基于路面性能預測的公路養(yǎng)護決策分析

藍繼孟

（廣西壯族自治區(qū)都安公路養(yǎng)護中心，廣西河池 530700）

1 公路路面在基于性能預測后的養(yǎng)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(shè)備與人力投入成本較高，且每年只實施1 次數(shù)據(jù)采集，難以掌握連續(xù)性路面病害的實際情況。而現(xiàn)代道路養(yǎng)護工作普遍需要經(jīng)過兩個不同勘察階段。因此，相關(guān)人員必須在基于檢測車輛檢測數(shù)據(jù)的前提下，合理運用各種附屬設(shè)施和便攜式檢測設(shè)備來對區(qū)域路面實施反復檢測，進而保障整體檢查數(shù)據(jù)的真實性和準確性，為后續(xù)養(yǎng)護決策提供準確的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.2 路段劃分

在對區(qū)域路段相關(guān)情況進行實地勘察后，應將橋頭、橋面及路面區(qū)域清晰劃分，并根據(jù)不同路面病害情況制定具有針對性的防護措施和養(yǎng)護方案。其中以各類參考元素作為整體養(yǎng)護方案制定的數(shù)據(jù)指標，其不僅包括RDI、RQI 及PCI 等方面數(shù)值，還包括路面樁號區(qū)間、斷面觀測區(qū)、車流量、歷史養(yǎng)護數(shù)據(jù)等。例如，橋頭養(yǎng)護區(qū)域的參考元素則主要指的是區(qū)域平整度和沉降度，通常采用路面加鋪方式來實施養(yǎng)護處理。除此之外，在劃分路段過程中，可以樁號作為觀測區(qū)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(shù)量都在實時變化當中，因此必須合理制定區(qū)域路段檢測頻率，結(jié)合未來衰變預測情況進行分析研究來制定各種公路養(yǎng)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(jù)車輛自然通行數(shù)量進行折算，精確計算其當量軸載。②由于各個橋梁建設(shè)長度不同，故而可分別以橋梁1000m、100m 和10m 為單位進行分段統(tǒng)計，例如，臨近路面橋頭階段可按照每10m 距離進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。③所劃分統(tǒng)計的橋面、橋頭和路面必須與樁號和斷面監(jiān)測區(qū)相互對應[1]。

1.3 路面性能衰變模型

關(guān)于路面實際性能方面的衰變測試模型的構(gòu)建，應主要結(jié)合斷面監(jiān)測路段年累積實際交通量與路面相關(guān)的PDI、PQI、PCI 和PQI 等性能數(shù)據(jù)為基準，且應結(jié)合具體路段交通車輛年增長率，對未來幾年內(nèi)區(qū)域路段實際交通累積作為軸載計算，最后將具體數(shù)據(jù)全部引入相關(guān)模型當中，進而對未來路面性能進行真實預測。通過構(gòu)建衰變模型及軸載數(shù)據(jù)，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(yǎng)護費用規(guī)劃

對于公路路面在實際養(yǎng)護過程中所涉及投入規(guī)劃方面的全部資金，應以區(qū)域路段第一年費用預算為基準，并在未來幾年內(nèi)逐步遞增直至最后一年。而在第一年路面費用規(guī)劃時，必須針對公路區(qū)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(jié)合路面衰變值、養(yǎng)護技術(shù)應用狀況的基礎(chǔ)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(shù)長期積攢的實際養(yǎng)護效益；C總——全部養(yǎng)護費用綜合；J——路段優(yōu)先養(yǎng)護區(qū)域費用指數(shù)；Bi——第i 種公路路面養(yǎng)護方案的實際效益值；ti——第i 種公路路面實際養(yǎng)護方案工程開啟時間；tl——表示路面養(yǎng)護相關(guān)技術(shù)實施與路面性能衰變的觸發(fā)值的具體時間點。在養(yǎng)護工程具體實施過程中可制定相應的優(yōu)先級，其主要包括對PQI 技術(shù)狀況的優(yōu)先級排序，若各路段PQI 數(shù)值指標相同則必須根據(jù)RDI、PCI 參數(shù)數(shù)據(jù)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(guī)劃，則必須對優(yōu)先級指數(shù)較高的路線進行優(yōu)先實施養(yǎng)護作業(yè)，而針對優(yōu)先級較低的工程路段可暫時對其實行棄養(yǎng)處理，在所缺少的工程費用全部補齊時，再對其實施養(yǎng)護作業(yè)，并重新調(diào)整養(yǎng)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(xiàn)象屢見不鮮，又因長期受到區(qū)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(qū)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(xiàn)狀

經(jīng)過相關(guān)人員實地勘察，結(jié)合往年相關(guān)的各項檢測數(shù)據(jù)分析得知，該公路路面養(yǎng)護問題主要包括以下3點：①交通嚴重過載。經(jīng)過對公路原始圖紙進行分析和研究得知，該公路設(shè)計軸次為每年1.488×107次，經(jīng)過交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)早在2020 年便已超出原始設(shè)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(qū)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(jīng)過多次修補，但在修補路段重復發(fā)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(fā)。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(tǒng)和混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)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?shù)貧夂蛟缤頊夭詈图竟?jié)溫差過大，部分路面薄弱區(qū)域長期在熱脹冷縮作用下導致?？v向裂縫病害則多數(shù)因為區(qū)域車輛超載或重載而引發(fā)剪切疲勞所導致。而龜裂病害則主要是因混凝土結(jié)構(gòu)材料結(jié)合性較差、交通過載及區(qū)域路段疲勞導致[2]。

