浅谈高速公路预防性养护最佳时机和养护对策的选取

 浅谈高速公路预防性养护最佳时机和养护对策的选取

林瀚¹ 王婧颖²

（宁波交通工程建设集团有限公司¹ 浙江华展工程研究设计院有限公司²）

摘要：本文阐述了预防性养护通过宏观路况标准结合微观路况标准确定适合预防性养护路段，对选取路段进行对策库的建立，采用费用效益分析法和价值系数反馈法确定预防性养护对策，最后采用价值分析法确定最佳预防性养护时机。

关键词：预防性  养护 路况标准 对策 时机

1 前言

至2012年底我国高速公路总里程已突破9.56万公里，在已建的高速公路中80%以上都是沥青路面，沥青路面不仅要承受交通荷载的作用，而且要承受周围气候环境的影响，路面的使用状况会呈现逐年降低的趋势。对于高速公路沥青路面来说，如果等到路面完全破损无法使用时才修复，一方面严重影响通车，给路面使用者造成不便；另一方面工程庞大、资金配置严重不合理，业主无法承担，并导致资产折旧加速，巨额资产流失。目前，已有很多公路已进入大、中修期，每年所投入的资金不计其数，这些为数巨大的投资不能完全满足我国公路基础建设的要求，而且还要带来超过1500万吨废弃的旧沥青混合料。根据SHRP计划估算，在整个路面寿命周期内进行3-4次的预防性养护可以延长使用寿命10~15年，节约养护费用45-50%。路面采取预防性养护措施与不采取预防性养护措施相比，对遏制路面性能衰减有很好的效果。为保证公路建设的可持续发展，积极地引进和推广应用国内外先进的养护材料和养护技术，将预防性养护工作落到实处，是一项极具经济效益和社会效益且利国利民的举措。

2预防性养护概念

预防性养护，是指在路面状况良好的情况下，采取一些必要的技术手段，使路面功能一直保持较好的状态，如路面出现轻微裂缝，进行沥青灌缝等措施，是一种有计划性的养护。预防性养护(Pavement Preventive Maintenance，简称 PPM)有两种观点：（1）让状态良好的道路系统保持更长时间(Keep Good Roads Good)，延缓未来的破坏，不增加结构承载能力的前提下改善系统的功能状况；（2）在适当的时间，将合适的措施，应用在适宜的路面上(Apply the Right Treatment at the Right Time on the Right Pavement)。预防性养护是一种主动的养护方式，即未出现破损就养护，尽管事前要投入一笔资金，但从道路的寿命周期核算，要比等到道路无法正常使用时进行大规模修复划算的多。预防性养护的核心理念是“三个适当的”，即在适当的时间，将适当的措施用到适当的路面上。

3预防性养护路段的选取

3.1宏观路况标准

《公路技术状况评定标准》JTG H20-2007中沥青路面状况评价指标主要有路面损坏状况指数PCI、路面行驶质量指数RQI、路面车辙深度指数RDI、路面抗滑指数SRI及路面结构强度指数PSSI五项指标，其中PCI、RQI、RDI、SRI主要反映了路面使用性能特性，PSSI则反映路面结构特性，因此，可将路况指标分为两类即路面使用性能指数和路面结构性能指数。根据预防性养护定义，只有结构强度良好的路面适合预防性养护，因此，结构性能指数PSSI可作为路面是否适合预防性养护的基础指标，即PSSI作为判定性指标。

对路面实施预防性养护，是期望通过预防性养护来减少或阻止路面损害、提高路面平整度、减轻车辙，提高路面抗滑，改善路面一项或几项使用性能。从而路面功能指数中的一项或几项指标可以作为路面预防性养护的判断性指标。多项指标的选取则可借鉴价值工程中的强制决定法，针对不同地区不同道路的要求，采取强制决定法判定哪项指标作为判断性指标。其中强制决定法是采用0-1打分法，将各个性能进行一对一的打分，对比时相对重要的性能得1分，不重要要的性能得0分，再合计总分后求得每项性能的性能系数。PCI、RQI、RDI、SRI四项指标性能系数计算见表3.1。

表3.1  各项指标性能系数计算表

通过强制决定法判定，各项指标中PCI性能系数最大为0.5，RQI性能系数次之，为0.33，两项指标性能系数明显最为重要，可以作为预防性养护的宏观路况指标。

基于强制决定法的强制判定以及对实际道路性能指标分析，结合我国沥青路面养护习惯，预防性养护宏观路况要求可选择结构强度指数PSSI、路面状况指数PCI、路面行驶质量指数RQI三项指标。鉴于PCI反映路面状况的综合性，在确定沥青路面是否需要预防性养护时，以PCI为判断性指标，以PSSI、RQI为判定性指标，即在PSSI、RQI满足要求的前提下，可以对路面采取预防性养护，具体标准见表3.2。

