沥青路面大修方案优选方法探讨

张争奇，张苛，吴瑞环

(1.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；

2.中交公路养护工程技术有限公司，江苏 南京 211100 )



沥青路面大修方案优选方法探讨

张争奇1，张苛1，吴瑞环2

(1.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；

2.中交公路养护工程技术有限公司，江苏 南京 211100 )

摘要:针对沥青路面大修方案的优选缺乏评估指标和科学的计算方法等问题，从经济、技术、效益和可行性方面选择工程造价、施工时间、使用寿命、预期效果、施工期间交通控制和可行程度作为全面评价大修方案优劣的指标；采用层次分析法确定各评估指标的权重系数，并利用多属性决策法解决大修方案优选问题，提出了沥青路面大修方案优选方法；以西宝高速公路某路段大修工程为例，给出首选大修方案的优选过程。研究成果可为我国沥青路面大修方案的优选提供一定的参考依据。

关键词：沥青路面；大修方案；优选；层次分析法；多属性决策法

我国的高速公路已经逐渐地步入路面大修时期，路面大修方案的设计和选择需要依据准确的方案评价来完成[1]。我国的高速公路沥青路面大修工程大多根据路面的病害检测结果，结合自身经验，设计几种适合大修的候选方案，然后再根据工程的属性和约束条件，确定大修工程的设计方案[2]。这种选择方案的过程，看似筛选出了性价比较高的方案，实际并没有经过科学合理的计算和决策。目前，国内大修工程方案的比选主要存在以下几个问题：1)缺少科学依据。方案选择大多根据决策者的经验确定，经验法确定的方案缺乏科学性和可靠性。2)缺乏科学的计算方法。以往主要通过工程造价、技术的比选确定推荐方案，工程造价可以通过工程概预算确定，但技术方面如施工组织难易程度、环境影响和社会影响等无法通过计算确定的。3)大修方案选择方法不规范。在实际工程中，大修方案的制定要考虑路面状况、交通荷载、环境条件、养护经费、各方案使用寿命等诸多因素[3]，而目前缺乏考虑全面、科学合理的规范方法。针对沥青路面大修工程，本文从经济、技术、效益和可行性方面提出大修方案评估指标；同时，采用层次分析法确定不同评估指标的权重系数，并利用多属性决策法解决大修方案优选问题，提出了可行的沥青路面大修方案优选方法，可以为今后我国高速公路大修方案选择提供借鉴。

1决策方法介绍

多属性决策也叫做有限方案多目标决策，顾名思义是指在考虑多个属性的情况下，从有限备选方案中选择最优方案或进行方案排序的决策问题。多属性决策主要研究关于离散的、有限个方案的决策问题，它是多准则决策体系的重要组成部分[4]。决策分析过程是指在系统规划、设计和生产等阶段，为解决当前可能发生的问题，从若干可选方案中选择和确定最佳方案的分析过程[5]。在研究沥青路面大修工程方案设计过程的组织决策时，既要考虑大修方案的成本造价、施工复杂程度，又要考虑大修方案的修复效果和使用寿命等。这些属性之间既互相矛盾又互相作用，使决策过程十分复杂，决策者很难轻易决策。这类考虑系统多个属性的决策问题就是多属性决策[6]。沥青路面大修方案的选择问题是在考虑初期投资、使用寿命以及预期效果等“属性”的情况下，从多个可行候选方案中选择出最优方案的过程，属于多属性决策问题[7-8]。因此，采用多属性决策法十分适合解决沥青路面大修方案优选的问题。

