（道路与铁道工程专业论文）基于生命周期费用的沥青路面预防性养护时机研究.pdf

摘要 随着国内公路建设的迅速发展，愈来愈多的公路需要养护，致使养护资会 相对短缺，养护水平较低。要改变目前被动养护的局面，最有效的方法是实旋 预防性养护。路面预防性养护对维持良好的路面性能具有重要意义。预防性养 护的效果与进行预防性养护的时机密切相关，然而对于预防性养护时机的确定 问题，目前国内还没有较完善的解决办法。本文从预防性养护的作用出发，结 合沥青路面发展现状，提出了基于生命周期费用的预防性养护时机的确定方法， 并建立了模型。 论文根据公路预防性养护工程的特点，重点考虑养护工程对车辆运营费用 的影响，建立了适合预防性养护工程生命周期费用分析的费用计算框架；提出 了效果量化的方法，给出了效果权重系数的确定方法，对效果进行了定量分析； 通过计算效果费用比，确定效果费用比最大的预防性养护时机方案为最佳方案； 利用所构建的确定沥青路面预防性养护时机模型，对山东省济聊高速公路预防 性养护工程进行了实际应用，给出了决策建议。通过对国内外一些行之有效的 路面预防性养护技术进行的全面分柝，可使养护单位根据不同的路况选取最佳 的预防性养护措施。 关键词：沥青路面；生命周期费用；预防性养护；时机；效果 a b s t r a c t a st h ec o n s t r u c t i o no fd o m e s t i ch i g h w a y sd e v e l o p sr a p i d l y , m o r ea n dm o r e h i g h w a y sn e e dm a i n t e n a n c es ot h a tt h em a i n t e n a n c ef u n d sa r er e l a t i v e l yi ns h o r to f s u p p l ya n dt h eq u a l i t yo fm a i n t e n a n c ei sl o w t h em o s te f f e c t i v ew a y t oc h a n g et h e c u r r e n tp a s s i v es i t u a t i o ni st oa d o p tp r e v e n t i v em a i n t e n a n c e p a v e m e n tp r e v e n t i v e m a i n t e n a n c ep l a y sas i g n i f i c a n tr o l ei np r e s e r v i n gt h ef u n c t i o no fh i g h w a y sa n di t s e f f e c t i v e n e s si sc l o s e l yr e l a t e dt ot h et i m i n go fm a i n t e l l a n c e h o w e v e r , ab e t t e rw a y t os e i z et h er i g h tt i m eh a sn o ty e tb e e nf o u n dh o m ea n da b r o a du pt on o w t a k i n gt h e c u r r e n td e v e l o p m e n to fa s p h a l tp a v e m e n ti n t oc o n s i d e r a t i o n , t h ea u t h o ro ft h et h e s i s p u tf o r w a r dt h em e t h o dt os p e c i f vt h eo p t i m a lt i m i n go fp r e v e n t i v em a i n t e n a n c e b a s e do nl i f es t y l ec o s ta n de s t a b l i s ht h em o d e la sw e l l b a s e do nt h ef e a t u r e so fh i g h w a yp r e v e n t i v em a i n t c h a n c ep r o j c c ta n df o c u s i n g o nt h ei n f l u e n c et h a tm a i n t e n a n c ep r o j e c th a so nt h et r a n s p o r t a t i o nc o s to fv e h i c l e s , t h ea u t h o re s t a b l i s h e sac o s tf t a m c w o r kb e f i t t i n gt h ea n a l y s i so fl i f cc y c l ec o s to f p r e v e n t i v em a i n t e n a n c ep r o j e c t ；p r