高速公路路面预防性养护决策

1、高速公路路面预防性养护决策作者：陈其学摘要：预防性养护的目的是保持或改善路而状况、延长公路使用寿命，同时将寿命周期内养护成本降到最 低。在其决策过程中，应在对高速公路路而技术状况进行识别和预测的基础上，对养护措施进行技术评价, 对养护方案进行寿命周期成本分析，以确定最佳的预防性养护方案。20 1比纪90年代以来，我国高速公路建设一直处于快速增长期，截至2005年底，全国高速公路通车里程 达到4. 1万km.随着通布里程和使用年限的不断削长，高速公路开始山快速建设阶段向养护管理阶段过 渡。从目前情况看，我国1998年前建成的高速公路已全面进入人修期，1998年加快建设后建成的人量 公路也普遍进入

2、维修养护期。有2方面原因：（1）行驶车辆增加较快，社会公众和道路使用者对高速公路 路况冇了更高的需求，要求实现快速、畅通、安全、舒适、经济的使用功能；（2）高速公路在使用过程屮， 其路棊路面及桥梁设施、交通工程设施、服务设施等，会因自然因素、行车荷载及其相互作用而导致公路 技术状况的逐渐哀减，造成高速公路服务水平的逐步下降。因此，在高速公路交付使用后，仍需继续投入 大量的资金对各种设施进行维护，使高速公路保持较高服务水平。对高速公路养护管理部门而言，所面临 的关键问题是怎样合理使用有限的资金，将养护资金在授佳的时机以授佳的方式使用到授需养护的设施上, 以保证最佳的整体服务水平，即以最低的成木取

3、得最大的''收益。1预防性养护综述在绝人多数发达国家，公路网己经完善,养护管理成为公路工作的重点，很早就着手于公路养护管理 的相关调查、研究工作。例如，美国公路管理部门从上世纪80年代以来，通过对儿十万km不同等级道 路进行跟踪调查，发现道路的使用性能和寿命冇一个共同的变化特征：一条质最合格的道路，在使用寿命 75%的时间内性能卜-降40%,这一阶段称z为预防性养护阶段。此阶段如不及时进行养护，在随后12%的使用寿命时间内，性能再次下降40%,而养护成本却要增加310倍，这一阶段称为娇正性养 护阶段。因此，预防性养护在许多国家得到广泛运用，并已取得成功经验和卜分显著的成效。aa

4、sht0对预防性养护（pavement preventivemaintenance, ppm）定义为：在公路寿命期内，为 了保证路况良好、延长公路寿命并将寿命周期内养护成木降到授低，而应用一系列的预防性养护措施的系 统过程。而在这一系统过程中，要在不增设建成公路系统及其附属设施的条件下，达到延缓路况退化、保 持或改进系统的功能性状况的目的。预防性养护理念的核心在于防患于未然，基础在于经济性最优。也可以说，预防性养护就是指在道路 技术状况衰减的初期，在授适当的时机，应用授适当的预防性养护措施，以授小的寿命周期成本、授人程 度地延缓路况退化。而这一有限资源的最佳分配问题，耍依赖于科学的决策程序和评

5、价方法。预防性养护决策，是通过预 测道路技术状况的发展趋势，分析养护措施对道路技术状况产生的影响，对可行的预防性养护方案进行评 估，以最小费用效率比的方案为基础进行决策。在预防性养护方案评估过程中，主要考虑3方面因索，即 需要处理的现冇病害和应当被预防或减缓的预期病害，确定现冇公路技术条件下可以采収的最适当的养护 措施（技术评估），以绘小费用效率比确定获得绘佳结果的养护处理时间（效益评估）。此外，山于影响道路服务水平的主要因素是路面技术状况，因此路面养护工作占到道路整体养护工作 的70%以匕。而道路路面技术状况随时间（口然因索和行车荷载作用）的变化具有-定的规律性，亦符合预 防性养护的基木概念

6、。就1-1前的研究和应用而言，预防性养护主要是指对道路路面的预防性养护。2识别路面技术状况识别现有路面技术状况，预测路面技术状况的发展趋势，确运需耍处理的现有病害和应当被预防或减 缓的预期病害，是预防性养护决策和方案评佔的基础。在我国，高速公路路面技术状况评价体系在交通部高速公路养护质量检评方法（试行）中有较为系 统的规定。路面技术状况以路面质量指数（pavementquality index, pqi表达，即山路面状况、路面强 度、行驶质量和抗滑性能4个指标加权计算得到。其中路而状况指数pci由沥青混凝土路而破损率或水泥 混凝土路面坏板率计算，路ifii行缎质量指数rqi山国际平整度指数ir

