公路工程路面養(yǎng)護(hù)決策與規(guī)劃

胡 博

（云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650299 ）

0 引言

公路工程對社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要的促進(jìn)作用，隨著我國公路建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展，當(dāng)前已形成了以高速公路為主組成的國道主干線形成“五縱七橫”的總體布局。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，很多公路原設(shè)計(jì)等級已經(jīng)滿足不了交通量暴增的需求。在過重的交通荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)早期破壞現(xiàn)象，降低使用性能，一些道路使用3~5年后出現(xiàn)縱（橫）向裂縫、塊狀、龜裂等損壞，阻礙交通運(yùn)輸綜合效益的發(fā)揮[1]。公路工程路面養(yǎng)護(hù)問題日漸受到關(guān)注，必須通過維修技術(shù)改造恢復(fù)，以保證公路路面服務(wù)功能的可持續(xù)發(fā)展。目前，我國公路養(yǎng)護(hù)管理存在許多問題，由于國家養(yǎng)護(hù)管理經(jīng)驗(yàn)不足等原因，導(dǎo)致尚未形成完善的路面養(yǎng)護(hù)決策體系，如何建立科學(xué)的養(yǎng)護(hù)決策成為當(dāng)前面臨的重要課題。

1 公路工程路面養(yǎng)護(hù)管理概述

1.1 公路工程路面損壞狀況分析

公路路面結(jié)構(gòu)包括面層、基層以及底基層。面層為車輛提供行駛表面，承受行車荷載垂直力與沖擊力的作用，應(yīng)具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度與較好的水穩(wěn)定性?；鶎邮锹访娼Y(jié)構(gòu)的主要承重層，要求具有良好的平整度[2]。墊層主要功能是改善土基的溫濕度狀況，并將路面結(jié)構(gòu)所受到的車輛荷載應(yīng)力，分散到整個(gè)路基上，以減少局部應(yīng)力的作用。我國高速公路路面結(jié)構(gòu)類型分為半剛性路面、剛性路面以及柔性路面等結(jié)構(gòu)組合。公路路面結(jié)構(gòu)形式選擇是具有長期效應(yīng)的決策過程，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)評價(jià)、能耗比較分析等方面綜合研究。

路面結(jié)構(gòu)是高速公路基礎(chǔ)設(shè)施的重要部分，公路建成通車后在交通荷載下路面性能（比如抗滑性能）逐漸下降，影響車輛行駛和路面使用壽命。路面病害原因包括沿線排水系統(tǒng)與施工養(yǎng)護(hù)管理水平等因素[3]。瀝青路面破壞按成因分為功能性與結(jié)構(gòu)性破壞，結(jié)構(gòu)性破損主要包括重度裂縫、車轍、沉陷、擁包等；功能性破損常反映為路面抗滑、平整度等性能低。近年來，我國新建公路工程路面以半剛性基層瀝青路面為主，由于材料特性導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)適應(yīng)變形能力降低，對半剛性基層瀝青混凝土路面使用性能認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致公路瀝青路面破損加快。瀝青路面早期破壞類型分為裂縫、變形及表面損壞等類型，其中水損壞是公路瀝青路面早期破壞中的重要因素，降水進(jìn)入瀝青面層后在車輛作用下產(chǎn)生動(dòng)水壓力，破壞瀝青膜與骨料的黏結(jié)，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青混凝土松散破壞現(xiàn)象。

