基于路面性能预测的公路养护决策分析
时间：2023-04-24 21:50:02 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
蓝继孟
（广西壮族自治区都安公路养护中心，广西河池 530700）
1.1 路面状况勘察
以往路面检测主要采用路面检测车来实施，但总体测试设备与人力投入成本较高，且每年只实施1 次数据采集，难以掌握连续性路面病害的实际情况。而现代道路养护工作普遍需要经过两个不同勘察阶段。因此，相关人员必须在基于检测车辆检测数据的前提下，合理运用各种附属设施和便携式检测设备来对区域路面实施反复检测，进而保障整体检查数据的真实性和准确性，为后续养护决策提供准确的数据依据。
1.2 路段划分
在对区域路段相关情况进行实地勘察后，应将桥头、桥面及路面区域清晰划分，并根据不同路面病害情况制定具有针对性的防护措施和养护方案。其中以各类参考元素作为整体养护方案制定的数据指标，其不仅包括RDI、RQI 及PCI 等方面数值，还包括路面桩号区间、断面观测区、车流量、历史养护数据等。例如，桥头养护区域的参考元素则主要指的是区域平整度和沉降度，通常采用路面加铺方式来实施养护处理。除此之外，在划分路段过程中，可以桩号作为观测区间路段划分标准，由于各个公路路段的车辆增长率、轴载、车型及通车数量都在实时变化当中，因此必须合理制定区域路段检测频率，结合未来衰变预测情况进行分析研究来制定各种公路养护措施。具体包括以下3 个方面：①应将划分完成后的车流量根据车辆自然通行数量进行折算，精确计算其当量轴载。②由于各个桥梁建设长度不同，故而可分别以桥梁1000m、100m 和10m 为单位进行分段统计，例如，临近路面桥头阶段可按照每10m 距离进行数据统计。③所划分统计的桥面、桥头和路面必须与桩号和断面监测区相互对应[1]。
1.3 路面性能衰变模型
关于路面实际性能方面的衰变测试模型的构建，应主要结合断面监测路段年累积实际交通量与路面相关的PDI、PQI、PCI 和PQI 等性能数据为基准，且应结合具体路段交通车辆年增长率，对未来几年内区域路段实际交通累积作为轴载计算，最后将具体数据全部引入相关模型当中，进而对未来路面性能进行真实预测。通过构建衰变模型及轴载数据，运用相应的计算公式准确计算RDI、RQI 及PCI 等公路性能衰变值，进而测算公路未来性能测算值，如PCI2023～PCI2039、RQI2023～RQI2039等。
1.4 养护费用规划
对于公路路面在实际养护过程中所涉及投入规划方面的全部资金，应以区域路段第一年费用预算为基准，并在未来几年内逐步递增直至最后一年。而在第一年路面费用规划时，必须针对公路区域桥头、桥面及路段进行综合性费用计算，制定合理的费用投入标准，如实际费用超出制定预算，则必须详细分析预算增加原因，并重新制订整体费用预算计划。除此之外，应在结合路面衰变值、养护技术应用状况的基础上，合理制定费用效益比，其详细计算公式如式（1）、式（2）所示。
式中：BCR——费用；
ΣB——各项参数长期积攒的实际养护效益；
C总——全部养护费用综合；
J——路段优先养护区域费用指数；
Bi——第i 种公路路面养护方案的实际效益值；
ti——第i 种公路路面实际养护方案工程开启时间；
tl——表示路面养护相关技术实施与路面性能衰变的触发值的具体时间点。在养护工程具体实施过程中可制定相应的优先级，其主要包括对PQI 技术状况的优先级排序，若各路段PQI 数值指标相同则必须根据RDI、PCI 参数数据大小进行合理的费用投入排序。一旦实际费用超出原始费用规划，则必须对优先级指数较高的路线进行优先实施养护作业，而针对优先级较低的工程路段可暂时对其实行弃养处理，在所缺少的工程费用全部补齐时，再对其实施养护作业，并重新调整养护费用投入计划。