o p o s e st h em e t h o do fe f f e c tq u a n t i f i c a t i o na n d p r e s e n t st h em e t h o dt os p e c i f yt h ee f f e c tw e i g h t i n gc o e f f i c i e n ta n dg i v e sa q u a n t i f i c a t i o na n a l y s i s ；a c c o r d i n gt ot h er a t i oo fe f f e c ta n dc o s t , t h et i m i n gp l a n w h i c hh a st h eb i g g e s tr a t i o ，w i l lb et h eo p t i m a lt i m i n gf o rp a v e m e n tp r e v e n t i v e m a i n t e n c e d e f i n i t ea s p h a l tp a v e m e n tp r e v e n t a t i v em a i n t e n a n c eo p p o r t u n i t ym o d e l s c o n s t r u c t e dw a sa p p l i e di nt h ep r e v e n t a t i v em a i n t e n a n c ep r o j e c to ft h ej i i j a 0 f r e e w a yo fs h a n g d o n gp r o v i n c ea n dt h ed e t e r m i n a t i v es u g g e s t i o nw a sp r e s e n t e d t h e l lt h ea n a l y s eo fs o m ee f f e c t i v et e c h n i q u e so fp a v e m e n tp r e v e n t i v em a i n t e n a n c e h o m ea n da b r o a dh e l p st h em a i n t e n a n c ed e p a r t m e n tt a k et h eb e s tp r e v e n t i v e m a i n t e n a n c em e a s u r ea c c o r d i n gt od i f f e r e n ts t a t e so fh i g h w a y s k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ，p a v e m e n tp r e v e n t i v em a i n t e n a n c e , l i f ec y c l ec o s t ， t i m i n g , e f f e c t 论文独刨性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 彳毒勇妒厂年月，日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权 归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及 申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 囊 导师签名：凑隆己论 办彩年月1 1 日 硼年占月t 日 第一章绪论 1 1 研究的必要性和意义 1 1 1 引言1 】 马克思在资本论中指出：“一台机器的构造，不管怎样完美无缺，进入 生产过程后，在实际使用上就会出现一些欠缺，必须用补充劳动来纠正。另一方 面，机器越是超过中年期，正常的磨损越是增多，构成机器的材料越是消耗和衰 老，因而它维持到平均寿命的未期所需要的修理劳动就越频繁、越多。” 马克思的这段话阐明了机器“维修”的重要性一而道路与机器一样需要“养 护”。 1 1 2 路面养护及养护系统 1 养护的定义 “ “养”在中国古代写作“饕”，有生、育、栽培、医治等含义；“护”在古时 写作“凌”有救助、监视、监督、遮蔽、保护等含义：文献【2 】中关于养护的界定 是：保养修理，使建筑物、机器等维持良好状态；而在文献【3 】中则多了保养、 养育护持之意。 牛津高阶英汉双解词典中关于m a i n t e n a n c e 的界定是：m a i n t a i n i n go r b e i n gm a i n t a i n e d ；而对于m a i n t a i n 的定义是：( 1 ) k e e ps t hi ne x i s t e n c ea tt h es a m e l e v e l , s t a n d a r d , c t c ；( 2 ) s u p p o f l ( s b ) f i n a n c i a l l y ；( 3 ) k e e p ( s t h ) i ng o o dc o n d i t i o no r w o r k i n go r d e r ；( 4 ) a s s e r t ( s m ) a st r u e a 2 道路养护的定义 8 5 版道路与交通工程词典中将道路养护细a dm a i n t e n a n c e ) 界定为：对现 有道路及其一切附属设施进行各种保养，维修，及必要的改善工作的统称。