基于全壽命周期的G216線瀝青路面預防性養(yǎng)護研究

摘要：圍繞G216線瀝青路面病害情況，采用現場原位檢測、數據分析、模型建立與預測等研究手段，構建瀝青路面預防性養(yǎng)護預測模型，選擇合適的養(yǎng)護時機，完善預防性養(yǎng)護決策體系。運用現代化、精細化的管理手段加強預防性養(yǎng)護項目施工管理，充分運用項目驗收及后評價的反饋意見，完成全壽命周期理念下的新疆地區(qū)預防性養(yǎng)護體系探索。

關鍵詞：全壽命周期；G216線；瀝青路面；預防性養(yǎng)護

0 引言

預防性養(yǎng)護是一種非常有效的公路養(yǎng)護方案，很多專家學者曾對預防性養(yǎng)護理論進行了大量研究，成果頗多。通過對大量學者的研究成果分析不難發(fā)現，當前對于預防性養(yǎng)護的研究區(qū)域性差距明顯，研究熱點主要集中在預防性養(yǎng)護的前期決策上，既不能充分體現周期循環(huán)養(yǎng)護的優(yōu)勢，又缺乏全壽命周期理念[1]。

新疆地區(qū)地質條件復雜、氣候條件惡劣，目前尚沒有完全適合于新疆地區(qū)國省公路預防性養(yǎng)護的方案?；诖?，本文以新疆地區(qū)國省干線公路瀝青路面養(yǎng)護為背景，貫徹全壽命周期理念，建立路面預防性養(yǎng)護預測模型，結合道路災害成因分析，探索不同時機條件下預防性養(yǎng)護技術措施工作機制。建立適用于本地區(qū)的預防性養(yǎng)護路面病害預測模型和治理技術體系，結合預防性養(yǎng)護工程施工管理與項目后評估，為相關各方預防性養(yǎng)護工作的開展提供重要的參考依據，為下一階段預防性養(yǎng)護的可持續(xù)發(fā)展做好鋪墊。

1 公路瀝青路面養(yǎng)護概述

1.1 預防性養(yǎng)護的廣義性與狹義性

從當前我國公路養(yǎng)護領域的發(fā)展進程來看，預防性養(yǎng)護在廣義上被認為一種綜合性的養(yǎng)護方法，它不僅包括對公路表面的日常清潔和維護，還涉及到對路面、橋梁結構以及沿線設施的定期檢查和保養(yǎng)。而狹義上，它則主要指的是一種通過采取預防性措施，來避免或減少公路損壞風險的管理策略。這兩種理解雖然側重點不同，但從整體上來看，它們共同構成了我國當前公路養(yǎng)護工作的重要組成部分。

從狹義上說，在路面功能損傷之前（既有路面未發(fā)生損傷或僅有較小損傷），為了更好地維持正常的運營狀態(tài)，避免后期的損壞，在全壽命期內獲得最大的利益，在不提高結構承載力的情況下，適時地采取必要的技術措施，提高路面的使用壽命，提高路面的服役性能。

從廣義上講，在公路未發(fā)生結構損傷之前，要想更好地維護公路的正常運行，減緩公路的損壞，獲得公路全壽命的最大收益，就必須在不提高結構承載力的情況下，適時地采取路基養(yǎng)護、路面養(yǎng)護、橋涵維修加固、附屬設施養(yǎng)護等一系列綜合性的技術手段，預防各種類型的路面病害的產生和擴展，從而提高公路的整體功能狀態(tài)，延長其使用壽命，提高道路的服務水平。

1.2 預防性養(yǎng)護與矯正性養(yǎng)護特點

預防性養(yǎng)護可以在不提高路面結構承載能力的情況下，從而達到提高公路系統(tǒng)使用性能、延長其使用壽命、降低其損壞程度的養(yǎng)護方法。預防性養(yǎng)護可降低養(yǎng)護維修率，但無法消除養(yǎng)護維修費用，其原因是路面的表面養(yǎng)護維修、熱拌和冷拌等養(yǎng)護維修費用，占最后5年維修費用的60%。

矯正性養(yǎng)護是對已出現局部結構損傷或較少種病害，但尚未影響到路面整體狀況的一種養(yǎng)方法，如進行搶救性維修和中等維修。其與預防性養(yǎng)護之間的主要差別就是維護費用和維護時間不同。矯正性養(yǎng)護需要投入較高成本，常用于某些特定的道路或區(qū)域內的病害，主要施工方法有加鋪蓋、銑刨覆蓋、裂縫處理、坑槽修復等。