2.1 工程概况
以某高速公路工程为例，该工程全长140.132km，为国家重点高速公路工程。该公路自开通以来车辆超载、重载现象屡见不鲜，又因长期受到区域多雨天气等方面的因素影响，各个路段均存在不同程度的路面病害，严重威胁着区域路段车辆交通安全。因此，必须运用合理方式加以控制。
2.2 公路现状
经过相关人员实地勘察，结合往年相关的各项检测数据分析得知，该公路路面养护问题主要包括以下3点：①交通严重过载。经过对公路原始图纸进行分析和研究得知，该公路设计轴次为每年1.488×107次，经过交通数据统计后发现早在2020 年便已超出原始设计轴次，这也是引起公路病害的主要因素之一。②反复修补区域损坏率极高。因该公路通车时间已超过15 年，很多路段早已经过多次修补，但在修补路段重复发生病害率竟高达60%，且在修补路段病害已逐渐向周围路面延伸，其主要原因在于新旧路面层间衔接不良，也同样表明以往采用的路面修复方式存在一定问题。③路面积水损害及开裂病害多发。目前，该公路很多路段均存在不同程度的唧浆、松散和坑洞，这表示该公路排水系统和混凝土结构稳定性较差。而路面开裂病害主要以龟裂和横纵向裂缝为主，横向裂缝主要是因为当地气候早晚温差和季节温差过大，部分路面薄弱区域长期在热胀冷缩作用下导致。纵向裂缝病害则多数因为区域车辆超载或重载而引发剪切疲劳所导致。而龟裂病害则主要是因混凝土结构材料结合性较差、交通过载及区域路段疲劳导致[2]。
2.3 预测模型对比分析及选择
根据上述案例公路实际情况分析，并依照相关公路预测模型构建条件和构建原则，主要对下列3 种预测模型进行对比分析，模型一：以区域路面结构性能及实际损坏状态PCI 指数、车辆行驶质量PQI 指数作为性能参数变量，并结合公路设计使用寿命作为影响变量来构建详细的预测模型，如式（3）、式（4）所示。
式中：字母a-e 部分——模型具体参数；
y——道路使用时间。模型二预测模型计算，如式（5）所示。
式中：PPI——公路区域路面实际性能指数；
PPIO——路面初始性能指数数值；
y——道路使用时间；
而β 和α——模型参数值。模型三则属于一种S 型预测模型，其具体计算公式如式（6）所示。
式中：RCI——性能预测详细参数指标数据；
RCImax——最大路面初始性能数值，通常将其设定为98～100；
RCImin——最低性能指数值，通常可将其设定为30～40；
T——路龄；
a1和a0——各个模型参数数值，其对公路初期使用性能和后期使用性能衰减率有着较大影响，详细数据需根据相关标准及工程实际情况来综合设定。
经过一系列预测分析，通过以上3 种模型计算拟合预测相应的公路RQI 及PCI 数值，并详细考虑其在实际工程中的可行性，并运用相关软件测算出该工程2015—2020 年的PQI 和PCI 中的平均预测值及相对误差，如表1、表2 所示。
表1 三种模型PCI 平均预测值与相对误差数据
表2 三种模型PQI 平均预测值与相对误差数据
由上述表1、表2 数据得知，虽然1 号预测模型和3 号预测模型所预测数据完全能够满足工程项目预测需求，但2 号预测模型预测数据误差值与实际指数相差最少。因此，本次案例工程最终决定以2 号作为工程参数指标预测模型。
2.4 预测模型参数及性能衰变曲线分析