其目 的在于预防和消除病害，延长路面的使用寿命，提高道路的通行能力和服务水平 道路养护按工作性质和规模大小可分为四类：小修保养、中修、大修、改建。 在日本道路养护维修纲要中：养护是指保持道路功能的行为；欧洲经济 合作与发展组织( o e c d ) 以路面结构是否被修改分为养护和维修，养护指不修 改路面结构的维护措施。 3 预防性养护 路面养护可以分为两种：预防性养护( p r c v c m i v em a i n t e n a n c e ) 和纠正性养 护( c o r r e c t i v e0 1 r e a c t i v em a i n t e n a n c e ) 。a a s h t o 道路常委会对预防性养护最新 的定义为：预防性养护是一种在路面状况良好的情况下采取的对现有道路系统进 行有计划的、基于费用效益的养护策略，预防性养护在没有提高路面结构能 力的情况下，延迟路面的损坏，维持或改善路面现有的通车条件1 4 , 5 1 。预防性养 护能减少水分进入路面结构内部破坏路基，保证路面结构的整体性，减缓道路的 破坏速度，纠正路面诸如平整度和非荷载性破坏，从而延长路面的使用寿命推迟 昂贵的大修和重建活动。这些措施对路面结构几乎没有改进作用嘲应用预防性 养护可以制止微小损坏，延迟进程性损坏，减少纠正性养护。预防性养护以道路 系统正常使用状态下的部分功能性缺失为对象，以延缓道路损坏，延长道路使用 寿命为目的，需在路面出现明显破坏之前进行；而纠正性养护则是用于道路系统 使用功能与结构遭到破坏时，比如中等到严重车辙或大面积裂缝【6 l 。两者并存于 一个全面的路面养护计划中，并形成科学的相互关系，但路面养护的重点应放在 防止路面变化到需要纠正性养护，因为纠正性养护所需的费用比预防性养护高。 在不同的时间采取不同的养护措施所需的费用相差是很大的，这就需要确定路况 良好时进行预防性养护和路面破坏时进行大中修的费用效益关系对于路面维护 来说，预防性养护是对现有道路有计划的、经济有效的一项维护工具m 。 预防性养护计划是在道路生命周期内随着时间采用一系列预防性养护措施 的系统方法。预防性养护措施可以改善路况，提高行使质量，延长路面寿命，降 低生命周期费用，但其真正的益处只有当实行一套相应的预防性养护计划时才能 意识到。一个有效的路面养护计划应包括多次预防性养护策略和维修措施。这个 计划的目的是用一种经济有效的方式来延长路面寿命和提高系统性能。研究表明 采取预防性养护的路面其效益费用比是不采取任何养护措施的路面的6 - - 1 0 倍嗍。 1 1 3 路面预防性养护的关键问题 4 , 9 1 即使最好的路面也会破坏，所以对于特定的路面我们应在最恰当的时间给予 最合理的养护措施。及时合理的路面预防性养护能增加路面的通车时间，延迟昂 贵的路面大修和重建。预防性养护的效益取决于路面结构特征，破坏类型、程度 和范围，以及别的因素如排水、材料等。对于费用效益比好的预防性养护来说， 2 很有必要在恰当的时间对合适的路面运用恰当的预防性养护措施。因此，成功实 施预防性养护计划的关键应为： 1 选择恰当的路面 要识别适合于预防性养护的路段须对所有路面进行调查。路面破坏种类、程 度和范围的调查是路面管理系统的一个重要组成部分，同时也是预防性养护计划 的必要部分。对预防性养护来说，有必要识别具体的路况且找出需进行预防性养 护的早期信号。 2 恰当的时机 预防性养护措施必须在路面加速破坏前进行，不能影响路面使用性能和期望 寿命。例如，沥青路面填缝应在单条横缝发展到多条裂缝之前进行。调查时的路 况可用于预测将来的路况，因为预防性养护并不一定正好在调查时就进行。预防 性养护措施通常应提前2 - 8 个月计划应用预防性养护太晚会导致坏的路面性 能，太早应用预防性养护又会引起别的路面问题和资金浪费1 4 】。为了保证预防性 养护措施的及时应用，必须认识到下面两种情况：k 1 及时的预防性养护计划必须进行路况调查并及时编入到预防性养护 旌工计划中； 资金预防性养护资金必须在需要时得到保证，因为时间对于获得良 好的效益费用比很重要，推迟预防性养护效益不会很好。 3 恰当的措施 选择正确的预防性养护措施包括以下四个过程： 制定可选措施； 对具体路段选择合适的养护措施： 路网中需要进行预防性养护的其他路段及其优先度； 材料和施工方法的选择。 预防性养护措施比较多，不同的路况、环境需选择相适应的措施才能取得良 好的效果，选择合适的预防性养护措施是有效进行路面预防性养护的关键之一。 但是，当确定了预防性养护措施之后，还需要确定在什么时间实施该措施。预防 性养护的时机对于维持路面良好的性能和保证路面在生命周期内具有良好的效 益费用比至关重要。