2 工程概況

2.1 工程基本情況

G216線起點位于阿勒泰市，終點位于庫爾勒和靜縣巴侖臺鎮(zhèn)，全長857km，于2012年改建通車，交通戰(zhàn)略地位極其重要。本次研究對象為G216線倉房溝立交-永豐渠鄉(xiāng)，樁號為K691～K1000，其中K986～K1000用于收集過往數據形成預測模型，K691～K701用于預防性養(yǎng)護具體施工，相關路段均位于烏魯木齊市西南部，距離市區(qū)約20km。

本次項目研究路段位于烏魯木齊市境內，長度10km，公路等級為一級公路，設計速度80km/h。路基斷面形式為0.75m土路肩+0.25m硬路肩+2×3.75m行車道+3m中分帶+2×3.75m行車道+2.5m硬路肩+0.75m土路肩，路基寬度24.5m。

路基以填方路基為主，路基邊坡坡率不大于1：3。上面層為4cm厚細粒式瀝青混凝土AC-13，下面層為6cm中粒式瀝青混凝土AC-16，路基為22cm4%水泥穩(wěn)定砂礫，基層為39cm天然砂礫，路面結構總厚度71cm。

2.2 地質狀況

項目沿線主要為新生界風積平原，地層屬于新生界第四季Q3沙、黃土、砂礫黏土、礫石、冰川礫石，地表稍有鹽類結晶析出，多為氯化物硫酸鹽中、弱鹽漬土，含鹽量自地表向下逐漸降低。項目區(qū)域附近無固定水系，每年春季融雪季節(jié)，地表出現山脈融雪漫流。根據GB18306—2015《中國地震動峰值參數區(qū)劃圖》，地震動峰值加速度值為0.20g，地震基本烈度Ⅱ級。

2.3 氣候狀況

根據公路自然區(qū)劃，路段所在地區(qū)主要位于公路自然區(qū)劃“VI2綠洲-荒漠區(qū)”，屬于溫暖帶大陸性干旱氣候、中溫帶極干旱荒漠氣候區(qū)，主要表現為冬嚴寒夏炎熱，年降雨量較低。

3 實例養(yǎng)護對策研究

3.1 相關指標確定

根據《公路技術狀況評定標準》（JTG5210—2018），按下列公式計算路面使用性能指數PQI：

PQI=ωPCIPCI+ωRQIRQI+ωRDIRDI+ωPBIPBI+ωSRISRI （1）

式中：PQI為路面使用性能指數；PCI為路面狀況指數；RQI為路面行駛質量指數；RDI為路面車轍深度指數；PBI為路面跳車指數；SRI為路面抗滑性能指數；ωPCI為PCI在PQI中的權重，取值為0.35；ωRQI為RQI在PQI中的權重，取值為0.30；ωRDI為RDI在PQI中的權重，取值為0.15；ωPBI為PBI在PQI中的權重，取值為0.10；ωSRI為SRI 在PQI中的權重，取值為0.10。

為了達到針對性判斷的目的，對照烏魯木齊市瀝青路面養(yǎng)護情況，結合現場路面的典型病害特征與檢測數據，組織專家進行專題論證，將瀝青路面各類病害影響指標在PQI計算中的權重進行微調，為下一步養(yǎng)護時機的判斷提供精準閾值區(qū)間。

相關裂縫型路面使用性能指數計算如下：

PQI裂縫型=0.50PCI+0.23RQI+0.12RDI+

0.075PBI+0.075SRI （2）

車轍型路面使用性能指數計算如下：

PQI車轍型=0.21PCI+0.18RQI+0.50RDI+

0.055PBI+0.055SRI （3）

坑槽型路面使用性能指數計算如下：

PQI坑槽型=0.25PCI+0.50RQI+0.11RDI+

0.070PBI+0.070SRI （4）

3.2 建立灰色·馬爾可夫模型

瀝青路面在正常的使用過程中路面性能衰減曲線呈線狀分布，在經過調查確定前期若干數據的基礎上，需對下一年的樣本路段PQI進行預測，以指導后續(xù)開展的預防性養(yǎng)護工作。

3.2.1 模型建立原則

在建立準確的模型解決問題之前，結合瀝青路面路線PQI及樣本路段PQI數據特點與模型作用，先確定模型建立的原則如下：模型必須準確描述路面性能衰減的過程，形式簡潔、便于修改，預測結果穩(wěn)定可靠。

3.2.2 構建模型

通過MATLAB軟件對已有數據進行分析，構建得到灰色·馬爾科夫模型，完成對后續(xù)關鍵指標的預測。2012—2022年G216線K986～K1000段裂縫型PQI實測值與預測值對比如表1所示。

以2012—2022年G216線K986-K1000段裂縫型路面使用性能指數PQI數據實測值，作為初始數據列，根據相關計算，可以求得參數發(fā)展系數a=0.00967，灰色作用量b=95.89422，據此可得裂縫型路面使用性能指數PQI灰色馬爾可夫模型為：

