基于层次分析法的公路路面养护技术研究

莫力

（贵州高速公路集团有限公司，贵州 贵阳 550003）

0 引言

2016 年，交通运输部明确指出要提高公路建设的质量，创建优质工程，推动公路建设的“五化五高”，并把生命周期费用和建设养护一体化的设计方法纳入综合考核的内容。2018 年，在交通运输部发布的《公路水运品质工程评价标准》中对“寿命周期费用”和“建设养护一体化”进行了明确规定。对工程结构、服务设施、管理设施、安保设施等的功能体系进行了合理配置，对未来的拓展需要进行充分的考虑；公路路面养护在设计上要有一定的前瞻性，应充分考虑到在运行维护阶段，结构是可检测、可维修、可更换的，同时设置便利的检养通道，对特殊结构也提出针对性的养护方法和要求[1]。因此，在公路路面铺设过程中，必须重视对路面铺设质量的监管，选择适宜的路面养护技术，以保证路面铺设质量。所以，在当前的时代背景下，公路建设更加注重全寿命周期理念和可持续发展理念，如何推动公路建设高质量发展、绿色发展及品质发展，已成为公路建设者关注的焦点。

1 公路路面养护的原则以及影响因素

1.1 公路路面养护的原则

综合当前国内外公路路面养护的实际现状，公路路面养护的原则主要体现在四个方面。第一，技术性原则。公路路面养护技术在实际开展过程中需要保证选择的养护技术满足高速公路的使用要求，提升公路的整体寿命。第二，经济性原则。公路路面养护作为一项长期性的工程，是整个公路使用过程中的重要部分。因此，需要在满足现有的使用性能的基础上选择性价比最高的公路路面养护技术，节省施工技术成本，从而获得更多的经济效益。第三，服务性原则。高速公路作为一项服务民生的工程，能够为出行者提供高质量的服务。因此，所采用的养护技术以及养护原则等应与公路使用者的需要相符。第四，施工便捷性原则。高速公路作为地区经济、文化发展的重要支撑，在养护技术的选择上应当重视减少养护作业对交通正常运行产生的影响[2]。

1.2 公路路面养护的影响因素

按照公路路面养护的原则，在养护方案的选择上，可以从技术、经济、施工工艺、气候、用户及环境六个方面进行分析。其中，需要重点关注的是经济、技术以及施工工艺的选择，综合路面的实际情况、交通运输情况等进行综合考量，选择相应的养护方案。影响预养期的经济因素包括预养时间、使用期费用等；其中，建筑材料利用率、建筑质量、交通干扰、环境保护等都是重要的影响因素。

2 公路路面养护技术的对策库建设

以我国高速公路沥青路面为研究对象，拟对沥青混合料路面结构与性能退化规律、交通流量与预养期的需求与限制、预养期的经济效应等问题进行研究。在多年的工程实践中，筛选出较为成熟的养护措施，并形成了备选决策库，具体措施包括：微表处、薄层罩面、灌缝与封缝、就地热再生、雾封层与铣刨重铺，具体内容，如表1 所示。

表1 高速公路沥青路面养护对策库

3 基于层次分析法的公路路面养护技术模型

当前，国内外针对高速公路路面养护策略的选择主要是结合定量和定性的方式，采取相应的养护技术。其中，以层次分析法最为方便和快捷，同时层次分析法在实际应用过程中具有实用、灵活性较高、系统层次性明显等优势。因此，此次研究将基于层次分析法构建公路路面养护技术模型。

3.1 构建递阶层次结构模型

层次分析法是一种能够较好地呈现出等级层次之间控制的变量方式，是一种对决策问题进行分层描述的方法。此次研究在此基础上提出从“目标层”“准则层”“子准则层”再到“方案层”的分层结构，提出一种采用预先维护措施的高速公路沥青路面的养护方案；该目标层在此基础上提出由经济效益、技术性能和施工工艺3 个要素构成的子评价层次，并给出平均费用和使用寿命等9 项评价指标。方案层能够根据路面使用性能评价结果、路面损坏情况、交通量等因素，制订技术方案，递阶层次结构模型构建，如图1 所示。