因此，要进行预防性养护，首先应解决在什么时间进行预防 性养护，即用什么标准来判断采取预防性养护。 3 1 1 4 路面预防性养护的意义 美国s h r p 计划一个重要成果就是指出了预防性养护在延缓路面使用性能恶 化速率、延长其使用寿命周期费用方面的重要意义。正确实施预防性养护可保持 路面良好的使用性能，延长路面的使用周期，减少生命周期费用和节约养护维修 资金。根据s h r p 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1 0 1 5 年，节约养护费用4 5 - 5 0 。 在密歇根，预防性养护不仅仅能维持好的路况，最终还会带来好的效益。密 歇根运输部门估计，大修和重建的费用是预防性养护的1 0 - - 1 4 倍，自1 9 9 2 年密 歇根执行预防性养护计划以来，节省资金超过$ 7 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0 。密歇根运输部门已 经计划到2 0 0 7 年提高路面维护技术，使9 5 的高速公路和8 5 的费高速公路路 况达到良好。 江苏省公路养护统计资料表明嘲：国产改性稀浆封层厚度为l c m 时，其成本 为1 3 1 0 5 元，m 2 ；而对路面维修时其上、中、下及补强层的铣刨成本为别为4 6 3 元m 2 、6 5 0 8 元m 2 、6 6 1 8 元m 2 和1 6 1 3 3 元1 1 1 2 ，合计为3 3 8 9 元m 2 ； 沥青混凝土其上、中、下及补强层摊铺成本分别为4 6 3 4 9 元m 2 , 5 9 7 2 4 元m 2 、 6 0 7 3 4 元m 2 和1 4 8 0 5 4 元m 2 ，合计为3 1 4 8 6 元m 2 ( 还不包括铣刨废料及 沥青混凝土的运输成本2 0 8 元一k m ) ，这些数据说明了重视预防性养护的经 济意义。 在路面养护和维修的关系上，长期以来人们总是习惯于等到路面开始出现破 坏后，才想起进行维修，整个公路养护行业存在着“重建轻养”，“以建代养”的 倾向。对于路面还处于良好状态下进行预防性养护的意义则往往认识不足，而是 把有限的养护资金，主要用于对破坏后的公路进行修复甚至改建再造走进一个恶 性循环的怪圈，一直是“留着好的吃烂的，吃着烂的烂好的”，陷入了捉襟见肘 高投入低产出的境况。预防性养护实质上是一种周期性的强制保养措施，它并不 考虑路面是否已经有了某种损坏，而是通过采用先进的检测技术努力拓宽人们对 于道路早期病害的认识空间，提前发现道路隐藏的隐形病害的存在，并施以正确 的预防性养护措施，这就是古语中说的“上医治未病”，花很少的钱保健康、不 生病。预防性养护最佳实施时机应该是在路面尚处于良好状况，或者只有某些病 害先兆时进行。虽然预防性养护需要投入某些费用，但它是一种效益费用比非常 4 良好的养护措施。美国科氏公司路面解决方案中提到，美国道路业曾通过对几十 万公里不同等级道路进行跟踪，发现这些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7 5 的时间内性能下降4 0 ，这一阶 段称之为预防性养护阶段。如不能及时养护，在随后1 2 的使用寿命时间内，性 能再次下降4 0 ，从而造成养护成本大幅度的增加，这一阶段称之为纠正性养护 阶段。在路面寿命的头几年，很难发现路面破坏。但是路面破坏是积累的，路况 从很好到好然后到良。到路面寿命的第1 2 年，7 5 的路面寿命已经过去了，路况 质量下降了4 0 。仅3 年后，路面性能水平从良降到了非常差。更重要的是，如 果在第1 2 年进行预防性养护，此时只需要进行表面处治，如稀浆封层。如果等 到第1 5 年在进行养护，此时需要更昂贵的维修措施，如厚层罩面。路况从良到 非常坏的维护费用将近5 倍或更高! 仅仅推迟3 年的预防性养护时间竞带来如此 高的费用，可见预防性养护时间的关键性! 我国高速公路发展起源于2 0 世纪8 0 年代，回顾二十多年的发展历程，我国高 速公路走过了两个发展阶段。从1 9 8 8 年到1 9 9 7 年为起步阶段，这一阶段相继建成 了沈大、京津塘、成渝、济青、京石、沪宁、广深等一大批具有重要区域性影响 的高速公路，高速公路通车里程累计达到4 0 0 0 余公里。从1 9 9 8 年至今，为高速发 展阶段，高速公路以年均通车里程超过3 0 0 0 公里的速度发展。高速公路从起步到 通车l 万公里，我们花了1 2 年的时间，从i 万公里到突破3 万公里，我们仅用了5 年时间。可以说仅仅1 7 年中国高速公路的发展走过了许多发达国家一般需要4 0 年才能完成的发展进程，创造了世界瞩目的中国速度。 目前我国已经建成的高速公路7 5 左右是沥青混凝土路面，这些高速公路建 成后，受交通量迅速增长、车辆大型化、超载严重、行驶渠道化及水损坏等影响， 路面发生了不同程度的早期损坏，导致养护任务艰巨。另外，随着高速公路里程 的增加和使用时间的延长必然会带来路面不断的损坏，养护工程量将越来越大。 可以预计今后一个时期。我国高速公路将由建设为主，转为建设与养护并举，并 逐步以养护为主。在这种形势下，研究开发高速公路沥青路面养护新技术，探索 养护管理模式具有重要意义。 