公路工程路面养护决策与规划

胡 博

（云南省交通规划设计研究院有限公司,云南 昆明 650299 ）

0 引言

公路工程对社会经济发展起到重要的促进作用，随着我国公路建设事业的飞速发展，当前已形成了以高速公路为主组成的国道主干线形成“五纵七横”的总体布局。随着社会经济的发展，很多公路原设计等级已经满足不了交通量暴增的需求。在过重的交通荷载作用下，路面结构出现早期破坏现象，降低使用性能，一些道路使用3~5年后出现纵（横）向裂缝、块状、龟裂等损坏，阻碍交通运输综合效益的发挥[1]。公路工程路面养护问题日渐受到关注，必须通过维修技术改造恢复，以保证公路路面服务功能的可持续发展。目前，我国公路养护管理存在许多问题，由于国家养护管理经验不足等原因，导致尚未形成完善的路面养护决策体系，如何建立科学的养护决策成为当前面临的重要课题。

1 公路工程路面养护管理概述

1.1 公路工程路面损坏状况分析

公路路面结构包括面层、基层以及底基层。面层为车辆提供行驶表面，承受行车荷载垂直力与冲击力的作用，应具有足够的结构强度、刚度与较好的水稳定性。基层是路面结构的主要承重层，要求具有良好的平整度[2]。垫层主要功能是改善土基的温湿度状况，并将路面结构所受到的车辆荷载应力，分散到整个路基上，以减少局部应力的作用。我国高速公路路面结构类型分为半刚性路面、刚性路面以及柔性路面等结构组合。公路路面结构形式选择是具有长期效应的决策过程，应从经济评价、能耗比较分析等方面综合研究。

路面结构是高速公路基础设施的重要部分，公路建成通车后在交通荷载下路面性能（比如抗滑性能）逐渐下降，影响车辆行驶和路面使用寿命。路面病害原因包括沿线排水系统与施工养护管理水平等因素[3]。沥青路面破坏按成因分为功能性与结构性破坏，结构性破损主要包括重度裂缝、车辙、沉陷、拥包等；功能性破损常反映为路面抗滑、平整度等性能低。近年来，我国新建公路工程路面以半刚性基层沥青路面为主，由于材料特性导致路面结构适应变形能力降低，对半刚性基层沥青混凝土路面使用性能认识不足，导致公路沥青路面破损加快。沥青路面早期破坏类型分为裂缝、变形及表面损坏等类型，其中水损坏是公路沥青路面早期破坏中的重要因素，降水进入沥青面层后在车辆作用下产生动水压力，破坏沥青膜与骨料的黏结，进而导致沥青混凝土松散破坏现象。

1.2 公路路面养护管理研究

随着我国公路建设的迅速发展，国家地区高速公路网逐渐形成，公路养护管理日益重要。公路养护是为确保建成运营公路保持良好使用性能，为车辆人员提供安全舒适保障开展系列养护工作。市政公路投运后随着服务年限增加出现损耗，必须对市政公路进行适当维修养护提高使用效益。目前我国公路养护工作分为大中小修类型，对公路养护不当会造成资源浪费[4]。公路路面养护实施中要采取预防为主、防治结合的方针，合理分配养护资金，确定养护类型[5]。路面工程是公路工程的重要部分，路面养护资金占公路养护的50%以上，路面预防性养护频率最高，通常用于防止病害发生或轻微病害扩展、减缓路面使用性能衰减、提升服务功能的路面。公路路面养护计划中要根据具体情况，处理好预防性和修复性养护的关系，优化养护资金的分配，延长路网使用寿命。

2 公路路面工程养护管理决策

2.1 公路路面养护管理决策经济分析

公路路面养护管理应用工程经济原理分析养护管理费用效益，确定最佳的养护时间与对策。路面养护的费用与效益分析是确定决策指标的主要依据[6]。养护决策主要是选择适当的养护时机和措施，相同路面破损可以采用不同养护措施，取得不同的经济效益。路面养护管理涉及费用包含道路和用户费用部分，车辆运营费VOC在用户费用中占比最大，VOC与车辆行驶距离及使用年限有关，车辆运营费用占比较大的因素包括油耗费与管理费。路面性能改善与提高养护费用降低管理成本有关，在路面养护管理优化决策时更多考虑养护维修费用。

