高速公路沥青路面中长期养护规划技术研究与辅助设计系统的研发
文章来源：微信公众号“沥青路面”
目前国内高速公路沥青路面的养护依然存在着诸多问题，主要包括:(1)养护决策粗放，养护方案的制定缺乏科学依据、系统性和针对性缺乏，投入产出不协调;(2)建成路里程不断增加带来巨大的养护投资压力路面养护经费短缺，同时有限的经费不能得到很好的应用，养护投入不足造成道路技术状况下降明显，资产减值;(3)养护手段单一，大多依赖传统技术，养护机械化水平低，科技含量不高;(4)高速公路管理单位开始了解预防性养护，但对其重要性和必要性认识不够，养护管理政策不健全，体制不顺畅，重修轻养仍存不重视预防性养护，养护资金投入的效费比不高等等。这些问题的存在往往会造成一系列不良后果，如:单位养护成本较高，导致有限的养护经费不能充分发挥作用;养护工作效率较低，养护人员养护工作强度较大;预防性养护重视程度不足，路面早期养护不够及时，往往等到路面状况较差时才进行改正性养护，导致施工规模较大，耗费大量的养护资金，同时还缩短了路面的使用寿命。因此，针对不同的路面状况，采用科学的养护策略、制定合理的养护规划能有效解决养护成本与投资收益之间的矛盾，在最佳的时点以最优的养护手段开展高速公路的养护工作，从而不断提高公路的养护质量，有效地延长公路的使用寿命，降低路桥设施的全寿命周期成本，进而使得养护资金的使用效率最高、投资的效费比最大、内部收益率最佳，投资收益最大化。基于此，对高速公路沥青路面养护规划技术进行了系统研究，为养护规划技术人员提供参考依据。
基础资料的收集与分析
路面使用性能的检测与评定
路面损坏状况及破损指数PCI
路面损坏状况是用以高速公路沥青路面是否需要采取养护措施的主要依据之一，也是导致路面使用质量和服务水平下降的主要因素。《公路技术状况评定标准》(JTGH20－2007)规定，沥青路面损坏分11类21项。路面破损检测是基础资料收集中难度和误差最大的一项，高速公路路面破损检测一般采用车载数字摄像设备获取路面图像，利用独特的图像处理技术，可以准确识别路面破损，计算获得破损的长度、宽度、面积，判断破损的类型，确定破损空间位置。充分考虑高速公路沥青路面破损病害的发展趋势，再采用人机结合的方式，复核并详细描述病害种类及严重程度，并记录下21种病害的具体位置(包括起止桩号、上下行方向、所处车道、病害严重程度等)。根据养护需要，分路段统计路面破损率DR和破损指数PCI，对路面损坏状况进行评定。
路面平整度及路面行驶质量指数RQI
高速公路路面平整度是是衡量路面使用性能最重要的因素，是从道路使用者的角度来反映路面的实际使用性能。平整度直接从行车舒适度、车速、车辆油耗等多方面直接影响路面使用质量和服务水平，是路面养护管理的重要参考指标。一般我们要求路面平整度IRI检测原始数据按20m数据处理，以1000m为评定单位计算平整度IRI与路面行驶质量指数RQI，并对RQI值按养护路段进行统计，以此评价路面行驶质量现状。
路面车辙深度指数RDI
车辙病害现已成为高速公路沥青路面早期病害主要形式之一，车辙病害在沥青路面的病害中不仅占了很大比例，而且由于交通量与轴载的不断增加，车辙出现得越来越早，数量也越来越多，程度越来越严重。车辙的存在不仅严重的影响了路面的平整度，降低了行车质量，影响行车安全，而且大大的缩短了路面的使用寿命，严重影响了路面的服务质量。一般我们要求路面车辙深度RD检测原始数据按10m数据处理，以1000m为评定单位计算RD与路面车辙深度指数RDI，并对RDI值按养护路段进行统计，以此评价路面车辙现状。
路面抗滑性能SRI
高速公路沥青路面表面层的防滑性能是保证车辆高速、平稳及安全行驶的重要条件，路表具有一定的摩擦系数和构造深度是路面防滑的关键。通过测定道路表面的横向力系数来衡量路面抗滑性能，横向力系数SFC检测原始数据一般要求按20m的频率处理，以1000m为评定单位计算SFC值与路面抗滑性能指数SRI，并对SRI值按养护路段进行统计，以此评价路面抗滑性能现状。
路面结构强度PSSI
