北京市五環(huán)路病害分析與養(yǎng)護(hù)對策研究

田 濤

（住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額研究所，北京 100835）

1 引言

北京市五環(huán)路自2004年建成并取消收費(fèi)以來，對服務(wù)首都經(jīng)濟(jì)、保護(hù)環(huán)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(dān)著更大的過境交通流量壓力[1]。而交通量大，通行車輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致路面出現(xiàn)了不同程度的破損。由于五環(huán)路的建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)的特殊性，可參考的項目又極少，因此，本文通過實測調(diào)研交通量和道路病害調(diào)查監(jiān)測，分析了路面病害成因、分布特點、嚴(yán)重程度、以及相關(guān)重要技術(shù)指標(biāo)，針對不同標(biāo)段的具體病害狀況，利用綜合檢測方法全面分析五環(huán)路病害特征，提出適應(yīng)多種病害類型的養(yǎng)護(hù)維修對策技術(shù)方案，可操作性強(qiáng)，研究成果可以為五環(huán)路整體道路質(zhì)量性能的提高提供技術(shù)支持。

2 工程概況

北京五環(huán)路于2000年11月開工建設(shè)，至2003年10月底完工（見表1），全長98.775km，設(shè)計行車速度為100km/h，雙向六車道加連續(xù)應(yīng)急停車帶。主路為雙向六車道，單向車道3m×3.75m，每側(cè)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(cè)土路肩寬0.75m，五環(huán)路建設(shè)情況見表1和圖1。

表1 五環(huán)路建設(shè)情況

圖1 五環(huán)路段位置示意圖

五環(huán)路道路路面全部為瀝青混凝土路面，從2000年建設(shè)開始，進(jìn)行了相關(guān)養(yǎng)護(hù)維修工作，具體情況如圖2所示。

圖2 路面建養(yǎng)情況

3 交通量情況

根據(jù)五環(huán)路特點，交通量按規(guī)范中車型折算系數(shù)換算為小客車交通量，并采用高速公路服務(wù)水平分級和最大服務(wù)交通量（小客車量/h/車道）劃分標(biāo)準(zhǔn)[2]，得出五環(huán)路預(yù)測的各特征年交通量（非路上收費(fèi)），見表2。

表2 五環(huán)路各特征年分路段交通量預(yù)測（非路上收費(fèi)）

為比較預(yù)測量與實際量的差距情況，在五環(huán)路設(shè)置了4個交通量人工觀測點，采用常規(guī)調(diào)查方式，在每月的10日、20日進(jìn)行24h的雙向交通量人工觀測，得出年平均日交通量數(shù)據(jù)，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(yù)測值對比可以看出：2013年的預(yù)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(yù)測持平，兩個站點的交通量較預(yù)測值約高出50%，交通量最高的站點甚至是預(yù)測值的兩倍，交通荷載過大加速了路面的破壞。

圖3 五環(huán)路段位置示意圖

由圖3分析可知，五環(huán)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(biāo)準(zhǔn)小客車數(shù)量為11萬輛～16萬輛，已超過六車道高速公路的適應(yīng)交通量（六車道高速公路應(yīng)能適應(yīng)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(huán)路累計交通軸載作用次數(shù)已經(jīng)超過設(shè)計軸載作用次數(shù)，達(dá)到大修年限。

4 路面病害調(diào)查

4.1 病害統(tǒng)計

經(jīng)對舊路表面病害類型和位點調(diào)查統(tǒng)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(jù)表4可知，三個車道路面破損類型基本相同，出現(xiàn)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(xiàn)嚴(yán)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(jìn)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(huán)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(huán)境影響，較大溫差產(chǎn)生溫度應(yīng)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(fā)生位置所對應(yīng)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(lián)系，對典型路面病害位置進(jìn)行了取芯研究。取芯方法主要有：根據(jù)道路的破損實際情況，選取典型病害的路段；在不同的建設(shè)期進(jìn)行典型路段取芯；車轍主要集中在五環(huán)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(cè)波峰各取芯一個。其余路段主要根據(jù)破損的情況，選擇橫、縱裂縫較多或者出現(xiàn)龜裂的位置。

根據(jù)取芯結(jié)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(jié)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(tǒng)計

表5 取樣樣芯情況

由圖4、表5可知，五環(huán)路路面病害主要是車轍、縱橫裂縫、龜裂等，主要分布在外環(huán)外道、內(nèi)環(huán)外道，這和外道通車流量大、大型車占比多等因素緊密相關(guān)。通過兩年的取芯分析，說明大量裂縫開始出現(xiàn)后經(jīng)過了路面使加速破損，因位于裂縫處的芯樣多數(shù)都出現(xiàn)了表面的裂縫貫通下行發(fā)展到了整個面層（包括表面已經(jīng)采取灌縫和封縫措施的芯樣）。表面的橫向裂縫向下發(fā)展后，路面出現(xiàn)的細(xì)微裂縫無法阻擋水的浸入，浸入的水在交通荷載的反復(fù)作用下使內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞。當(dāng)裂縫出現(xiàn)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生快速的破壞，但是無法阻止裂縫繼續(xù)發(fā)展。

