轍深度較大的集中分布路段主要為下行行車道K62-K47、下行外車行車道K47-K29，主要因為此路段受到貨車較多的影響，車轍深度較其他路段嚴重。

從表3看出，恩諾沙星與氟苯尼考、多西環素與阿莫西林、阿莫西林與氟苯尼考聯合用藥對鼠傷寒沙門菌產的FIC指數分別為3.00、3.00和6.00，即產生拮抗作用；氟苯尼考與多西環素聯合用藥的FIC指數為1.50，即為無關作用；阿莫西林與恩諾沙星聯合用藥的FIC指數為0.38，即產生協同作用。

③路面結構強度指數PSSI。

路面結構強度計算時需對實測代表彎沉值進行測定，實測代表彎沉值取相應檢查路段中所有檢測值的代表值，采用彎沉檢測儀進行檢測。路面結構強度指數PSSI按下式進行計算：

式中：SSI—路面結構強度系數，為路面設計彎沉與實測代表彎沉之比；

Ld—路面設計彎沉（mm）；

L0—實測代表彎沉（mm）；

S—1個評定路段內各項修正后的全部測點彎沉的標準差（0.01mm）；

Za—與保證率有關的系數。

圖11 五環路內環路面彎沉值

圖12 五環路外環路面彎沉值

圖13 五環路上行方向（內環）PSSI評定結果

圖14 五環路下行方向（外環）PSSI評定結果

通過對五環路的彎沉檢測和計算，得出路面強度指數PSSI值都在90分以上，路面結構強度滿足使用要求，均處于優級。

綜合以上各項指標分析，根據五環路檢測結果，可得出公路技術狀況指數分布表，見表7。

表7 路面技術狀況

由表7可知，路面損壞狀況指數：超車道評定等級為優，行車道和外側行車道評定等級均為良。路面行駛質量指數：三個車道評定等級均為優。車轍深度指數：外側行車道的外環方向評定等級為中，其余路段均為良。

6 養護對策

6.1 養護需求分析

根據病害調查和路面技術評價結果，五環路內部破壞狀況為：病害多發生在表面層，下部結構基本完整；結構層間粘結狀況為：各結構層之間粘結緊密，部分出現材料松散，整體性較好；根據路面技術測算結果，基層基本完整，狀況良好，維修措施可以更換面層、基層局部處理，按強度設計面層厚度。路面材料性能評價情況為：瀝青混合料基本滿足設計要求，但是瀝青材料嚴重老化，芯樣雖然比較完整，但是局部松散。

表8 總體養護需求評價

考慮未來交通發展及路面老化狀況，建議本次養護以恢復路面功能為主，適當提高結構耐久性，采取挖補、罩面、預防性養護等多種措施結合的維修方式。

6.2 養護原則

①應按照“分段設計、分類處理、分期實施、合理決策”的養護設計基本要求，保證養護設計方案的針對性和科學性。

②應從“結構、材料、荷載、環境、經濟”等方面綜合考慮，實現養護方案與路面使用性能的匹配，技術指標與經濟指標的兼顧。

③應結合路面養護方案的長期性能預測和養護規劃結果，采用全壽命周期經濟分析方法評價路面養護方案的長期經濟效益。

6.3 養護對策

通過五環路路面的檢測數據和取芯結果可以看出，五環路至今已經投入使用超過10年，由于交通量大，路齡較長，路面出現了嚴重的破損，為了保持良好的道路行車環境，建議重點對該路段進行維修。具體標段為：K70-K88、K88-K28、K28-K45五環路部分路段外環道路工程，以及五環路K70-K98.775、K0-K45內環道路工程。主要工作內容為精拉毛、銑刨路面、黏層、超薄磨耗層、霧封層及溫拌SBS改性瀝青混凝土、SMA瀝青混凝土的施工，橋梁伸縮縫、雨水管的加固與維修，以及路面標線的重劃、安全設施的養護等[5-7]。具體養護措施見表9～表15。

①K88-K28段。

表9 K88-K28段主路路面養護方案

緊急停車帶罩面厚度為3.5cm，罩面層材料同行車道。K12+380-K21+600路段表面層采用4cmSMA-13（SBS改性瀝青、玄武巖纖維），K12+380-K97+140路段表面層采用4cmSMA-13（橡膠瀝青、木質纖維），主路出入口表面層采用4cmSMA-13（SBS改性瀝青、木質纖維、抗車轍劑）。

表10 K88-K28段橋面養護方案

表11 K88-K28段匝道養護方案

②K28-K45段

表12 K28-K45段主路路面養護方案

表13 K28-K45段橋面養護方案

內環僅對路面和橋面病害進行挖補處置，路面性能良好段不做處置。緊急停車帶罩面厚度為3.5cm，罩面層材料同行車道。連續車轍路段（外環K44-K30）表面層采用SMA-13（SBS改性、湖瀝青、木質纖維）。

③K80-K88段

表14 K80-K88段主路路面養護方案

表15 K80～K88段橋面養護方案

④K70-K80段。

對路面和橋面破損進行處置，處置方法為表面層挖補，路面回填5cm SMA-16（SBS改性瀝青、木質纖維），橋面回填4cm SMA-13（SBS改性瀝青、木質纖維）。

7 結語

本文通過對五環路的技術狀況的研究和分析，得知北京市五環路由于實際交通量遠超設計預測值，交通結構也發生了較大變化，加速了路面損害，尤其是外環外道、內環外道的病害類型交錯且分部較多，舊路材料油石比的普遍較低導致了瀝青性能的不斷下降，大部分標段路線達到了大修年限。為保障通行安全性和駕駛的舒適度，亟需對五環路進行系統性的養護維修。研究結果提出了養護需求分析、養護原則、養護技術等內容，可以為華北地區高速公路的養護策略提供較好的參考。

但是在研究工作中也存在不足的地方，需要進一步的深入研究。①需要進一步擴展對瀝青路面的相關參數測量和研究，深入分析路面抗滑性能指數SRI、路面行駛質量指數RQI等情況，提高瀝青路面使用性能PQI評價質量，精確的研究不同病害類型的養護對策。②由于五環路的交通量已經接近飽和狀態，高峰時段會出現擁堵狀況，全天需要實行不斷行施工，所以要充分考慮施工對道路運行的影響，研制經濟合理的施工組織設計和交通導改計劃，以確保施工作業順利進行，保障車輛安全行駛、交通通暢。③五環路的養護工程具有工期緊、交通量大、工程種類多等特點，且施工時間多在夜間（夜間24:00～次日凌晨5:00），因此，需要研究每日合理的施工計劃、各種機械設備最優化調配，以提高施工作業的效率。

建議在施工區內按半幅施工的方式，在確保現況現狀五環路交通不中斷的前提下，逐段進行路面養護施工。如先從施工流水段起點向終點對內側兩個車道進行施工作業，最外側行車道和緊急停車帶保持車輛的正常通行；內側兩車道施工完成后，再對最外側車道和緊急停車帶進行道路大修施工，內側兩個車道保持車輛的正常通行。