北京市五环路病害分析与养护对策研究

田 涛

（住房和城乡建设部标准定额研究所，北京 100835）

1 引言

北京市五环路自2004年建成并取消收费以来，对服务首都经济、保护环境、缓解交通压力等方面起着极为重要的作用，具备着高速公路和城市快速路的交通属性和功能，承担着更大的过境交通流量压力[1]。而交通量大，通行车辆结构复杂，导致路面出现了不同程度的破损。由于五环路的建设和运营维护的特殊性，可参考的项目又极少，因此，本文通过实测调研交通量和道路病害调查监测，分析了路面病害成因、分布特点、严重程度、以及相关重要技术指标，针对不同标段的具体病害状况，利用综合检测方法全面分析五环路病害特征，提出适应多种病害类型的养护维修对策技术方案，可操作性强，研究成果可以为五环路整体道路质量性能的提高提供技术支持。

2 工程概况

北京五环路于2000年11月开工建设，至2003年10月底完工（见表1），全长98.775km，设计行车速度为100km/h，双向六车道加连续应急停车带。主路为双向六车道，单向车道3m×3.75m，每侧硬路肩3.25m，土路肩宽0.75m；匝道为路面宽7m，路基宽8.5m，每侧土路肩宽0.75m，五环路建设情况见表1和图1。

表1 五环路建设情况

图1 五环路段位置示意图

五环路道路路面全部为沥青混凝土路面，从2000年建设开始，进行了相关养护维修工作，具体情况如图2所示。

图2 路面建养情况

3 交通量情况

根据五环路特点，交通量按规范中车型折算系数换算为小客车交通量，并采用高速公路服务水平分级和最大服务交通量（小客车量/h/车道）划分标准[2]，得出五环路预测的各特征年交通量（非路上收费），见表2。

表2 五环路各特征年分路段交通量预测（非路上收费）

为比较预测量与实际量的差距情况，在五环路设置了4个交通量人工观测点，采用常规调查方式，在每月的10日、20日进行24h的双向交通量人工观测，得出年平均日交通量数据，具体情况见表3。

表3 2013年交通量观测站年平均日交通量

通过对2013年的实测值和预测值对比可以看出：2013年的预测交通量在6万左右，在4个交通量观测站中，一个观测站的交通量与预测持平，两个站点的交通量较预测值约高出50%，交通量最高的站点甚至是预测值的两倍，交通荷载过大加速了路面的破坏。

图3 五环路段位置示意图

由图3分析可知，五环路基本以小汽车通行为主，约占65%～80%，其余车辆为特大、大、中、小货车、大型客车和集装箱等车辆类型。2013年交通量折合成标准小客车数量为11万辆～16万辆，已超过六车道高速公路的适应交通量（六车道高速公路应能适应各种汽车折合成小客车的年平均日交通量4.5万辆～8万辆），五环路累计交通轴载作用次数已经超过设计轴载作用次数，达到大修年限。

4 路面病害调查

4.1 病害统计

经对旧路表面病害类型和位点调查统计，横向裂缝、纵向裂缝和坑槽等是最常见的病害类型，见表4。

表4 路面破损类型分布情况

根据表4可知，三个车道路面破损类型基本相同，出现最多的病害类型为横向裂缝、纵向裂缝和坑槽，局部路面出现严重的龟裂病害，主要原因有：①道路使用年限长，路面建成时间较早，自2001年～2003年建成通车后仅进行过中小修处理，表面沥青层老化，沥青层抗疲劳性能、抗弯拉性能降低。②道路交通量较大，虽然五环路重载车辆较少，但是超载的轻型车对路面也有很大破坏，超饱和的交通量也加速路面病害。③环境影响，较大温差产生温度应力，形成纵、横缝，湿度加速这一作用[3]。

4.2 取芯分析

为了掌握不同程度路面病害发生位置所对应的面层和基层的实际损坏状况，了解不同程度路面病害破坏状况与面层和基层实际损害状况的联系，对典型路面病害位置进行了取芯研究。取芯方法主要有：根据道路的破损实际情况，选取典型病害的路段；在不同的建设期进行典型路段取芯；车辙主要集中在五环四期，取芯要选择在车辙较深的位置，每个断面取三个芯样，分别在车辙波谷和两侧波峰各取芯一个。其余路段主要根据破损的情况，选择横、纵裂缝较多或者出现龟裂的位置。

根据取芯结果分析如下：共计取芯168个，其中36个芯样取到基层。在取芯结果中有80.4%的样芯面层完好、光滑完整；19.6%的样芯显示基层破碎、破损、断层，但是样芯的面层完好、表面光滑，主要集中在横裂缝、纵裂缝的路面。取芯位置病害类型及样芯情况如图4、表5所示。