1.2 公路路面養(yǎng)護(hù)管理研究

隨著我國公路建設(shè)的迅速發(fā)展，國家地區(qū)高速公路網(wǎng)逐漸形成，公路養(yǎng)護(hù)管理日益重要。公路養(yǎng)護(hù)是為確保建成運(yùn)營公路保持良好使用性能，為車輛人員提供安全舒適保障開展系列養(yǎng)護(hù)工作。市政公路投運(yùn)后隨著服務(wù)年限增加出現(xiàn)損耗，必須對市政公路進(jìn)行適當(dāng)維修養(yǎng)護(hù)提高使用效益。目前我國公路養(yǎng)護(hù)工作分為大中小修類型，對公路養(yǎng)護(hù)不當(dāng)會(huì)造成資源浪費(fèi)[4]。公路路面養(yǎng)護(hù)實(shí)施中要采取預(yù)防為主、防治結(jié)合的方針，合理分配養(yǎng)護(hù)資金，確定養(yǎng)護(hù)類型[5]。路面工程是公路工程的重要部分，路面養(yǎng)護(hù)資金占公路養(yǎng)護(hù)的50%以上，路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)頻率最高，通常用于防止病害發(fā)生或輕微病害擴(kuò)展、減緩路面使用性能衰減、提升服務(wù)功能的路面。公路路面養(yǎng)護(hù)計(jì)劃中要根據(jù)具體情況，處理好預(yù)防性和修復(fù)性養(yǎng)護(hù)的關(guān)系，優(yōu)化養(yǎng)護(hù)資金的分配，延長路網(wǎng)使用壽命。

2 公路路面工程養(yǎng)護(hù)管理決策

2.1 公路路面養(yǎng)護(hù)管理決策經(jīng)濟(jì)分析

公路路面養(yǎng)護(hù)管理應(yīng)用工程經(jīng)濟(jì)原理分析養(yǎng)護(hù)管理費(fèi)用效益，確定最佳的養(yǎng)護(hù)時(shí)間與對策。路面養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用與效益分析是確定決策指標(biāo)的主要依據(jù)[6]。養(yǎng)護(hù)決策主要是選擇適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)和措施，相同路面破損可以采用不同養(yǎng)護(hù)措施，取得不同的經(jīng)濟(jì)效益。路面養(yǎng)護(hù)管理涉及費(fèi)用包含道路和用戶費(fèi)用部分，車輛運(yùn)營費(fèi)VOC在用戶費(fèi)用中占比最大，VOC與車輛行駛距離及使用年限有關(guān)，車輛運(yùn)營費(fèi)用占比較大的因素包括油耗費(fèi)與管理費(fèi)。路面性能改善與提高養(yǎng)護(hù)費(fèi)用降低管理成本有關(guān)，在路面養(yǎng)護(hù)管理優(yōu)化決策時(shí)更多考慮養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用。

公路工程路面養(yǎng)護(hù)決策優(yōu)化涉及管理成本僅包括路面養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，需要分析路面養(yǎng)護(hù)管理成本構(gòu)成成分，發(fā)揮養(yǎng)護(hù)資金的作用[7]。公路工程養(yǎng)護(hù)成本與安全維護(hù)費(fèi)用較高。路面養(yǎng)護(hù)管理成本是公路養(yǎng)護(hù)成本的主要構(gòu)成部分。半剛性瀝青基層路面養(yǎng)護(hù)費(fèi)用在公路養(yǎng)護(hù)投資中占很大比重。公路路面養(yǎng)護(hù)管理成本按養(yǎng)護(hù)費(fèi)用計(jì)入成本劃分方式分為直接和間接成本。直接成本包括人工材料費(fèi)與現(xiàn)場經(jīng)費(fèi)等內(nèi)容。間接成本主要包括企業(yè)管理費(fèi)和相關(guān)財(cái)務(wù)費(fèi)用等內(nèi)容。要降低養(yǎng)護(hù)成本，可以通過開展預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作、制定合理的養(yǎng)護(hù)定額等技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)。從養(yǎng)護(hù)管理體制層面講，要規(guī)范培育養(yǎng)護(hù)市場，強(qiáng)化養(yǎng)護(hù)資金預(yù)算，降低養(yǎng)護(hù)管理成本。道路路面養(yǎng)護(hù)管理效益體現(xiàn)為直接與間接方面，計(jì)算用戶費(fèi)用需要進(jìn)行車流速度預(yù)測等工作。路面養(yǎng)護(hù)管理間接效益主要反映在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面。目前我國路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)管理研究處于起步階段，需要改變傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)觀念，結(jié)合我國實(shí)際情況，采取預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施。