按照国外经验，在路面使用一定时间后就得进行预防性养护。许多发达国家 也都比较重视路面预防性养护技术的研究与应用，并取得了一定的经济效益。我 国公路养护技术规范i n 明确提出：公路养护工作必须贯彻“预防为主，防治 5 结合”的方针。i j f 些年国内开始对路面进行预防性养护，但在一些路段上应用得 并不成功( 如国内某路段稀浆封层的使用期仅为1 个星期，长的不到2 个月等) ， 导致有些人对预防性养护( 稀浆封层) 在中国公路应用的使用性产生怀疑。究其 原应是国内缺乏这方面的实际经验和理论研究，对预防性养护的应用时机和措施 并没有深入理解。在过去，大量的研究经费主要集中在路面材料和建设方面。在 路网建设相对完善的情况下，如何让路面保持良好的状态，如何有效地进行预防 性养护，是一个主要的课题，也是公路发展史的必然要求。 我们通常进行的路面维修养护是在路面出现破损之后采取措施的，这比较容 易识别和确定维修养护的时机，而预防性养护是在路面还处于良好的状况时采取 的养护措施，这就使得路面预防性养护面临一个艰难的问题，就是何时进行预防 性养护? 虽然路面预防性养护工作在国外开展的较早，但是专门针对养护时机的 研究却几乎还是空白。 t 1 2 国内外沥青路面预防性养护研究现状及发展动态 1 2 1 国外研究现状及发展动态协1 7 1 t 自1 9 3 2 年德国建成世界上第一条高速公路起，至今已经有6 0 多年的历史。 第二次世界大战后，国外高速公路发展很快，大部分发达国家的高速公路网早就 已经建成，全面进入维修养护时期。高速公路的维修养护和新建一样，需要一整 套先进的科学技术，近年来尤其得到了令人瞩目的发展和进步，如表卜l 所示， 其中多数为预防性养护方法。 表1 - 1国外高速公路维修养护技术 l封缝、灌缝、修补坑槽 公 2 稀浆封层 路 维 3 微表处 修 4改性沥青s 眦罩面 养 护 5普通沥青混凝土罩面 技 术 6 修补车辙 7 路面再生 美国各州公路及运输工作者协会( a a s h t o ) 在1 9 9 9 年对4 1 个运输部门进 行了调查，3 6 个( 8 5 ) 运输部门已经制定了路面预防性养护计划( p a v e m e n t p r e v e n t i v em a i n t e n a n c ep r o g r a m s ) ，2 个运输部门正在制定p p m 计划，4 1 个运输 部门都已开始应用各种路面预防性养护措施。到目前为止，除了美国开始使用路 面预防性养护技术外，南非广泛使用了石屑封层，这项技术已用于日交通量在 5 0 ，0 0 0 及以上的路面，其路面管理系统已经证明表面封层( s u r f a c es e a l s ) 对于 维持路面寿命是一项有效的措施。在澳大利亚，石屑封层应用得也很成功。加拿 大在2 0 年前就意识到路面预防性养护的好处，早在7 0 年代晚期安大略省 ( o n t a r i o ) 运输部就系统地应用预防性养护的观念实施了一个路面管理计划。在 8 0 年代早期，渥太华的市政部门就意识到及时进行路面养护的重要性。近年来， 美国的公路管理部门，包括联邦公路管理局( f h w a ) 、路面维护机构( f p 2 ：t h e f o u n d m i o no fp a v e m e n tp r e s e r v a t i o n ) 和美国各州公路工作者协会( a a s h t o ) 联合发起推动实行路面预防性养护策略。为了推动预防性养护技术，已经在6 个方面资助了5 0 个研究子课题。f h w a 、a a s h t o 和f p 2 已经主办过多次预防 性养护专题讨论会和论坛。为了解决预防性养护时机问题，f i - i w a 专门资助了专 门的项目n c h r p p l 4 - - 1 4 ( t h en a t i o n a lc o o p e r a t i v eh i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m p r o j e c t1 4 1 4 ) 。同时，a a s h t o 、f p 2 和f h w a 用三年的时间另外再投资$ 3 5 0 ，0 0 0 来支持预防性养护时机选择的研究项目。 1 2 2 国内研究现状 目前国内在高速公路沥青路面预防性养护的专门技术方面基本上处于刚起 步阶段，少数省份如河南、河北、江苏、山东等开始在这方面进行尝试，大部分 地区至今仍未引起重视，国内普遍习惯于采用中低级公路的维修养护方法，施工 过程通常中断交通或改道，维修养护方法几乎都是铺筑沥青混凝士罩面层，处于 落后的状态。为了满足高速公路维修养护的需要，一些单位已经开始开发研制用 高分子聚合物改性沥青的稀浆封层。通过“八五”期间交通部重点新技术推广项 目“乳化沥青稀浆封层成套技术”的推广和研究，稀浆封层技术有了一定的发展。 河南省公路管理局、新乡市公路科技研究所和前西安公路交通大学合作，采用丁 苯胶乳与c r s 一1 型慢裂快凝阳离子乳化剂混合加上助剂制成改性乳化沥青，进 行了改性稀浆封层施工。浙江省在杭甬高速公路试用改性稀浆封层。山东省在济 聊高速公路上试用稀浆封层。