高速公路沥青路面养护管理决策优化研究

尹进

（秦皇岛市公路养护服务中心，河北 秦皇岛 066000）

1 引言

近年来，交通量逐年增加，尤其是重载或超载车辆占比越来越多。原有的高速公路因设计理念差、施工技术落后、施工质量控制不严格，使得沥青路面在各种车辆荷载、降雨、气候变化等因素影响下产生各种裂缝、变形病害，导致路面性能大幅降低，影响行车安全性和舒适度，甚至会造成交通安全事故。鉴于此，养护管理单位应做好日常养护，并结合路面性能预测模型实施合理的预防性养护[1]。但由于我国高速公路建设起步较晚，养护技术和养护理论仍存在一定的缺陷。同时，一些养护人员并不重视路面使用性能分析，养护方案设计时盲目参考其他项目，不能做到因地制宜，造成养护经济效益差。因此，进一步研究高速公路沥青路面的养护决策具有十分重要的工程意义。

2 高速公路沥青路面性能指标

高速公路沥青路面破坏机理复杂，路面状况好坏反映在平整度、抗滑能力、路面破损状况等方面，不宜用某个性能指标来判断。JTG 5210—2018 《公路技术状况评定标准》（下称《标准》）中，将高速公路沥青路面使用性能评价指标分为单项指标和综合指标，单项指标只对沥青路面某一方面的工程特性开展评价，包括路面损坏状况指数PCI、路面行驶质量指数RQI、路面车辙深度指数RDI、路面跳车指数PBI、路面磨耗指数PWI、路面抗滑性能指数SRI、路面结构强度指数PSSI；综合指标通过给各单项指标赋予不同权重，考虑了各指标对沥青路面使用性能影响的差异性，得到路面技术状况指数PQI，以此综合评价沥青路面使用性能，分级标准见表1[2]。

表1 高速公路沥青路面使用性能分级

本文从路面行驶质量、路面结构承载力、路面损坏状况、路面抗滑能力等方面详细阐释沥青路面使用性能评价指标，为沥青路面养护决策提供依据。

2.1 路面结构强度指数PSSI

路面结构强度指数可用弯沉表示，目前多采用落锤弯沉仪或自动弯沉仪测定，计算见式（1）：

式中，a0、a1为计算系数；SSR 为路面结构强度系数。

《标准》中将PSSI 指数分为优、良、中、次、差5 个等级，国内很多高速公路项目都是在PSSI 指数达到“良”时实施。本文搜集了多条高速公路在运营期间的PSSI 指数，基本呈“衰减速度先慢后快”的趋势[3]。

2.2 路面行驶质量指数RQI

路面行驶质量主要体现在行车舒适性，RQI 指数越高，行车舒适性越好，计算见式（2）：

式中，IRI 为路面平整度指数，m/km，常用仪器有3 m 直尺测量和连续式平整度仪；a0为计算系数，高速公路取0.026；a1为计算系数，高速公路取0.65。

2.3 路面损坏状况指数PCI

高速公路沥青路面在长期运营期间，在车辆荷载反复作用下，会出现裂缝、坑槽、沉陷、车辙、唧泥等病害。《标准》中利用PCI 指数衡量沥青路面破损状况，计算见式（3）：

式中，DR 为路面破损率，%，破损面积检测可选择车载高速摄像仪器。

《标准》给出了沥青路面日常养护和矫正性养护时PCI 指数范围，但未提及预防性养护。同样，搜集了多条高速公路在运营期间的PCI 指数，发现路龄较小时，PCI 指数平稳下降；路龄较大时，路面PCI 指数急速下降[4]。

2.4 路面抗滑性能指数SRI

路面抗滑性能主要体现在行车安全性，一般情况下，路面等级越高，对路面抗滑性能要求也越高。SRI 指数可按式（4）计算：

式中，SRImin为标定系数；SFC 为横向力系数，可使用摆式仪检测，其值越大，道路事故率越低。

3 高速公路沥青路面养护决策优化方法探讨

高速公路沥青路面养护的目标就是在各性能指标良好的状态下，在沥青路面上实施各种封层、表面处治措施，使路面服务水平恢复到初始状态，从而提高路面运营寿命。如果太早进行路面养护，是不经济的；反之，沥青路面破损严重，养护难以发挥修复作用，可能需要铣刨重铺。因此，沥青路面根据使用性能的衰减规律，选择经济合理的养护时机和养护措施十分关键[5]。

