既有高速公路改擴建工程路面性能評價及利用策略

江 臣，楊 洋，胡洪龍，程 龍，張定一

(1. 江蘇省交通工程建設局，江蘇 南京 210001；2. 華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210001；3. 東南大學，江蘇 南京 210001)

0 引言

截至2019年，中國高速公路的通車里程約為14.96×104km，規模居世界首位，但我國高速公路的設計基準期較短，僅為15 a。其中雙向4車道的高速公路為12.25×104km，雙向6車道高速公路2.14×104km，雙向8車道高速公路0.57×104km，雙向4車道高速公路占全部高速公路的81.9%[1]。隨著我國國民經濟的快速增長，早期建成的雙向4車道高速公路交通量和交通荷載不斷增加，原有設計通行能力與日益增長的交通需求之間的差距越來越大，一定程度上阻礙了區域經濟的增長。我國自20世紀90年代開始大規模修建高速公路，截至2019年年底，我國已建成的高速公路中有近1/3的高速公路服役周期超過15 a，部分高速公路已達到使用末期[2-3]。因此早期建成的諸多高速公路急需進行改擴建來改善現狀，在改擴建工程實施前，必須對既有高速公路路基路面結構現狀進行分析與評估，進而科學地制訂既有路面結構的利用策略[4]。

各個國家和地區都制訂了相應的路面使用性能評價體系，國外比較具有代表性的有美國AASHTO-PSI[5](現實服務指數)指標，德州PMIS路面管理系統-CS[6](路況得分)指標，而國內則主要包括《公路技術狀況評定標準》(JTG 5210—2018)[7]及《公路瀝青路面養護技術規范》(JTG 5142—2019)[8]中的PQI(整體性能指標)及PCI(破損率)等指標。但現有評價體系主要面向公路養護管理，在高速公路改擴建工程中適用性受限，導致老路處治時缺乏關鍵控制指標，無法為高速公路改擴建工程舊路評價和利用策略的制訂提供充分的依據[9]。

歐洲地區24個國家歷時4 a，對歐盟地區的不同等級的道路以及各類型路面進行系統、細致的分析，最終形成了涵蓋路面設計、養護和改擴建，滿足既有道路目前以及未來需求的路面性能定量評估體系COST354[10-11](European Cooperation in the field of Scientific and Technical Research)。相比于我國《公路技術狀況評定標準》中路面性能評價體系，COST354評價體系具有以下兩個方面的優勢：(1)引入3項綜合性能指標，基于單項指標、綜合指標及總體指標構造3級網絡結構，使得總體性能指標的得分更加全面；(2)在生成綜合指標時，允許單項指標交叉引用，即某一單項指標可能同時影響3項綜合性能指標，這使得各單項指標的權重確定更加符合實際狀況。

因此，為改進我國評定標準中綜合指標存在的不足，本研究將COST354模型應用于我國高速公路改擴建路面評價，建立能綜合反映實際路面使用性能狀況的評價指標。然而，考慮到COST354確定單項指標的得分會導致單項指標的分級過于嚴格或得分結果與我國實際路況不相符的情況，本研究首先分析了國內外評價體系的差異，依據我國規范中各個單項指標的分級水平和我國高速公路病害特征對COST354模型中單項指標的分級標準進行修正；其次，考慮實際病害特點以及改擴建工程路面設計的實際需求提出舊路路面改造的利用策略；最終，以江蘇省A和B高速公路為例，采用修正后的COST354模型對典型路段進行評價并制定相應的利用策略。本研究對改擴建工程中既有路面性能評級體系進行優化，為科學制定既有路面結構利用方案提供了參考。

1 COST354模型評價指標體系

COST354模型路面評價如圖1所示，不同于傳統的二元結構，模型首先將單項指標對路面使用性能的影響分為3項綜合性能指標，再通過綜合性能指標組合形成總體性能指標。這種指標組合方式能夠將單項指標進行分類分析，使得權重系數組合更加合理[12-13]。此外，在利用單項指標組合綜合指標時，COST354允許對同一單項指標進行重復調用，如車轍病害可能對行車安全性和路面結構性能都有影響，因此兩項綜合指標都考慮了車轍病害對其產生的影響，這種方法相比于傳統評價體系對各指標的交叉影響考慮更加全面。

