基于组合预测模型的沥青路面养护方案规划

肖 磊，颜俊键，聂 文,3，熊春龙,3

(1.广东京珠高速公路广珠北段有限公司，广州 510600；2.广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司，广州 510640；3.华南理工大学土木与交通学院，广州 510641)

0 引言

截至2020年底，我国高速公路通车总里程已达16.10万km。我国高速公路养护市场巨大，每年需投入的养护运营成本也是相当庞大。相关研究表明，在合适的时机及路段采用合适的预防性养护方案能有效改善路面的技术状况指标，且能达到较好的周期成本效益[1]。国内高速公路养护管理水平不一，部分项目存在养护时机把握不佳、养护方案适用性不强等现象。养护管理不当导致了高速公路路面使用寿命较短，全寿命周期成本较高等现象。

本文依托广澳高速公路广珠北段项目，通过收集该项目历年定检资料，划分段落，整理历年沥青路面技术状况指标(包括PCI、RQI、RDI、SRI、IRI、RD、SFC和CR等)，基于组合预测模型预测各指标未来三年的数值，并结合养护时机合理规划养护方案，为养护方案决策提供依据。

1 工程概况

1.1 路面结构

广澳高速公路广珠北段的桩号为K17+327～K43+874，路段全长26.547km，其中珠海方向定义为A线，广州方向定义为B线。全线均采用沥青路面，沥青路面的结构组合见表1。

表1 沥青路面结构组合

1.2 交通量

2016年广珠北段交通量数据(表2)已远大于工可阶段2025年的预测交通量数据，且各路段的交通量数据还保持着持续上升的趋势。

表2 广澳高速公路广珠北段2012～2016年交通量统计分析结果(单位：万辆)

2 基于灰色理论预测模型和回归预测模型的组合预测模型沥青路面性能预测分析

沥青路面性能预测模型分类如图1所示。灰色理论预测模型是从基础数据中寻求客观规律，在短期预测沥青路面技术状况指标方面精度较高，在预测长期指标时精度相对较低；回归预测模型需整理大量数据，原理简单明了，但工作量较大，处理的数据相对繁琐。从单一预测模型来看，单一模型都具有各自的优缺点。相关研究表明，在对PCI、RDI、SRI、PDI、DRI等单一指标进行预测时，组合模型的预测精度均高于回归预测模型和灰色理论预测模型，组合预测模型在定检数据样本不足、样本数据不具规律性的条件下具有明显的优势[2]。本文采用经验预测模型中的灰色理论和回归线形模型，建立组合预测模型，预测沥青路面的技术状况性能指标。

图1 沥青路面性能预测模型分类

2.1 灰色理论预测模型

2.1.1 灰色GM(1，1)模型的建立

灰色系统建模需原始数据列有4个以上数据，即可通过累加生成或累减生成来建立灰色模型，本文基本的建模过程不再赘叙，可见文献[3]。

建立的预测模型(也称为白化方程)形式为：

(1)

2.1.2 灰色GM(1，1)模型精度检验

灰色理论预测模型的预测结果需进行精度检验，精度等级见表3。相关研究表明，当预测结果的相对误差小于5%时，即可认为预测模型的预测精度能满足实际工程应用的要求[4]。

表3 精度检验等级参照表

2.2 回归预测模型

相关研究表明，沥青路面技术状况指数的衰减规律大致呈“S”型，路面早期技术状况良好，衰减速率较慢，但随着路面病害的发展，路面技术状况指数衰减速率逐渐增大，达到一定程度后衰减速率逐渐区域缓和[5]。“S”型函数表达式如式(2)所示。

(2)

式中：a为检测数据最大值，b为检测数据最小值，β和k为参数，t为运营时间。参数β和k可根据实际数据进行拟合。

2.3 组合预测模型

(3)