关于确定指标权重的方法主要有层次分析法、二项系数法、均方差法、专家调查法等，其中层次分析法的应用较为广泛。与其它指标权重确定方法相比，层次分析法比较灵活，原理简单，能解决定性指标权重确定困难的难题，同时能够考虑决策者的决策意向。沥青路面大修方案的选择需要考虑地形、自然资源及社会需求的因素，提出的大修方案评估指标既包含定量指标，又包含定性指标，适合采用层次分析法从定量与定性综合评价的角度计算指标权重[9]。采用多属性决策法和层次分析法解决大修方案选择问题，需要从以下3点着手：1)确定几个可行候选方案。通过旧路路面状况调查，确定路面主要病害类型、病害程度和病害数量，分析路面破坏成因，确定几个可行的大修候选方案。2)确定大修方案评估指标。在进行大修方案比选的过程中，主要从哪几方面进行比选，即评估不同大修方案好坏的“属性”指标。例如一个大修方案的工程造价、使用寿命、对交通的影响程度等“属性”即评估指标。3)采用层次分析法确定各评估指标的权重。

2沥青路面大修方案的优选

2.1　提出可行候选方案

在进行可行候选方案选择时，首先要进行旧路面信息的采集，通过现场调查和检测，了解旧路面使用状况。根据沥青路面大修工程维修方案的特点和适用范围，提出可行的候选大修方案并进行初步设计。

1) 路况信息收集和路况检测。在提出可行候选方案的过程中，应考虑路面结构承载能力、路面功能特性、材料耐久性、路面使用性能的变化情况和限制条件等与路面病害相关的影响因素，进行道路行驶质量、弯沉、抗滑能力、车辙深度和路面无损检测等试验检测，采集客观的路面状况信息，进行路段划分和路况评价[10]。通过路况资料的收集和调查、路面使用性能状况检测，对路面整体状况有较全面的认识，能够对各路段的路面状况分别给出病害评价结论。评价结论包括如下判断结果：是否需要改善、是否是仅仅存在于表面层病害、是否是局部病害、是否需要对路面结构进行补强。

2)确定限制条件。大修方案设计过程还受到工程、交通、环境、施工和经济政策等多方面因素的影响[11]，这些因素是限制大修方案选择的约束条件。可行候选方案的限制条件如表1。

表1　大修可行候选方案限制条件

3)提出可行候选方案。常用大修方案主要包括加铺、翻修和再生三类，也可以结合使用，例如再生方案一般和加铺方案结合使用[12]。根据路况调查和评价提出多个候选方案，考虑大修工程的约束条件，确定满足各约束条件的可行候选方案。可行候选方案选定后，进行修复方案的初步设计，设计内容主要包括加铺层厚度、铣刨深度、再生方式以及费用估算等。在选择和初步设计候选修复方案时，应根据路面性能模型预测结果或以往经验进行综合设计。合理的选择和设计候选大修方案，能够取得良好的修复效果，减少路面维修后出现早期损害的问题，延长路面使用寿命。但提出的可行候选方案还需从经济、技术、效益等多方面进行对比评估，进而选择出经济、科学和性价比高的最优方案。

2.2　大修方案评估指标的提出

参考《公路沥青路面养护技术规范》、《美国AASHTO路面结构设计指南》等方面的研究成果，根据我国公路大修工程工作的实际需要，选择工程造价、施工时间、使用寿命、预期效果、施工期间交通控制和可行程度6类概括性指标作为沥青路面大修方案优选的评估指标，从经济、技术、效益和可行性四方面评价大修方案[13]。

1)工程造价指标。经济指标是评价沥青路面大修方案优劣的首要因素，而工程造价是决定大修方案是否经济的重要方面。工程造价指标不仅可以反映道路施工企业的技术工艺和管理水平，同时也反映了大修方案的成本可行性。因此，有必要在沥青路面大修方案评估指标中考虑工程造价情况，建议采用工程造价总成本进行评价，工程造价评估指标单位是万元。

2)施工时间指标。施工时间是衡量大修方案进度流程的重要指标，施工时间的长短也能反映方案的工作效率，同时也是影响施工期间交通组织情况的重要方面。本文规定施工时间指标除工程开工到工程竣工的时间外，还包括工程竣工后到开放交通时的养护时间，采用天为施工时间指标的单位。