路面结构强度是高速公路沥青路面养护决策的最重要依据，强度不能满足要求时，应采取大修大修补强措施以提高其承载能力。对于我国高速公路半刚性基层沥青路面的结构强度，可根据路面弯沉检测数据来评定。弯沉实测数据一般要求按20m的频率处理，以1000m为评定单位计算实测弯沉代表值l0与路结构强度指数PSSI，并对PSSI值按养护路段进行统计，以此评价其承载能力现状。
路面使用性能PQI
沥青路面使用性能评价包括路面损坏、平整度、车辙、抗滑性能和结构强度五项技术内容。其中，路面结构强度为抽样评定指标，单独计算与评定，作为沥青路面养护决策的前提条件，是路面设计、施工控制、养护管理及路面大修补强过程中一个重要参数。
根据《公路技术状况评定标准》(JTGH20—2007)的规定，路面使用性能可分为优、良、中、次、差五个等级。
交通调查与分析
交通调查的目的是为了了解高速公路所在区域公路交通量的特性、构成，掌握公路交通流量、流向、车辆构成等基础资料，为其交通量预测提供依据，针对不同路段的交通量，提出有针对性的养护规划。交通调查的内容包括项目所在地区综合运输格局调查、公路路网调查、相关公路现状调查、相关公路断面交通量及OD调查等。其中，相关公路历年交通量调查是为了掌握路网交通量的流量特征;OD调查则是为了了解路网中交通量的流向特征。
养护维修历史等其它资料的调查与分析
高速公路沥青路面养护规划是一项复杂的系统性工作，除了对路面使用性能、交通量这两个主要基础数据进行调查外，还应对高速公路养护维修历史、自然环境、水文地质情况、沿线交通设施等基础资料进行调查与分析，在此基础上进行路面使用性能及服务性能的退化分析、交通量和通行费预测等一系列的技术工作，并以此为依据对沥青路面中长期养护技术措施进行研究。
沥青路面使用性能预测
影响路面使用性能的因素分析
高速公路沥青路面使用性能影响因素主要包括路面结构类型、交通量及构成、路龄、道路修建质量和养护历史、环境因素等。
路面结构类型
不同的路面结构类型具有不同的路面结构强度和路面使用性能，其主要影响因素包括面层类型、面层厚度、基层类型、基层厚度、路面结构材料等。沥青面层对结构层各层材料性能要求很高，主要体现在沥青和粗集料的选用以及混合料的级配上。高速公路沥青路面结构层的基层一般采用2种类型:半刚性基层和柔性基层。半刚性基层模量大、刚度高、弯沉小，具有一定的板体性，具备较强的荷载扩散能力，而且投资经济;缺点在于变形小，特别是半刚性基层的收缩开裂及由此引起沥青路面的反射性裂缝普遍存在。半刚性基层沥青路面对重载车来说具有更大的轴载敏感性，同样的超载车对半刚性基层沥青路面的影响要比柔性基层沥青路面大得多，对路面的损伤大得多。柔性基层材料主要是热拌沥青混合料、沥青稳定碎石、级配碎石等粘弹性材料，韧性好，有一定的自愈能力。但是柔性基层沥青路面的变形大、弯沉大，路面结构整体厚度要求比较厚，投资成本也相对较高。因此，对于项目级的路面使用性能预测，一般用于确定项目路的设计方案，只需要进行路面结构分析，常选用路面个结构层的模型和厚度作为使用性能的影响变量;而对于网级路面管理系统的路面使用性能预测，则主要用于路面中长期养护方案的制定与优化，需要采用材料性能和厚度分类的方法，分析和研究路面结构对使用性能的影响。
交通量及构成
交通流量及荷载对路面使用性能的影响很大，是路面产生破损的最直接原因。交通量的构成主要是在于把重载交通和中低轴载交通区分开来。在其他条件相同的情况下，交通流量越大，路面破损越严重;重载车越多，尤其是超过高速公路承载能力的超载车辆，对路面破坏的速度呈级数速度增长。在路面使用性能预测中应充分考虑交通轴载的影响，研究不同交通量等级下公路随时间变化的路面使用性能衰变规律。
路龄
公路路龄越大，路面结构层的各类材料老化越严重，而且老化率加速越快，对路面破损和平整度有着直接影响。因此，在路面使用性能能预测中，一般都要考虑路龄因素。
环境因素
影响路面使用性能的环境因素主要是指温度和湿度。温度直接影响沥青混合料的蠕变形能，也是路面车辙和个别类型裂缝产生的主要因素。湿度主要影响路基承载力和路面结构强度，路基和路面中的含水量过多，很容易导致路面翻浆。
施工和养护质量