3.2 判别矩阵的构建

层次结构直接反映不同层次结构之间的关系，然而，准则层中的每个准则在目标度量中所占比重存在一定差异，其本身所占比重在整个决策过程中是相同的。在上层目标的基础上对下层元素展开对比，进而判断出下层元素对上层目标的重要程度，在多因素的重要性比较中，可以根据公式（1）的判断矩阵来进行。

公式（1）代表了与第一个目标相关的重要性。相对重要性通常是按照Saaty 从1 到9 的标准等级分级的。对两两指数进行对比得出对应的比率。

对不同的判别矩阵之间进行综合分析，将计算之后的权重系数进行计算，对应的计算公式如下：

3.3 一致性检验分析

为了确保层次分析法在评价矩阵中的各个要素的一致性，必须对其进行检查和分析。综合层次分析法的要求和特性选取的一致性指标是CI元素和一致性比率Cr，对其进行检验，在检验时需确保所选择的矩阵值为最大，计算公式如下：

（4）～式（6）中：将随机选择一个一致性指标为RI，即可计算得到对应的指标值。当一致性比率Cr＜0.1 时，则aij能够达到一致性检验的标准。

3.4 层次总排序

此次研究在层次分析法的基础上提出了一种基于模糊聚类分析方法。可以通过公式（7）、（8）来计算k层单元对于顶层总体标准的综合加权矢量w(k)。其中，P(k)是指在k-1 层中的各个单元相对于k层中的各个单元的组合加权。在递进每个层级时都需要对层级的总体排序进行对应的一致性检查。

4 案例分析

4.1 工程概况

贵州省某高速公路段全长约91km，设计行车速度80km/h，涵盖79座主线桥梁、75座上跨桥、197座涵洞、7座隧道和336 处边坡结构物，该路段至2022 年已运营近16 年，养护任务艰巨。对该路段的路面情况调查发现，路面问题主要表现为路面轻微松散和老化，存在不同程度车辙和裂缝的情况。该路段于2007 年交付使用，交通运输部门相关数据显示，2018—2022 年日平均交通量分别为5653pcu、6805pcu、7735pcu、11811pcu、14355pcu，属于地区重点使用的交通路段。

4.2 层次分析模型构建

根据该路段的路面结构、交通车流量情况、路面损伤情况等因素构建对应的养护决策层次图，如图1 所示。

以贵州省的经济发展水平、建设实况等为基础，以公司在道路维护领域中积累的丰富经验为基础，判断矩阵的具体参数如表2 所示，并对下列矩阵进行一致性测试，具体数据如表2、表3 所示，平均费用判断矩阵的计算数值，如表4 所示。通过表2、表3 的数据发现一致性比例Cr都小于0.1，因此目标层与准则层判断矩阵、技术性能判断矩阵的计算结果是可以接受的。

表2 目标层与准则层判断矩阵

表3 基于技术性能判断矩阵

表4 平均费用判断矩阵

4.3 计算结果

基于层次分析法模型计算得出各个准则层的结果数值如表5～表7 所示。基于层次分析法计算最终的综合权重值为：W=（0.2475，0.1645，0.2355，0.1385，0.2138）T。在5 种养护技术方案中，铣刨重铺目标层的权重是最大的，因此在该路段的养护中推荐使用薄层罩面和就地热再生技术。

表5 基于经济效益的计算结果

表6 基于技术性能的计算结果

表7 基于施工工艺的计算结果

5 结语

此次研究基于层次分析法构建公路路面养护技术模型，将递阶层次结构模型中9 个不同的指标进行分别分析，根据路面的实际使用情况制定针对性的技术决策库，可为相关公路路面的养护工作的开展提供一定指导。另外，还构建了判别矩阵，通过一致性检验分析的方式提升层次分析法矩阵计算结果的准确性，帮助减少路面养护技术选择或者施工人员主观因素造成的决策失误。该方法可以将复杂的路面养护施工技术进行简单化处理，具有操作便捷的优势。

对贵州省某高速公路段养护进行分析，通过对高速公路段的铣刨重铺、微表处、薄层罩面、灌缝与封缝、就地热再生5 项指标进行层次分析法模型计算，将经济效益指标、技术性能指标以及施工工艺指标作为计算要点，计算得出的结果表明铣刨重铺目标层权重最大，推荐使用薄层罩面和就地热再生技术作为备选技术方案，提升公路路面养护的整体质量，提高公路的使用寿命。