高速公路沥青路面动态养护决策分析

高速公路沥青路面动态养护决策分析

魏云龙

山东高速集团河南许禹公路有限公司 河南许昌 461000

摘要:随着区域经济相互联系的深化，高速公路工程得到了较快的发展。现代高速公路工程一般是采用沥青路面的建设方案，实施科学的路面养护是保障高速公路社会效益充分发挥的重要基础。传统静态养护措施虽然能够起到一定的效果，但与当前高速公路的实际动态运行情况适用性明显不足，造成沥青路面养护决策的制定实用价值不高。基于当前的高速公路沥青路面养护规范，创建合理的动态养护决策树，从寿命-周期与效益-费用的角度分析了路况、维护时间、维护费用以及维护质量等多方面因素的相互作用，得出具有较高实用价值的高速公路动态养护决策思路。

关键词:动态决策﹔养护决策树；效益费用比；高速公路

1引言

高速公路投入使用后需要不定期对路面结构进行养护，以保障通行的舒适性与安全性，延长高速公路的寿命。针对高速公路沥青路面的养护需要考虑路基路面设计形式、道路交通情况、环境情况以及气候条件等因素，实施养护管理决策是为了在有限的资金条件下实现最佳的养护效果。现阶段，高速公路沥青路面的养护往往是被动式的，即在路面出现质量问题后才进行修补、加固等养护措施。随着交通运输业务量的增长，传统的静态养护决策由于缺少足够的数据信息统计与分析，无法进行高速公路沥青路面状态的动态评估，进而无法确定实施路面养护的最佳时间，造成养护决策指导性不足的问题。为了提高高速公路沥青路面的动态养护效果，需要建立动态养护管理平台，综合考虑高速公路沥青路面的养护技术规范与实际性能退行情况与表面损坏情况，在保证高速公路沥青路面养护质量的基础上合理控制养护维修与大中修的资金支出。

2高速公路沥青路面动态养护决策方法

2.1假定条件

高速公路投入使用后，沥青路面的状态始终处于动态变化的过程中，因此在不同时期需要采取针对性的维修、养护措施。对一条沥青路面出现损坏的高速公路实施养护或改造，可以提高道路的通行安全性并在一定程度上延长其使用寿命。但是，由于对高速公路沥青路面实际使用寿命的影响因素较多，各种因素的影响程度均不确定，因此很难对通过高速公路路面养护而延长的使用寿命进行量化分析。为了确定沥青路面养护规划期内沥青路面的性能退行模型，进行以下假定。

2.1.1假定1

大修方案下路面使用性能变化如下图1所示。若对高速公路沥青路面进行大修，则大修后路面结构与初始建成状态较为接近。因此，认为高速公路沥青路面每次大修后的性能曲线均保持一致，则在养护规划T周期范围内沥青路面性能的衰减斜率与 段曲线斜率相同。

图1大修方案下路面使用性能变化示意图

2.1.2假定2

中修方案下路面使用性能变化如下图2所示。若对高速公路沥青路面进行中修或者是预防性养护，则沥青路面的使用性能会得到显著的提升，但是不会从根本上恢复路面的结构性衰变，因此路面还会存在一定程度的损伤。因此，认为进行中修或预防性养护后路面使用性能的退行规律和中修或预防性养护前相同，在养护规划T周期范围内沥青路面性能的衰减斜率和 段曲线斜率相同。

图2中修方案下路面使用性能变化示意图

2.1.3假定3

通常情况下，认为对高速公路沥青路面进行日常的简单养护或者小范围的修补不会显著改善其通行性能，也不会对高速公路沥青路面的性能衰退规律造成显著的影响。

2.2确定性能衰变拟合曲线

《公路沥青路面养护设计规范》(JTG5421-2018)中关于沥青路面的性能衰变曲线修正模型如下式（1）所示，在式（1）的基础上进行高速公路的性能衰变拟合回归分析。