表3.2  沥青混凝土路面预防性养护宏观路况标准

3.2微观路况标准

预防性养护与路况之间有很强的相互制约性，在宏观路况满足要求的前提下，还需要判断路面的损坏类型和程度是否适合预防性养护。参考国外的预防性养护标准，结合宁波市的具体条件，提出增加一项新的参考指标“视觉体感指数（Visual Somatosensory Index)”作为判定预防性养护与路况之间联系的微观辅助性指标。

视觉体感指数（VSI）从人文角度出发，充分尊重道路作为出行便利条件的理念，以乘员的乘车体验对路面的服务性能以5分制进行评价。同时，VSI避免了人为评价的较强主观性和统计方法上需克服无偏见采样等条件限制，将通过仪器检测的客观数据融入到主观因素中，完善主、客观因素与评价方法的相互制约条件。

建立评判标准主要是便于专家对评定路段进行路面综合情况打分，将主观影响因素划分两类，一类是视觉评判，即通过视觉可识别路面的病害情况；一类是体感预报，即在车辆正常行驶的情况下，可通过司机对振动的反应或接受能力体现道路的行驶状况。

实际上不同的人通过视觉和体感的感受对于路面质量的评价是略有不同的。为了避免主观因素的百分百影响，需在主观的评价基础上增加客观值，以完善主观评价的缺陷。根据视觉和体感评判确定主观权值作为各分项指标的性能系数，将主、客观两方面归纳后建立沥青路面视觉体感指数（VSI)。VSI值越小，说明道路的质量状况越好。VSI值在0～1间，表明沥青路面适合预防性养护；VSI值在1～2间，表明沥青路面不适合预防性养护。

4 养护对策的选择

4.1常用预防性养护对策

预防性养护对策是预防性养护计划实施手段的选择和确定的主体，它直接决定了在不同路面状况条件下实施对策的有效性。某种预防性养护对策的选择主要与其技术经济性及路面状况密切相关，直接影响着对策选择的合理性。因此，对常用预防性养护对策的技术性、经济性、适用性的明确界定和系统分析，是预防性养护对策选择的基础。多年来，经过国内外众多公路养护工程的实践，已经有十多种常用的预防性养护对策，主要有同步薄层罩面、稀浆封层、微表处、碎石封层、复合封层、纤维碎石封层、薄层热拌沥青混凝土罩面、灌封和封缝、雾封层、溶剂型封层等。

4.2预防性养护对策选择原则与方法

预防性养护对策选择是为适合实施预防性养护的路面选择恰当的措施的过程。为了保证预防性养护对策的使用效果和技术优势，预防性养护对策选择需要遵循以下原则：

（1）技术有效性。即预防性养护对策在技术上是满足要求的，能够满足路面状况、交通量等的技术要求，且能充分发挥其应有的预防性养护性能。

（2）经济节约性。即在满足技术有效性要求的前提下，应尽可能选择经济性更好的预防性养护对策，使得所采取的预防性养护对策相对于其它对策具有更低的养护成本或全寿命周期成本。

（3）性能服务性。即所采用的预防性养护对策是符合工程特点的，能满足服务的公路用户对预防性养护路面使用性能的特定要求。

依据以上原则，预防性养护对策选择应该包括预防性养护对策库的建立、预防性养护对策的费用效益分析和针对具体工程采用价值工程价值系数反馈法的预防性养护对策选择3方面的内容。

图4-1  沥青路面预防性养护对策选择流程图

4.3预防性养护对策库的建立

预防性养护对策库的建立主要是考虑首要的交通量及路面的典型的病害类型及病害严重程度影响因素。

建立对策库，主要目标是针对首要考虑影响因素下，在众多常用的预防性养护对策中选取高效、可行的对策。同时，预防性养护对策的技术因素作为保证预防性养护措施的适用性，以充分发挥措施应有的养护性能，是预防性养护对策选择时需要考虑的最重要的因素。

交通量因素无论对路面结构设计还是路面建成后的使用寿命都有着至关重要的影响。预防性养护对策作用于路面后的使用寿命，也同样取决于交通量。而且不同交通量对预防性养护对策中选用的原材料要求也不相同。因此，对策库建立时，要将交通量因素作为预防性养护对策确定的重要条件之一。