2.2 公路路面養(yǎng)護(hù)決策優(yōu)化

公路是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其可持續(xù)發(fā)展要求與社會(huì)經(jīng)濟(jì)資源動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展。當(dāng)前，我國國民經(jīng)濟(jì)整體水平較低，如何使公路系統(tǒng)內(nèi)部與綜合交通體系協(xié)調(diào)發(fā)展尤為重要[8]。公路養(yǎng)護(hù)管理應(yīng)符合可持續(xù)發(fā)展的要求，在運(yùn)營使用年限內(nèi)使道路維持較高的服務(wù)質(zhì)量水平。目前，我國公路養(yǎng)護(hù)管理普遍采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)型養(yǎng)護(hù)模式，存在養(yǎng)護(hù)管理體制不順、養(yǎng)護(hù)機(jī)械化水平較低等問題，必須進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理體制改革，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)管理可持續(xù)發(fā)展，建立養(yǎng)護(hù)市場運(yùn)行機(jī)制，強(qiáng)化公路養(yǎng)護(hù)資金預(yù)算，優(yōu)化公路養(yǎng)護(hù)管理決策。

決策指采用科學(xué)理論方法，制定可選擇行動(dòng)方案，選定最優(yōu)方案的過程，包含決策基礎(chǔ)信息與方案等方面因素。隨著現(xiàn)代科學(xué)理論的發(fā)展，產(chǎn)生自然與社會(huì)科學(xué)結(jié)合的決策科學(xué)。復(fù)雜系統(tǒng)決策是多目標(biāo)階段的系統(tǒng)優(yōu)化決策過程。系統(tǒng)決策優(yōu)化遵循最優(yōu)化、科學(xué)性等原則。系統(tǒng)決策優(yōu)化采用方法包括系統(tǒng)效能分析法和層次分析法等。路面管理是達(dá)到最大利潤與路面壽命的方法論。隨著公路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，路面養(yǎng)護(hù)管理決策數(shù)據(jù)采集量不斷增大，導(dǎo)致路網(wǎng)多年存在優(yōu)化決策問題的困難。集成是將較大路網(wǎng)根據(jù)路面狀況等特征，合并項(xiàng)目優(yōu)化決策。公路路面養(yǎng)護(hù)決策是多目標(biāo)非確定型決策問題，路面養(yǎng)護(hù)管理決策中常用優(yōu)化方法包括數(shù)學(xué)規(guī)劃與人工智能優(yōu)化法。人工智能優(yōu)化法適用于大規(guī)模路網(wǎng)優(yōu)化決策問題。

路網(wǎng)養(yǎng)護(hù)需求分析需要依靠微觀路面檢測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)完成，為路面養(yǎng)護(hù)資金分配優(yōu)化等決策提供基本依據(jù)。以往路面養(yǎng)護(hù)需求確定，通過工程師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷需要養(yǎng)護(hù)路段采取措施，隨著路面檢測技術(shù)的發(fā)展，依據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)分析路面檢測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，增加決策的可靠性。根據(jù)公路路面性能，綜合分析需要收集歷年路面檢測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用模糊綜合評價(jià)法，對路段計(jì)算道路行駛質(zhì)量指數(shù)、抗滑性能指數(shù)等。公路路面養(yǎng)護(hù)指數(shù)EPQI與公路養(yǎng)護(hù)指數(shù)相同，區(qū)間評價(jià)指標(biāo)應(yīng)采用線路內(nèi)指標(biāo)算術(shù)平均值。公路路面養(yǎng)護(hù)對策選擇依據(jù)路面使用性能狀況，結(jié)合相關(guān)政策經(jīng)濟(jì)等因素分析確定。為減小決策問題的規(guī)模，需要利用路面性能組合狀態(tài)等概念為決策規(guī)劃模型建立奠定基礎(chǔ)。