圖1 路面性能評價體系Fig.1 Assessment system of pavement performance

在COST354模型中，使用性能總體評價指標(General Performance Indicators，GPI)由3個綜合評價指標組成，每個綜合評價指標由4項單項評價指標組成。如式(1)～(4)所示：

GPI=f(w1CPI1，w2CPI2，w3CPI3)，

(1)

CPI1=f(w11PIR，w12PIF，w13PIT，w14PISD)，

(2)

CPI2=f(w21PIE，w22PIR，w23PISD，w24PICR)，

(3)

CPI3=f(w31PIB，w32PICR，w33PIR，w34PIE)，

(4)

式中，GPI為總體性能指標；GPI1，GPI2，GPI3為綜合性能指標，分別為行車安全性、行車舒適性、路面結構指數；PIE，PIR，PIT，PIF，PIB，PISD，PICR為單項性能指標，分別為平整度指標、車轍深度指標、構造深度指標、摩擦系數指標、承載能力指標、表面損壞指標和裂縫指標。

為了盡可能使權重系數最大的單項指標的影響在結果中得到體現，COST354模型中瀝青路面綜合指標CPI以及總體指標GPI的計算使用了最大優先準則[14]。

(5)

(6)

式中，I1≥I2≥I3≥…In；I1=w1·P1；I2=w2·P2；…；In=wn·Pn；wi為單項指標的權重；Pi為單項指標的得分；p為控制總影響力的影響因子，推薦值取0.2。

基于優先最大準則理論，提出了考慮其余各單項指標對總體指標的平均影響的計算方法。GPI評價標準如表1所示。

表1 COST354模型路面總體性能指標評價標準Tab.1 Assessment criterion of pavement overall performance indicators for COST354 model

2 修正COST354模型評價指標

2.1 修正單項評價指標及評級標準

COST354模型單項指標的分級雖然同我國評定標準類似，但病害計量方法和分級標準具有一定的差異。本部分從以下兩個方面對其單項指標進行修正：(1)單項評價指標方面，兩者部分病害的統計方式存在差異，如裂縫、表面損壞等，因此需要對COST354模型單項指標的病害計量方式進行修正，使其滿足我國工程實際的需求；(2)在分級標準方面，利用我國規范中路面性能評價的單項指標分級標準對COST354模型的單項指標標準進行修正。

以平整度指標為例：

COST354以PIE指標作為評價路面平整度的指標，其與國際平整度指數IRI的關系如式(7)所示：

PIE=MIN(5；0.173 3IRI2+0.714 2IRI-0.031 6)。

(7)

COST354及我國規范中路面平整度分級標準如表2所示。

表2 COST354模型及我國規范中平整度評價標準對比Tab.2 Comparison of evenness assessment criteria between COST354 model and Chinese specification

從表2可以看出，歐洲地區國家在公路建設及管理等方面較我國更加嚴格，但由于表征指標、實際使用狀況等方面的差異，不能直接應用于我國的高速公路。因此，可通過修正歐洲評價模型參數達到適用我國高速公路路面使用性能評價的目的。

將國際平整度指數IRI的標準分級界限值與PIE的標準分級界限值進行回歸，得到修正后的回歸模型如圖2所示，修正后的轉換方程如式(8)所示。

圖2 修正后的平整度評價模型Fig.2 Evenness assessment model after revision

PIE=MIN(5；0.177·IRI2-0.178·IRI+0.468)，

R2=0.999 8。

(8)

按照上述方法對平整度、車轍深度、構造深度、摩擦系數及承載能力的分界標準進行修正，同時對裂縫和表面損壞指標的統計方式進行統一，各單項指標的評級標準轉化公式如表3所示。

