沥青路面施工与养护决策的方法

沥青路面预防性养护需要一个科学合理的决策方法，确定在什么时候需要进行养护，需要采取何种养护措施进行养护。结合公路养护与管理的任务，传统的养护决策模式已经不能适应以快速、安全、舒适、经济为服务宗旨的现代公路养护要求，我国大规模的公路养护需求要求人们建立一种基于现代技术的科学的决策方法，使公路养护资金以及养护性能达到最优。从通常意义上讲，决策是一种系统的方法或过程，它通过对系统当前所处状态的评估和未来发展的分析，判断、选择恰当的系统对策，以最大限度地满足系统的要求。对于高速公路而言，需要决策的是养护资金的分配、养护方案和计划的制订。

8.2.2.1　国内养护决策方法

高速公路路面养护决策包括网级和项目级两个层次。不同的层次对决策有不同的要求。对于网级路面管理系统来说，决策就是在限定条件下，分析资金分配方案，选择最经济、有效的方案，合理地分配和使用有限的养护资金，最大限度地满足系统的要求。网级路面管理的目的是通过路况调查，对路面状况进行评价，为省市级公路管理部门制订资金需求计划和资金分配方案、确定养护优先次序提供决策依据。对于项目级路面管理系统而言，决策是利用网级路面管理系统的运行结果，对养护项目进行进一步的详细分析，最终选定工程项目，确定以达到网级目标为最终目的的年度计划安排。项目级的养护维修对策是根据公路网的资金分配情况和养护工作计划安排，结合各路况分项评价结果和本地区成熟的养护经验而选择的具体的养护维修措施。

目前我国还没有形成成熟的公路养护科学决策模式，部分省市各公路管理机构和高速公路经营企业通过近年来不断引进先进的公路快速检测技术及设备，研究和建立以路面管理系统为核心的公路路面管理系统、资产管理系统和相关制度保障体系，正在实践和完善科学的公路养护管理决策模式。

各地公路养护管理部门应结合路面管理系统的使用，根据路面分项评价结果和养护资金的情况，统筹安排本地区公路网的资金需求计划和资金分配方案，确定公路养护的优先次序。预防性养护决策是预防性养护过程中至关重要的一个环节，如果采用的维修措施不合理（方法或时间不合理），则可能会加速路面问题发展的概率。

1.规范的养护决策方法

沥青路面养护对策应根据公路等级、交通量、分项使用性能评价结果确定。分项使用性能评价包括路面状况、行驶质量、车辙、路面强度和抗滑性能等方面的评价。

由于路面使用性能评价是一个多指标评价体系，《公路沥青路面养护技术规范》（JTG 5142—2019）主要根据各分项调查评价指标进行路面的养护决策。对于高速公路，分别将路面状况指数（PCI）、行驶质量指数（RQI）、抗滑指数（横向力系数SFC和摆式仪摆值BPN）、路面强度指数（SSI）四种评价指标作为选择沥青路面养护维修措施的决策基准。这四种指标都保持在良好及以上时，进行以预防性养护为主的养护维修策略。《公路沥青路面养护技术规范》（JTG 5142—2019）规定如下。