3)使用寿命指标。沥青路面大修工程的目标就是恢复路面原来的各项性能，延长道路的使用寿命。有的路面维修措施花费较低，虽暂时恢复了路面的使用性能，但不到半年又出现各种病害，使用寿命并不长；而有的路面维修后能在相当长时间内不产生病害。因此，有必要在大修方案评估指标中考虑使用寿命指标。使用寿命指标根据大修方案修复设计的预期使用寿命取值，采用年为计量单位。

4)预期效果指标。预期效果主要是指从交通量、整体强度、均匀性、环境影响和服务水平等方面，评价大修方案对旧路面修复的预期效果情况。预期效果指标主要是根据决策者以往经验判断大修方案对旧路病害处治情况和恢复效果，其取值按照后续定性指标的评分办法获得，为无量纲指标。

5)施工期间交通控制指标。高速公路大修工程必须采取半封闭法在不中断交通的情况下组织施工，需保证施工安全，避免交通拥堵状况。施工期间交通控制指标主要指交通安全、道路通行能力以及交通组织难易程度情况。根据以往工程经验和专业工程技术人员的意见，参照下文相关定性指标评分方法确定其值大小，无量纲。

6)可行程度指标。大修方案选择过程中，要结合当地的资源、地理位置、社会水平以及政府政策倾向进行决策，选择可行性高的大修方案。再好的大修方案得不到良好的实施，也不会成为好的大修方案。可行程度指标为定性指标，根据专家意见和定性指标评分方法确定，无量纲。

上述选取的沥青路面大修方案评估指标包含定量评估指标与定性评估指标(见表2)，反映了大修工程整个生命周期对经济、社会和技术的影响，涵盖了影响沥青路面大修方案选择的主要方面，能够实现沥青路面大修方案选择的综合评价。

表2　大修方案评估指标

2.3　评估指标权重的确定

层次分析法确定大修方案评估指标权重的过程包括3个重要步骤：1)建立判断矩阵；2)评估指标权重计算；3)一致性判断。

1)建立判断矩阵。层次分析法确定指标权重时，首先需要对指标间两两重要性进行比较和分析判断。通常根据专家意见，采用9标度法对评估指标的重要性进行量化，确定判断尺度aij，见表3。然后，根据判断尺度建立n阶判断矩阵A( aij)n×n，见式1。

表3　判断矩阵标度及定义

(1)

其中，aij>0；aij=1/aji；aii=1。

以A~F表示工程造价、施工时间、使用寿命、预期效果、施工期间交通控制和可行程度6个沥青路面大修方案评估指标，根据多个专家调查意见，确定其重要性标度(见表4)，并建立相应的判断矩阵A，见式(2)。

表4　大修方案评估指标重要性标度

2)评估指标权重计算。采用方根法近似计算大修方案评估指标判断矩阵A的最大特征值及其特征向量，确定大修方案评估指标权重[14-15]。其计算步骤如下：

① 按照公式(2)，计算大修方案评估指标判断矩阵A每行所有元素的几何平均值：

(2)

计算得到

p=(p1,p2,p3,p4,p5,p6)T=(1.587 4,0.890 9,2.289 4,1.200 9,0.363 7,0.707 1)T。

② 将p归一化，见公式(3)：

(3)

计算得到

采用上述方法，计算得到判断矩阵A的特征向量，从而确定出沥青路面大修方案评估指标的权重值，见表5。

表5　沥青路面大修方案评估指标权重值

3)一致性判断

① 根据公式(4)计算判断矩阵A的最大特征值：

(4)

式中，(Ap′)i为向量Ap′的第i个元素。

根据大修方案评估指标的判断矩阵A，计算得到判断矩阵的最大特征值λmax=6.200 306。

② 由公式(5)计算一致性指标C.I.：

(5)

文中判断矩阵的阶数n=6，根据确定的最大特征值λmax=6.200 306，计算得到一致性指标C.I.=0.040 061 2。

③ 确定随机一致性指标R.I.：

当矩阵阶数n=6时，查随机一致性指标表6可知[15]，文中的随机一致性指标R.I.=1.24。

表6　随机一致性指标R.I.表

④由公式6计算一致性比率指标C.R.：

(6)

