长益高速路面预防性养护时机确定

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(长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410076)

1 路面使用性能衰变方程

随着我国交通行业发展，路面养护日渐成为我国高速公路管理系统面临的主要任务[1]。预防性养护是指，针对路面微小病害研究养护对策，防止其进一步恶化加剧从而对路面使用造成严重影响[2,3]。对高速公路进行预防性养护可以延长路段大中修时间，提升路面性能，节省资金，通常用于路面使用状况良好的路段[4,5]。

结合文献[6]与长益高速路面使用功能实际情况，选择我国学者孙立军提出路面使用性能衰变标准方程，方程衰变图形见图1，数学表达式如下：

(1)

式中：PPI为日常养护下各路况指标(包括PCI，RQI，SRI)；PPI0为路面新建或最近一次大中修后某路况指标的数值，一般为100；t为路龄；α、β为模型参数，根据检测记录回归得到。

图1 高速公路路面使用性能衰变图

2 决策思路分析

预防性养护主要是对于路面尚未发生病害或只发生轻微病害采取养护措施[7,8]。考虑日常保养修补材料失效，需要再修补的情况，根据对长益高速的跟踪观测，取既有病害的1/3作为新增待修部分。可得下式：

(2)

C2(t)=Wt×Dt

(3)

式中：At为第t年进行养护维修的路面面积；Wt为第t年的预计维修量；C2(t)为第t年的养护维修费用；Dt为折算后病害维修单价。裂缝类病害按灌缝修补，按影响宽度0.2 m折算，单价取75元/m2；坑槽类按挖补至基层处修补，单价取3000元/m2。

病害再修补对象主要是裂缝和坑槽，而这两类病害以PCI为评价指标。

《公路技术评定标准》(JTG H20—2007)中PCI与DR、A计算式为：

PCI=100-15DR0.412

(4)

(5)

由式(2)～式(5)可得第t年养护维修费用C2计算式:

(6)

式中：A为调查的路面面积，1个车道公路取3.75 m×1000 m=3750 m2。

图2绘出C2(t)与PCI的变化趋势。

图2 养护费用随PCI变化趋势图

由图可以看出，随着PCI的衰变，养护维修费用增长呈大幅加速趋势。以2分为PCI下降步长，当PCI由96分下降至94分所需要的维修费用约为98分下降至96分的3倍。且PCI值越小，比值越大。这说明控制PCI衰变应该作为养护维修时机决策的关键因素。

3 决策方案研究

根据上述分析，只要控制时机使养护维修费用不呈“爆炸式增长”就能控制好养护时机。通常的控制方法是式(6)拐点，即C2加速变化点。取α=16.43，β=0.63，利用MATLAB工具进行计算可求得其时机约为1 a，这将会使寿命周期内的价格较高的大中修次数大大增加。

因此养护时机选择也应使寿命周期内维修次数尽量少。文献[9]与文献[10]采用PPI(PCI、RQI、RDI等)的拐点最小值作为控制指标。但这种方案只考虑路面自然衰变加速的情况，没有考虑使路面使用功能下降到一定范围后预防性养护收效甚微从而必须进行大中修时机考虑的情况。由第2节知，这可以通过C2费用的增长现象反映。本文在此基础上，以大中修费用C1作为养护费用C2的参考标准，建议养护时机选择公式如下：

t=min{tr,ts}

(7)

式中：t为预防性养护最佳时机；tr为对PCI的衰变方程求拐点(二阶导数为0点)；ts为由不等式C2≤mC1控制。

不等式的含义是确定一个时间点，超过这个时间点后，路面的预防性养护对路面使用性能延缓衰变的效果微乎其微。根据对长益高速长期的跟踪观测及长益高速维修资金投入计划，建议m取值0.03，其他公路可根据具体情况调整。

式(7)将控制指标由所有指标的拐点值调整为单指标PCI的拐点，这是因为灌封和坑槽修补等养护措施只能明显提升PCI分值。其次，中小修费用的控制不等式也与长益高速的实际路面使用功能情况和资金规划相互印证。

维修的费用C1列于表1。

表1 维修措施对应价格表养护对策参考单价/(元·m-2)养护对策参考单价/(元·m-2)铣刨重铺(4cm)120热再生(4cm)80微表处35雾封层35超薄磨耗层65加铺罩面115

4 示例

选取长益高速3个路段对其单幅车道进行分析，其路面使用性能见表2。

表2 各路段使用性能表路段PCI2012年2013年2014年2015年2016年αβK037+000～K038+00099 9198 6295 9792 7089 2915 510 71K014+000～K015+00099 9999 4197 6494 9891 9016 300 78K075+000～K076+00099 7997 8494 5390 8087 1014 270 68

其中2012年～2014年为真实检测值，2015年～2016年为式(1)的模型预测值。按照前述对其进行养护时机决策，结果见表3。

从表3可以看出，长益高速预防性养护最佳时机对应路面使用性能情况较好，这与前述分析相符。经过大量路段的计算，发现最佳养护时机区间约为2～5 a，对应的PCI分值区间约为90～97分。

表3 最佳养护时机决策结果路段C(维修成本)/元2012年2013年2014年2015年2016年最佳养护时机/aK037+000～K038+0000 0858 92754 722821 746275 224 1K014+000～K015+0000 007 40212 561206 613418 743 7K075+000～K076+0000 62174 711551 204766 119447 553 4

5 结论

1) 路面日常病害修补需要考虑材料失效情况，所需的修补费用随PCI分值下降呈快速下降趋势。

2) 预防性养护需要考虑当路面使用状况下降到一定值时，预防性养护收效甚微的情况。结合拐点理论，建议由式(7)控制养护时机。

3) 对长益高速进行养护时机分析，指出最佳养护时机区间为2～5 a，对应的分值在90～97分。

[1] 白日华.沥青路面病害检测与养护决策研究[D].长春:吉林大学,2013.

[2] 刘玉露,胡万欣,胡怡玮.基于多属性群决策层次分析的预防性养护措施决策研究[J].公路工程,2014(5):342-346.

[3] 张亮.沥青路面性能预测及预防性养护技术方案选择分析[D].广州:华南理工大学,2012.

[4] 何帆.考虑用户成本和维修成本的路面养护维修策略[J].中外公路,2013(3):70-74.

[5] 吉增晖.沥青路面预防性养护技术综述与探讨[J].公路,2015(12):56-63.

[6] 单景松,郭忠印.国省道沥青路面使用性能模型[J].北京工业大学学报,2014(2):247-252.

[7] 刘大彬.高速公路半刚性基层沥青路面养护维修方案选择研究[D].西安:长安大学,2013.

[8] 李金龙.重庆高速公路沥青路面使用性能评价预测及养护决策优化研究[D].重庆:重庆交通大学,2012.

[9] 冯红耀.拐点理论在沥青混凝土路面预防性养护时机确定中的应用[J].公路,2012(5):312-316.

[10] 冯红耀.云南高速公路沥青路面预防性养护对策研究[D].重庆:重庆交通大学,2011.