基于模糊層次分析法的舊水泥混凝土路面提升改造決策機(jī)制分析

■周桂梅

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004）

我國(guó)20 世紀(jì)后期及21 世紀(jì)初期所建設(shè)的國(guó)省道以水泥混凝土路面為主，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的車輛荷載作用，水泥面板存在斷板、裂縫、唧漿、板角破裂、蜂窩麻面等病害， 導(dǎo)致道路行車安全性及舒適性降低。 目前，運(yùn)營(yíng)的大部分早期修建的國(guó)省道水泥混凝土路面正面臨著病害修復(fù)、提升改造的現(xiàn)狀。

在普通國(guó)省干線公路養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)中， 日常巡檢、定期檢測(cè)等獲得的數(shù)據(jù)為養(yǎng)護(hù)決策提供大量的依據(jù)。 在實(shí)際管養(yǎng)過(guò)程中，科學(xué)管養(yǎng)計(jì)劃需要考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、美觀等因素，如何確保各方平衡、達(dá)到利益最大化，是亟需解決的問(wèn)題。 本研究以福建省國(guó)省道管理系統(tǒng)為例，結(jié)合某省道水泥混凝土路面提升改造工程，運(yùn)用層次分析法進(jìn)行舊水泥混凝土路面提升改造方案評(píng)價(jià)，為工程應(yīng)用提供參考。

1 病害類型

水泥混凝土面板抗彎拉強(qiáng)度大，高等級(jí)道路面板強(qiáng)度一般大于4.5 MPa，但隨著使用年限增長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年累月的車輛荷載及自然環(huán)境作用，水泥混凝土路面的使用性能逐漸下降， 進(jìn)而產(chǎn)生各種損壞。損壞類型的分類依據(jù)不同，病害類型也不同。 按照病害的形態(tài)分類，可分為接縫破壞和面板破壞；按照病害類型影響分類，可分為結(jié)構(gòu)性病害和功能性病害。 本研究以病害形態(tài)類型進(jìn)行病害分類[1]。

1.1 接縫類破壞

當(dāng)水泥面板接縫豎向或者橫向位移空間受限時(shí)，接縫處易產(chǎn)生病害，常見的接縫類破壞為：（1）唧泥；（2）錯(cuò)臺(tái)；（3）擠碎；（4）拱起。

1.2 混凝土面板破壞

1.2.1 開裂、斷板

水泥混凝土面板的病害主要為裂縫和斷裂。 當(dāng)板內(nèi)應(yīng)力超過(guò)混凝土強(qiáng)度時(shí)，常出現(xiàn)橫向、縱向裂縫甚至斷板，板角亦容易產(chǎn)生斷裂。 小型裂縫對(duì)行車影響較小， 斷裂裂縫則會(huì)直接破壞板塊的整體性，使混凝土板喪失結(jié)構(gòu)承載力，嚴(yán)重影響行車質(zhì)量、降低路面使用壽命。

1.2.2 露骨

水泥混凝土面板在長(zhǎng)期重荷載作用下，或施工時(shí)材料強(qiáng)度太低、養(yǎng)護(hù)不到位時(shí)，水泥表層材料脫落，細(xì)骨料被逐漸磨平，露出混凝土粗骨料。 水泥面板露骨后嚴(yán)重影響行車質(zhì)量，急劇縮短水泥混凝土路面是使用壽命。

2 常見病害治理措施

2.1 混凝土換板

水泥混凝土是否需要整體換板或者局部換板，除了取決于面板病害外， 更主要取決于基層狀態(tài)。（1）對(duì)于基層已損壞路段，水泥混凝土面板需進(jìn)行整體置換，同時(shí)，混凝土板置換前應(yīng)先破除舊水泥混凝土面板，對(duì)基層進(jìn)行處置，基層處置合格后方可進(jìn)行上次面板換板處理。 （2）對(duì)于基層完好或者較完好路段，基層功能基本保持完整，僅對(duì)舊水泥混凝土面板進(jìn)行置換。 （3）對(duì)于混凝土面板內(nèi)僅有一條貫穿裂縫，或一個(gè)角破損的路段，且破損板角的面積小于1/4 塊板的面積時(shí)， 只需進(jìn)行板塊的局部更換。

2.2 裂縫維修

水泥混凝土板裂縫處理措施需依據(jù)病害程度制定方案。 當(dāng)水泥板塊較完整且無(wú)錯(cuò)臺(tái)時(shí)，則只進(jìn)行板塊裂縫修復(fù)，無(wú)需換板。 如若板塊存在錯(cuò)臺(tái)，則需進(jìn)行換板處理。

