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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面状况、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，应在对高速公路路面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世纪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41万km。随着通车里程和使用年限的不断增长，高速公路开始由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大修期，1998年加快建设后建成的大量公路也普遍进入维修养护期。有2
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有了更高的需求，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中，其路基路面及桥梁设施、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衰减，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，将养护资金在最佳的时机以最佳的方式使用到最需养护的设施上，以保证最佳的整体服务水平，即以最低的成本取得最大的“收益”。 1预防性
3、养护综述 在绝大多数发达国家，公路网已经完善，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，通过对几十万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有一个共同的变化特征：一条质量合格的道路，在使用寿命75的时间内性能下降40，这一阶段称之为预防性养护阶段。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，这一阶段称为矫正性养护阶段。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十分显著的成效。 AASHTO对预防性养护(Pavement Prevent
4、iveMaintenance，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本降到最低，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，在最适当的时机，应用最适当的预防性养护措施，以最小的寿命周期成本、最大程度地延缓路况退化。 而这一有限资源的最佳分配问题，要依赖于科学的决策程序和评价方法。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
5、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方面因素，即需要处理的现有病害和应当被预防或减缓的预期病害，确定现有公路技术条件下可以采取的最适当的养护措施(技术评估)，以最小费用效率比确定获得最佳结果的养护处理时间(效益评估)。 此外，由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以上。而道路路面技术状况随时间(自然因素和行车荷载作用)的变化具有一定的规律性，亦符合预防性养护的基本概念。就目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
6、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，确定需要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估的基础。 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，即由路面状况、路面强度、行驶质量和抗滑性能4个指标加权计算得到。其中路面状况指数PCI由沥青混凝土路面破损率或水泥混凝土路面坏板率计算，路面行驶质量指数RQI由国际平整度指数IRI计算，路面结构强度指数PSSI由路面允许弯沉和实测代表弯沉计算，抗滑性能指数SRI由横
7、向力系数和抗滑性能限值计算。由于沥青混凝土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。因此在路面预防性养护决策中，可以仅考虑其余3个指标。以检评方法规定的权值为基础，根据养护的最主要目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，要确定路面技术状况所处的状态，亦即等次。对预防性养护而言，关键是确定各项路面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，这是路面技术指标可被接受的低限值。各个项目的BCV可根据历史路面状况数据确定，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
8、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)对应的路面破损率(坏板率)为35，道路行驶质量指数(PQI)对应的国际平整度指数为66 mkm，路面抗滑性能指数(SRI)对应的横向力系数为450。上述数据都表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。 对每一条高速公路来说，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规律。因此，有必要从高速公路营运通车起，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(如高速公路路面管理系统CPMS)，对所检测的数据进行分析处
9、理，以确定其路面技术状况，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，首先应确定现有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措施主要包括以下几类： (1)灌缝：这类处理措施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直至面层和破坏路基。裂缝灌缝是指用密封剂修补随温度
10、变化的裂缝。主要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，主要是用于密封路面，约束路面松散，改善硬化和氧化沥青。适用于非结构性裂缝，松散，沥青老化、硬化和水的渗入；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。其预计使用年限为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，适用于沥青路面过分氧化而变硬的区域。单层的厚度通常为36 mm。它用来封闭细小的表面裂缝或孔隙，延缓路面的松散，防止表面氧化，使不同路面表层的轮廓更清晰。当加入适当的骨料时，还可以
11、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，罩面层的厚度一般为2040 mm，可使用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，还有一些新材料、新技术、新工艺应用到预防性养护施工中，如开级配摩阻层、增厚封层、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，使得养护成本最小而养护效果最
12、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本作为设计的参数，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，特殊之处是分别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，再次进行分析决策。 以下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
13、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)与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在采取和不采取预防性养护技术措施情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： (1)确定寿命周期：对一般工程产品而言，寿命周期是指从研究开发、设计、建造、使用直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
14、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)工程系统效率：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，以路面质量指数PQI为总体评价指标，采用路面状况、行驶质量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为预防性养护技术措施拟实施的时间；i为单项路面状况指标序号；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
15、施预防性养护后在寿命周期内路面状况指标的效益增值(按照图1中对应面积计算)；SEi为第i年实施预防性养护的工程系统效率；fwj为第j个路面状况指标权值。 (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本，还包括环境成本(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用)。而在预防性养护寿命周期成本计算中，目前主要是指资金成本。具体计算中，对每一个比选方案，除了要计算预防性养护技术措施费用，还应预测预定分析期内可能采用的日常养护费用、路面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为第i年实施预防性养护所需的年平均运营成本；PWi职为第i年实施预防性养护方案的所有成本现值之和；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最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矫正性的养护措施，在公路设施出现病害、甚至较严重病害后，再采取补
