高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)管理決策優(yōu)化研究

李靖

摘要? 為了提升瀝青路面養(yǎng)護(hù)決策質(zhì)量，文章總結(jié)了常用養(yǎng)護(hù)決策方法的特點(diǎn)，基于PCI指數(shù)建立數(shù)學(xué)模型來預(yù)測路網(wǎng)內(nèi)高速公路養(yǎng)護(hù)實(shí)際，并提出了養(yǎng)護(hù)資金分配方法。同時，以某高速公路項(xiàng)目為依托，對微表處技術(shù)和超薄磨耗層技術(shù)進(jìn)行綜合比選，制定了養(yǎng)護(hù)方案，并對養(yǎng)護(hù)后的運(yùn)營效果進(jìn)行評價，研究成果可為類似項(xiàng)目的養(yǎng)護(hù)決策提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 高速公路；瀝青路面；養(yǎng)護(hù)決策；PCI指數(shù)；工程實(shí)例

中圖分類號 U416.217 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）16-0171-03

0 引言

瀝青混合料具有噪聲小、行車舒適、養(yǎng)護(hù)簡單等優(yōu)勢，在高速公路項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛。但是，瀝青路面在車輛荷載的反復(fù)作用下，容易出現(xiàn)裂縫、車轍、沉陷、坑槽等病害，降低瀝青路面的服務(wù)水平，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致交通安全事故，危及司乘人員的安全。鑒于此，高速公路管養(yǎng)單位需對瀝青路面及時養(yǎng)護(hù)[1]。如何合理選擇瀝青路面的養(yǎng)護(hù)時機(jī)、養(yǎng)護(hù)路段、養(yǎng)護(hù)措施，并分配養(yǎng)護(hù)資金，是養(yǎng)護(hù)技術(shù)人員需要解決的重要問題。

1 高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)決策方法

高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)是以路面使用性能為依據(jù)，只有在路面使用性能達(dá)到某一臨界點(diǎn)時，才考慮采取相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施。瀝青路面經(jīng)養(yǎng)護(hù)后，路面使用性能會改變，從而又影響下一次的路面養(yǎng)護(hù)決策。瀝青路面的養(yǎng)護(hù)決策包括網(wǎng)級和項(xiàng)目級兩個層次，其中網(wǎng)級瀝青路面養(yǎng)護(hù)決策是要合理分配和使用有限的資金，選擇經(jīng)濟(jì)合理的養(yǎng)護(hù)時間，最大限度地滿足高速公路養(yǎng)護(hù)需求。項(xiàng)目級瀝青路面養(yǎng)護(hù)決策是對養(yǎng)護(hù)方案從技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等方面進(jìn)行綜合比選，選出最佳養(yǎng)護(hù)方案[2]。

1.1 決策樹法

決策樹是基于公路等級、路面類型、交通量等參數(shù)建立樹狀結(jié)構(gòu)，并不斷地分枝。在各個分枝的最后，給出各種限制條件下的最佳養(yǎng)護(hù)管理決策。決策樹法直觀性好、便于與實(shí)際項(xiàng)目相結(jié)合，但其分枝較粗，無法完全考慮影響路面養(yǎng)護(hù)決策的全部因素。

1.2 排序法

排序法多用于項(xiàng)目級的瀝青路面養(yǎng)護(hù)決策中，即在養(yǎng)護(hù)時間和養(yǎng)護(hù)資金確定的條件下，從養(yǎng)護(hù)成本、施工技術(shù)、工期等方面對瀝青路面養(yǎng)護(hù)方案進(jìn)行綜合對比，通過咨詢路面養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域?qū)＜襾碛嬎愠鋈我怵B(yǎng)護(hù)方案的綜合評分，將不同養(yǎng)護(hù)方案的綜合評分進(jìn)行排序，選擇評分最高的方案。