表3 各指標對應的轉化公式Tab.3 Conversion formula corresponding to each indicator

2.1.1 基于層次分析法確定單項指標權重

原有各單項指標的權重系數推薦范圍是在歐洲道路系統的基礎上提出的，不能完全適用于江蘇省高速公路的具體情況，為了進一步確定各單項指標的權重系數，需要對其進行修正。按照層次分析法確定各單項指標權重過程如下[15-16]。首先，根據圖1確定COST354模型的結構層次并構造3個綜合指標的判斷矩陣如表4所示，并借助Matlab分別計算出各矩陣的最大特征值以及特征向量，并計算其一致性指標CI和CR。結果表明：CR1=0.003 7，CR2=0.003 7，CR3=0.003 7均小于0.1，由此可知，通過層次分析計算的各指標權重系數分配合理，可以接受。

表4 綜合指標判斷矩陣Tab.4 Comprehensive indicator judgment matrix

在計算各項綜合指標時，由于規定最重要單項指標的權重系數必須為1，因此，需要將以上各單項指標的權重系數根據表3中的公式進行線性轉化，轉化后結果如表5所示。

表5 單項指標權重系數的轉化結果Tab.5 Conversion result of single indicator weight coefficient

2.1.2 修正綜合指標權重

在確定重要性判斷矩陣時已經綜合考慮了江蘇省高速公路的病害特征[17-19]以及改擴建項目的要求，因此構成總體指標的3項綜合性能評價指標的權重系數參考值如表6所示。

表6 綜合性能指標權重系數參考值Tab.6 Reference values of comprehensive performance indicator weight coefficients

以A高速和B高速為例，通過對比不同權重組合條件下GPI評級較差路段與橫向裂縫以及車轍指標較差路段的重合率，確定最優綜合性能評價指標的權重系數，如表7～9所示。

表7 1-1-1權重系數下GPI評級與實測病害路段重合率Tab.7 Coincidence rate between GPI rating with 1-1-1 weight coefficient and measured diseased road section

表8 1-0.7-0.65權重系數下GPI評級與實測病害路段重合率Tab.8 Coincidence rate between GPI rating with 1-0.7-0.65 weight coefficient and measured diseased road section

表9 0.65-0.7-1權重系數下GPI評級與實測病害路段重合率Tab.9 Coincidence rate between GPI rating with 0.65-0.7-1 weight coefficient and measured diseased road section

通過對比上述結果，可以看出，綜合指標權重組合為1-1-1時，即認為3項綜合性能指標同等重要條件下，各單項指標與總體性能指標GPI的重合度在A和B高速都能達到較高的水平，因此確定最終綜合性能評價指標的權重系數如表10所示。

表10 綜合性能指標權重系數確定值Tab.10 Determined weight coefficients of combined performance indicators

綜上所述，本研究所提出的基于江蘇省公路破壞特點修正的COST354瀝青路面使用性能評價模型如圖3所示。

圖3 修正后的COST354瀝青路面使用性能評價模型Fig.3 Revised COST354 asphalt pavement performance assessment model

2.2 修正COST354模型驗證合理性驗證

為了對修正模型的可靠性及工程應用性進行驗證，明確修正模型的特點，本研究將從以下兩個方面進行討論。

2.2.1 修正COST354模型綜合性能指標評價結果與單項病害的一致性分析

以A及B高速病害數據為樣本，按照100 m分段對橫縫間距，車轍深度以及修正COST354評級進行統計，通過比較COST354總體指標評級與兩個單項指標的一致性來判斷修正COST354 模型的適用性。同時為說明該模型的泛用性，除A高速兩個方向4條車道數據外，另外取B高速上、下行4個車道作為參照加以對比說明，如表11所示。

表11 COST354模型評價結果與實測病害路段重合率Tab.11 Coincidence rate between assessment result by COST354 model and measured diseased road section

從表11的重合率可以看出，實際高速公路典型病害狀況嚴重的路段絕大多數被包含在COST354評級較差的路段中。盡管橫向裂縫和車轍是兩種不同類型的病害，但兩項典型病害較差路段均能在COST354總體性能指標評級下得到反映，因此有理由證明COST354模型的可靠性。