3 公路工程路面養(yǎng)護(hù)決策與規(guī)劃實(shí)踐

3.1 公路工程概況

某高速公路建成通車16年，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路面標(biāo)準(zhǔn)軸截載為雙輪軸載100 kN，路面結(jié)構(gòu)為“4 cm厚細(xì)粒式改性瀝青瑪蹄脂SMA-13+6cm厚SBS改性AC-20F中粒式瀝青混凝土+8 cm厚AC-25C粗粒式瀝青混凝土+0.6 cm厚乳化瀝青稀漿封層+38 cm厚水泥穩(wěn)定級配碎石基層+20 cm厚級配碎石底基層”。隨著公路交通量逐年增加，導(dǎo)致部分路段出現(xiàn)病害，需要養(yǎng)護(hù)維修。公路路面養(yǎng)護(hù)決策基于路面技術(shù)狀況、養(yǎng)護(hù)資金規(guī)模、公路技術(shù)等級、使用年限、交通量大小及組成、氣候條件等。公路制定養(yǎng)護(hù)決策前對路面技術(shù)狀況分析評價(jià)，上行（樁號遞增方向）PQI優(yōu)等路率為96.22%，良等路率為3.78%，優(yōu)良路率為100%。下行（樁號遞減方向）PQI優(yōu)等路率為100%，優(yōu)良路率為100.00%。

根據(jù)現(xiàn)行《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》，路面技術(shù)狀況總體評定為“優(yōu)”，優(yōu)等路率為98.11%，優(yōu)良路率為100%，次差路率為0.00%。該高速公路整體路面技術(shù)狀況優(yōu)良，但部分路段仍存在路面損壞較差、抗滑性能較差等情況，應(yīng)對重點(diǎn)路段采取預(yù)防和修復(fù)養(yǎng)護(hù)措施。路面技術(shù)狀況評定時(shí)，瀝青路面裂縫寬度小于或等于3 mm損壞程度為輕度，裂縫寬度大于3 mm損壞程度為重度。規(guī)劃養(yǎng)護(hù)路段公路路面破損情況評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為PCI不小于92為優(yōu)。根據(jù)檢測結(jié)果，對養(yǎng)護(hù)路段路面使用性能衰減情況進(jìn)行分析，近5年間路基路段路面PCI指標(biāo)變化規(guī)律為凹形衰減形態(tài)，養(yǎng)護(hù)路段整體PCI指標(biāo)呈S形。養(yǎng)護(hù)路段路面RSI指標(biāo)為上下波動(dòng)形態(tài)。由于養(yǎng)護(hù)路段全線過去經(jīng)過多次養(yǎng)護(hù)維修，使得路面使用性能指標(biāo)呈現(xiàn)不同的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，養(yǎng)護(hù)決策提出采用養(yǎng)護(hù)衰減幅度平均值為衡量指標(biāo)。