2.4 路面技术状况指标

对广珠北段全线进行段落划分，划分出路基段和桥梁段，且划分的段落长度不超过1km，共划分为46个路基段和41个桥梁段。按划分的段落整理历年的定检数据，见表4。

表4 沥青路面技术状况指标

2.5 路面性能预测

基于沥青路面的定检数据，采用组合预测模型对广珠北段沥青路面未来三年的路面技术状况指数进行预测，预测结果及精度验证结果见表5～表6。预测精度满足模型要求。

表5 沥青路面技术状况指标预测结果

表6 预测精度验证结果

3 养护方案规划

3.1 预防性养护时机

根据《广东省高等级公路沥青路面预防性养护技术手册》(试用)的相关规定，预防性养护的时机判断标准见表7。当指标小于“重”或“强”养护强度的阈值时，需进行矫正性养护[6]。

表7 高等级公路沥青路面预防性养护需求时机判断标准

3.2 养护需求分析

以PCI、RQI、RDI、SRI、IRI、RD、SFC和CR等各项指标在每年度预测结果的最差值为养护时机判断标准，对广珠北段沥青路面养护方案进行初步规划，矫正性养护方案为铣刨重铺，预防性养护方案为罩面。对两种方案的处治工程量进行汇总，见表8。项目可根据实际需求逐年对沥青路面进行处治，资金充裕的情况下，也可在同一年进行统一处治。

表8 广珠北段需处治沥青路面工程量

3.3 养护方案规划

根据历史路面技术状况数据分析和未来使用性能预测结果，广珠北段沥青路面(路基段)主要表面损坏形式为裂缝、坑槽和车辙。其中，裂缝为最主要的病害形式，横向裂缝仍处于高发阶段(尤其B线表现更明显)。为更好地规划养护方案，根据交通量大小及特征病害类型，将广珠北段全线分为南段(K33+000～K43+874)、中段(K29+000～K33+000)和北段(K17+327～K29+000)三个段落。南段(K33+000～K43+874)和中段(K29+000～K33+000)交通量增速较快且为爆发式增长，建议采用实施厚度较厚的方案，如4cmSMA-13或5cmGAC-16方案；北段(K17+327～K29+000)中，对于纵横向裂缝发展较快的段落，建议采用一定厚度且抗裂性能较好的方案，如4cmSMA-13或5cmGAC-16方案；对于抗滑、车辙等指标不满足要求的段落，建议采用薄层进行罩面，如超薄磨耗层。全线采用的SBS改性沥青按SHRPPG分级体系进行控制，沥青PG分级不应低于PG76-22，其中有抗裂性能要求的路段应采用高弹沥青(60℃复数模量不小于10kPa)。

广珠北段桥面主要表面损坏形式为少量坑槽与轻微车辙等。桥面养护方案应考虑桥梁结构承重对铺装层恒载的限制，并应具有足够的封水和防水能力，同时还应能够具备一定的平整度修复和抗滑性能，以恢复桥面的行驶功能。推荐的桥面养护方案为高粘弹超薄磨耗和沥可贴。

3.4 养护工程应用

广珠北段结合项目当年度定检报告和项目实际情况，于2017年对沥青路面进行专项工程处治，处治方案如图2所示，预测工程量与实际养护工程量对比见表9。由表9可知，本次实际处治工程量略大于规划处治工程量，但偏差不大，故该组合预测模型能较好地指导养护方案规划。

图2 广珠北段2017年沥青路面处治方案

表9 预测工程量与实际工程量对比

4 结语

本文基于历年定检报告，采用组合预测模型预测未来沥青路面的技术状况指标。结合养护时机判断标准，对预测的技术状况指标进行统计分析及养护方案规划。综合考虑现场病害情况和交通量等，给出推荐的养护方案，统计养护方案工程量。结合项目实际养护情况，对比实际处治方案与预测方案，分析了实际工程量与预测工程量间的关系，主要结论：

(1)路基段整体破损状况较为严重，矫正性养护路段比例相对较高，且呈逐年上升的趋势，自2017年后矫正性养护将占主导；桥面整体破损状况相对较好，以预防性养护需求为主。

(2)广珠北段沥青路面(路基段)主要的表面损坏形式为裂缝、坑槽和车辙，其中裂缝为最主要的病害形式，横向裂缝仍处于高发阶段；桥面主要表面损坏形式为少量坑槽与轻微车辙。

(3)通过项目实践，组合预测模型所预测的处治工程量略小于实际的处治工程量，工程量偏差不大，故该组合预测模型能较好地指导沥青路面养护方案规划。