2.2.2 修正COST354模型評價結果與現行規范評價指標一致性分析

(1)總體性能指標

為了進一步說明修正COST模型的特點，以A高速數據為例，借助我國規范的總體性能指標和單項性能指標進行對比說明。由于我國規范采用的是百分制，而修正COST354采用的是5分制，兩者數據較難直接比較，對修正COST354 確定的GPI進行數據轉化，使其轉變為百分制，與我國規范直接比較。轉換如式(9)所示：

(9)

將轉化后的GPI值與我國規范確定的PQI進行比較，如圖4所示。根據我國規范總體指標與修正COST354總體指標的對比可以發現，修正COST354評價體系計算出的得分相對于我國評定標準的總體指標要更加嚴格，除個別路段外普遍低于我國PQI指標。

(2)單項性能指標

由圖5～6可知，我國規范PQI指標與抗滑性能指標(SRI)及行駛質量指標(RQI)的趨勢相近，說明PQI主要受這兩項單項指標影響。SRI和RQI指標在養護評價時需要重點考慮，而在改擴建工程中需要重點考慮的是裂縫、車轍等病害。然而，修正后的COST總體性能指標(GPI)與車轍深度(RDI)的趨勢較為相近，說明GPI主要受RDI的影響。雖然該段抗滑得分相對較低，但該指標對GPI的影響有限，說明在改擴建舊路評價階段制訂的修正COST模型降低了抗滑性能的影響。

圖5 A高速行車道單項性能指標與我國規范總體指標、COST總體指標關系Fig.5 Relationship among individual performance indicators of expressway A，overall indicators in Chinese specification and overall indicators of COST model

圖6 B高速行車道單項性能指標與我國規范總體指標、COST總體指標關系Fig.6 Relationship among individual performance indicators of expressway B，overall indicators in Chinese specification and overall indicators of COST model

3 基于修正COST354模型的舊路路面改造利用策略

根據我國規范要求，結合工程實際特點，以1 000 m 為評價單元，對A高速路面破損率、橫向裂縫間距、網裂面積率和修補面積率等病害特征指標進行統計分析。結果表明，A高速各路段的路面破損率<10%，橫向裂縫間距>15 m，網裂面積率<10%，修補面積率<10%，各單項指標均未達到需要整體處治的界限。因此需要將總體性能指標與單項指標結合，同時進一步縮小路段劃分標準，制訂既有路面結構利用策略。

江蘇省高速公路的典型病害為橫向裂縫、車轍、坑槽等，為進一步制訂舊路處治利用策略，以總體性能指標GPI為基礎，結合15 m橫向裂縫間距及10 mm 車轍深度界限值共同制訂既有高速路面處治與利用策略。同時考慮到1 000 m路段劃分存在的問題，進一步設置100 m分段的評價單元制定舊路處治與利用策略，如圖7所示。

圖7 既有高速改擴建路面性能評估及利用策略Fig.7 Performance assessment and utilization strategy of pavement in existing expressway reconstruction and extension projects

基本的流程如下：

(1)以1 000 m為評價單元，利用修正COST354模型對路面總體性能GPI進行評級。

(2)對于GPI為優的路段，按以下方法選擇利用方案：(1)橫向裂縫間距>15 m及車轍深度<10 mm 時，可對該路段僅進行局部病害處治或功能性修復。(2)橫向裂縫間距>15 m及車轍深度≥10 mm 時，可對舊路銑刨至車轍發生層位并重鋪。(3)橫向裂縫間距≤15 m及車轍深度<10 mm時，可對舊路進行灌縫后加鋪。(4)橫向裂縫間距≤15 m 及車轍深度≥10 mm時，考慮對舊路銑刨至車轍發生或開裂層位后加鋪。

(3)對于GPI為良或中的路段，取100 m作為評價單元重新計算GPI總體性能指標：(1)對于GPI為優的路段，參照以上步驟(2)確定利用方案。(2)對于GPI為良或中的路段，按以下方法選擇利用方案：橫向裂縫間距>15 m及車轍深度<10 mm 時，可結合結構及材料性能評價做進一步判斷；其他情況，考慮對舊路進行銑刨重鋪，具體的路面結構層銑刨利用方案需結合結構及材料層面的評價進一步制訂。

