基于組合預(yù)測(cè)模型的瀝青路面養(yǎng)護(hù)方案規(guī)劃

肖 磊，顏俊鍵，聶 文,3，熊春龍,3

(1.廣東京珠高速公路廣珠北段有限公司，廣州 510600；2.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司，廣州 510640；3.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 510641)

0 引言

截至2020年底，我國(guó)高速公路通車(chē)總里程已達(dá)16.10萬(wàn)km。我國(guó)高速公路養(yǎng)護(hù)市場(chǎng)巨大，每年需投入的養(yǎng)護(hù)運(yùn)營(yíng)成本也是相當(dāng)龐大。相關(guān)研究表明，在合適的時(shí)機(jī)及路段采用合適的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案能有效改善路面的技術(shù)狀況指標(biāo)，且能達(dá)到較好的周期成本效益[1]。國(guó)內(nèi)高速公路養(yǎng)護(hù)管理水平不一，部分項(xiàng)目存在養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)把握不佳、養(yǎng)護(hù)方案適用性不強(qiáng)等現(xiàn)象。養(yǎng)護(hù)管理不當(dāng)導(dǎo)致了高速公路路面使用壽命較短，全壽命周期成本較高等現(xiàn)象。

本文依托廣澳高速公路廣珠北段項(xiàng)目，通過(guò)收集該項(xiàng)目歷年定檢資料，劃分段落，整理歷年瀝青路面技術(shù)狀況指標(biāo)(包括PCI、RQI、RDI、SRI、IRI、RD、SFC和CR等)，基于組合預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)各指標(biāo)未來(lái)三年的數(shù)值，并結(jié)合養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)合理規(guī)劃養(yǎng)護(hù)方案，為養(yǎng)護(hù)方案決策提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 路面結(jié)構(gòu)

廣澳高速公路廣珠北段的樁號(hào)為K17+327～K43+874，路段全長(zhǎng)26.547km，其中珠海方向定義為A線(xiàn)，廣州方向定義為B線(xiàn)。全線(xiàn)均采用瀝青路面，瀝青路面的結(jié)構(gòu)組合見(jiàn)表1。

表1 瀝青路面結(jié)構(gòu)組合

1.2 交通量

2016年廣珠北段交通量數(shù)據(jù)(表2)已遠(yuǎn)大于工可階段2025年的預(yù)測(cè)交通量數(shù)據(jù)，且各路段的交通量數(shù)據(jù)還保持著持續(xù)上升的趨勢(shì)。

表2 廣澳高速公路廣珠北段2012～2016年交通量統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果(單位：萬(wàn)輛)

2 基于灰色理論預(yù)測(cè)模型和回歸預(yù)測(cè)模型的組合預(yù)測(cè)模型瀝青路面性能預(yù)測(cè)分析

瀝青路面性能預(yù)測(cè)模型分類(lèi)如圖1所示?；疑碚擃A(yù)測(cè)模型是從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中尋求客觀規(guī)律，在短期預(yù)測(cè)瀝青路面技術(shù)狀況指標(biāo)方面精度較高，在預(yù)測(cè)長(zhǎng)期指標(biāo)時(shí)精度相對(duì)較低；回歸預(yù)測(cè)模型需整理大量數(shù)據(jù)，原理簡(jiǎn)單明了，但工作量較大，處理的數(shù)據(jù)相對(duì)繁瑣。從單一預(yù)測(cè)模型來(lái)看，單一模型都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。相關(guān)研究表明，在對(duì)PCI、RDI、SRI、PDI、DRI等單一指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，組合模型的預(yù)測(cè)精度均高于回歸預(yù)測(cè)模型和灰色理論預(yù)測(cè)模型，組合預(yù)測(cè)模型在定檢數(shù)據(jù)樣本不足、樣本數(shù)據(jù)不具規(guī)律性的條件下具有明顯的優(yōu)勢(shì)[2]。本文采用經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型中的灰色理論和回歸線(xiàn)形模型，建立組合預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)瀝青路面的技術(shù)狀況性能指標(biāo)。

圖1 瀝青路面性能預(yù)測(cè)模型分類(lèi)