河北沧州市盛通乳化沥青有限公司等单位引进了 h d l 0 型稀浆封层摊铺机及用于修补车辙的v 字形摊铺箱，在京石高速公路、石 7 安高速公路上铺筑了改性乳化沥青稀浆封层试验段。近年来，在沪嘉高速、沪宁 高速、四川内宜高速等公路路面上进行了微表处施工。可以说，在国外预防性养 护中应用比较成熟和成功的乳化沥青稀浆封层技术在我国大都用作粘层、封层， 而用作路面的预防性养护还处于试验阶段或刚刚开始，其性能有待进一步验证。 1 2 3 路面预防性养护时机的确定方法 预防性养护通常在路况较好的路面上采用，这样就给预防性养护的应用时机 的识别带来了一定的困难，即使在预防性养护应用比较多的国家，对预防性养护 时机的研究也是比较少的。目前路面预防性养护时机的研究主要参考路面维修养 护的方法，主要有：基于路况( p c i ) 的方法、行驶质量指数和破坏法、决策树 法、排序法和基于老化的方法等。 1 基于路况的方法 基于路况的预防性养护时机确定的方法就是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。美国p a v e r 路面管理系统采用路面状况指数 p c i 综合表征路面的结构完整性和行使状况，并建立了路况等级、p c i 值和养护 对策问的关系【堋、如表1 2 所示。可以看出，国外对路面养护的要求是很高的， 在路面状况评价为良，中的路段便可进行大中修和改建，而预防性养护则主要针 对路况为优、良的路段。 表1 - 2 美国p a v e r 养护和改建方案同p c ! 值和路况评级的关系 评级特优优良 由 差很差破坏 p c i1 0 08 57 05 54 02 51 0 o 养护方法日常养护日常养护、大中修、改建大中修、改建、重建改建、重建 使用年限 图1 - 1 路面状况指数( p c i ) 随路龄的变化曲线 图1 - 1 所示为p c i 随着道路使用年限的变化趋势。随着路面使用期的延长， 8 沥青会不断老化，路面的服务能力不断下降，当路面质量下降4 0 路面使用年限 达到路面寿命的7 5 时到达临界状态，之后路面的服务状况急剧下降、路面的裂 缝、坑槽增多增大，路面颜色变浅，为了及时制止沥青路面状况的进一步恶化， 可在临界点之前进行预防性养护，使路面的服务水平一直维持在较好的水平，延 长路面使用寿命，减少养护成本。 路面上的破损现象错综复杂，有路面结构、路面材料、设计施工和环境等因 素引起的。p c i 是一个综合值，只是路面表面破坏的一种外观评价，只关注了路 面破坏的表面现象，而没有研究破坏的原因。所以用p c i 法来确定预防性养护时 机有一定的困难。 2 行驶质量指数和破坏指数法 美国密西根州运输部( m d o t ) 在路网管理中应用破坏指数d i ( d i s t r e s s i n d e x ) 和行驶质量指数r q i ( r i d eq u a l i t yi n d e x ) 来确定路面预防性养护的时机 为了延迟由于不平整和动载引起的路面破坏，密西根运输部资助了密西根州立大 学用r q i 来确定各种路面的预防性养护时机的研究。密西根大学开发了一个采 取预防性养护最佳时间的可靠模式用r o i 值和实际路面的r q i 增长值来确 定路面预防性养护的时机【1 9 】。 密西根采用r q i 值来确定路面预防性养护时机的方法比较适用于刚性路面， 对由于平整度和动载引起破坏的路面预防性养护时机的制定比较适用。但这种方 法没有解决路面预防性养护针对的其他主要路面问题，如裂缝、路面水损坏和抗 滑性能等。 3 决策树法 决策树根据不同的决策影响因素，通过建立一定的树结构形式。将决策方案 不断进行细化、分枝，并综合考虑各种组合条件，在各个分枝的枝末，给出各种 组合条件限制下可能的处治对策。决策树方法较直观，易于理解。在确定各种组 合条件的可能对策时，通过专家调查方法，综合考虑当地工程师的经验，可以很 好地与人们的主观经验相结合。 但是，随着养护决策影响因素的增多，决策树将变得越来越复杂，而且无论 更改、增加或删除任何一种影响因烈2 0 1 ，决策树都必须重新修订，这一过程造成 了时间与资金的浪费，并使这种方法通常不能从一个管理部门移植到另一个管理 部门；而且影响因素达到一定数目后，可能使决策树过于复杂而失去实用意义； 9 另外给定的专家决策方案只能有一个，这就使决策变得僵化、绝对化，而些好 的决策方案个体却可能遭淘汰而进不了决策树，限制了措施的革新和新措施的应 用。在预防性养护措施选择时通常要考虑路面类型，路面破坏类型、范围和严重 程度，费用效益等在预防性养护措施时机的选取时还要进行场地的现场评估， 而不是仅用决策树就能解决的。这些缺陷限制了该方法的应用与推广。 4 排序法 排序法就是在初步确定养护项目的时间和对策后，再考虑资金等约束条件， 根据路况，经济等数据计算出一定排序指标作为项目比较的依据。然后，根据排 序指标对所有需求项目进行排序，最后根据整个排列次序进行一年或多年的项目 选择决策。预防性养护养护时机的安排可以遵循事先设定的标准进行，可以采用 使用性能参数进行排序，此时预防性养护的时间和措施的确定是分开考虑得的； 也可以采用经济分析参数进行排序，此时预防性养护的时机和措施的确定是同时 的。 、 排序法主要是一种网级方法。