2.3 錯(cuò)臺(tái)維修

錯(cuò)臺(tái)治理措施視錯(cuò)臺(tái)量而分別制定。 當(dāng)水泥混凝土板塊之間錯(cuò)臺(tái)位移小于6 mm 時(shí)， 可不進(jìn)行維修。當(dāng)錯(cuò)臺(tái)量為6～10 mm，可采用機(jī)械磨平。當(dāng)錯(cuò)臺(tái)量大于10 mm，則需進(jìn)行水泥面板換板治理，將低位板塊整板進(jìn)行整板換除，同時(shí)，還應(yīng)結(jié)合基層使用性能情況考慮是否需對(duì)基層進(jìn)行治理。

2.4 板塊脫空處治

當(dāng)混凝土板板角彎沉測(cè)試在20～45（0.01 mm）時(shí)，表明老路基層存在的病害，如空隙、松散、脫空，水泥面板加鋪前需對(duì)基底進(jìn)行壓漿處理，處理后板角總彎沉均應(yīng)不大于20（0.01 mm），彎沉差應(yīng)不大于6（0.01 mm），否則應(yīng)重新進(jìn)行壓漿。

2.5 聚合物改性瀝青抗裂貼

水泥混凝土面板加鋪前應(yīng)對(duì)面板現(xiàn)有包含縱橫縫在內(nèi)的所有裂縫鋪設(shè)抗裂貼進(jìn)行治理，減輕板塊裂縫反射至上層瀝青層。

3 養(yǎng)護(hù)決策影響因素分析與模型建立

當(dāng)水泥混凝土路面正常的養(yǎng)護(hù)維護(hù)已難以滿足高質(zhì)量使用性能時(shí)候，需對(duì)其進(jìn)行提升改造。 在實(shí)際的管養(yǎng)中，除需要考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、美觀等諸多因素外， 還應(yīng)顧及社會(huì)民眾等多方需求，如何確保各方平衡、達(dá)到利益最大化，是亟需解決的問(wèn)題。 本研究運(yùn)用模糊層次分析法建立舊水泥混凝土路面改造需求的指數(shù)模型，將各道路改造需求進(jìn)行量化，即建立決策機(jī)制模型，為管養(yǎng)部門決策提供依據(jù)[2-5]。

3.1 養(yǎng)護(hù)決策影響因素分析

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG 5210-2018 《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)水泥混凝土路面的病害類型及技術(shù)狀況進(jìn)行了全面評(píng)價(jià)[6-7]，但對(duì)于路面提升改造工程而言，JTG 5210-2018《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》所定的公路技術(shù)狀況指數(shù)針對(duì)性不夠。

在日常路面管養(yǎng)中， 如何在有限的資金下，對(duì)需提升改造的路面進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，以便于資金的合理利用顯得尤為重要。 為便于養(yǎng)護(hù)決策，結(jié)合水泥混凝土路面特點(diǎn)及常見病害，分析影響?zhàn)B護(hù)決策的主要因素。

3.1.1 路面使用性能

路面使用性能對(duì)于道路的行駛質(zhì)量起著決定性的作用，也是水泥混凝土路面提升改造的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。 路面使用性能的提高，不僅改善車輛的行駛質(zhì)量，對(duì)于經(jīng)過(guò)城鎮(zhèn)的道路，提升路面的使用性能， 也將道路作為城鎮(zhèn)對(duì)外的名片和會(huì)客廳，社會(huì)意義重大。

本研究采用路面使用性能指數(shù)（PQI）代表路面的使用性能， 該指標(biāo)包含了路面損壞狀況指數(shù)（PCI）、路面行駛質(zhì)量指數(shù)（RQI）、路面車轍深度指數(shù)（RDI）、路面抗滑性能指數(shù)（SRI）、路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)（PSSI）等子指標(biāo)（圖1）。

圖1 路面使用性能指數(shù)

3.1.2 交通量

軸載的作用次數(shù)直接關(guān)系到路面的使用年限，對(duì)于日常養(yǎng)護(hù)而言，軸載是交通量的直接反映。 對(duì)于交通量大的地區(qū)，其水泥混凝土路路面提升改造的訴求較大，改造的覆蓋面及收益也較大。

3.1.3 道路等級(jí)

道路等級(jí)反映了道路在整體路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的地位，對(duì)處于主要干線路網(wǎng)的道路，其提升改造受到多方關(guān)注，改造的必要性也較明顯，在同等情況下將優(yōu)先考慮進(jìn)行提升改造。

3.1.4 社會(huì)效益

對(duì)于有特殊意義的道路，如扶貧、提升產(chǎn)業(yè)等具有較大社會(huì)效益的道路，除了要考慮上述等因素之外，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其社會(huì)效益。

