既有高速公路改扩建工程路面性能评价及利用策略

江 臣，杨 洋，胡洪龙，程 龙，张定一

(1. 江苏省交通工程建设局，江苏 南京 210001；2. 华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210001；3. 东南大学，江苏 南京 210001)

0 引言

截至2019年，中国高速公路的通车里程约为14.96×104km，规模居世界首位，但我国高速公路的设计基准期较短，仅为15 a。其中双向4车道的高速公路为12.25×104km，双向6车道高速公路2.14×104km，双向8车道高速公路0.57×104km，双向4车道高速公路占全部高速公路的81.9%[1]。随着我国国民经济的快速增长，早期建成的双向4车道高速公路交通量和交通荷载不断增加，原有设计通行能力与日益增长的交通需求之间的差距越来越大，一定程度上阻碍了区域经济的增长。我国自20世纪90年代开始大规模修建高速公路，截至2019年年底，我国已建成的高速公路中有近1/3的高速公路服役周期超过15 a，部分高速公路已达到使用末期[2-3]。因此早期建成的诸多高速公路急需进行改扩建来改善现状，在改扩建工程实施前，必须对既有高速公路路基路面结构现状进行分析与评估，进而科学地制订既有路面结构的利用策略[4]。

各个国家和地区都制订了相应的路面使用性能评价体系，国外比较具有代表性的有美国AASHTO-PSI[5](现实服务指数)指标，德州PMIS路面管理系统-CS[6](路况得分)指标，而国内则主要包括《公路技术状况评定标准》(JTG 5210—2018)[7]及《公路沥青路面养护技术规范》(JTG 5142—2019)[8]中的PQI(整体性能指标)及PCI(破损率)等指标。但现有评价体系主要面向公路养护管理，在高速公路改扩建工程中适用性受限，导致老路处治时缺乏关键控制指标，无法为高速公路改扩建工程旧路评价和利用策略的制订提供充分的依据[9]。

欧洲地区24个国家历时4 a，对欧盟地区的不同等级的道路以及各类型路面进行系统、细致的分析，最终形成了涵盖路面设计、养护和改扩建，满足既有道路目前以及未来需求的路面性能定量评估体系COST354[10-11](European Cooperation in the field of Scientific and Technical Research)。相比于我国《公路技术状况评定标准》中路面性能评价体系，COST354评价体系具有以下两个方面的优势：(1)引入3项综合性能指标，基于单项指标、综合指标及总体指标构造3级网络结构，使得总体性能指标的得分更加全面；(2)在生成综合指标时，允许单项指标交叉引用，即某一单项指标可能同时影响3项综合性能指标，这使得各单项指标的权重确定更加符合实际状况。

因此，为改进我国评定标准中综合指标存在的不足，本研究将COST354模型应用于我国高速公路改扩建路面评价，建立能综合反映实际路面使用性能状况的评价指标。然而，考虑到COST354确定单项指标的得分会导致单项指标的分级过于严格或得分结果与我国实际路况不相符的情况，本研究首先分析了国内外评价体系的差异，依据我国规范中各个单项指标的分级水平和我国高速公路病害特征对COST354模型中单项指标的分级标准进行修正；其次，考虑实际病害特点以及改扩建工程路面设计的实际需求提出旧路路面改造的利用策略；最终，以江苏省A和B高速公路为例，采用修正后的COST354模型对典型路段进行评价并制定相应的利用策略。本研究对改扩建工程中既有路面性能评级体系进行优化，为科学制定既有路面结构利用方案提供了参考。

1 COST354模型评价指标体系

COST354模型路面评价如图1所示，不同于传统的二元结构，模型首先将单项指标对路面使用性能的影响分为3项综合性能指标，再通过综合性能指标组合形成总体性能指标。这种指标组合方式能够将单项指标进行分类分析，使得权重系数组合更加合理[12-13]。此外，在利用单项指标组合综合指标时，COST354允许对同一单项指标进行重复调用，如车辙病害可能对行车安全性和路面结构性能都有影响，因此两项综合指标都考虑了车辙病害对其产生的影响，这种方法相比于传统评价体系对各指标的交叉影响考虑更加全面。