它在选择项目时没有考虑项目之间的效益和项 目实施时间的影响。同时。用不同的标准进行排序的结果可能不同。因此此方法 不宜作为项目级预防性养护措施和时机选取的主导方法。 5 基于老化的方法。 同济大学孙立军教授和董瑞琨从预防性养护的作用出发，提出了基于老化的 沥青路面预防性养护时机的判定方法。并对沥青路面老化指标进行了深入研究。 针对沥青路面的预防性养护策略，进行了大量的室内老化试验，结合现场老化， 提出了沥青路面的老化模式：沥青路面的老化主要体现为表面的氧化老化及路面 内部的热老化路面表面老化用薄膜烘箱试验( 1 日d t ) + 压力老化容器试验法 ( 瑙l v ) 模拟，路面内部老化用t f o t + 1 0 0 1 2 缺氧加热模拟。试验和现场都表明 路面内部老化比表面老化缓慢得多对于表面密封性能良好的路面，在一定的服 务期内，可以不考虑路面内部的老化。为基于沥青路面老化的预防性养护提供了 理论依据。并提出第一次预防性养护的时机应在相当于1 0 - 2 0 h p a v 老化程度之 前的某个时问，大致相当于路面投入使用和8 年1 9 l 。 基于老化的方法在确定养护时机时需采用p a v 法模拟沥青路面表面老化， 该项试验需要专门的实验设备，试验比较复杂，一般养护部门没有此实验仪器。 此方法确定的预防性养护时机是一个范围，没有给出确定的时间。故此方法的实 1 0 用性不是很好。 1 2 4 调研结论 通过对国内外相关论题的调研，得出以下结论： 1 各国道路发展都存在着从重建设到建养并蘑的转变过程，我国亦不例外： 2 某些发达国家的道路工作重心已逐步从建设转向了养护，其预防性养护已 达相当水平； 3 国外先进的预防性养护经验值得学习，可结合我国道路养护实践对其加以 吸收、改进； 4 国外研究仍就以预防性养护技术居多，关于预防性养护时机的研究不很多 见； 5 国内主要研究多集中于纠正性养护，关于预防性养护的理念及时机涉及不 多。； 然而，现代公路无论新建工程或养护工程，所需经费皆十分巨大，道路主管 部门在有限的经费下对预防性养护时机的研究应基于工程经济分析的基础之醛 在路面管理系统经济分析中，一般认为生命周期费用分析是比较合理的经济分析 方式。因此，预防性养护时机研究应该建立在生命周期费用分析的基础之上。故 本文从生命周期角度研究预防性养护时机的选取，确定预防性养护措施实施的最 佳时机。 f 1 3 本文研究的主要内容 我国沥青路面资产在公路网中占有越来越大的比重。沥青路面在交通轴载和 自然因素的作用下。路面性能将逐渐降低、服务能力下降。为了使路面保持一定 的服务性能，必须进行定期的公路大、中修养护，不断地投入养护资金。然而面 对着庞大的公路养护需求和有限的公路养护资金，何时对路网内道路进行预防性 养护? 预防性养护措施必须在加速破坏前进行，不能影响路面性能和期望寿命， 应用预防性养护太晚会导致坏的路面性能，太早应用预防性养护措施又会引起别 的路面问题和资金浪费。因此，预防性养护时机问题应受到关注和重视。 预防性养护时机这一问题比较复杂，涉及学科范围广泛，目前很多问题亟待 解决。纵观国内外研究现状，本文基于生命周期费用对预防性养护时机进行理论 分析，具体内容包括以下几点： 1 1 i 通过对国内外关于预防性养护技术、效益和养护决策方法的研究进行分 析与总结，确定论文的切入点； 2 对论文涉及到的生命周期费用理论进行分析与介绍，为论文提供理论依 据； 3 生命周期费用分析作为方案选择的工具，可用于决策阶段、设计阶段、 实施阶段、竣工验收阶段和运营维护阶段。本文将对生命周期费用分析方法在预 防性养护时机确定方面的应用进行研究，包括生命周期费用计算需要涉及的基本 概念、确定生命周期费用分析所涉及的成本范畴和每种费用对应的成本函数、生 命周期费用的计算公式、生命周期费用分析的步骤、生命周期费用分析的数学模 型。 4 沥青路面的使用性能直接影响路面的养护对策和养护资金投入为了在 时间和空间上优化分配给定的养护预算，确定最佳的养护方案及其养护时机，必 须预测一定时期内路面的使用性能本文将分析各种建模方法及模型的优缺点， 使养护部门可以根据自己的情况采取适当的路面性能预测模型。 5 对预防性养护的效果进行量化，根据生命周期内效果费用比最大建立确 定预防性养护时机的模型。 6 利用所构建的确定沥青路面预防性养护时机模型，对山东省济聊高速公 路德州段预防性养护工程进行实际应用研究，给出决策建议 7 对国内外一些行之有效的预防性养护措施的适用性和经济性进行分析和 总结，使养护部门可以根据路况选择合适的预防性养护措施。 4 参考文献 1 】卡尔马克思资本论中国社会科学出版社，1 9 8 3 f 2 1 罗行纲汉语大词典汉语丈词典出版社，1 9 8 8 【3 】中国社会科学院语言研究所现代汉语词典商务印书馆，1 9 8 8 【4 】t i m e l yp r e v e n t i v em a m t e n a n c ef o rm u n i c i p a lr o a d s - - b e s tp r a c t i c e 【d b o l 】h ! 