7、i计算，路面结构强度指数pssi山 路面允许弯沉和实测代农弯沉计算，抗滑性能指数sri由横向力系数和抗滑性能限值计算。山于沥青混凝上路面结构强度的变化主要受到行车荷载和路基工后沉降的影响，而与路面预防性养护 措施的相关性较小。因此在路而预防性养护决策中，可以仅考虑其余3个指标。以检评方法规定的权值为 基础，根据养护的最主要ii的和单个指标间的相对重要关系，对权重系数做出相应调整。同时，耍确定路而技术状况所处的状态，亦即等次。对预防性养护而言，关键是确定各项路而技术指 标的效益截线值bcv,即在何种状态下，路面达到破坏状态而需要进行重新修复，这是路面技术指标町被 接受的低限值。各个项h的bcv可

8、根据历史路而状况数据确尬，但当没有足够数据时，也可依据相关标准 规范进行确定。根据高速公路养护质量检评方法（试行）,要求高速公路pqi应保持75以上。根据评 价模型的模拟结果，pqi为75时，路面状况指数（pci）对应的路而破损率（坏板率）为3. 5%,道路行驶 质量指数（pqi）对应的国际平整度指数为6. 6 m/km,路面抗滑性能指数（sri）对应的横向力系数为 45. 0。上述数据都衣明路面处于养护关键期，需要及时进行养护，否则，将导致更多的养护投入和更高的用户费用。对每-条高速公路來说，由于交工验收质量状况和外界因素的不同，其路面技术状况变化都有其独特 的观律。因此，冇必要从高速公路营

9、运通车起，就对路面技术状况进行定期的检测和调查，建立起信息系 统(如髙速公路路面管理系统cpms),对所检测的数据进行分析处理，以确定其路而技术状况，并对其发 展趋势进行拟合和预测。3路面预防性养护技术评估预防性养护技术评估的目的，是要选择最适当的养护措施。应当综合考虑技术措施的可靠性、合理性、 适用性和经济性。根据养护工程的实际情况，首先应确定现冇病害和应当被预防或减缓预期病害所需的技 术处理措施，即评价技术措施对病害的有效性和不适应性；其次，评价路面状况、气候、交通和环境对施 工的影响，养护后的预期寿命以及养护费用。根据国内外的养护施工经验，符合预防性养护定义的典型技 术描施主要包括以下儿

10、类：(1) 灌缝：这类处理措適主要是防止水通过裂缝渗透，并反复侵蚀沥青和集料的界面玄至面层和破坏 路基。裂缝灌缝是指用密封剂修补随温度变化的裂缝。主耍适用于修补宽度较小的纵横向裂缝、网裂，不 适用于结构性裂缝。其预计使用年限为26年。(2) 喷雾封层：是将稀释的慢凝乳剂直接喷洒在清洁的路面，主要是用于密封路ifii,约束路面松散， 改善硕化和氧化沥青。适用于非结构性裂缝，松散，沥青老化、硕化和水的渗入；不适用于结构性裂缝(如 明显的疲劳裂缝)，且会导致路面摩擦力降低。其预计使川年限为12年。(3) 微表处：采用级配良好的细骨料、矿质填料与稀释沥青乳液的混合物，适用丁沥青路而过分氧化 而变硬的区

11、域。单层的厚度通常为36 mmo它用來封闭细小的表面裂缝或孔隙，延缓路面的松散，防 止表面氣化，使不同路面表层的轮廓更淸晰。当加入适当的骨料时，还可以加强路面的摩阻性能，可一次 性修补轻微的不平整和40 mm内的车辙。其预计使用年限为47年。(4) 热沥青混合料罩面：采用沥青混凝土或沥青碎石，罩面层的厚度-般为2040 mm,可使川普 通沥青或改性沥青。适用于非结构性裂缝、沥青氧化、泛油，可增加路面摩阻力，修复车辙和不平整。其 预计使用年限为710年。此外，还冇一些新材料、新技术、新丁艺应用到预防性养护施工屮，如开级配摩阻层、削厚封层、沥 青再生密封、就地热补等。4预防性养护最优时间的选择预防