（1）贯彻预防性养护理念，每年应对符合条件的沥青路面实施一定里程或比例的预防养护。

（2）应根据公路等级、使用年限、路面技术状况、交通量大小及组成、气候条件等因素，合理确定沥青路面预防养护时机。

（3）在预防养护时机确定的基础上，应设定预防养护目标，经过养护设计与方案比选，采取合适的预防养护措施。

（4）沥青路面预防养护措施可选用封层、超薄罩面、薄层罩面等，其铺筑厚度应小于4cm。

（5）沥青路面实施预防养护工程要求如下。

①封闭路面表面细小裂缝，提高路面的性能。

②防止路面表面松散，延缓沥青路面的老化。

③表面设置磨耗层，以提高路面的耐磨性能。

④保持或提高路面的抗滑性能。

⑤改善沥青路面的外观效果。

2.基于组合路况指标的决策方法

得到路面现状使用性能评价结果后，我们更关注各路段RQI、SSI、PCI、SFC或BPN等指标的组合状况。如果仅根据路面质量指数（PQI）这一综合评价指标来判断路况的优劣，并以此来制定养护对策，显得太过笼统，不能真实反映路面实际情况。目前，我国各种路面养护规范和标准对养护措施的选择依据都是单项指标或几个单项指标的组合情况。因此，在制定养护方案前，可参考路面使用性能的组合状态对路况进行评价。按照现行规范的分级标准，RQI、SSI、PCI、SFC或BPN这四项评价指标均有优、良、中、次、差5个等级，那么路面性能的组合状态就应该有625=54种，如果再考虑养护措施的选择，会有更多种组合情况，造成决策问题规模大，求解困难。大量的实际路况数据调查结果显示，虽然路面使用性能评价的四项指标是从不同方面来反映路况的，但它们之间有一定的联系。一项指标较差时，其余指标也往往较差，很少出现某项指标优良而其余指标较差的情况。国内一些学者参照我国高速公路养护管理的相关技术规范要求对路面组合状态进行了简化，简化情况如下。

RQI简化为3级：优良级（80～100），中级（62～80），次、差级（0～62）。

SSI简化为2级：强度足够级（80～100），强度不足级（0～80）。

PCI简化为3级：优良级（70～100），中级（55～70），次、差级（0～55）。

SFC或BPN简化为2级：能力足够级（62～100），能力不足级（0～62）。

简化后沥青路面性能的组合状态最多为36（=3×2×3×2）种，既能够满足决策的需要，又大大减小了决策问题的规模。而在具体应用中，真正对养护决策有意义的还没有这么多种情况，根据选择的不同养护对策，选取其中有实际意义的组合状态。国内一些学者对各种路面性能组合状态提出了一些养护对策。

我国目前的决策方法是综合考虑路面质量指数（PQI）、路面状况指数（PCI）、路面强度指数（SSI）、抗滑指数（摆式仪摆值BPN）后决定出具体的养护措施。但是上面几个指标都是由一系列经验回归公式得到的，因此可移植性并不高。若经调查路面不适应现有交通量或载重的需要，应通过提高现有路面的等级或加宽改建措施来提高道路的通行能力和服务质量。大、中修及改建工程的结构类型和厚度，可根据路面等级、交通量、当地经济条件和已有经验，按规范的要求进行专门的设计。

8.2.2.2　决策树法和决策矩阵法

决策树法和决策矩阵法是世界各国常用的路面养护决策方法。二者均是根据某些规则和标准（由公路机构凭借过去的经验制定的）针对一种既定的路面状况选择合理的养护或修复策略，并且在处治时机的选择过程中，它们是一种实用的辅助手段。在建立这两种决策方法的过程中需要考虑的数据如下。①面层类型和/或施工资料。②道路功能的一个指标和/或交通等级。③至少一种路况评价指标，包括破损和/或粗糙程度。④关于损坏类型的详细信息，与荷载相关的损坏或一种特定病害类型的面积。⑤路线设计资料，确定是否需要加宽或者整修路肩。⑥道路的环境资料。

1.决策树法

决策树包含了一系列的标准，这些标准通过使用“子图表”以找到一种特定的处治方法，其中每一个“子图表”都代表一系列具体因素（就影响因素而言，有路面类型、损伤类型和程度、交通量以及道路功能分类等），有些决策树仅用单个指标来作为选择处治方法的依据。也有许多决策树用代表综合性质的损伤标准来进一步简化选择过程，其中路面状况指数（PCI）就是这些综合损伤指数中的一个例子。但这种决策树也存在一定的问题，即这些处治方法并不是总能合理表明实际损伤状况，尤其是在与路面修复有关的严重破坏的情况下。

（1）结构破坏。如果路面结构只发生了轻微的破坏或没有破坏，相关处治方法仅用于维护初始路面的工作性能及其既定的使用寿命，那么此时是进行养护处治的最佳时机。如果路面存在结构破坏（如疲劳开裂、车辙等），那么相关的处治方法就应该更多地在于提高结构性能，例如减缓结构破坏的速度和延长原路面的使用寿命。