3.1 工程概况

本文以某高速公路工程为研究对象，探讨高速公路沥青路面使用性能的衰减规律及最佳养护时机。该高速公路路线全长68.2 km，路线起讫桩号为K0+000～K68+200，设计速度为100 km/h，设计荷载为公路-I 级，建设标准为双向4 车道，路基宽度27 m，行车道和硬路肩横坡2%，土路肩横坡4%，沥青路面结构厚70 cm。路面结构组合为：4 cm 细粒式AC-13C+5 cm 中粒式AC-20C+7 cm 粗粒式AC-25+18 cm水稳碎石上基层+18 cm 水稳碎石下基层+18 cm 低剂量水稳碎石底基层。

项目所处区域地下水丰富，年降雨量较充足。高速公路在运营期间，局部范围出现了裂缝、坑槽等病害，影响行车安全性和舒适度，拟结合现场路面状况调查数据，拟定养护时机和养护措施。

3.2 养护决策目标

根据养护规划的时间不同，高速公路沥青路面养护决策的目标也有差异；对于多年养护规划，应结合沥青路面使用性能预测模型，提前预判合理的养护时机，并考虑多年的整体经济效益； 而沥青路面的年度养护计划会受到多年度养护规划的限制，主要考虑具体的养护方案、施工工期和施工机械的安排，以控制养护费用。

3.3 沥青路面的PQI 指数计算

由上文可知，PQI 指数是评价高速公路沥青路面性能的综合指，故调查了本项目的PCI、RQI、RDI、PBI、PWI、SRI、PSSI，并邀请路面养护领域的专家对各单项路面性能指标赋予权重。由于各个评价指标的权重受专家主观意见影响大，为了提高路面状况评价结果的准确性和说服力，参与评分的专家应涉及设计、养护、施工等领域，以保证专家团队成员配置的合理性和权威性。本项目共邀请了5 名专家，得到了沥青路面PQI 指数见表2。

表2 不同专家的PQI 指数计算结果

由表2 计算结果可知，D 专家的PQI 指数计算结果偏大，E 专家的PQI 指数计算结果偏小。在去掉1 个最大值和1 个最小值后，该高速公路运营时间为1 a、2 a、3 a、4 a 的PQI 指数平均值分别为98.2、94.1、87.8、81.0，分别处于优、优、良、良的状态。

3.4 沥青路面的养护时间决策

基于沥青路面PQI 指数计算结果，使用数理统计软件Origin 对高速公路沥青路面运营时间和PQI 平均值的对应关系用多项式函数拟合，拟合结果如图1 所示。

图1 沥青路面PQI 值预测模型

由图1 可知： 沥青路面的PQI 值随高速公路运营时间的增加而降低，但是降低速率并不是固定的，呈“凸型曲线”衰减趋势。当高速公路运营时间＜2 a 时，路面使用性能衰减不明显；当高速公路运营时间大于3 a 时，路面使用性能衰减速度加快。出现上述现象的原因在于：沥青路面结构在运营初期，承载能力较强，能有效抵抗各种行车载荷。但随着运营时间增加，路面出现各种裂缝、坑槽等，降低路面结构能力，使路面损坏速度加快。

沥青路面运营时间和PQI 平均值的函数关系模型相关系数接近1，精确度较高。利用该函数模型，可以预测不同运营时间的PQI 值，以此来评价沥青路面的使用性能，决策养护时间。将运营时间=5 a 代入数值模型中，PQI 值仅为73.6，路面使用性能等级为“中”，建议高速公路运营第1～4 a 开展日常养护，第5 年开始预防性养护。

3.5 沥青路面的养护决策效益分析

高速公路沥青路面养护措施的经济效益也是养护决策的重点考虑内容，可用养护后的路面使用性能衰变曲线高于养护标准值的部分与路龄所围成的面积来表示，如图2 所示[6]。

图2 沥青路面养护经济效益面积

图中t0表示沥青路面开始实施养护措施所对应的年限；tc表示沥青路面从新建开始算起的年限。效益面积越大，选择的沥青路面养护时机和养护措施越好，反之亦然。

4 结论

本文基于路面性能评价指标，以某高速公路项目为研究对象，探讨了沥青路面的养护决策目标、最佳养护时机、养护决策效益等，主要得到以下几个方面的结论：（1）沥青路面服务水平与路面性能指标密切相关，可利用路面技术状况指数PQI 综合评定；（2）高速公路沥青路面的养护决策目标取决于养护规划时间，但都是为了实现“路段—措施—时机”和养护资金的平衡；（3）随高速公路运营时间的增加,沥青路面的PQI值呈“凸型曲线”衰减趋势；（4）高速公路沥青路面养护措施的经济效益可用养护后路面使用性能衰变曲线高于养护标准值的部分与路龄所围成的面积来表示。