在2 号预测模型中，主要通过α、β 作为衰变曲线参数，并根据相关计算方法来准确判读性能变化规律，通常上述两项数值可通过数据观测而获得。工作人员结合以往相关经验和数据分析，可将α 值设定为2～20，并将β 变化值设定为0.2～2。将公路性能各项参数PRD、PQI 和PCI 进行预测合并，利用2 号预测模型进行综合计算，最终得出以2020 年原始公路信息数据为基准，对未来10 年（2020—2039 年）公路性能数据进行综合预测，最终得到相关的性能衰变曲线区间数据。而随着车辆荷载及使用年限的不断增加，整体公路使用性能会在10 年内持续下降。在结合衰变测算数据后，相关工作人员已将案例工程结构强度、面层厚度及交通荷载等数据引入2 号预测模型，所获取的最终性能参数如下：该工程PDI 曲线因子测算数据为0.882、寿命因子测算数据为7.647。PQI 曲线因子测算数据为0.919，寿命因子测算数据为9.491。PCI 曲线因子测算数据为0.847、寿命因子测算数据为7.517。由此便可基于上述测算出数据对未来路面各项性能指标进行综合分析和评估[3]。
2.5 养护决策分析
公路路面在长期使用过程中，其本身性能随时可能因行车荷载或环境因素而大幅度衰减。当外力荷载超出路面极限承受能力时，便会产生各种公路病害而影响正常交通。因此，必须采取适当方式加以处理和修复。养护决策主要是对现有路面实际状况进行分析和研究，并全面分析工程经济性、技术性及其他影响因素，最终制定具有针对性的路面养护方案，进而提升路面养护效果。为此，下文主要针对本案例工程K1567—K1634 路段进行各项性能指标的预测和分析，并结合公路相关要求规范和法律法规，制定详细的路面养护方案。在经过一系列实际调查后得知，针对该路段RDI指数已达到80 以上、RQI 指数已达到90 以上、PCI 指数同样达到90 以上区域。为此，可主要采用加铺罩面方式进行区域路段修复。
2.6 详细养护方案
2.6.1 路面问题分析
经过上述计算得知，该区域路段轴载量早已超出设计次数，通过相关力学计算，该公路已无法达到标准公路强度要求，至少需增加9cm 沥青路面才能符合标准公路荷载要求。此外，在路面病害方面，整体路段PCI数值较低，这主要源于很多路面大范围病害较多，其中主要包括横向裂缝、纵向裂缝、块状裂缝及龟裂等病害，且病害程度各不相同、类型多样、分布范围较广。而PQI 数值过低，主要源于桥头跳车、不均匀沉降等不良现象居多，其路面破损、反复修补区域较多，进而导致整体路面平整度较差[4]。
2.6.2 方案选择
在充分明确2023 年度公路养护标准的前提下，结合实际病害特点和病害类型，应在制定详细公路养护方案时，分别对路基沉降、桥面及基段病害制定不同的修复方案，其主要实施方案包括以下3 点：①普通路基段养护。针对普通路基区域养护方面，必须结合具体情况根据路面实测强度信息，综合分析交通荷载及区域环境气候等因素，以加铺罩面为主要处理措施，在原始路段区域加铺适当厚度的混凝土沥青路层（本次案例工程沥青铺设厚度为9cm），充分结合原始路面建设结构进行合理建造，适当调整路面坡度，对纵断面区域病害加以修复和优化，进而延长公路使用年限。②桥梁段养护方案。应基于原始桥梁恒载标准，实施铺装铣刨在原始桥面上敷设两层或两层以上同配比规格的沥青混凝土，并采取合理方式进行加固防水层。③路基沉降段养护方案。大部分桥头软土过渡区域极易产生不同程度的沉降反应，进而导致桥头跳车、桥头高低不平及路面裂缝等一系列病害发生，严重降低路面使用性能。针对此类情况，可在加铺两层或两层以上混凝土的前提下，运用柔性基层结构对其实施路面调平处理，并基于纵断面坡度情况来制定整平方案[5]。
综上所述，应以区域公路实际情况，合理构建路面RDI、PQI 及PCI 等数据模型，采用误差值最低的模型构建方法来测算各种路面性能数据，对未来10 年公路性能状态进行精确预测，并基于相关预测数据制定相关公路路面养护策略，进而为区域路段提供一个长期稳定的安全保障。
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