（2）环境因素产生的裂缝。这是指沥青路面因老化及每天所承受的与温度循环有关的热应力的作用而产生的裂缝，包括纵向裂缝、横向裂缝与网裂。这种破损的处治方法旨在预防路面过分潮湿和减缓路面表面层的裂缝损坏速度。裂缝严重程度可定义为以下三种。

轻度裂缝——路面上只有轻微的裂缝，进行填缝处理即可。

中度裂缝——裂缝达到了一定的程度，仅采用填缝或许不具有成本效益。

重度裂缝——路面上出现了大面积的裂缝，采用填缝根本不能满足要求，必须采用其他的养护或修复措施。(www.xing528.com)

（3）表面磨损。这是指发生在沥青路面表面（如表面层20 mm以内）的路面破坏，主要是轮胎的磨耗作用（如集料被磨光）和集料脱落（如风化）的结果。表面磨损的处治方法是清除被磨损的面层再重新加铺，或者直接在磨损的路面上进行加铺。表面磨损程度可定义为以下三种。

轻度磨损——面层的构造深度和抗滑能力受到极小的影响。

中度磨损——面层的构造深度和抗滑能力受到较大的影响，在潮湿状况发生事故的可能性增加。

重度磨损——面层的构造深度和抗滑能力受到严重的影响，在潮湿状况发生事故的可能性达到（或超过）不能接受的程度。

（4）疲劳裂缝与车轮荷载累计作用。与荷载有关的轮迹带裂缝是路面结构破坏和承载能力降低的表现。相应地，路面修复措施往往是铣刨和替换大量的热拌沥青混合料面层和基层（在某些情况下）。疲劳开裂程度可定义如下。

轻度开裂——不到1%轮迹区域出现与荷载有关的裂缝，或许开始只是一条纵向裂缝。

中度开裂——有1%～10%的轮迹区域出现与荷载有关的裂缝，可能是以网状形式出现，这种裂缝的破坏速度呈现上升趋势。

重度开裂——有10%或更多的轮迹区域出现与荷载有关的裂缝，并有可能快速上升到整个路面区域。

（5）车辙。这种永久性变形可发生在沥青路面的任何一层或多层中。如果热拌沥青混合料（HMA）面层质量差（因为混合料设计不合理、结构设计不适宜或混合料发生离析），车辙能够在路面的50～70 mm深度范围内发生；如果结构设计不合理或路面上的荷载过重，在下面层以及自然状态的路基中都能产生车辙。一般来说，路面修复方案的目标在于替换损坏或变形的层位。车辙严重程度可定义如下。

轻度车辙——车辙深度不超过6 mm，在潮湿状况下一般不会发生滑漂事故。

中度车辙——车辙深度为7～12 mm，在潮湿状况下不合理的横坡处可能会引起中度车辙。

严重车辙——车辙深度超过13 mm，潮湿状况下发生事故的可能性明显增加。

2.决策矩阵法

决策矩阵法和决策树法都是依赖一系列的规则或标准得出一个合理的养护或修复处治方案。在这一点上，二者是非常相似的。但它们之间也存在一定的区别，主要是：决策树为处治方案的选择过程提供了一种更加系统、形象的方法；而表格式的决策矩阵能够以较小的空间储存更多的信息。在美国联邦公路局（FHWA）进行的一项研究（该研究概述了预防养护处治措施及其有效性）中，Zaniewski和Mamlouk针对预防性养护处治方案提出了一个相对简单的决策矩阵。

为了推进对性价比最高的预防处治方案的选择进程，对考虑了上述因素以及其他与具体工程相关的因素的处治方案，公路机构必须理解其潜在的性能特征。事实上，这些因素取决于机构的规模和管辖范围的大小，它们将会随着地理区域的改变而改变。