X（1）（t）=[X（0）（t）-9913.8451]e-0.00967（t-1）+9913.8451 （5）

式中：X（0）（t）為原始序列；X（1）（t）為未知序列；t為時間，t =1，2，3，…，n。

根據相關計算可以求得相關參數，得到車轍型路面使用性能指數PQI灰色馬爾可夫模型為：

X（1）（t）=[X（0）（t）-7028.9942]e-0.01361（t-1）+7028.9942 （6）

同理根據相關計算可以求得相關參數，得到坑槽型路面使用性能指數PQI灰色馬爾可夫模型為：

X（1）（t）=[X（0）（t）-18367.1537]e-0.00513（t-1）+18367.1537 （7）

3.3 3種養(yǎng)護技術特點分析

通過對烏魯木齊地區(qū)瀝青路面灌縫技術、還原劑霧封層技術、精銑刨技術3種養(yǎng)護技術分析，探明3種技術的適用范圍。路面出現裂縫后，為了防止水分滲入瀝青路面都更深位置，常采取灌縫技術將裂縫位置封閉[2]。還原劑霧封層技術通過還原劑將原有瀝青路面還原，提高路面的各項指標，恢復瀝青路面性能，其主要適用于龜裂及輕微網裂[3]。精銑刨技術通過將瀝青路面表層病害進行銑刨，其主要適用于路面出現車轍隆起、波浪擁包、輕度車轍等病害的早期養(yǎng)護[4]。

3.4 養(yǎng)護區(qū)間研判

以G216線2022年路面檢測數據為例，研判G216線預防性養(yǎng)護實施區(qū)間。根據路面實測數據換算G216線K691～K701段裂縫型PQI、車轍型PQI、坑槽型PQI，結合國省道養(yǎng)護實際預防性養(yǎng)護開展情況，對各類養(yǎng)護實施情況養(yǎng)護區(qū)間初步確定。2022年G216線K691～K701段裂縫型PQI實測值與預測值對比如表2所示。

按照表2裂縫預防性養(yǎng)護實施情況與換算的PQI，獲得預防性養(yǎng)護裂縫類PQI養(yǎng)護區(qū)間為85.63～91.36。參照車轍預防性養(yǎng)護實施情況與換算的PQI，獲得預防性養(yǎng)護車轍類PQI養(yǎng)護區(qū)間為89.2～95.2。參照坑槽預防性養(yǎng)護實施情況與換算的PQI，獲得預防性養(yǎng)護坑槽類PQI養(yǎng)護區(qū)間為95.26～96.07。

6 結束語

本文采用現場原位檢測、數據分析、算法預測、預測模型構建等研究手段，探明瀝青路面主要特征及影響指標，構建預測模型與指標評價系統(tǒng)。基于常用3種預防性養(yǎng)護技術的工作機制，建立了預防性養(yǎng)護決策體系，完善了預防性養(yǎng)護評價體系，主要研究成果如下：

對烏魯木齊市G216線主要病害路段進行現場檢測，獲得了PQI計算所需路面損壞狀況、路面行駛質量、路面車轍深度、路面抗滑性能、路面跳車各項指標，微調各指標權重值，建立灰色·馬爾科夫預測模型。基于PQI數據樣本實測值與預測值對比，驗證了模型的可靠性。

結合瀝青路面的常用預防性養(yǎng)護技術與預測模型，獲得有關瀝青路面的預防性養(yǎng)護技術作用機理，探明烏魯木齊地區(qū)灌縫、還原劑霧封層、精銑刨3種預防性養(yǎng)護措施的適用范圍。

分析樣本路段路況評定樣本，結合樣本路段養(yǎng)護實施情況，提出了預防性措施的觸發(fā)閾值。即裂縫型路面使用性能指數PQI值處于85.63～91.36區(qū)間時，依據道路實際情況匹配實施灌縫技術。車轍型路面使用性能指數PQI值處于89.2～95.2區(qū)間時，實施還原劑霧封層技術?？硬坌吐访媸褂眯阅苤笖礟QI值處于95.26～96.07區(qū)間時，實施預防性養(yǎng)護精銑刨技術。

參考文獻

[1] 韓文珍，秦棟華.RAP舊料在瀝青路面預防性養(yǎng)護中全比例應用的理論分析與探討[J].黑龍江交通科技，2023，46（10）：5-7+11.

[2] 趙全滿，劉朝暉，姚向發(fā)，等.基于層次分析法的高速公路瀝青路面預防性養(yǎng)護決策模型[J].公路，2023，68（09）：381-387.

[3] 吳秋展.瀝青路面預防性養(yǎng)護技術在公路養(yǎng)護作業(yè)中的應用[J].工程建設與設計，2023，（16）：173-175.

[4] 李星.預防性養(yǎng)護方法在瀝青路面裂縫防治中的應用分析[J].交通科技與管理，2023，4（14）：90-92.