施工质量对路面使用性能衰变的影响较大，尤其体现在道路通车运营的初期。同等条件下，路面初期的施工质量越好，路面使用性能衰减越慢。养护管理水平则直接影响路面使用性能，不同的养护水平会对路面使用品质产生不同的效果，及时有效的养护会延缓路面使用性能的衰减，增加沥青路面的使用寿命。因此，路面使用性能预测时也应考虑公路修建的施工质量和养护历史等因素。
路面使用性能预测模型
高速公路沥青路面使用性能预测衰变模型主要有2类。一类为确定型模型，为路面使用寿命或某项性能指标预估出一个数值;另一类为概率型模型，是预测路面使用性能在未来的状态分布。
预测模型方程的选取原则
路面在使用过程中，随着时间的推移，在荷载和环境因素的影响作用下，使用性能逐渐下降。本报告结合国内外研究成果，结合本项目的路面使用性能实际变化状况，将路面使用性能的衰变过程归结为凹型曲线模式，即先快后慢型。为制定一个标准的路面使用性能方程，应满足以下条件:
①能够正确反应路面性能衰变的全过程;②随着使用年数或累计轴载作用次数的增加，路面使用性能指数(包括PCI或RQI)单调减少;③满足必要的边界条件;④方程形式简单，参数含义明确，能够为路面性能的深入研究奠定基础。
预测模型方程选择
根据上述的原则，经过长期的研究经验，确定采用如下衰变方程:PPI=PPI0{1－exp［－(A/y)B］}(2)式中:PP—使用性能指数(PCI、RQI或其综合);PPI0—初始使用性能指数，一般情况下取100;y—路龄;A、B—模型参数。
由此衰变方程可知，路龄y为唯一变量，这样既充分考虑了荷载因素的作用，也较好地计入了非荷载因素对路面使用性能的影响。在本方程中，A、B是两个模型回归参数，其数值是由观测数据回归而得，参数A的大小反映了路面使用寿命的长短，将其命名为路面的寿命因子，结合实测数据的分析和工程经验，A值一般取2－20。参数B决定了曲线的形状，不同的B值决定了路面的不同衰变模式，故称B值为路面衰变的模式因子，B值一般在0.2～3.0之间变化。
参数A、B与路面性能曲线存在一一对应的关系，由此可推知，所有影响路面性能的因素都将影响参数A、B的大小，即:A=f(交通轴载，结构强度，面层厚度，基层类型，环境状况，材料类型)；B=f(交通轴载，结构强度，面层厚度，基层类型，环境状况，材料类型)
制定中长期养护规划
路段划分
高速公路沥青路面中长期养护规划与高速公路改扩建和大修项目不同，改扩建和大修项目主要是依据交通量与路面结构强度等因素进行路段划分。而中长期养护规划的路段划分不仅要考虑交通量与路面结构强度，还要充分考虑不同路段的路面破损状况、平整度、车辙深度、抗滑性能与养护历史等因素，详细分析路面病害类型与各项检测指标及预测数据在全线的分布规律，并结合新建时的路面施工质量和标段划分，并提出不同路段的路面养护规划。
养护时机判断
高速公路沥青路面养护的目的是为了保持高速公路沥青路面良好的使用性能，使高速公路不至于出现使用功能失效。高速公路养护规划技术的研究就首先要判断高速公路沥青路面使用功能失效的时间段，而在失效前采取适当的养护措施，使得沥青路面使用性能保持在一定的水平上。路面养护的经济性和有效性在很大程度上取决于采取预防性养护措施的时机，预防性养护最佳时机应该在路面尚处于良好状态，或者只有某些病害先兆时进行。一个有效预防性养护程序的关键因素是确定其选择养护方案的最佳时机。目前，路面预防性养护的选择方法主要有:费用－效益法、基于时间/路况的方法、寿命周期效益评估法、决策树/矩阵法、排序法和基于老化的方法，本文推荐采用全寿命周期费用－效益法，从路面的实际破坏状况出发，找出进行预防性养护的临界破坏状态。
一条道路随着路面使用期的延长，面层会不断老化，路面服务能力不断下降，当路面质量下降40%时，路面使用年限达到道路寿命的75%时达到临界状态，之后路面的服务状况急剧下降，为了及时制止沥青路面状况的恶化，可在临界点前采取预防性养护措施，使路面的服务水平处于较好状态，延长使用寿命，减少养护成本。根据国内外经验，本文建议养护决策时机如下:
(1)当路面强度不能满足交通主管部门行业要求及业主要求时需采取大修养护措施以提高其承载能力，大修决策时机为PSSI评分接近80分时;