1.3 函數(shù)法

函數(shù)法用于高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)的本質(zhì)是一個數(shù)學(xué)問題，需先統(tǒng)計各條高速公路瀝青路面的技術(shù)狀況評分，將技術(shù)狀況與公路運(yùn)營時間的關(guān)系進(jìn)行擬合，找出重要的函數(shù)拐點(diǎn)（瀝青路面的最佳養(yǎng)護(hù)時機(jī)）。但是，當(dāng)路網(wǎng)比較復(fù)雜時，函數(shù)擬合效率較低，養(yǎng)護(hù)決策較困難。

1.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于高速公路瀝青立面的歷史檢測數(shù)據(jù)來預(yù)測其路用性能變化規(guī)律，從而為瀝青路面養(yǎng)護(hù)決策提供依據(jù)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括1個輸入層、若干個隱含層、1個輸出層，其中輸入層是影響瀝青路面路用性能的特征要素，比如交通量等級、溫度、降雨量等。隱含層是中間計算單元，隱含層數(shù)量越高，養(yǎng)護(hù)決策結(jié)果越準(zhǔn)確。輸出層是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)要輸出的參數(shù)，取決于養(yǎng)護(hù)決策目標(biāo)[3]。

2 網(wǎng)級高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)決策

2.1 瀝青路面養(yǎng)護(hù)時間決策

2.1.1 決策方法

大量工程實(shí)踐表明，高速公路瀝青路面的性能是隨著運(yùn)營時間動態(tài)變化的。在運(yùn)營前期，瀝青路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，在行車荷載的反復(fù)作用下不容易出現(xiàn)開裂和破損。而瀝青路面運(yùn)營時間超過某一臨界點(diǎn)，其路用性能會快速衰減。因此，瀝青路面的養(yǎng)護(hù)時間不宜過早或過晚，養(yǎng)護(hù)時間過早，對路面路用性能提升效果優(yōu)先，浪費(fèi)養(yǎng)護(hù)資金和人力。反之，瀝青路面破損程度嚴(yán)重，養(yǎng)護(hù)失去效果。

2.1.2 決策結(jié)果分析

以某地區(qū)高速公路路網(wǎng)中的某條雙向四車道高速公路瀝青路面為例，利用函數(shù)法分別擬合了其PCI指數(shù)和運(yùn)營時間的關(guān)系，為路網(wǎng)內(nèi)瀝青路面養(yǎng)護(hù)時間確定提供參考，具體擬合結(jié)果見圖1。

由圖1可知：隨著高速公路運(yùn)營時間的增加，瀝青路面的PCI指數(shù)不斷減小，但減小速率并不是固定的。當(dāng)運(yùn)營時間＜3年，瀝青路面的PCI指標(biāo)變化不明顯；當(dāng)運(yùn)營時間≥3年，瀝青路面PCI指數(shù)快速降低。結(jié)合表1，建議高速公路在第3年要加強(qiáng)日常養(yǎng)護(hù)，在5年要進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，在第7年要進(jìn)行中修罩面。需注意，瀝青路面在中修罩面后，其使用性能會大幅度地提高。

2.2 瀝青路面養(yǎng)護(hù)資金分配

2.2.1 資金分配思路

公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)資金分配前要先篩選出需養(yǎng)護(hù)的路段，再對養(yǎng)護(hù)路段進(jìn)行重要性排序。隨后，對各種養(yǎng)護(hù)措施開展市場詢價，其與養(yǎng)護(hù)路段的瀝青路面面積的乘積就是養(yǎng)護(hù)資金。如果選擇的養(yǎng)護(hù)路段所投入的養(yǎng)護(hù)資金大于年度養(yǎng)護(hù)資金總額，應(yīng)減小養(yǎng)護(hù)路段。

2.2.2 綜合評價模型

3 項(xiàng)目級高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)決策

3.1 工程概況

以某高速公路為研究對象，探討瀝青路面的養(yǎng)護(hù)措施決策要點(diǎn)。該高速公路路線全長25.8 km，設(shè)計速度為100 km/h，設(shè)計荷載為公路-I級，屬于重交通等級，路基橫斷面為雙向4車道，寬25.5 m，行車道橫坡2%，土路肩橫坡4%。路面為瀝青混合料路，厚72 cm。經(jīng)過多年運(yùn)營，公路沿線瀝青路面開始出現(xiàn)各種病害，影響行車安全性和舒適性。經(jīng)調(diào)查，得到了不同瀝青路面病害的占比，見圖2。