2.1 灰色理論預(yù)測(cè)模型

2.1.1 灰色GM(1，1)模型的建立

灰色系統(tǒng)建模需原始數(shù)據(jù)列有4個(gè)以上數(shù)據(jù)，即可通過(guò)累加生成或累減生成來(lái)建立灰色模型，本文基本的建模過(guò)程不再贅敘，可見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。

建立的預(yù)測(cè)模型(也稱(chēng)為白化方程)形式為：

(1)

2.1.2 灰色GM(1，1)模型精度檢驗(yàn)

灰色理論預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果需進(jìn)行精度檢驗(yàn)，精度等級(jí)見(jiàn)表3。相關(guān)研究表明，當(dāng)預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差小于5%時(shí)，即可認(rèn)為預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度能滿(mǎn)足實(shí)際工程應(yīng)用的要求[4]。

表3 精度檢驗(yàn)等級(jí)參照表

2.2 回歸預(yù)測(cè)模型

相關(guān)研究表明，瀝青路面技術(shù)狀況指數(shù)的衰減規(guī)律大致呈“S”型，路面早期技術(shù)狀況良好，衰減速率較慢，但隨著路面病害的發(fā)展，路面技術(shù)狀況指數(shù)衰減速率逐漸增大，達(dá)到一定程度后衰減速率逐漸區(qū)域緩和[5]?！癝”型函數(shù)表達(dá)式如式(2)所示。

(2)

式中：a為檢測(cè)數(shù)據(jù)最大值，b為檢測(cè)數(shù)據(jù)最小值，β和k為參數(shù)，t為運(yùn)營(yíng)時(shí)間。參數(shù)β和k可根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

2.3 組合預(yù)測(cè)模型

(3)

2.4 路面技術(shù)狀況指標(biāo)

對(duì)廣珠北段全線(xiàn)進(jìn)行段落劃分，劃分出路基段和橋梁段，且劃分的段落長(zhǎng)度不超過(guò)1km，共劃分為46個(gè)路基段和41個(gè)橋梁段。按劃分的段落整理歷年的定檢數(shù)據(jù)，見(jiàn)表4。

表4 瀝青路面技術(shù)狀況指標(biāo)

2.5 路面性能預(yù)測(cè)

基于瀝青路面的定檢數(shù)據(jù)，采用組合預(yù)測(cè)模型對(duì)廣珠北段瀝青路面未來(lái)三年的路面技術(shù)狀況指數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果及精度驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表5～表6。預(yù)測(cè)精度滿(mǎn)足模型要求。

表5 瀝青路面技術(shù)狀況指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果

表6 預(yù)測(cè)精度驗(yàn)證結(jié)果

3 養(yǎng)護(hù)方案規(guī)劃

3.1 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)

根據(jù)《廣東省高等級(jí)公路瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)手冊(cè)》(試用)的相關(guān)規(guī)定，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的時(shí)機(jī)判斷標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表7。當(dāng)指標(biāo)小于“重”或“強(qiáng)”養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度的閾值時(shí)，需進(jìn)行矯正性養(yǎng)護(hù)[6]。

表7 高等級(jí)公路瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)需求時(shí)機(jī)判斷標(biāo)準(zhǔn)

3.2 養(yǎng)護(hù)需求分析

以PCI、RQI、RDI、SRI、IRI、RD、SFC和CR等各項(xiàng)指標(biāo)在每年度預(yù)測(cè)結(jié)果的最差值為養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)判斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)廣珠北段瀝青路面養(yǎng)護(hù)方案進(jìn)行初步規(guī)劃，矯正性養(yǎng)護(hù)方案為銑刨重鋪，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案為罩面。對(duì)兩種方案的處治工程量進(jìn)行匯總，見(jiàn)表8。項(xiàng)目可根據(jù)實(shí)際需求逐年對(duì)瀝青路面進(jìn)行處治，資金充裕的情況下，也可在同一年進(jìn)行統(tǒng)一處治。