图4 取芯位置病害类型统计

表5 取样样芯情况

由图4、表5可知，五环路路面病害主要是车辙、纵横裂缝、龟裂等，主要分布在外环外道、内环外道，这和外道通车流量大、大型车占比多等因素紧密相关。通过两年的取芯分析，说明大量裂缝开始出现后经过了路面使加速破损，因位于裂缝处的芯样多数都出现了表面的裂缝贯通下行发展到了整个面层（包括表面已经采取灌缝和封缝措施的芯样）。表面的横向裂缝向下发展后，路面出现的细微裂缝无法阻挡水的浸入，浸入的水在交通荷载的反复作用下使内部结构破坏。当裂缝出现后灌缝和封缝措施能够有效阻止水向下浸入，防止对道路结构产生快速的破坏，但是无法阻止裂缝继续发展。

经过抽样实测发现，旧路材料油石比在5.2%～6.0%，平均值为5.51%，与常规SMA-16设计的油石比6.0%相比普遍较低，沥青不足以裹覆集料，沥青混合料强度降低；矿料组成中骨料偏细，表明骨料受到较多磨损；填料部分通过率偏低，表明填料有损失。取芯试验情况如表6所示，由表6可知，针入度和延度大幅度下降，沥青软化点提高，表明沥青中油分和轻质成分减少，沥青老化较明显。总体情况表明，沥青胶结料的含量在降低，胶结料在老化，性能在下降。

表6 取芯实验情况

5 路面技术状况

依据以往有关北京市沥青路面评价方法研究成果[4]，结合五环路的病害调查情况，对五环路沥青路面使用性能相关指标进行检测，路面技术状况评价主要以路面损坏状况指数PCI、路面车辙深度指数RDI、以及路面结构强度指数PSSI为主（图5～图14）。

图6 行车道路面损坏状况指数分布图

①路面状况指数PCI。

PCI结合了路面损坏类型、损坏程度、损坏范围或密度等方面的定量状况，PCI计算公式如下：

式中：DR—路面破损率（%）；

A—调查的路面面积（m2）；

Ai—第i类路面损坏的面积（m2）；

Wi—第i类路面破损的权重。

图7 外车道路面损坏状况指数分布图

路面的PCI评定等级中及以下集中分布的路段主要在下行超车道K86-K68、下行行车道K59-K53、上行外侧行车道K18-K24、下行外侧行车道K95-K74、K29-K23等路段，行车道上、下行方向中及以下路段间断分布在整个路段中，其原因可能是由于对于较差的路段在2011年实施了路面维修工程，整体来看，超车道的路面状况相对较好。

②路面车辙深度指数RDI。

沥青路面车辙是路面结构各层永久变形的积累，其变形对路面平整、使用性能、行车安全和舒适均有重要影响。RDI计算公式如下：

RD—车辙深度，mm；

RDa—车辙深度参数，采用20mm；

RDb—车辙深度限值，采用35mm；

a0—模型参数，采用2.0；

a1—模型参数，采用4.0。

图8 超车道路面车辙深度指数分布图

三个车道中车辙深度较大的集中分布路段主要为下行行车道K62-K47、下行外车行车道K47-K29，主要因为此路段受到货车较多的影响，车辙深度较其他路段严重。

从表3看出，恩诺沙星与氟苯尼考、多西环素与阿莫西林、阿莫西林与氟苯尼考联合用药对鼠伤寒沙门菌产的FIC指数分别为3.00、3.00和6.00，即产生拮抗作用；氟苯尼考与多西环素联合用药的FIC指数为1.50，即为无关作用；阿莫西林与恩诺沙星联合用药的FIC指数为0.38，即产生协同作用。

③路面结构强度指数PSSI。

路面结构强度计算时需对实测代表弯沉值进行测定，实测代表弯沉值取相应检查路段中所有检测值的代表值，采用弯沉检测仪进行检测。路面结构强度指数PSSI按下式进行计算：

式中：SSI—路面结构强度系数，为路面设计弯沉与实测代表弯沉之比；

Ld—路面设计弯沉（mm）；

L0—实测代表弯沉（mm）；

S—1个评定路段内各项修正后的全部测点弯沉的标准差（0.01mm）；

Za—与保证率有关的系数。

图11 五环路内环路面弯沉值

图12 五环路外环路面弯沉值

图13 五环路上行方向（内环）PSSI评定结果

图14 五环路下行方向（外环）PSSI评定结果

通过对五环路的弯沉检测和计算，得出路面强度指数PSSI值都在90分以上，路面结构强度满足使用要求，均处于优级。

综合以上各项指标分析，根据五环路检测结果，可得出公路技术状况指数分布表，见表7。

表7 路面技术状况

由表7可知，路面损坏状况指数：超车道评定等级为优，行车道和外侧行车道评定等级均为良。路面行驶质量指数：三个车道评定等级均为优。车辙深度指数：外侧行车道的外环方向评定等级为中，其余路段均为良。

