高速公路瀝青路面養護管理決策優化研究

尹進

（秦皇島市公路養護服務中心，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計理念差、施工技術落后、施工質量控制不嚴格，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生各種裂縫、變形病害，導致路面性能大幅降低，影響行車安全性和舒適度，甚至會造成交通安全事故。鑒于此，養護管理單位應做好日常養護，并結合路面性能預測模型實施合理的預防性養護[1]。但由于我國高速公路建設起步較晚，養護技術和養護理論仍存在一定的缺陷。同時，一些養護人員并不重視路面使用性能分析，養護方案設計時盲目參考其他項目，不能做到因地制宜，造成養護經濟效益差。因此，進一步研究高速公路瀝青路面的養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

高速公路瀝青路面破壞機理復雜，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來判斷。JTG 5210—2018 《公路技術狀況評定標準》（下稱《標準》）中，將高速公路瀝青路面使用性能評價指標分為單項指標和綜合指標，單項指標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PCI、路面行駛質量指數RQI、路面車轍深度指數RDI、路面跳車指數PBI、路面磨耗指數PWI、路面抗滑性能指數SRI、路面結構強度指數PSSI；綜合指標通過給各單項指標賦予不同權重，考慮了各指標對瀝青路面使用性能影響的差異性，得到路面技術狀況指數PQI，以此綜合評價瀝青路面使用性能，分級標準見表1[2]。

表1 高速公路瀝青路面使用性能分級

本文從路面行駛質量、路面結構承載力、路面損壞狀況、路面抗滑能力等方面詳細闡釋瀝青路面使用性能評價指標，為瀝青路面養護決策提供依據。

2.1 路面結構強度指數PSSI

路面結構強度指數可用彎沉表示，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；SSR 為路面結構強度系數。

《標準》中將PSSI 指數分為優、良、中、次、差5 個等級，國內很多高速公路項目都是在PSSI 指數達到“良”時實施。本文搜集了多條高速公路在運營期間的PSSI 指數，基本呈“衰減速度先慢后快”的趨勢[3]。

2.2 路面行駛質量指數RQI

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

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

2.3 路面損壞狀況指數PCI

高速公路瀝青路面在長期運營期間，在車輛荷載反復作用下，會出現裂縫、坑槽、沉陷、車轍、唧泥等病害。《標準》中利用PCI 指數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。

《標準》給出了瀝青路面日常養護和矯正性養護時PCI 指數范圍，但未提及預防性養護。同樣，搜集了多條高速公路在運營期間的PCI 指數，發現路齡較小時，PCI 指數平穩下降；路齡較大時，路面PCI 指數急速下降[4]。

2.4 路面抗滑性能指數SRI

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

式中，SRImin為標定系數；SFC 為橫向力系數，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護決策優化方法探討

高速公路瀝青路面養護的目標就是在各性能指標良好的狀態下，在瀝青路面上實施各種封層、表面處治措施，使路面服務水平恢復到初始狀態，從而提高路面運營壽命。如果太早進行路面養護，是不經濟的；反之，瀝青路面破損嚴重，養護難以發揮修復作用，可能需要銑刨重鋪。因此，瀝青路面根據使用性能的衰減規律，選擇經濟合理的養護時機和養護措施十分關鍵[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律及最佳養護時機。該高速公路路線全長68.2 km，路線起訖樁號為K0+000～K68+200，設計速度為100 km/h，設計荷載為公路-I 級，建設標準為雙向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%，瀝青路面結構厚70 cm。路面結構組合為：4 cm 細粒式AC-13C+5 cm 中粒式AC-20C+7 cm 粗粒式AC-25+18 cm水穩碎石上基層+18 cm 水穩碎石下基層+18 cm 低劑量水穩碎石底基層。

項目所處區域地下水豐富，年降雨量較充足。高速公路在運營期間，局部范圍出現了裂縫、坑槽等病害，影響行車安全性和舒適度，擬結合現場路面狀況調查數據，擬定養護時機和養護措施。

3.2 養護決策目標

根據養護規劃的時間不同，高速公路瀝青路面養護決策的目標也有差異；對于多年養護規劃，應結合瀝青路面使用性能預測模型，提前預判合理的養護時機，并考慮多年的整體經濟效益； 而瀝青路面的年度養護計劃會受到多年度養護規劃的限制，主要考慮具體的養護方案、施工工期和施工機械的安排，以控制養護費用。

3.3 瀝青路面的PQI 指數計算

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

表2 不同專家的PQI 指數計算結果

由表2 計算結果可知，D 專家的PQI 指數計算結果偏大，E 專家的PQI 指數計算結果偏小。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 指數平均值分別為98.2、94.1、87.8、81.0，分別處于優、優、良、良的狀態。

3.4 瀝青路面的養護時間決策

基于瀝青路面PQI 指數計算結果，使用數理統計軟件Origin 對高速公路瀝青路面運營時間和PQI 平均值的對應關系用多項式函數擬合，擬合結果如圖1 所示。

圖1 瀝青路面PQI 值預測模型

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。當高速公路運營時間＜2 a 時，路面使用性能衰減不明顯；當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。出現上述現象的原因在于：瀝青路面結構在運營初期，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，路面出現各種裂縫、坑槽等，降低路面結構能力，使路面損壞速度加快。

瀝青路面運營時間和PQI 平均值的函數關系模型相關系數接近1，精確度較高。利用該函數模型，可以預測不同運營時間的PQI 值，以此來評價瀝青路面的使用性能，決策養護時間。將運營時間=5 a 代入數值模型中，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 開展日常養護，第5 年開始預防性養護。

3.5 瀝青路面的養護決策效益分析

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

圖2 瀝青路面養護經濟效益面積

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

4 結論

本文基于路面性能評價指標，以某高速公路項目為研究對象，探討了瀝青路面的養護決策目標、最佳養護時機、養護決策效益等，主要得到以下幾個方面的結論：（1）瀝青路面服務水平與路面性能指標密切相關，可利用路面技術狀況指數PQI 綜合評定；（2）高速公路瀝青路面的養護決策目標取決于養護規劃時間，但都是為了實現“路段—措施—時機”和養護資金的平衡；（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護措施的經濟效益可用養護后路面使用性能衰變曲線高于養護標準值的部分與路齡所圍成的面積來表示。