路面状况是影响预防性养护对策选择的另一重要因素。通过对国内外预防性养护对策选择的的研究可知，预防性养护对策能够处理的路面病害类型包括各种裂缝、车辙、路面不平整、麻面、松散、泛油、沥青老化、磨光、抗滑损失和渗水等，病害损坏程度以轻微或中等为主。因此，在建立沥青路面预防性养护对策库时主要考虑这些路面病害类型。由于某些预防性养护对策也可处理特定严重程度的损坏，因此损坏程度考虑轻、中和重3种。

预防性养护对策库建立是以沥青混凝土路面典型病害类型及严重程度、交通量为选择依据，充分考虑沥青路面常用预防性养护对策的性能和适用条件。对策库是预防性养护对策选择中初步选择预防性养护对策的依据。

注：对策库中各符号对应的预防性养护对策为：

I同步薄层罩面，II稀浆封层， III微表处，IV碎石封层，V复合封层，VI纤维碎石封层，VII薄热拌沥青混凝土罩面。

4.3预防性养护对策的费用效益分析

费用效益分析是指通过权衡效益与费用来评价项目可行性的一种分析方法。从经济性角度对方案的得失、优劣进行评价、比较以供合理决策的一种经济数量分析方法。这种方法较多地用于工程建设的项目评价中。针对不同预防性养护对策，采用费用效益分析方法对预防性养护对策库中的策进行的分析评价，为不同路况条件可用对策的进一步分析筛选，作进一步的合理决策。

在经济学中常用来评价一个项目的费用效益的方法有生命周期费用、费用-效益分析、等年度费用分析。其中等年度费用法（Equivalent Annual Cost method，简称EAC）因方法直观、简单而被广泛应用，等效年度费用(EAC) 是项目在它的整个寿命内每年的费用。因此用此方法作为预防性养护对策费用效益分析手段。EAC计算方程如下：（4-1）

经济性是预防性养护对策众多因素中的一项重要特性，直接影响预防性养护对策实施。费用效益分析目的即是对预防性养护对策的经济性分析比较，确保预防性养护对策选择的经济合理性，效益分析主要指预防性养护对策的单位费用和使用寿命。

4.5价值系数反馈法预防性养护对策选择

选择预防性养护对策时，除需要满足预防性养护对策选择原则中的技术性和经济性的条件外，还要考虑性能服务性即所采用的预防性养护对策是符合工程特点的，能满足服务的公路用户对预防性养护路面使用性能的特定要求。因此，采用价值系数反馈法判断预防性养护对策对性能服务性的要求。

预防性养护对策选择除了与路面状况、交通等级等基本要求有关以外，还应考虑与工程条件密切相关的因素（包括可获得的材料、施工质量、耐久性、交通干扰、行驶舒适性、抗滑性能、噪声和美观等8项）等的影响，即采用强制决定法0-4打分法对合适的影响因素打分，确定每个因素的权重系数，这些权重系数与路面的各项条件相关，然后根据具体工程条件对每个因素进行打分，最后加权后得到一个综合的对策功能系数，与方案的成本系数比值得到方案价值系数VR反馈值最大的即为最佳对策方案。

5 确定养护时机

高速公路沥青路面进行预防性养护，养护时机的选取非常重要。采取养护措施过早，将造成养护费用资金上的浪费；采取养护措施过晚，会错过最佳的养护时机，使得预防性养护的效果明显降低，预防性养护的真正价值没有得到充分的体现。所以正确的把握养护时机是很重要的，要利用有限的养护资金得到最大价值，才是预防性养护追求的根本所在。预防性养护时机的确定，需要根据道路的使用状况，利用一系列科学的检测手段，得到路面使用性能的衰减变化趋势，对其变化发展过程进行准确的跟踪监测，并归纳分析判断，得出预防性养护的合理养护时间，这是实现预防性养护措施实施系统化、科学化的前提条件。

5.1 最佳预防性养护时机确定方法

价值分析法作为价值工程的最根本方法，其定义为系统的应用公认的技术，通过对功能的鉴别和评价来提高一种产品或服务的价值，并且以最低的总费用来实现产品功能，以达到必须的性能。价值分析法的费用与功能通用表达式为：（5-1）

V（Value）—价值

F(Function)—功能

C(Cost)—费用

从公式上可以看出：价值与功能成正比，价值与费用成反比，功能越高、费用越低，价值就越大。公式中费用指用户为了取得产品的功能所支付的生命周期总费用C，等于生产费用C1和使用费用C2之和，即C=C1+C2。产品寿命周期费用和功能之间存在着内在的联系，在一定的技术经济条件下，在满足功能要求前提下，产品存在一个最低寿命周期费用Cmin。如下图5-1所示：