（1）

其中，RCI代表PCI与RQI等关于路面性能的预测性指标； 代表满足特定标准要求的道路性能初始值，一般在98～100的范围内选取； 代表符合相关标准要求的路面最低性能，一般在30～40的范围内选取；T代表路面投入使用的时间； 与 代表回归拟合参数。

2.3效益费用计算模型

2.3.1效益模型

在不考虑资金时间价值的前提下，高速公路沥青路面养护决策的效益计算模型如下式（2）所示。

（2）

其中， 表示高速公路沥青路面的养护效益； 表示PCI、RQI、RDI、SRI、TDI以及PSSI等指标； 表示PCI、RQI、RDI、SRI、TDI、PSSI以及BLI等指标所占的权重； 表示进行养护后第t年的PCI、RQI、RDI、SRI、TDI以及PSSI等评价路面使用性能的指标； 表示PCI、RQI、RDI、SRI以及PSSI等用于评价未维修路面性能的指标；M表示道路的养护规划周期。

2.3.2引入资金时间价值的效益模型

考虑资金的时间价值后，高速公路养护效益会受到一定的影响，计算模型如下式（3）所示。

（3）

其中， 表示基于养护决策树得到的养护资金支出；

表示分析期末年的资金终值系数， （_{表示资金贴现率，在}4%～8%的范围内进行选取）。

2.3.3决策模型

高速公路沥青路面养护决策模型如下式（4）所示。

（4）

假定养护规划期为5年，每年均可以实施养护或不实施养护，则会产生32种养护决策组合，通过对各种方案进行对比分析可以得到效益费用最优的方案。

2.4养护效果分析

2.4.1预防性养护

高速公路沥青路面养护后，需要通过专家评价或者分析既有工程实践的成果与经验，对预防性养护进行评价打分。进行预防性养护后高速公路沥青路面得分的改变情况如下表1所示。

表1进行预防性养护后路面得分提升值

2.4.2中修罩面

高速公路沥青路面在长时间的载荷作用下可能会出现车辙、裂纹或者松散等问题，实施中修罩面就是为了解决这些常见病害。就高速公路沥青路面而言，基层松散不会对结构强度造成过大的影响，因此中修罩面后PSSI与BLI指标基本保持不变，而PCI、RQI、RDI、SRI以及TDI等指标则可以得到显著的改善。

2.4.3大修

高速公路沥青路面的大修工程主要包括面层铣刨重铺与基层铣刨重铺。当高速公路沥青路面面层出现较为严重的损坏，但结构强度仍满足安全要求时可以通过面层的铣刨重铺进行养护；若结构强度也出现较为严重的损坏则需要进行基层铣刨重铺。需要说明的是，对面层进行铣刨重铺后需要通过注浆的方式对基层强度不足之处进行加固。

2.5备指标权重的确定

对于不同指标而言，高速公路沥青路面养护效益的受影响程度存在较大差异，通过AHP法来确定各指标对养护效益的影响权重。

不同指标尺度组成的成对比较矩阵如下表2所示。分析比较矩阵特征值、一致性以及特征向量等，得到如下表3所示的指标权重。

表2 指标间成对对比矩阵

表3指标权重

确定各指标所占权重后，结合相关的高速公路沥青路面养护规范与标准，通过对PCI、RDI、RQI、SRI以及PSSI等指标进行打分，最后确定使用何种养护方案。

3结语

综上所述，相较于传统的静态养护，动态养护更适用于现代高速公路沥青路面的动态管理。在符合现有高速公路养护技术标准的前提下确定各项养护决策指标的权重与得分，可以得到具有较好适用性的养护决策树，进而能够为基于沥青路面实际情况、维护质量以及维护费用等角度的高速公路沥青路面养护决策的制定提供参考。

参考文献：

[1]张尚剑.高速公路路面的养护施工研究[J].智能城市,2021,7(14):101-102.

[2]周苏峰.高速公路沥青路面养护维修体系分析[J].智能城市,2021,7(03):91-92.