經(jīng)過抽樣實測發(fā)現(xiàn)，舊路材料油石比在5.2%～6.0%，平均值為5.51%，與常規(guī)SMA-16設(shè)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(qiáng)度降低；礦料組成中骨料偏細(xì)，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(zhì)成分減少，瀝青老化較明顯?？傮w情況表明，瀝青膠結(jié)料的含量在降低，膠結(jié)料在老化，性能在下降。

表6 取芯實驗情況

5 路面技術(shù)狀況

依據(jù)以往有關(guān)北京市瀝青路面評價方法研究成果[4]，結(jié)合五環(huán)路的病害調(diào)查情況，對五環(huán)路瀝青路面使用性能相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行檢測，路面技術(shù)狀況評價主要以路面損壞狀況指數(shù)PCI、路面車轍深度指數(shù)RDI、以及路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI為主（圖5～圖14）。

圖6 行車道路面損壞狀況指數(shù)分布圖

①路面狀況指數(shù)PCI。

PCI結(jié)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(diào)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(quán)重。

圖7 外車道路面損壞狀況指數(shù)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(cè)行車道K18-K24、下行外側(cè)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(shù)RDI。

瀝青路面車轍是路面結(jié)構(gòu)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(shù)，采用20mm；

RDb—車轍深度限值，采用35mm；

a0—模型參數(shù)，采用2.0；

a1—模型參數(shù)，采用4.0。

圖8 超車道路面車轍深度指數(shù)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(yán)重。

從表3看出，恩諾沙星與氟苯尼考、多西環(huán)素與阿莫西林、阿莫西林與氟苯尼考聯(lián)合用藥對鼠傷寒沙門菌產(chǎn)的FIC指數(shù)分別為3.00、3.00和6.00，即產(chǎn)生拮抗作用；氟苯尼考與多西環(huán)素聯(lián)合用藥的FIC指數(shù)為1.50，即為無關(guān)作用；阿莫西林與恩諾沙星聯(lián)合用藥的FIC指數(shù)為0.38，即產(chǎn)生協(xié)同作用。

③路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI。

路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算時需對實測代表彎沉值進(jìn)行測定，實測代表彎沉值取相應(yīng)檢查路段中所有檢測值的代表值，采用彎沉檢測儀進(jìn)行檢測。路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI按下式進(jìn)行計算：

式中：SSI—路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)，為路面設(shè)計彎沉與實測代表彎沉之比；

Ld—路面設(shè)計彎沉（mm）；

L0—實測代表彎沉（mm）；

S—1個評定路段內(nèi)各項修正后的全部測點彎沉的標(biāo)準(zhǔn)差（0.01mm）；

Za—與保證率有關(guān)的系數(shù)。

圖11 五環(huán)路內(nèi)環(huán)路面彎沉值

圖12 五環(huán)路外環(huán)路面彎沉值

圖13 五環(huán)路上行方向（內(nèi)環(huán)）PSSI評定結(jié)果

圖14 五環(huán)路下行方向（外環(huán)）PSSI評定結(jié)果

通過對五環(huán)路的彎沉檢測和計算，得出路面強(qiáng)度指數(shù)PSSI值都在90分以上，路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求，均處于優(yōu)級。

綜合以上各項指標(biāo)分析，根據(jù)五環(huán)路檢測結(jié)果，可得出公路技術(shù)狀況指數(shù)分布表，見表7。

表7 路面技術(shù)狀況

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

6 養(yǎng)護(hù)對策

6.1 養(yǎng)護(hù)需求分析

根據(jù)病害調(diào)查和路面技術(shù)評價結(jié)果，五環(huán)路內(nèi)部破壞狀況為：病害多發(fā)生在表面層，下部結(jié)構(gòu)基本完整；結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)狀況為：各結(jié)構(gòu)層之間粘結(jié)緊密，部分出現(xiàn)材料松散，整體性較好；根據(jù)路面技術(shù)測算結(jié)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(qiáng)度設(shè)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(shè)計要求，但是瀝青材料嚴(yán)重老化，芯樣雖然比較完整，但是局部松散。

表8 總體養(yǎng)護(hù)需求評價

考慮未來交通發(fā)展及路面老化狀況，建議本次養(yǎng)護(hù)以恢復(fù)路面功能為主，適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)耐久性，采取挖補(bǔ)、罩面、預(yù)防性養(yǎng)護(hù)等多種措施結(jié)合的維修方式。