图1 路面性能评价体系Fig.1 Assessment system of pavement performance

在COST354模型中，使用性能总体评价指标(General Performance Indicators，GPI)由3个综合评价指标组成，每个综合评价指标由4项单项评价指标组成。如式(1)～(4)所示：

GPI=f(w1CPI1，w2CPI2，w3CPI3)，

(1)

CPI1=f(w11PIR，w12PIF，w13PIT，w14PISD)，

(2)

CPI2=f(w21PIE，w22PIR，w23PISD，w24PICR)，

(3)

CPI3=f(w31PIB，w32PICR，w33PIR，w34PIE)，

(4)

式中，GPI为总体性能指标；GPI1，GPI2，GPI3为综合性能指标，分别为行车安全性、行车舒适性、路面结构指数；PIE，PIR，PIT，PIF，PIB，PISD，PICR为单项性能指标，分别为平整度指标、车辙深度指标、构造深度指标、摩擦系数指标、承载能力指标、表面损坏指标和裂缝指标。

为了尽可能使权重系数最大的单项指标的影响在结果中得到体现，COST354模型中沥青路面综合指标CPI以及总体指标GPI的计算使用了最大优先准则[14]。

(5)

(6)

式中，I1≥I2≥I3≥…In；I1=w1·P1；I2=w2·P2；…；In=wn·Pn；wi为单项指标的权重；Pi为单项指标的得分；p为控制总影响力的影响因子，推荐值取0.2。

基于优先最大准则理论，提出了考虑其余各单项指标对总体指标的平均影响的计算方法。GPI评价标准如表1所示。

表1 COST354模型路面总体性能指标评价标准Tab.1 Assessment criterion of pavement overall performance indicators for COST354 model

2 修正COST354模型评价指标

2.1 修正单项评价指标及评级标准

COST354模型单项指标的分级虽然同我国评定标准类似，但病害计量方法和分级标准具有一定的差异。本部分从以下两个方面对其单项指标进行修正：(1)单项评价指标方面，两者部分病害的统计方式存在差异，如裂缝、表面损坏等，因此需要对COST354模型单项指标的病害计量方式进行修正，使其满足我国工程实际的需求；(2)在分级标准方面，利用我国规范中路面性能评价的单项指标分级标准对COST354模型的单项指标标准进行修正。

以平整度指标为例：

COST354以PIE指标作为评价路面平整度的指标，其与国际平整度指数IRI的关系如式(7)所示：

PIE=MIN(5；0.173 3IRI2+0.714 2IRI-0.031 6)。

(7)

COST354及我国规范中路面平整度分级标准如表2所示。

表2 COST354模型及我国规范中平整度评价标准对比Tab.2 Comparison of evenness assessment criteria between COST354 model and Chinese specification

从表2可以看出，欧洲地区国家在公路建设及管理等方面较我国更加严格，但由于表征指标、实际使用状况等方面的差异，不能直接应用于我国的高速公路。因此，可通过修正欧洲评价模型参数达到适用我国高速公路路面使用性能评价的目的。

将国际平整度指数IRI的标准分级界限值与PIE的标准分级界限值进行回归，得到修正后的回归模型如图2所示，修正后的转换方程如式(8)所示。

图2 修正后的平整度评价模型Fig.2 Evenness assessment model after revision

PIE=MIN(5；0.177·IRI2-0.178·IRI+0.468)，

R2=0.999 8。

(8)

按照上述方法对平整度、车辙深度、构造深度、摩擦系数及承载能力的分界标准进行修正，同时对裂缝和表面损坏指标的统计方式进行统一，各单项指标的评级标准转化公式如表3所示。