(4)對于GPI為次及差的路段，考慮直接銑刨整個面層結構，同時根據銑刨后現場情況對基層做進一步評價。

通過上述利用策略可以根據路面總體性能指標GPI以及單項指標(橫向裂縫間距、車轍深度)的組合確定總計6種舊路處治及利用方案，由于表觀性能指標的局限性以及現有結構性能指標存在的區分度不大的問題，因此在舊路利用方案中給出了部分需要結合結構及材料性能指標共同確定的路段。

4 案例分析

結合上述舊路利用策略制訂流程，以2019年A高速和B高速的修正COST354評級結果為基礎，統計得到不同處治方案的路段數量。

A高速上行方向行車道統計結果可匯總如圖8所示：

圖8 A高速改擴建項目路面性能評估及利用策略Fig.8 Performance assessment and utilization strategy of pavement in expressway A reconstruction and extension project

(1)以1 000 m為評價單元，利用修正COST354模型對路面總體性能GPI進行評級可得到評級為優的路段為38個千米段，評級為良或中的路段為222個千米段，評級為次或差的路段為0個千米段。

(2)在評級為優的38個千米段中(對應380個百米段)：橫向裂縫間距>15 m及車轍深度<10 mm的路段為371個百米段；橫向裂縫間距>15 m及車轍深度≥10 mm的路段為0個百米段；橫向裂縫間距≤15 m及車轍深度<10 mm的路段為9個百米段；橫向裂縫間距≤15 m及車轍深度≥10 mm的路段為0個百米段。

(3)對評級為良或中的222個千米段(對應2 220個百米段)，取100 m作為評價單元重新進行評級劃分，其中評級為優的路段為428個百米段，評級為良或中的路段為1791個百米段，評級為次或差的路段為1個百米段。

(4)在評級為優的428個百米段中：橫向裂縫間距>15 m及車轍深度<10 mm的路段為404個百米段；橫向裂縫間距>15 m及車轍深度≥10 mm的路段為0個百米段；橫向裂縫間距≤15 m及車轍深度<10 mm的路段為24個百米段；橫向裂縫間距≤15 m及車轍深度≥10 mm的路段為0個百米段。

(5)在評級為良或中的1 791個百米段中：橫向裂縫間距>15 m及車轍深度<10 mm的路段為1 676 個百米段；橫向裂縫間距≤15 m或車轍深度≥10 mm的路段為115個百米段。

同理對B高速兩個行車方向4個車道的處治利用方案進行統計，如表12所示。

表12 A和B高速改擴建舊路評價及處治利用策略Tab.12 Old road assessment and treatment utilization strategy of expressways A and B reconstruction and extension projects

5 結論

本研究以高速公路瀝青路面使用性能評價方法作為研究重點，針對現行規范中各指標區分度不明顯，評價結果缺乏針對性，無法篩選出不良段落等問題，引入歐洲COST354模型對路面使用性能總體狀況進行評價，主要有以下幾點結論：

(1)首先利用我國規范對COST模型中單項指標(平整度、車轍深度、構造深度、摩擦系數及承載能力)的分界標準進行修正，同時將裂縫和表面損壞指標的統計方式進行統一，修正后COST模型能夠反映單項病害交叉對路面性能的影響。

(2)借助層次分析法，根據江蘇省高速公路瀝青路面及改擴建工程的特點，對各項指標權重進行了修正。結果表明修正后的路面性評價指標具有更好的區分度，對路面使用性能的分級效果更為明顯。

(3)基于修正COST354總體性能指標GPI對A高速和B高速路面使用性能進行分級，并結合橫向裂縫間距及車轍深度指標，通過1 000 m和100 m路段評價單元，制訂相關路段的處治和利用策略。

(4)根據我國現行評價標準，A高速和B高速沒有需要整體處治的段落，而基于修正COST354評價標準，A高速5 200個評價單元和B高速3 380個評價單元中需要功能性修復的路段分別為1 667個和1 141個，需要整體處置的路段分別為1個和47個。