垃；丛缈盟 l n f r a g u i d e g e c a d o c s v t m e l y p r e v e n t i v e m a i n t e n a n c e f o r m u n i c i p a l r o a d s p d f , 2 0 0 3 6 1 3 【5 1 p a v e m e n tp r e v e n t i v em a i n t e n a n c ep r o g r a mg u i d e l i n e s r o h i o ：t h eo f f i c eo fp a v e m e n t e n g i n e e r , o h i od e p a r t m e n to f t r a n s p o r t a t i o n ，m a y1 ，2 0 0 1 【6 1 刘延国。q g y _ 全过程公路养护技术系统【j 】公路养护，2 0 0 5 ，1 【7 】s a m u e ll a b i ，k u m a r e sc s i n h a l i f e c y c l ee v a l u a t i o no fh i g h w a yp a v e m e n tp r e v e n t i v e m a i n t e n a n c e ，t r b2 0 0 3 a n n u a lm e e t i n g 【8 】i n s i g h t si n t op a v e m e n tp r e s e r v a t i o n r ac o m p e n d i u m , f h w a , j a n u a r y2 0 0 0 【9 】董瑞琨基于老化的沥青路面预防性养护时机田】上海：同济大学交通运输学院博士 学位论文，2 0 0 5 【1 0 】董维扬卢余权沥青混凝土路面预防性养护与机械 j o q h t t p ：a v w w z n i l e o m z i s v d l o h n t h t m 2 0 0 3 4 2 8 1 2 3 调研结论 【1 1 】公路沥青路面养护技术规范( j t j 0 7 3 2 _ - 2 1 ) 中华人民共和国行业标准f s 】北京：t 人 民交通出版社，2 0 0 2 【1 2 】m i c h i g a nd e p a r t m e n t o f t r a n s p o r t a t i o n , “c a p i t a l p r e v e n t i v em a i n t e n a n c e p r o g r a m g u i d e l i n e s m a i n t e n a n c ed i v i s i o n ，i a n s i n g , m i1 9 9 9 【1 3 】s a m u e lt a b i , k u m a r e scs i n h a l i f e - c y c l ee v a l u a t i o no fh i g h w a yp a v e m e n tp r e v e n t i v e m a i n t e n a n c e , t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hb o a r d t r b2 0 0 3 1 4 1b t b e h n e r a s s o c i a t e s , “e f f e c t i v e n e s so ft h ec a p t i a lp r e v e n t i v em a i n t e n a n c ep r o g r a m ” m i c h i g a nd e p a r t m e n to f t r a n s p o r t a t i o n ，l a n s i n g , m i2 0 0 1 1 1 5 】s y e d , 1 地，f r e e m a n , tj a n ds m i t h ，r ，e e f f e c t i v e n e s so fh i g h w a ym a i n t e n a n c e t r e a t m e n t s u s e d i n t e x a s a m e r i c a n s o c i e t y f o r t e s t i n g a n d m a t e r i a l s , w e s t c o n s h o h o c k e n , p a l 9 9 8 1 6 1p e s h k i n , d g ，s m i t h , i c d ，g i m m c r m a n ，瓦九，a n dg c o f f f o y , d n “p a v e m e n tp r e s e r v a t i o n ： t h ep r e v e n t i v em a i n t e n a n c ec o n c e p t ”f e d e r a lh i g h w a ya d m i n i a t r a t i o n n a t i o n a lh i g h w