由圖2可知：裂縫在瀝青路面病害中所占的比例最高，約60.2%；車轍病害的占比次之，約22.6%。坑槽和沉陷病害的占比相差不大，分別為7.5%、7.2%。為了防止病害進(jìn)一步發(fā)育，提高瀝青路面的使用性能，擬對病害所在路段進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

3.2 瀝青路面養(yǎng)護(hù)方案比選

由《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計規(guī)范》（JTG5421—2018）可知，瀝青路面養(yǎng)護(hù)具體措施應(yīng)結(jié)合公路等級、交通等級等因素選擇，在設(shè)計階段可參考表2選擇。

3.2.1 養(yǎng)護(hù)方案技術(shù)比選

由于依托工程的交通等級為重交通，應(yīng)優(yōu)選微表處和超薄磨耗層進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。

微表處是將乳化瀝青、集料、礦粉、水及各種添加劑按一定的配合比均勻拌和而成，并直接攤鋪在需要養(yǎng)護(hù)的瀝青路面上。微表處層經(jīng)養(yǎng)護(hù)后（建議養(yǎng)護(hù)時間不小于2 h），能恢復(fù)一部分瀝青路面的使用性能，比如提高路面抗滑、耐磨、防水能力，改善路面平整度等。但是微表處材料的長期性能不穩(wěn)定，使用壽命較短。

超薄磨耗層是相對于普通瀝青路面結(jié)構(gòu)而言，其厚度一般在1～2 cm。超薄磨耗層罩面后直接與車輪和大氣接觸，可改善瀝青路面的使用性能，具有施工技術(shù)簡單、養(yǎng)護(hù)效果好等優(yōu)勢，但養(yǎng)護(hù)成本要高于微表處。需注意，超薄磨耗層材料一般為骨架孔隙型，粗集料含量占比高達(dá)70%～80%。

3.2.2 養(yǎng)護(hù)方案經(jīng)濟(jì)比選

3.3 瀝青路面養(yǎng)護(hù)效果評價

為了評價養(yǎng)護(hù)措施的效果，在公路沿線隨機(jī)取5個監(jiān)測點(diǎn)（編號為1#～3#），分別測量出檢測點(diǎn)在養(yǎng)護(hù)后第1年、第2年、第3年的PCI指數(shù)，檢測結(jié)果見圖3。

由圖3可知，瀝青路面經(jīng)養(yǎng)護(hù)后，其PCI指數(shù)由明顯提升，1#～3#監(jiān)測點(diǎn)的PCI指數(shù)提升幅度分別為23.8%、25.2%、24.6%。同時，養(yǎng)護(hù)后瀝青路面的PCI指數(shù)也隨著運(yùn)營時間的增加而增加。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間超過3年，瀝青路面的PCI指數(shù)呈“驟降”趨勢。

4 結(jié)論

該文總結(jié)了高速公路瀝青路面的主要養(yǎng)護(hù)決策方法，并從網(wǎng)級和項(xiàng)目級兩個方面分別闡述了瀝青路面養(yǎng)護(hù)決策技術(shù)要點(diǎn)，得到了以下幾個結(jié)論：

（1）高速公路瀝青路面的養(yǎng)護(hù)決策包括網(wǎng)級和項(xiàng)目級兩個層次，常用方法有決策樹法、排序法、函數(shù)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。

（2）網(wǎng)級瀝青路面養(yǎng)護(hù)決策的要點(diǎn)是確定路網(wǎng)內(nèi)瀝青的養(yǎng)護(hù)時間、養(yǎng)護(hù)路段等，并將養(yǎng)護(hù)資金合理分配。

（3）在實(shí)際項(xiàng)目中，應(yīng)結(jié)合瀝青路面病害特點(diǎn)、交通等級等因素初步確定多個養(yǎng)護(hù)措施，并對其從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個方面進(jìn)行比選。

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