表3 各指标对应的转化公式Tab.3 Conversion formula corresponding to each indicator

2.1.1 基于层次分析法确定单项指标权重

原有各单项指标的权重系数推荐范围是在欧洲道路系统的基础上提出的，不能完全适用于江苏省高速公路的具体情况，为了进一步确定各单项指标的权重系数，需要对其进行修正。按照层次分析法确定各单项指标权重过程如下[15-16]。首先，根据图1确定COST354模型的结构层次并构造3个综合指标的判断矩阵如表4所示，并借助Matlab分别计算出各矩阵的最大特征值以及特征向量，并计算其一致性指标CI和CR。结果表明：CR1=0.003 7，CR2=0.003 7，CR3=0.003 7均小于0.1，由此可知，通过层次分析计算的各指标权重系数分配合理，可以接受。

表4 综合指标判断矩阵Tab.4 Comprehensive indicator judgment matrix

在计算各项综合指标时，由于规定最重要单项指标的权重系数必须为1，因此，需要将以上各单项指标的权重系数根据表3中的公式进行线性转化，转化后结果如表5所示。

表5 单项指标权重系数的转化结果Tab.5 Conversion result of single indicator weight coefficient

2.1.2 修正综合指标权重

在确定重要性判断矩阵时已经综合考虑了江苏省高速公路的病害特征[17-19]以及改扩建项目的要求，因此构成总体指标的3项综合性能评价指标的权重系数参考值如表6所示。

表6 综合性能指标权重系数参考值Tab.6 Reference values of comprehensive performance indicator weight coefficients

以A高速和B高速为例，通过对比不同权重组合条件下GPI评级较差路段与横向裂缝以及车辙指标较差路段的重合率，确定最优综合性能评价指标的权重系数，如表7～9所示。

表7 1-1-1权重系数下GPI评级与实测病害路段重合率Tab.7 Coincidence rate between GPI rating with 1-1-1 weight coefficient and measured diseased road section

表8 1-0.7-0.65权重系数下GPI评级与实测病害路段重合率Tab.8 Coincidence rate between GPI rating with 1-0.7-0.65 weight coefficient and measured diseased road section

表9 0.65-0.7-1权重系数下GPI评级与实测病害路段重合率Tab.9 Coincidence rate between GPI rating with 0.65-0.7-1 weight coefficient and measured diseased road section

通过对比上述结果，可以看出，综合指标权重组合为1-1-1时，即认为3项综合性能指标同等重要条件下，各单项指标与总体性能指标GPI的重合度在A和B高速都能达到较高的水平，因此确定最终综合性能评价指标的权重系数如表10所示。

表10 综合性能指标权重系数确定值Tab.10 Determined weight coefficients of combined performance indicators

综上所述，本研究所提出的基于江苏省公路破坏特点修正的COST354沥青路面使用性能评价模型如图3所示。

图3 修正后的COST354沥青路面使用性能评价模型Fig.3 Revised COST354 asphalt pavement performance assessment model

2.2 修正COST354模型验证合理性验证

为了对修正模型的可靠性及工程应用性进行验证，明确修正模型的特点，本研究将从以下两个方面进行讨论。

2.2.1 修正COST354模型综合性能指标评价结果与单项病害的一致性分析

以A及B高速病害数据为样本，按照100 m分段对横缝间距，车辙深度以及修正COST354评级进行统计，通过比较COST354总体指标评级与两个单项指标的一致性来判断修正COST354 模型的适用性。同时为说明该模型的泛用性，除A高速两个方向4条车道数据外，另外取B高速上、下行4个车道作为参照加以对比说明，如表11所示。

表11 COST354模型评价结果与实测病害路段重合率Tab.11 Coincidence rate between assessment result by COST354 model and measured diseased road section

从表11的重合率可以看出，实际高速公路典型病害状况严重的路段绝大多数被包含在COST354评级较差的路段中。尽管横向裂缝和车辙是两种不同类型的病害，但两项典型病害较差路段均能在COST354总体性能指标评级下得到反映，因此有理由证明COST354模型的可靠性。