表8 廣珠北段需處治瀝青路面工程量

3.3 養(yǎng)護(hù)方案規(guī)劃

根據(jù)歷史路面技術(shù)狀況數(shù)據(jù)分析和未來(lái)使用性能預(yù)測(cè)結(jié)果，廣珠北段瀝青路面(路基段)主要表面損壞形式為裂縫、坑槽和車(chē)轍。其中，裂縫為最主要的病害形式，橫向裂縫仍處于高發(fā)階段(尤其B線(xiàn)表現(xiàn)更明顯)。為更好地規(guī)劃養(yǎng)護(hù)方案，根據(jù)交通量大小及特征病害類(lèi)型，將廣珠北段全線(xiàn)分為南段(K33+000～K43+874)、中段(K29+000～K33+000)和北段(K17+327～K29+000)三個(gè)段落。南段(K33+000～K43+874)和中段(K29+000～K33+000)交通量增速較快且為爆發(fā)式增長(zhǎng)，建議采用實(shí)施厚度較厚的方案，如4cmSMA-13或5cmGAC-16方案；北段(K17+327～K29+000)中，對(duì)于縱橫向裂縫發(fā)展較快的段落，建議采用一定厚度且抗裂性能較好的方案，如4cmSMA-13或5cmGAC-16方案；對(duì)于抗滑、車(chē)轍等指標(biāo)不滿(mǎn)足要求的段落，建議采用薄層進(jìn)行罩面，如超薄磨耗層。全線(xiàn)采用的SBS改性瀝青按SHRPPG分級(jí)體系進(jìn)行控制，瀝青PG分級(jí)不應(yīng)低于PG76-22，其中有抗裂性能要求的路段應(yīng)采用高彈瀝青(60℃復(fù)數(shù)模量不小于10kPa)。

廣珠北段橋面主要表面損壞形式為少量坑槽與輕微車(chē)轍等。橋面養(yǎng)護(hù)方案應(yīng)考慮橋梁結(jié)構(gòu)承重對(duì)鋪裝層恒載的限制，并應(yīng)具有足夠的封水和防水能力，同時(shí)還應(yīng)能夠具備一定的平整度修復(fù)和抗滑性能，以恢復(fù)橋面的行駛功能。推薦的橋面養(yǎng)護(hù)方案為高粘彈超薄磨耗和瀝可貼。

3.4 養(yǎng)護(hù)工程應(yīng)用

廣珠北段結(jié)合項(xiàng)目當(dāng)年度定檢報(bào)告和項(xiàng)目實(shí)際情況，于2017年對(duì)瀝青路面進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)工程處治，處治方案如圖2所示，預(yù)測(cè)工程量與實(shí)際養(yǎng)護(hù)工程量對(duì)比見(jiàn)表9。由表9可知，本次實(shí)際處治工程量略大于規(guī)劃處治工程量，但偏差不大，故該組合預(yù)測(cè)模型能較好地指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)方案規(guī)劃。

圖2 廣珠北段2017年瀝青路面處治方案

表9 預(yù)測(cè)工程量與實(shí)際工程量對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于歷年定檢報(bào)告，采用組合預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)未來(lái)瀝青路面的技術(shù)狀況指標(biāo)。結(jié)合養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)判斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)預(yù)測(cè)的技術(shù)狀況指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及養(yǎng)護(hù)方案規(guī)劃。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)病害情況和交通量等，給出推薦的養(yǎng)護(hù)方案，統(tǒng)計(jì)養(yǎng)護(hù)方案工程量。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際養(yǎng)護(hù)情況，對(duì)比實(shí)際處治方案與預(yù)測(cè)方案，分析了實(shí)際工程量與預(yù)測(cè)工程量間的關(guān)系，主要結(jié)論：

(1)路基段整體破損狀況較為嚴(yán)重，矯正性養(yǎng)護(hù)路段比例相對(duì)較高，且呈逐年上升的趨勢(shì)，自2017年后矯正性養(yǎng)護(hù)將占主導(dǎo)；橋面整體破損狀況相對(duì)較好，以預(yù)防性養(yǎng)護(hù)需求為主。

(2)廣珠北段瀝青路面(路基段)主要的表面損壞形式為裂縫、坑槽和車(chē)轍，其中裂縫為最主要的病害形式，橫向裂縫仍處于高發(fā)階段；橋面主要表面損壞形式為少量坑槽與輕微車(chē)轍。

(3)通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐，組合預(yù)測(cè)模型所預(yù)測(cè)的處治工程量略小于實(shí)際的處治工程量，工程量偏差不大，故該組合預(yù)測(cè)模型能較好地指導(dǎo)瀝青路面養(yǎng)護(hù)方案規(guī)劃。