3.决策树法和决策矩阵法的优势和不足

决策树法和决策矩阵法均可被高效运用于选择或辨别合理的预防性养护处治方案，还可以用于决定路面日常养护和修复方法。二者存在以下优势和不足。

（1）优势：①它们反映了公路机构通常采用的决策过程；②可以灵活修改决策标准以及相关处治方案；③能针对某一路况形成一致的推荐方案；④通过这两种方法可相对容易地解释选择过程并对其编程；⑤利用现有经验；⑥适用于当地情况；⑦是一个项目级的好方法。

（2）不足：①机构与机构之间不能很好地进行转换；②对于新的处治方法的创新或使用有一定的局限性；③很难包含所有重要的影响因素（如项目竞争、职能分类、保持寿命）；④很难开发适用于多种路面破坏类型的矩阵；⑤不包括对各种可行的选择的更综合的评估和LCC分析，因而无法确定成本效益最好的方案；⑥不宜进行网络评估。

此外，应该注意的是，决策树法和决策矩阵法的使用并不能保证能够得到最佳的选择或性价比最高的处治方案。一般来说，为了达到最佳效果，还需要考虑成本和时机。

8.2.2.3　费用效益分析法

费用效益分析法又称费用效果分析法，即为实现某一特定的目的，可供选择的经济技术方案很多，这些方案在实现目的的效果上和消耗的费用上各不相同，通过分析，可以从这些方案中找出效益费用比最高的方案。采用费用效益分析法的难点就是区别出效益和费用两部分。1985年，加拿大的加查和库克认为道路用户效益可以用路面性能曲线围成的面积来估计。1989年，美国的奥布赖恩认为，在选择预防性养护对策时，预防性养护的效益可用路面性能曲线围成的面积表征。这些思想的提出，为费用效益分析法在沥青路面预防性养护领域的应用开辟了途径。

常用的费用效益分析法有寿命周期费用分析、费用效益率分析、等效年度费用、长寿命费用指数等，等效年度费用法由于方法简单，便于理解和运算，故常用来评价预防性养护措施的费用效益，其计算方法为：

等效年度费用（EAC）=单位费用/期望寿命

使用费用效益分析法确定预防性养护措施的关键问题为：①根据特定路况条件和养护措施的技术特点确定初步合适的预防性养护措施；②根据可获得的原材料费用、施工机械费用以及人工费确定预防性养护措施的单位成本；③观察并确定常用预防性养护措施的使用寿命；④确定各种预防性养护措施的等效年度费用，最小的等效年度费用具有最佳的经济性，可在实际工程中优先考虑。

常用的预防性养护措施的技术经济特征如下。

（1）稀浆封层方法适用于有细小裂缝、轻微老化、松散、抗滑能力不足，且车辙深度小于15 mm，中、轻度交通量的路面，施工温度大于10℃，使用寿命2～4年，费用15～20元/m2。

（2）微表处方法适用于有细小裂缝、中轻度老化、松散、抗滑不足，车辙深度小于25 mm，重度交通量的路面，施工温度大于10℃，使用寿命3～5年，费用18～28元/m2。

（3）碎石封层方法适用于有细小裂缝、轻微老化、松散磨耗、中轻度泛油、抗滑不足，中、轻度交通量的路面，施工温度大于15℃，使用寿命3～5年，费用13～20元/m2。

（4）复合封层方法适用于有细小裂缝、轻微老化、松散、车辙、表面不平整、抗滑不足，中、轻度交通量的路面，施工温度大于15℃，使用寿命3～5年，费用28～40元/m2。

（5）THMO方法适用于中轻度表面损坏、轻微不平整、任何程度的交通量的路面，施工温度大于13℃，使用寿命1～2年，费用55～60元/m2。

（6）填缝或灌缝方法适用于有各种程度的非结构性裂缝、任何程度的交通量的路面，应在气候凉爽干燥的条件下施工，使用寿命1～2年，费用5～15元/m2。

（7）雾封层方法适用于有细小裂缝、轻微老化、松散，中、轻度交通量的路面，应在气候凉爽干燥的条件下施工，使用寿命2～4年，费用5～10元/m2。

（8）沥青再生处治方法适用于有细小裂缝、轻微老化、松散、任何程度交通量的路面，应在气候凉爽干燥的条件下施工，使用寿命2～4年，费用22～25元/m2。