6.2 養(yǎng)護(hù)原則

①應(yīng)按照“分段設(shè)計、分類處理、分期實施、合理決策”的養(yǎng)護(hù)設(shè)計基本要求，保證養(yǎng)護(hù)設(shè)計方案的針對性和科學(xué)性。

②應(yīng)從“結(jié)構(gòu)、材料、荷載、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)”等方面綜合考慮，實現(xiàn)養(yǎng)護(hù)方案與路面使用性能的匹配，技術(shù)指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的兼顧。

③應(yīng)結(jié)合路面養(yǎng)護(hù)方案的長期性能預(yù)測和養(yǎng)護(hù)規(guī)劃結(jié)果，采用全壽命周期經(jīng)濟(jì)分析方法評價路面養(yǎng)護(hù)方案的長期經(jīng)濟(jì)效益。

6.3 養(yǎng)護(hù)對策

通過五環(huán)路路面的檢測數(shù)據(jù)和取芯結(jié)果可以看出，五環(huán)路至今已經(jīng)投入使用超過10年，由于交通量大，路齡較長，路面出現(xiàn)了嚴(yán)重的破損，為了保持良好的道路行車環(huán)境，建議重點對該路段進(jìn)行維修。具體標(biāo)段為：K70-K88、K88-K28、K28-K45五環(huán)路部分路段外環(huán)道路工程，以及五環(huán)路K70-K98.775、K0-K45內(nèi)環(huán)道路工程。主要工作內(nèi)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(biāo)線的重劃、安全設(shè)施的養(yǎng)護(hù)等[5-7]。具體養(yǎng)護(hù)措施見表9～表15。

①K88-K28段。

表9 K88-K28段主路路面養(yǎng)護(hù)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(zhì)纖維），主路出入口表面層采用4cmSMA-13（SBS改性瀝青、木質(zhì)纖維、抗車轍劑）。

表10 K88-K28段橋面養(yǎng)護(hù)方案

表11 K88-K28段匝道養(yǎng)護(hù)方案

②K28-K45段

表12 K28-K45段主路路面養(yǎng)護(hù)方案

表13 K28-K45段橋面養(yǎng)護(hù)方案

內(nèi)環(huán)僅對路面和橋面病害進(jìn)行挖補(bǔ)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(xù)車轍路段（外環(huán)K44-K30）表面層采用SMA-13（SBS改性、湖瀝青、木質(zhì)纖維）。

③K80-K88段

表14 K80-K88段主路路面養(yǎng)護(hù)方案

表15 K80～K88段橋面養(yǎng)護(hù)方案

④K70-K80段。

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

7 結(jié)語

本文通過對五環(huán)路的技術(shù)狀況的研究和分析，得知北京市五環(huán)路由于實際交通量遠(yuǎn)超設(shè)計預(yù)測值，交通結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大變化，加速了路面損害，尤其是外環(huán)外道、內(nèi)環(huán)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(dǎo)致了瀝青性能的不斷下降，大部分標(biāo)段路線達(dá)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(huán)路進(jìn)行系統(tǒng)性的養(yǎng)護(hù)維修。研究結(jié)果提出了養(yǎng)護(hù)需求分析、養(yǎng)護(hù)原則、養(yǎng)護(hù)技術(shù)等內(nèi)容，可以為華北地區(qū)高速公路的養(yǎng)護(hù)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(jìn)一步的深入研究。①需要進(jìn)一步擴(kuò)展對瀝青路面的相關(guān)參數(shù)測量和研究，深入分析路面抗滑性能指數(shù)SRI、路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI等情況，提高瀝青路面使用性能PQI評價質(zhì)量，精確的研究不同病害類型的養(yǎng)護(hù)對策。②由于五環(huán)路的交通量已經(jīng)接近飽和狀態(tài)，高峰時段會出現(xiàn)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(yùn)行的影響，研制經(jīng)濟(jì)合理的施工組織設(shè)計和交通導(dǎo)改計劃，以確保施工作業(yè)順利進(jìn)行，保障車輛安全行駛、交通通暢。③五環(huán)路的養(yǎng)護(hù)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(jī)械設(shè)備最優(yōu)化調(diào)配，以提高施工作業(yè)的效率。

建議在施工區(qū)內(nèi)按半幅施工的方式，在確?，F(xiàn)況現(xiàn)狀五環(huán)路交通不中斷的前提下，逐段進(jìn)行路面養(yǎng)護(hù)施工。如先從施工流水段起點向終點對內(nèi)側(cè)兩個車道進(jìn)行施工作業(yè)，最外側(cè)行車道和緊急停車帶保持車輛的正常通行；內(nèi)側(cè)兩車道施工完成后，再對最外側(cè)車道和緊急停車帶進(jìn)行道路大修施工，內(nèi)側(cè)兩個車道保持車輛的正常通行。