3.2 公路路面養(yǎng)護(hù)決策與規(guī)劃方案

公路工程路面養(yǎng)護(hù)決策需要從規(guī)劃目標(biāo)、養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)與措施方面設(shè)計(jì)。工程逐步進(jìn)入設(shè)計(jì)壽命周期，必須實(shí)施路面養(yǎng)護(hù)方案。養(yǎng)護(hù)規(guī)劃以恢復(fù)至不低于路面原有技術(shù)狀況為主要目的。養(yǎng)護(hù)目標(biāo)定位于延長路面使用壽命，包括高速公路路面技術(shù)狀況（PQI）優(yōu)等路率保持在88%以上。普通國道PQI優(yōu)良路率達(dá)到80%以上，其中東、中、西部分別達(dá)到88%、80%、72%以上。普通省道PQI優(yōu)良路率達(dá)到75%以上，其中東、中、西部分別達(dá)到80%、75%、70%以上。年度預(yù)防性養(yǎng)護(hù)比例不低于8%，廢舊瀝青路面材料循環(huán)利用率為95%。養(yǎng)護(hù)規(guī)劃要在充分考慮實(shí)際路況基礎(chǔ)上設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值。工程路面養(yǎng)護(hù)以預(yù)防養(yǎng)護(hù)、功能性修復(fù)及結(jié)構(gòu)性修復(fù)為主。路面損壞狀況PCI在 90~92路 面 PCI≥ 90、RQI≥ 90、RDI≥ 80、SRI＜80時(shí)應(yīng)進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)；PCI≥90、RQI≥90、RDI＜80時(shí)應(yīng)進(jìn)行修復(fù)性養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)規(guī)劃包括子單元規(guī)劃與總體設(shè)計(jì)實(shí)施。

瀝青路面養(yǎng)護(hù)處治中，路面典型病害為縱（橫）向裂縫、抗滑性能衰減、跳車等現(xiàn)象。病害主要集中在行車道上，養(yǎng)護(hù)工程處治段落應(yīng)以行車道為主，并兼顧超車道的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。計(jì)劃采取微表處或超薄罩面等預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施進(jìn)行矯正性養(yǎng)護(hù)。5年內(nèi)平均分配養(yǎng)護(hù)任務(wù)。

一般存在輕度裂縫的路段采取預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施。對于重度裂縫類、變形類路段，采取結(jié)構(gòu)性修復(fù)的形式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處治。養(yǎng)護(hù)路段中長下坡、急彎、雨水較多的路段使用性能較差，子單元養(yǎng)護(hù)規(guī)劃時(shí)優(yōu)先規(guī)劃該路段，針對部分路段橋頭跳車治理同步處理。公路養(yǎng)護(hù)結(jié)合路面性能衰減預(yù)測結(jié)果制定養(yǎng)護(hù)方案。實(shí)施計(jì)劃為第一年罩面養(yǎng)護(hù)20 km，路基段路面銑刨重鋪9.0 km經(jīng)費(fèi)投入估算1 056.0萬元。第二年養(yǎng)護(hù)罩面養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)投入估算3 357.2萬元；預(yù)防性養(yǎng)護(hù)3.0 km，經(jīng)費(fèi)投入231萬元。第三年一般路基段落路面銑刨重鋪13.4 km，經(jīng)費(fèi)投入估算1 624.7萬元。第四年一般路基段落路面銑刨重鋪2.0 km，經(jīng)費(fèi)投入估算1 232.5萬元。第五年罩面養(yǎng)護(hù)15.46 km，經(jīng)費(fèi)投入估算3 357.2萬元，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)7.0 km，經(jīng)費(fèi)投入411萬元。

4 結(jié)語

公路是為國民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展提供服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施，隨著公路建設(shè)里程的增長，高負(fù)荷養(yǎng)護(hù)作業(yè)下經(jīng)驗(yàn)式養(yǎng)護(hù)決策情況普遍，無法滿足高質(zhì)量快速?zèng)Q策的需求。由于缺少科學(xué)決策標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)維修對策設(shè)計(jì)不合理，造成運(yùn)營周期內(nèi)維護(hù)費(fèi)用增加，因此，必須建立科學(xué)高效的公路路面養(yǎng)護(hù)決策系統(tǒng)，保證公路的運(yùn)行效率，為路面管理決策者合理確定養(yǎng)護(hù)資金需求等提供科學(xué)支持。高速公路路面養(yǎng)護(hù)中，要以各檢測指標(biāo)狀況為前提，充分掌握路面病害科學(xué)決策及時(shí)處理。養(yǎng)護(hù)規(guī)劃中，采用中長期策略合理安排，延長路面使用壽命。