6 养护对策

6.1 养护需求分析

根据病害调查和路面技术评价结果，五环路内部破坏状况为：病害多发生在表面层，下部结构基本完整；结构层间粘结状况为：各结构层之间粘结紧密，部分出现材料松散，整体性较好；根据路面技术测算结果，基层基本完整，状况良好，维修措施可以更换面层、基层局部处理，按强度设计面层厚度。路面材料性能评价情况为：沥青混合料基本满足设计要求，但是沥青材料严重老化，芯样虽然比较完整，但是局部松散。

表8 总体养护需求评价

考虑未来交通发展及路面老化状况，建议本次养护以恢复路面功能为主，适当提高结构耐久性，采取挖补、罩面、预防性养护等多种措施结合的维修方式。

6.2 养护原则

①应按照“分段设计、分类处理、分期实施、合理决策”的养护设计基本要求，保证养护设计方案的针对性和科学性。

②应从“结构、材料、荷载、环境、经济”等方面综合考虑，实现养护方案与路面使用性能的匹配，技术指标与经济指标的兼顾。

③应结合路面养护方案的长期性能预测和养护规划结果，采用全寿命周期经济分析方法评价路面养护方案的长期经济效益。

6.3 养护对策

通过五环路路面的检测数据和取芯结果可以看出，五环路至今已经投入使用超过10年，由于交通量大，路龄较长，路面出现了严重的破损，为了保持良好的道路行车环境，建议重点对该路段进行维修。具体标段为：K70-K88、K88-K28、K28-K45五环路部分路段外环道路工程，以及五环路K70-K98.775、K0-K45内环道路工程。主要工作内容为精拉毛、铣刨路面、黏层、超薄磨耗层、雾封层及温拌SBS改性沥青混凝土、SMA沥青混凝土的施工，桥梁伸缩缝、雨水管的加固与维修，以及路面标线的重划、安全设施的养护等[5-7]。具体养护措施见表9～表15。

①K88-K28段。

表9 K88-K28段主路路面养护方案

紧急停车带罩面厚度为3.5cm，罩面层材料同行车道。K12+380-K21+600路段表面层采用4cmSMA-13（SBS改性沥青、玄武岩纤维），K12+380-K97+140路段表面层采用4cmSMA-13（橡胶沥青、木质纤维），主路出入口表面层采用4cmSMA-13（SBS改性沥青、木质纤维、抗车辙剂）。

表10 K88-K28段桥面养护方案

表11 K88-K28段匝道养护方案

②K28-K45段

表12 K28-K45段主路路面养护方案

表13 K28-K45段桥面养护方案

内环仅对路面和桥面病害进行挖补处置，路面性能良好段不做处置。紧急停车带罩面厚度为3.5cm，罩面层材料同行车道。连续车辙路段（外环K44-K30）表面层采用SMA-13（SBS改性、湖沥青、木质纤维）。

③K80-K88段

表14 K80-K88段主路路面养护方案

表15 K80～K88段桥面养护方案

④K70-K80段。

对路面和桥面破损进行处置，处置方法为表面层挖补，路面回填5cm SMA-16（SBS改性沥青、木质纤维），桥面回填4cm SMA-13（SBS改性沥青、木质纤维）。

7 结语

本文通过对五环路的技术状况的研究和分析，得知北京市五环路由于实际交通量远超设计预测值，交通结构也发生了较大变化，加速了路面损害，尤其是外环外道、内环外道的病害类型交错且分部较多，旧路材料油石比的普遍较低导致了沥青性能的不断下降，大部分标段路线达到了大修年限。为保障通行安全性和驾驶的舒适度，亟需对五环路进行系统性的养护维修。研究结果提出了养护需求分析、养护原则、养护技术等内容，可以为华北地区高速公路的养护策略提供较好的参考。

但是在研究工作中也存在不足的地方，需要进一步的深入研究。①需要进一步扩展对沥青路面的相关参数测量和研究，深入分析路面抗滑性能指数SRI、路面行驶质量指数RQI等情况，提高沥青路面使用性能PQI评价质量，精确的研究不同病害类型的养护对策。②由于五环路的交通量已经接近饱和状态，高峰时段会出现拥堵状况，全天需要实行不断行施工，所以要充分考虑施工对道路运行的影响，研制经济合理的施工组织设计和交通导改计划，以确保施工作业顺利进行，保障车辆安全行驶、交通通畅。③五环路的养护工程具有工期紧、交通量大、工程种类多等特点，且施工时间多在夜间（夜间24:00～次日凌晨5:00），因此，需要研究每日合理的施工计划、各种机械设备最优化调配，以提高施工作业的效率。

建议在施工区内按半幅施工的方式，在确保现况现状五环路交通不中断的前提下，逐段进行路面养护施工。如先从施工流水段起点向终点对内侧两个车道进行施工作业，最外侧行车道和紧急停车带保持车辆的正常通行；内侧两车道施工完成后，再对最外侧车道和紧急停车带进行道路大修施工，内侧两个车道保持车辆的正常通行。