(2)在强度满足要求的前提下，路面损坏状况指数PCI或路面行驶质量指数RQI不能满足交通主管部门行业要求和业主要求时，中修决策时机为PCI或RQI评分接近85分时;
(3)抗滑能力不足的路段，采取加铺抗滑磨耗层等措施来提高路表面的抗滑能力，决策时机为SRI＜75;
(4)车辙严重路段，采取挖除或切削或铣刨原有车辙，再加铺KAC沥青混合料或SMA等措施来修补车辙，决策时机为RDI＜75;
(5)在路面损坏状况指数PCI或路面行驶质量指数RQI评价宜为优的时候采取预防性养护措施来修复路面初期病害，延缓道路使用性能的衰减，提高道路的耐久性。预防性养护决策时机为PCI或RQI≥90分时。
养护措施的选择
通过大量调研，收集整理了国内外高速公路常用养护对策数据库、适用条件、需要预处理的方案以及养护措施的预计使用年限。
根据前文所建议的养护标准，结合高速公路目前的技术状况来看，大多数近期新建的高速公路还处于“预防性养护”的阶段。各指标养护标准与相应的对策选择方法分析如下:
(1)路面结构强度指标是区分路面结构补强与否的关键，也是路面养护时首先需要考虑的因素。
(2)路面损坏PCI是判断路面是否需要养护、需要采取什么措施进行养护的重要依据。在路面结构强度足够的情况下，是路面养护时首先需要考虑的因素。
(3)在路面损坏PCI相同的情况下，不同的路面平整度RQI可以考虑更的罩面措施。
(4)路面结构强度、路面损坏和路面平整度是最主要的路况3大指标，在其相同的情况下，道路上的交通量不同也直接影响养护措施的选择，交通量越重，选择越厚的罩面措施。
(5)考虑到车辙问题较为突出，在以上基础上，根据车辙深度的不同分别选择“找平”类措施，或需要先铣刨再罩面，或增加罩面厚度。局部路段车辙专项治理进行养护决策。
(6)在需要进行“中修”和“大修”时，默认其养护后的路面抗滑能力同时也能满足要求，因此，路面抗滑能力养护主要在路面不需要进行“中修”和“大修”时考虑。局部抗滑专项治理进行养护决策。
(7)另外，当路面的标高受限制时，在原路面上直接进行较厚的罩面可能有困难，此时应考虑实施先铣刨再罩面的措施。
根据上述原则方法。
养护规划技术路线及辅助设计系统开发
目前新建高速公路设计已有一套成熟的做法和配套设计软件，而中长期养护规划辅助设计系统还处于探索阶段。因此，建立一套高效、灵活、准确，既能人机交互式运行又能自行修正的高速公路养护决策辅助设计系统是每个公路技术人员需要攻克的重大课题。
沥青路面中长期养护规划技术研究的一项重要课题就是养护规划辅助设计系统的研发，主要是利用计算机建立关系数据库，对采集的信息数据(包括路面检测数据、交通量数据、性能预测数据等)进行处理，同时建立养护决策数据库。对不同的信息数据通过人机互动方式调用养护决策数据库，形成3套及以上不同的养护规划方案，再进行方案比选，确定最终的养护规划方案。
结语
高速公路养护规划技术研究是一项复杂的系统性工作，通过对高速公路竣工资料、养护维修历史、自然环境、水文地质情况、沿线交通设施等基础资料的调查，公路技术状况的检测、评定，交通流量的现状调查、分析和预测，道路使用性能及服务性能的退化分析等一系列的技术工作，并以此为基础对沥青路面中长期养护技术措施进行研究，选择合适的养护时机，制定相应的养护对策，制定合理的中长期养护规划。
(1)通过沥青路面中长期养护规划技术研究，充分认识到路面预防性养护技术具有鲜明的经济优势，采用适当的养护措施可改善路面使用性能、延长路面使用寿命、降低全寿命周期内养护费用。
(2)养护对策的选择和养护时机的确定建议采用全寿命周期效益－费用法。从路面的实际破坏状况出发，找出进行预防性养护的临界破坏状态，以效益－费用比最大化为衡量指标进行规划方案比选。同时也提出了各项指标的经验值，供公路养护规划技术人员参考。
(3)对高速公路养护规划辅助设计系统进行研发，使得养护规划工作能够高效、灵活、准确地进行。
(4)建议按照中长期养护规划实施养护计划，在每个中期(5年)的养护过程中，进行实时跟踪、总结，并对养护效果进行评价，来修正下一中期的养护规划，实现动态规划。