12、性养护决策的核心在于养护时机的选择，这是达到预防性养护经济性目标的关键。而对给定的路 面，选择的预防性养护技术措施相关的最优时间，使得养护成木最小而养护效果最好。在这里，可以应用 寿命周期成本分析法，即''为了使用户所用的系统具有经济寿命周期成本，在系统的开发阶段将寿命周期成 木作为设计的参数，而对系统进行彻底的分析比较后作出决策的方法。在预防性养护决策分析中，特殊z 处是分別将养护技术措施在寿命周期内不同时间实施作为比选方案，进行效益成本评价，得到寿命周期成 本最低的方案，也即是与养护技术措施相关的最优时间。如果可行的养护技术措施不止1种，则将多种措 施的最优时间作为比选方案

13、，再次进行分析决策。以f结合模型对寿命周期成本分析进行说明。建立该模型的前提是，根据积累的路面技术状况指标检测数据，假定采取和不采取预防性养护技术措 施2种情况，对路面技术状况指标随时间的变化进行拟合和预测。路面状况指标(随时间递增指标)耳预防 性养护关系如图1所示。其中，图示假定方案为在通车后第8年采取预防性养护措施；eqdn、eqpt分别 为该路面状况指标右採収和不采収预防性养护技术措施悄况下随时间的变化曲线；对随时间递增指标而言, 最高界限值ubc为路面技术指标可被接受的低限值bcv（对随时间递减的指标而言，则最低界限值lbc 为 bcv）。在方案效益评价中，选用费用效率（ce）指标：（

14、1）确定寿命周期：对-般工程产品而言，寿命周期是指从研究开发、设计、建造、使用冑到报废所 经历的全部时间；对路面预防性养护而言，全生命周期则是指从高速公路从投入运营（养护周期开始的时间 点）直到路面状况超出允许值、路面需要重新翻修（养护周期结束的时间点）的时间段。（2）t.程系统效率:工程系统效率se是投入寿命命周期成本后所取得的效果或者说明任务完成到什么 程度的指标。在路面预防性养护中，以路而质量指数pqi为总体评价指标，采用路面状况、行驶质屋抗滑 性能为单项分析指标，也可采用路面破损率（坏板率）、国际平整度指数iri、横向力系数等直接指标进行 分析。计算公式如下:公式（2）和（3）中：i为

15、预防性养护技术措施拟实施的时间；i为单项路而状况指标序号；吃为第i年第 j项单项路面状况指标效率:adn为不实施预防性养护的寿命周期内路面状况指标的效益值（按照图1中对 应面积计算）；apti为第i年实施预防性养护后在寿命周期内路面状况指标的效益増值（按照图1中对应面 枳计算）；sei为第i年实施预防性养护的工程系统效率；fwj为第j个路而状况指标权值。（3）工程寿命周期成本：寿命周期成本lcc是系统在寿命周期内的总费用，广义上不仅包括资金意义 上的成木，还包括环境成木（如技术措施导致的环境污染）、社会成本（如造成的使用者延误费川）。而在预 防性养护寿命周期成本计算屮，13前主要是指资金成本。

16、具体计算屮，对每一个比选方案，除了要计算预 防性养护技术措施费川，还应预测预定分析期内可能采用的日常养护费用、路血达到应当翻修状态下所需 的改建工程费用等。在这里，为了便于不同寿命周期方案间的比选，可采用年平均运营成本euac表示寿 命周期成本：式中：euaci为笫i年实施预防性养护所需的年平均运营成本；zpwi职为第i年实旋预防性养护方案的所有成木现值之和；d为折现率；pi为第i年实施预防性养护方案的分析周期。(4) 确定最优方案(时间):对一种技术措施来说，topt就是实施预防性养护的最优时间，也可以说是最优，可以得到最大的效益 比成本。如果有多种可行的技术措施，则需将各种技术措施在垠优时间实施作为比选方案，再次计算ce, 取ce最大值者为最优方案。5结语在我国，目前的养护方式主要采取娇正性的养护措施，在公路设施出现病害、捷至较严重病害后，再 采取补救性措施进行修复。在这样的模式中，养护目标与养护经费不足的矛盾较为突出。一