文中确定的大修方案评估指标判断矩阵的C.R.=0.032 307<0.10，满足一致性检验，可以认为确定的沥青路面大修方案评估指标权重值是合理的。

2.4　沥青路面大修首选方案的确定

采用“多属性决策法”确定首选方案，该方法需要结合已经初步设计好的候选方案进行，通过专家组对各方案的评估指标进行评分，采用简单线性加权法(SWA)计算各方案的线性加权指标平均值，并以此作为各大修候选方案排序的依据。

1) 大修方案评估指标评分方法。本文将大修方案评估指标中的定性指标(预期效果、施工期间交通控制和可行程度)采用等级制评分方法，将指标评分的大小作为大修方案评估指标的取值[16]。每项定性指标的标准分为A(100分)，B+(90分)，B(80分)，C+(70分)，C(60分)，D+(50分)，D(40分)，E+(30分)和E(20分)9个档次。其中A表示行业最高水平；B表示行业较高水平；C表示行业总体平均水平；D表示行业的较低水平；E表示行业的最低水平；B+，C+，D+和E+分别处于相邻两水平之间，见表7。

表7　大修方案定性评估指标评分表

根据定性评估指标考核的内容和评价标准，按照多于5名评议人员组成的专家组的意见，确定定性评估指标所在行业的先进水平，进而获得定性评估指标的得分，并将其作为大修方案评估指标的取值。在评分过程中，要坚持评分准确性和公正性的原则，通过合理准确的判断，从而确定出最优的大修首选方案。

2) 确定评估指标的相对值。采用评估指标的相对值能够更直观的了解同一评估指标在不同方案中的评分高低。最重要的是，不同评估指标的定义、数值和量纲等不统一，选取相对值能统一不同评估指标之间量纲，简化计算过程。首先，根据前面介绍的定量评估指标和定性评估指标的评分方法，确定出每种候选方案评估指标值的大小。然后，确定每种方案评估指标的相对值。评估指标的相对值是将不同方案中最大值表示为100，其他方案的值同比例换算，即按照公式Ai/Amax×100换算为相对值。

3沥青路面大修方案优选应用实例

西宝高速公路是陕西省内与外界交通运输和经济发展的重要通道。西宝高速公路经过10年多的运营，出现了多种不同程度的病害，网裂、龟裂病害较广泛，同时还存在横向裂缝、坑槽、唧浆和车辙等病害。通过对病害的调查与统计，分析病害产生的原因主要是由于路基含水量较大，压实不足，导致路面出现纵、横向裂缝及坑洞、坑槽等破损。在行车荷载的反复作用下,基层出现网裂破坏，引起面层出现反射裂缝，在水和行车荷载的综合作用下，逐步形成唧浆、松散等病害。

下面以西宝高速公路某路段沥青路面大修工程为例，采用多属性决策方法，示例演示从提出的几种候选方案中确定大修方案选择优先排序的计算过程，进而确定出首选大修方案。首先，根据路面病害特征及成因分析，咨询了专家、业主单位等的意见，初步拟定以下6种大修候选方案。

方案1：对面层及基层病害处理后，加铺15 cm沥青面层;方案2：挖除面层，对破损严重及弯沉大于42.9(0.01 mm)路段开挖至路基顶面，采用水泥稳定碎石回填至原路面标高，然后加铺6 cm调平层和4 cm磨耗层;方案3：挖除面层和基层至路基顶面，采用水泥稳定碎石回填至原路面标高，然后加铺15 cm沥青面层;方案4：开挖面层，对基层病害进行处理后，采用水泥稳定碎石回填至原基层顶面标高，加铺20 cm水泥稳定碎石基层和15 cm沥青面层;方案5：挖除面层，对破损严重及弯沉大于57.5(0.01 mm)路段开挖至路基顶面，采用水泥稳定碎石回填至原路面标高，加铺15 cm沥青面层;方案6：对原路面的面层旧料进行厂拌冷再生，将再生混合料应用于基层，基层厚度为26 cm，再加铺10 cm的沥青面层。