图5-1寿命周期费用与功能之间关系

当我们把路面养护工作看为一项产品时，那么对路面的使用性能要求则是路面所必须的功能，保持路面具有良好的使用性能所花费的费用则是路面养护成本。对于路面养护而言，采取的日常养护或大中修的相对年度费用C1越低，获得的性能F提升越小，采取预防性养护措施时间越早，所要花费的相对年度费用C2越高，获得性能F提升越大。路面性能提升与所需要的年度总费用C存在一个最佳关系，此时的价值V最大，性价比最高，所对应年度费用成本最小，Cmin所对应的年度即为最佳预防性养护时机，如图5-2。

图5-2  路面养护费用与性能之间关系

5.2 最佳养护时机确定的流程

预防性养护时机的确定遵循一整套科学合理的工作程序，最佳预防性养护时机的确定过程如下：

（1）最佳预防性养护时机分析中最关键的一步是常规养护的路况指标衰变方程和预防性养护的路况指标衰变方程。先要确定路况衰变模型，可利用历年的检测数据进行回归标定，进而确定模型的参数。而预防性养护衰变方程则需要根据以往的预防性养护经验积累，根据所采用不同养护对策，假定一些预防性养护后的数据，确定实施预防性养护后的衰变方程参数，从而得到衰变方程。

（2）由路面使用性能衰变曲线或方程可知，使用性能是使用时间的函数，因此可根据预防性养护对策适用的路况范围确定相应的时间范围。采用路面预防性养护性能指标PCI、RQI的常规养护衰变曲线或及其预防性养护标准确定预防性养护的时间范围。

（3）预防性养护的性能效益包括经济效益和社会效益，其中公路单位费用属于经济效益，容易量化，用户费用和社会费用属于社会效益，在量化上比较复杂，采用路面性能曲线下的面积来表征对策的性能效益，即反映了路面性能的好坏和使用寿命的长短，并且其分析结果也符合预防性养护的理念和规律。该方法为路面性能曲线法，把使用性能曲线下的面积称为性能效益。不同预防性养护对策可以改善路面状况的不同方面，因而预防性养护效益分析指标的选择与预防性养护对策的类型有关。因此，项目针对不同类型的预防性养护对策其效益分析指标也应有所区别。

预防性养护实施后产生的路面状况的改善和路面使用寿命的延长均是相对于路面在常规养护方式下的路面状况和使用寿命而言，实施预防性养护后的性能效益量化采用路面性能曲线改变的的面积来计算。因而，需要对常规养护的路面性能曲线和预防性养护实施后的路面性能曲线来计算性能曲线改变的面积，即预防性养护性能效益。选定可行的时间方案，计算各预防性养护时间方案的预防性养护性能效益PB值。

（4）由于各方案实施预防性养护时间的不相同，因此在确定最佳预防性养护时机时采用当量平均年度费用法（EUAC）来计算各比较方案的费用，即选择EUAC作为预防性养护的费用分析指标。费用项目包括预防性养护对策费、中修费和相应的日常保养费用，计算时可根据情况选择其中一项或多项，但必须包括预防性养护对策费。

（5）通过各预防性养护时间方案的PB和EUAC，进一步计算各预防性养护时间方案的价值V，最终以V最大的方案所对应的年度作为最佳预防性养护时机。

（5-2）

式中：

——第 个预防性养护时间方案的价值；

——第 个时间方案的预防性养护性能效益；

——第 个预防性养护时间方案的当量平均年度费用。

6 结束语

本文针对高速公路路面预防性养护路况标准采用价值工程强制决定法选取结构强度指数PSSI和PCI、RQI两项使用性能指数作为预防性养护的宏观路况指标，提出了以视觉体感指数VSI作为路面预防性养护微观路况指标，最终得出了路面预防性养护路况标准综合评价体系。采用预防性养护对策库建立、费用效益分析法和价值系数反馈法作为预防性养护对策选择的方法，解决了沥青路面预防性养护对策选择问题。结合价值分析法中功能的概念，采用性能效益表征预防性养护的经济效益和社会效益，并以性能曲线下面积将性能效益量化，引入价值分析法原理，解决了确定沥青路面最佳预防性养护时机的问题。可以做到合理的利用有限的养护资金在适当的时间，将适当的措施用到适当的路面上，确保路面使用性能，延长路面使用寿命，保证公路养护的可持续发展。

参考文献：

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[5] 中华人民共和国行业标准.公路技术状况评定标准（JTG H20-2007）.北京： 人民交通出版社，2007.