2.3 預測模型對比分析及選擇

根據(jù)上述案例公路實際情況分析，并依照相關(guān)公路預測模型構(gòu)建條件和構(gòu)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(qū)域路面結(jié)構(gòu)性能及實際損壞狀態(tài)PCI 指數(shù)、車輛行駛質(zhì)量PQI 指數(shù)作為性能參數(shù)變量，并結(jié)合公路設(shè)計使用壽命作為影響變量來構(gòu)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(shù)；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(qū)域路面實際性能指數(shù)；PPIO——路面初始性能指數(shù)數(shù)值；y——道路使用時間；而β 和α——模型參數(shù)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(shù)指標數(shù)據(jù)；RCImax——最大路面初始性能數(shù)值，通常將其設(shè)定為98～100；RCImin——最低性能指數(shù)值，通常可將其設(shè)定為30～40；T——路齡；a1和a0——各個模型參數(shù)數(shù)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(shù)據(jù)需根據(jù)相關(guān)標準及工程實際情況來綜合設(shè)定。

經(jīng)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(shù)值，并詳細考慮其在實際工程中的可行性，并運用相關(guān)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(shù)據(jù)

表2 三種模型PQI 平均預測值與相對誤差數(shù)據(jù)

由上述表1、表2 數(shù)據(jù)得知，雖然1 號預測模型和3 號預測模型所預測數(shù)據(jù)完全能夠滿足工程項目預測需求，但2 號預測模型預測數(shù)據(jù)誤差值與實際指數(shù)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(shù)指標預測模型。

2.4 預測模型參數(shù)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(shù)，并根據(jù)相關(guān)計算方法來準確判讀性能變化規(guī)律，通常上述兩項數(shù)值可通過數(shù)據(jù)觀測而獲得。工作人員結(jié)合以往相關(guān)經(jīng)驗和數(shù)據(jù)分析，可將α 值設(shè)定為2～20，并將β 變化值設(shè)定為0.2～2。將公路性能各項參數(shù)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(shù)據(jù)為基準，對未來10 年（2020—2039 年）公路性能數(shù)據(jù)進行綜合預測，最終得到相關(guān)的性能衰變曲線區(qū)間數(shù)據(jù)。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(nèi)持續(xù)下降。在結(jié)合衰變測算數(shù)據(jù)后，相關(guān)工作人員已將案例工程結(jié)構(gòu)強度、面層厚度及交通荷載等數(shù)據(jù)引入2 號預測模型，所獲取的最終性能參數(shù)如下：該工程PDI 曲線因子測算數(shù)據(jù)為0.882、壽命因子測算數(shù)據(jù)為7.647。PQI 曲線因子測算數(shù)據(jù)為0.919，壽命因子測算數(shù)據(jù)為9.491。PCI 曲線因子測算數(shù)據(jù)為0.847、壽命因子測算數(shù)據(jù)為7.517。由此便可基于上述測算出數(shù)據(jù)對未來路面各項性能指標進行綜合分析和評估[3]。

2.5 養(yǎng)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(huán)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(chǎn)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(yǎng)護決策主要是對現(xiàn)有路面實際狀況進行分析和研究，并全面分析工程經(jīng)濟性、技術(shù)性及其他影響因素，最終制定具有針對性的路面養(yǎng)護方案，進而提升路面養(yǎng)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(jié)合公路相關(guān)要求規(guī)范和法律法規(guī)，制定詳細的路面養(yǎng)護方案。在經(jīng)過一系列實際調(diào)查后得知，針對該路段RDI指數(shù)已達到80 以上、RQI 指數(shù)已達到90 以上、PCI 指數(shù)同樣達到90 以上區(qū)域。為此，可主要采用加鋪罩面方式進行區(qū)域路段修復。

2.6 詳細養(yǎng)護方案

2.6.1 路面問題分析

經(jīng)過上述計算得知，該區(qū)域路段軸載量早已超出設(shè)計次數(shù)，通過相關(guān)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(shù)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(shù)值過低，主要源于橋頭跳車、不均勻沉降等不良現(xiàn)象居多，其路面破損、反復修補區(qū)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(yǎng)護標準的前提下，結(jié)合實際病害特點和病害類型，應在制定詳細公路養(yǎng)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(yǎng)護。針對普通路基區(qū)域養(yǎng)護方面，必須結(jié)合具體情況根據(jù)路面實測強度信息，綜合分析交通荷載及區(qū)域環(huán)境氣候等因素，以加鋪罩面為主要處理措施，在原始路段區(qū)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(shè)厚度為9cm），充分結(jié)合原始路面建設(shè)結(jié)構(gòu)進行合理建造，適當調(diào)整路面坡度，對縱斷面區(qū)域病害加以修復和優(yōu)化，進而延長公路使用年限。②橋梁段養(yǎng)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(shè)兩層或兩層以上同配比規(guī)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(yǎng)護方案。大部分橋頭軟土過渡區(qū)域極易產(chǎn)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(fā)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(jié)構(gòu)對其實施路面調(diào)平處理，并基于縱斷面坡度情況來制定整平方案[5]。

3 結(jié)語

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