3.2 建立評(píng)價(jià)模型

3.2.1 指標(biāo)權(quán)重確定方法

指標(biāo)權(quán)重的合理性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)論的正確性和科學(xué)性具有舉足輕重的作用，本研究結(jié)合公路養(yǎng)護(hù)實(shí)際，采用層次分析法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重分析和確定。 同時(shí)，基于道路管養(yǎng)的多層次性和復(fù)雜性，其指標(biāo)度量是一種內(nèi)涵清楚而外延不清楚的模糊概念，因此，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法來(lái)評(píng)價(jià)道路的改造需求程度情況。

3.2.2 模型建立

根據(jù)上述分析，運(yùn)用層次分析法構(gòu)架改造需求指數(shù)模型，見圖2。

圖2 改造需求指數(shù)模型

該模型中，準(zhǔn)則層“路面使用性能”下各指標(biāo)為并存關(guān)系，準(zhǔn)則層其余指標(biāo)交通量等級(jí)、道路等級(jí)、社會(huì)效益下各指標(biāo)均為互斥關(guān)系，故僅對(duì)路面使用性能各指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。

根據(jù)上述的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定準(zhǔn)則層判斷矩陣P1，路面使用性能準(zhǔn)則層判斷矩陣P11。各級(jí)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果及指標(biāo)取值見表1。

路面使用性能包含5 個(gè)因素， 為并存關(guān)系，工程實(shí)際中檢測(cè)值介于0～100，數(shù)值越大，表示該項(xiàng)指標(biāo)表征的路面狀態(tài)越好，路面使用性能越好則其改造的迫切程度越低，故其在模型中取值為100-實(shí)際檢測(cè)后計(jì)算值。

交通量、道路等級(jí)、社會(huì)效益指標(biāo)，為內(nèi)涵清楚而外延不清楚的模糊概念，因此，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法來(lái)評(píng)價(jià)其取值，其值只能為一種狀態(tài)，即各取值子集為互斥關(guān)系，具體取值見表1。

表1 指標(biāo)權(quán)重及取值表

根據(jù)模型計(jì)算可得改造需求指數(shù)X，X ∈[0,100]，X 數(shù)值越大表明需求越大，X 數(shù)值越小表明需求越小， 由此可量化不同道路的改造需求程度，體現(xiàn)需求緊迫的相對(duì)關(guān)系。

4 工程應(yīng)用分析

某地區(qū)現(xiàn)有3 條水泥混凝土路面上報(bào)提升改造計(jì)劃，鑒于地區(qū)資金有限，需對(duì)現(xiàn)有3 條道路進(jìn)行改造需求指數(shù)評(píng)估。依據(jù)本研究模型，3 條公路情況見表2。

根據(jù)表2 所列情況，依據(jù)表1 各指標(biāo)權(quán)重及取值，可得各公路對(duì)應(yīng)的指標(biāo)得分，見表3。

表2 道路情況分析

表3 指標(biāo)分值

根據(jù)改造需求模型，可計(jì)算得各條公路改造需求指數(shù)：

公路1 改造需求指數(shù)X1=（20×0.2+19×0.2+15×0.2+25×0.2+20×0.2）+75×0.239+100×0.071+95×0.276=71.05；

公路2 改造需求指數(shù)X2=（10×0.2+15×0.2+25×0.2+18×0.2+13×0.2）+100×0.239+80×0.071+85×0.276=69.24；

公路3 改造需求指數(shù)X3=（18×0.2+15×0.2+16×0.2+10×0.2+13×0.2）+50×0.239+80×0.071+75×0.276=52.73。

各公路改造需求指數(shù)匯總見表4。

表4 改造需求指數(shù)

由計(jì)算結(jié)果可知， 公路1 改造需求指數(shù)最高，即需求最強(qiáng)烈，養(yǎng)護(hù)部門在進(jìn)行改造計(jì)劃安排時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮。

5 結(jié)論

本研究運(yùn)用層次分析法和模糊評(píng)價(jià)綜合分析，量化決策因素，建立了水泥混凝土路面改造需求指數(shù)模型，為公路管養(yǎng)部門進(jìn)行公路提升改造決策提供有力依據(jù)。

5.1 分析了水泥混凝土路面常見的病害類型及處理措施

水泥混凝土路面常見病害有接縫類破壞和水泥面板類破壞， 常用的病害處理措施有混凝土換板、裂縫維修、錯(cuò)臺(tái)維修、板底脫空注漿、聚合物改性瀝青抗裂貼等，實(shí)際管養(yǎng)中應(yīng)根據(jù)具體病害情況選擇適宜的處理措施。

5.2 建立了水泥混凝土路面改造需求指數(shù)模型

從路面使用性能、交通量、道路等級(jí)、社會(huì)效益為主要影響因素，作為決策指標(biāo)層，建立評(píng)價(jià)模型，量化決策因素，建立了水泥混凝土路面改造需求指數(shù)模型，為公路管養(yǎng)部門進(jìn)行公路提升改造決策提供有力依據(jù)。