公路工程路面养护决策优化涉及管理成本仅包括路面养护维修费用，需要分析路面养护管理成本构成成分，发挥养护资金的作用[7]。公路工程养护成本与安全维护费用较高。路面养护管理成本是公路养护成本的主要构成部分。半刚性沥青基层路面养护费用在公路养护投资中占很大比重。公路路面养护管理成本按养护费用计入成本划分方式分为直接和间接成本。直接成本包括人工材料费与现场经费等内容。间接成本主要包括企业管理费和相关财务费用等内容。要降低养护成本，可以通过开展预防性养护工作、制定合理的养护定额等技术措施实现。从养护管理体制层面讲，要规范培育养护市场，强化养护资金预算，降低养护管理成本。道路路面养护管理效益体现为直接与间接方面，计算用户费用需要进行车流速度预测等工作。路面养护管理间接效益主要反映在区域经济发展等方面。目前我国路面预防性养护管理研究处于起步阶段，需要改变传统养护观念，结合我国实际情况，采取预防性养护措施。

2.2 公路路面养护决策优化

公路是国民经济的重要基础设施，其可持续发展要求与社会经济资源动态协调发展。当前，我国国民经济整体水平较低，如何使公路系统内部与综合交通体系协调发展尤为重要[8]。公路养护管理应符合可持续发展的要求，在运营使用年限内使道路维持较高的服务质量水平。目前，我国公路养护管理普遍采用传统经验型养护模式，存在养护管理体制不顺、养护机械化水平较低等问题，必须进行养护管理体制改革，实现养护管理可持续发展，建立养护市场运行机制，强化公路养护资金预算，优化公路养护管理决策。

决策指采用科学理论方法，制定可选择行动方案，选定最优方案的过程，包含决策基础信息与方案等方面因素。随着现代科学理论的发展，产生自然与社会科学结合的决策科学。复杂系统决策是多目标阶段的系统优化决策过程。系统决策优化遵循最优化、科学性等原则。系统决策优化采用方法包括系统效能分析法和层次分析法等。路面管理是达到最大利润与路面寿命的方法论。随着公路运输的快速发展，路面养护管理决策数据采集量不断增大，导致路网多年存在优化决策问题的困难。集成是将较大路网根据路面状况等特征，合并项目优化决策。公路路面养护决策是多目标非确定型决策问题，路面养护管理决策中常用优化方法包括数学规划与人工智能优化法。人工智能优化法适用于大规模路网优化决策问题。

路网养护需求分析需要依靠微观路面检测基础数据完成，为路面养护资金分配优化等决策提供基本依据。以往路面养护需求确定，通过工程师根据经验判断需要养护路段采取措施，随着路面检测技术的发展，依据规范标准分析路面检测基础数据，增加决策的可靠性。根据公路路面性能，综合分析需要收集历年路面检测基础数据，采用模糊综合评价法，对路段计算道路行驶质量指数、抗滑性能指数等。公路路面养护指数EPQI与公路养护指数相同，区间评价指标应采用线路内指标算术平均值。公路路面养护对策选择依据路面使用性能状况，结合相关政策经济等因素分析确定。为减小决策问题的规模，需要利用路面性能组合状态等概念为决策规划模型建立奠定基础。

3 公路工程路面养护决策与规划实践

3.1 公路工程概况

某高速公路建成通车16年，设计速度80 km/h，路面标准轴截载为双轮轴载100 kN，路面结构为“4 cm厚细粒式改性沥青玛蹄脂SMA-13+6cm厚SBS改性AC-20F中粒式沥青混凝土+8 cm厚AC-25C粗粒式沥青混凝土+0.6 cm厚乳化沥青稀浆封层+38 cm厚水泥稳定级配碎石基层+20 cm厚级配碎石底基层”。随着公路交通量逐年增加，导致部分路段出现病害，需要养护维修。公路路面养护决策基于路面技术状况、养护资金规模、公路技术等级、使用年限、交通量大小及组成、气候条件等。公路制定养护决策前对路面技术状况分析评价，上行（桩号递增方向）PQI优等路率为96.22%，良等路率为3.78%，优良路率为100%。下行（桩号递减方向）PQI优等路率为100%，优良路率为100.00%。