其次，针对6种候选方案的初步设计内容，通过工程造价的概预算、各指标的评价、预估和统计以及定性指标的评分方法，确定出不同候选方案的评价指标的取值。候选方案评估指标的取值统计情况见表8。

表8　候选方案评估指标的取值

最后，按照前文的介绍计算各评估指标的相对值和候选方案评估指标相对值的加权之和即每种候选方案的总分，按总分大小排序得到6种大修候选方案的选择排序，见表9。

表9　大修候选方案选择排序计算

从表9中可以很容易的看出6种可行候选方案的选择优先顺序。方案4和方案6的综合评价得分相对较高，无论是工程造价、使用寿命还是对交通的影响程度等，其效果都是较好的；方案2的效果最差，虽然方案2在当地的可行性很高，但它的工程造价和对交通的影响程度得分偏低，综合考虑后效果较差。可见，选择方案六作为该高速公路沥青路面大修工程的首选方案是合理的。在经过两年多的通车运营后，对采用方案六大修的路段进行检测发现，路面的路况良好，未发现横、纵向裂缝、车辙以及水损坏等病害。可见，在西宝高速大修工程中采用方案六的再生方案后，沥青路面的服务水平和使用寿命得到大幅提高，进一步说明了本文提出的沥青路面大修方案优选方法是可行的。

4结论

1)分析多属性决策法用于大修方案选择的可行性，并提出从确定多个可行候选方案、确定大修方案评估指标和评估指标的权重三方面进行大修方案优选方法研究。

2)从经济、技术、效益和可行性4方面提出沥青路面大修工程方案选择的评估指标：工程造价、施工时间、使用寿命、预期效果、施工期间交通控制和可行程度。

3)根据大修方案评价指标及其对大修方案评价结果的影响程度等因素，结合专家意见，采用层次分析法确定了沥青路面大修方案评估指标的权重，保证评价指标体系权重分配的合理性和科学性。

4)根据沥青路面大修方案评估指标和权重，以大修方案评估指标评分为基础，采用多属性决策法计算各大修方案的综合得分，确定可行候选方案的排序，最终确定沥青路面大修首选方案，并进行了示例应用。

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(编辑蒋学东)

Optimization of asphalt pavement heave maintenance scheme

ZHANG Zhengqi1, ZHANG Ke1，WU Ruihuan2

(1.Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education, Chang’an University ,Xi’an 710064, China;

2.CCCC Highway Maintenance Engineering Technology Co.Ltd, Nanjing 211100, China )

Abstract:This paper consideres the problems such as the lack of evaluation index and scientific calculation method in the optimization of asphalt pavement heave maintenance scheme.Firstly, engineering cost, construction time, service life, expected effect, traffic control during construction period and feasible degree were selected from the aspects of economy, technology, efficiency and feasibility as the indexes to evaluate the heave maintenance scheme comprehensively.Secondly, analytic hierarchy process was used to determine the weight coefficient of each evaluation index.The problem of heave maintenance scheme optimization was then solved by using multi property policy making method, and the optimization method of asphalt pavement heave maintenance scheme was proposed.Finally, the optimization procedure of heave maintenance scheme was presented combining with Xi-Bao expressway project.The research results can provide some references for heave maintenance scheme optimization of asphalt pavement in China.

Key words：asphalt pavement; heave maintenance scheme; optimization; analytic hierarchy process; multi property policy making method

通讯作者：张苛(1989- ),男,安徽宿州人，博士研究生，从事路面结构与材料研究；E-mail：15114820709@126.com

基金项目：国家自然基金资助项目(51008031); 交通运输部应用基础研究资助项目(2014 319 812 151)

收稿日期：2015-04-11

中图分类号：U416.217

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2015)06-1358-07