2.2.2 修正COST354模型评价结果与现行规范评价指标一致性分析

(1)总体性能指标

为了进一步说明修正COST模型的特点，以A高速数据为例，借助我国规范的总体性能指标和单项性能指标进行对比说明。由于我国规范采用的是百分制，而修正COST354采用的是5分制，两者数据较难直接比较，对修正COST354 确定的GPI进行数据转化，使其转变为百分制，与我国规范直接比较。转换如式(9)所示：

(9)

将转化后的GPI值与我国规范确定的PQI进行比较，如图4所示。根据我国规范总体指标与修正COST354总体指标的对比可以发现，修正COST354评价体系计算出的得分相对于我国评定标准的总体指标要更加严格，除个别路段外普遍低于我国PQI指标。

(2)单项性能指标

由图5～6可知，我国规范PQI指标与抗滑性能指标(SRI)及行驶质量指标(RQI)的趋势相近，说明PQI主要受这两项单项指标影响。SRI和RQI指标在养护评价时需要重点考虑，而在改扩建工程中需要重点考虑的是裂缝、车辙等病害。然而，修正后的COST总体性能指标(GPI)与车辙深度(RDI)的趋势较为相近，说明GPI主要受RDI的影响。虽然该段抗滑得分相对较低，但该指标对GPI的影响有限，说明在改扩建旧路评价阶段制订的修正COST模型降低了抗滑性能的影响。

图5 A高速行车道单项性能指标与我国规范总体指标、COST总体指标关系Fig.5 Relationship among individual performance indicators of expressway A，overall indicators in Chinese specification and overall indicators of COST model

图6 B高速行车道单项性能指标与我国规范总体指标、COST总体指标关系Fig.6 Relationship among individual performance indicators of expressway B，overall indicators in Chinese specification and overall indicators of COST model

3 基于修正COST354模型的旧路路面改造利用策略

根据我国规范要求，结合工程实际特点，以1 000 m 为评价单元，对A高速路面破损率、横向裂缝间距、网裂面积率和修补面积率等病害特征指标进行统计分析。结果表明，A高速各路段的路面破损率<10%，横向裂缝间距>15 m，网裂面积率<10%，修补面积率<10%，各单项指标均未达到需要整体处治的界限。因此需要将总体性能指标与单项指标结合，同时进一步缩小路段划分标准，制订既有路面结构利用策略。

江苏省高速公路的典型病害为横向裂缝、车辙、坑槽等，为进一步制订旧路处治利用策略，以总体性能指标GPI为基础，结合15 m横向裂缝间距及10 mm 车辙深度界限值共同制订既有高速路面处治与利用策略。同时考虑到1 000 m路段划分存在的问题，进一步设置100 m分段的评价单元制定旧路处治与利用策略，如图7所示。

图7 既有高速改扩建路面性能评估及利用策略Fig.7 Performance assessment and utilization strategy of pavement in existing expressway reconstruction and extension projects

基本的流程如下：

(1)以1 000 m为评价单元，利用修正COST354模型对路面总体性能GPI进行评级。

(2)对于GPI为优的路段，按以下方法选择利用方案：(1)横向裂缝间距>15 m及车辙深度<10 mm 时，可对该路段仅进行局部病害处治或功能性修复。(2)横向裂缝间距>15 m及车辙深度≥10 mm 时，可对旧路铣刨至车辙发生层位并重铺。(3)横向裂缝间距≤15 m及车辙深度<10 mm时，可对旧路进行灌缝后加铺。(4)横向裂缝间距≤15 m 及车辙深度≥10 mm时，考虑对旧路铣刨至车辙发生或开裂层位后加铺。

(3)对于GPI为良或中的路段，取100 m作为评价单元重新计算GPI总体性能指标：(1)对于GPI为优的路段，参照以上步骤(2)确定利用方案。(2)对于GPI为良或中的路段，按以下方法选择利用方案：横向裂缝间距>15 m及车辙深度<10 mm 时，可结合结构及材料性能评价做进一步判断；其他情况，考虑对旧路进行铣刨重铺，具体的路面结构层铣刨利用方案需结合结构及材料层面的评价进一步制订。