根据现行《公路技术状况评定标准》，路面技术状况总体评定为“优”，优等路率为98.11%，优良路率为100%，次差路率为0.00%。该高速公路整体路面技术状况优良，但部分路段仍存在路面损坏较差、抗滑性能较差等情况，应对重点路段采取预防和修复养护措施。路面技术状况评定时，沥青路面裂缝宽度小于或等于3 mm损坏程度为轻度，裂缝宽度大于3 mm损坏程度为重度。规划养护路段公路路面破损情况评价标准为PCI不小于92为优。根据检测结果，对养护路段路面使用性能衰减情况进行分析，近5年间路基路段路面PCI指标变化规律为凹形衰减形态，养护路段整体PCI指标呈S形。养护路段路面RSI指标为上下波动形态。由于养护路段全线过去经过多次养护维修，使得路面使用性能指标呈现不同的发展状态，养护决策提出采用养护衰减幅度平均值为衡量指标。

3.2 公路路面养护决策与规划方案

公路工程路面养护决策需要从规划目标、养护标准与措施方面设计。工程逐步进入设计寿命周期，必须实施路面养护方案。养护规划以恢复至不低于路面原有技术状况为主要目的。养护目标定位于延长路面使用寿命，包括高速公路路面技术状况（PQI）优等路率保持在88%以上。普通国道PQI优良路率达到80%以上，其中东、中、西部分别达到88%、80%、72%以上。普通省道PQI优良路率达到75%以上，其中东、中、西部分别达到80%、75%、70%以上。年度预防性养护比例不低于8%，废旧沥青路面材料循环利用率为95%。养护规划要在充分考虑实际路况基础上设定标准值。工程路面养护以预防养护、功能性修复及结构性修复为主。路面损坏状况PCI在 90~92路 面 PCI≥ 90、RQI≥ 90、RDI≥ 80、SRI＜80时应进行预防性养护；PCI≥90、RQI≥90、RDI＜80时应进行修复性养护。养护规划包括子单元规划与总体设计实施。

沥青路面养护处治中，路面典型病害为纵（横）向裂缝、抗滑性能衰减、跳车等现象。病害主要集中在行车道上，养护工程处治段落应以行车道为主，并兼顾超车道的预防性养护。计划采取微表处或超薄罩面等预防性养护措施进行矫正性养护。5年内平均分配养护任务。

一般存在轻度裂缝的路段采取预防性养护措施。对于重度裂缝类、变形类路段，采取结构性修复的形式进行养护处治。养护路段中长下坡、急弯、雨水较多的路段使用性能较差，子单元养护规划时优先规划该路段，针对部分路段桥头跳车治理同步处理。公路养护结合路面性能衰减预测结果制定养护方案。实施计划为第一年罩面养护20 km，路基段路面铣刨重铺9.0 km经费投入估算1 056.0万元。第二年养护罩面养护经费投入估算3 357.2万元；预防性养护3.0 km，经费投入231万元。第三年一般路基段落路面铣刨重铺13.4 km，经费投入估算1 624.7万元。第四年一般路基段落路面铣刨重铺2.0 km，经费投入估算1 232.5万元。第五年罩面养护15.46 km，经费投入估算3 357.2万元，预防性养护7.0 km，经费投入411万元。

4 结语

公路是为国民经济、社会发展提供服务的基础设施，随着公路建设里程的增长，高负荷养护作业下经验式养护决策情况普遍，无法满足高质量快速决策的需求。由于缺少科学决策标准，导致养护维修对策设计不合理，造成运营周期内维护费用增加，因此，必须建立科学高效的公路路面养护决策系统，保证公路的运行效率，为路面管理决策者合理确定养护资金需求等提供科学支持。高速公路路面养护中，要以各检测指标状况为前提，充分掌握路面病害科学决策及时处理。养护规划中，采用中长期策略合理安排，延长路面使用寿命。