(4)对于GPI为次及差的路段，考虑直接铣刨整个面层结构，同时根据铣刨后现场情况对基层做进一步评价。

通过上述利用策略可以根据路面总体性能指标GPI以及单项指标(横向裂缝间距、车辙深度)的组合确定总计6种旧路处治及利用方案，由于表观性能指标的局限性以及现有结构性能指标存在的区分度不大的问题，因此在旧路利用方案中给出了部分需要结合结构及材料性能指标共同确定的路段。

4 案例分析

结合上述旧路利用策略制订流程，以2019年A高速和B高速的修正COST354评级结果为基础，统计得到不同处治方案的路段数量。

A高速上行方向行车道统计结果可汇总如图8所示：

图8 A高速改扩建项目路面性能评估及利用策略Fig.8 Performance assessment and utilization strategy of pavement in expressway A reconstruction and extension project

(1)以1 000 m为评价单元，利用修正COST354模型对路面总体性能GPI进行评级可得到评级为优的路段为38个千米段，评级为良或中的路段为222个千米段，评级为次或差的路段为0个千米段。

(2)在评级为优的38个千米段中(对应380个百米段)：横向裂缝间距>15 m及车辙深度<10 mm的路段为371个百米段；横向裂缝间距>15 m及车辙深度≥10 mm的路段为0个百米段；横向裂缝间距≤15 m及车辙深度<10 mm的路段为9个百米段；横向裂缝间距≤15 m及车辙深度≥10 mm的路段为0个百米段。

(3)对评级为良或中的222个千米段(对应2 220个百米段)，取100 m作为评价单元重新进行评级划分，其中评级为优的路段为428个百米段，评级为良或中的路段为1791个百米段，评级为次或差的路段为1个百米段。

(4)在评级为优的428个百米段中：横向裂缝间距>15 m及车辙深度<10 mm的路段为404个百米段；横向裂缝间距>15 m及车辙深度≥10 mm的路段为0个百米段；横向裂缝间距≤15 m及车辙深度<10 mm的路段为24个百米段；横向裂缝间距≤15 m及车辙深度≥10 mm的路段为0个百米段。

(5)在评级为良或中的1 791个百米段中：横向裂缝间距>15 m及车辙深度<10 mm的路段为1 676 个百米段；横向裂缝间距≤15 m或车辙深度≥10 mm的路段为115个百米段。

同理对B高速两个行车方向4个车道的处治利用方案进行统计，如表12所示。

表12 A和B高速改扩建旧路评价及处治利用策略Tab.12 Old road assessment and treatment utilization strategy of expressways A and B reconstruction and extension projects

5 结论

本研究以高速公路沥青路面使用性能评价方法作为研究重点，针对现行规范中各指标区分度不明显，评价结果缺乏针对性，无法筛选出不良段落等问题，引入欧洲COST354模型对路面使用性能总体状况进行评价，主要有以下几点结论：

(1)首先利用我国规范对COST模型中单项指标(平整度、车辙深度、构造深度、摩擦系数及承载能力)的分界标准进行修正，同时将裂缝和表面损坏指标的统计方式进行统一，修正后COST模型能够反映单项病害交叉对路面性能的影响。

(2)借助层次分析法，根据江苏省高速公路沥青路面及改扩建工程的特点，对各项指标权重进行了修正。结果表明修正后的路面性评价指标具有更好的区分度，对路面使用性能的分级效果更为明显。

(3)基于修正COST354总体性能指标GPI对A高速和B高速路面使用性能进行分级，并结合横向裂缝间距及车辙深度指标，通过1 000 m和100 m路段评价单元，制订相关路段的处治和利用策略。

(4)根据我国现行评价标准，A高速和B高速没有需要整体处治的段落，而基于修正COST354评价标准，A高速5 200个评价单元和B高速3 380个评价单元中需要功能性修复的路段分别为1 667个和1 141个，需要整体处置的路段分别为1个和47个。