浅谈高速公路设施养护需求的量化方法和应用

2022-09-10

引言

高速公路养护正处于发展的上升期, 维修和检测技术日趋成熟, 但每年仍有不少寿命期内的公路进入大修, 已不能适应创新社会对公路集约化发展的期望。

高速公路的损坏发展到何种阶段采取何种维修, 即养护时机, 是问题的关键。一般采用病害维修响应和依据技术状况确定养护时机。前者是根据病害程度定维修时间, 较好适应日常管理而被广泛采用, 但养护决策中主观因素多。后者依据宏观技术状况指标来做养护决策, 严谨, 但检测周期长, 不能很好适应日常养护针对病害及时维修的需求, 容易使好路段“被平均”从而被维修。

高速公路的养护需求是客观存在的, 养护时机就是对这种需求的识别, 而识别的前提是分析要素、用数学方式描述。本文将进行这种尝试, 并探讨实用途径。

1. 养护需求

养护需求只有针对具体部位具体病害才有意义;其次, 养护需求所指“养护”不是抽象的泛指, 而是病害所对应的、适于处治病害的养护等级或措施。可以将养护需求要素归纳为三条:病害、退化或致病因素, 对应的部位, 养护等级或措施。

1.1 要素一

病害是已经发生的损坏, 退化是损坏尚未发生但出现变异, 致病因素是引发退化或病害的内、外部因素, 包括缺陷、车载、高温、光照、雨水等。

从完好到进入退化再到病害出现, 继而病害逐渐加剧, 是一个时间演变过程, 完好→退化→病害→加剧各个阶段, 养护的迫切性逐渐增大, 可见养护需求R是时间t的函数。另一方面, 可将养护需求R转换, 用病害 (或退化) 指标D的严重程度描述, 即R=f (D) 。指标D即表征病害的变量, 如裂缝宽度、沉陷深度。

致病因素包含两方面:发生的频度p和程度s, 程度s可以用病害指标d表达, 两者综合起来, 某致病因素i的影响为数学期望值Ei=pi*si=pi*di。举例来说, 假定现在是3月份, 估计4月份降雨概率大、雨量多, 则4月份降雨 (致病因素) 对沥青路面裂缝、松散 (病害) 的期望值Ei就高, 对钢结构腐蚀期望值较高, 但对混凝土结构碳化的期望值很小, 说明相同概率下, 致病程度s (也即病害指标d) 的差异决定了期望值E的大小。

1.2 要素二

病害 (退化) 部位就是“病灶”, 是养护需求的空间表征。病灶可以是个别、浅表的, 如沥青路面单独一个坑槽;也可能是大范围、深入的, 例如:大范围的基层反射裂缝, 沥青材料老化造成的坑槽、龟裂大面积分布等。可见, 单从外观不足以确定病害部位。

病灶的判断依靠检测, 但外观检查辅以经验判断也是一种简易、快速的方式, 不过, 要求检查人员基于外观数据变化和相关迹象进行综合分析。

病灶的一般不会孤立出现, 而是同时有多种病灶, 产生耦合。例如混凝土裂缝和钢筋锈蚀, 路面裂缝、沥青老化和基层裂缝。各病灶严重程度各异, 对应的养护需求各不相同。为此, 应根据“由重到轻, 由深到浅”顺序判别养护需求次序。例如, 对于路基沉降不稳定和对应的路面横向、纵向裂缝, 路基沉降不稳定为首要养护需求。

1.3 要素三

养护等级或方式不明确, 养护需求就没有方向。养护等级可概况为预养护、加固、更换, 分别对应于退化、病害、加剧三个发展阶段, 因此养护需求应划分为三阶段, 对应三个临界点:病害出现、病害发散、危险值, 分别用指标d1i、d2i、d3i表达。其中:d1i可以是0, 即未发生指标退化, 养护需求是预防致病因素;d1i可以是很小量, 区间[0, d1i]意味着发生退化但未出现病害, 采取预养护。d2i是病害从平稳过渡到发散的分界线, 区间 (d1i, d2i]病害出现和发展, 是日常养护最多遇到的时期, 养护方式是加固 (小修) , 保留设施材料, 仅对材料损坏处进行维修或加固。d3i有三种情况, 致病因素高风险 (用数学期望Ei=pi*di=d3·i表示) , 如超载致桥倾覆高风险点;经济上不可接受值, 如路面损坏再不大修, 维修成本将成倍增加;社会不可接受值, 如损坏已导致严重事故频发或引起公众投诉。 (d2i, d3i]区间采取更换 (大中修、改扩建) , 清除设施原有的材料或改变原有结构, 材料更新或结构提升。

如不干预, 病害将自然经历三个阶段直至彻底损坏。病害经过处治后, 应当回到区间[0, d1i], 且保持指标衰减速率小于规定值。这里将病害发生、加重到维修复原的历程称之为病害周期。

1.4 养护需求的量化表达

一般来说, 指标di是时间的递增函数, 即指标随着时间增大, 可将其表达为di=f (t) 。养护需求随着指标增大而增大, 即Ri=φ (di) 。但实际更关注养护需求随时间的变化, 即Ri=φ (di) =φ (f (t) ) =ψ (t) 。更进一步, 可将养护需求表达为发展至现在的时间t'和到达临界点所需时间之比。对于区间 (d1i, d2i], 如图1, 时间为t'时的Ri= (t'/T2i) ×100%。

实际中, 我们需要估计过了当下之后某时间点的养护需求 (如再过一个月Ri多少, 是否变化大) , 据此决定是否在此期间进行养护。将此时间点表述为t'+δt, 问题实质为, δt期间突发性致病因素致病概率。如δt有致病因素j, 根据上文分析, 其致病期望可最终表述为指标的增量δdi=pj*di, 如图1, 即有di''=di'+δdi。对应于di''有时间t''=t'+Δt', 更接近于临界时间T2i, 相当于病害发展加剧, 养护需求增大。若考虑不同病害的耦合, Δt'将更大。此时Ri= ( (t'+Δt') /T2i) ×100%, R的值域为[0, 100]。

其他区间R的表达与此类似。应注意到:尽管分三个区间, 但指标di连续变化;在前一个区间lim Ri→100时, 就进入下个区间, 并且Ri→0;三个区间养护方式各异。

2. 应用途径

2.1 存在问题和解决办法

Ri的表达式正确体现了养护需求的含义, 至少有三个优点:融合了病害及养护的三个阶段;考虑了预期突发致病因素 (如超载、雨季) 的影响;用时间之比 (而不用其他方式) 表达距离临界状态的远近, 这符合养护时机判别的实际。但目前尚不能直接应用Ri表达式, 这是因为:尚未获得指标di的函数式, 只能定性判断;致病因素发生的概率和程度不明朗, 多数情况只能定性;实际工作非连续, 而按照一定周期进行, 检查有其周期, 维修需要计划和准备时间。因此需要一种既能反映Ri内涵 (三要素、三区间) , 同时满足实际需要 (检查周期、维修准备期、病害程度分级、养护需求定性) 的方法。

首先应考虑到三种检查人——养护方、业主方、监管方, 检查周期由短到长, 假定养护方一般为2次/月, 业主方为1次/2月, 监管方2次/年。各检查人关注的均是:本次和下次检查的间隔期内, 病害的养护需求为低、中或高。检查有两个目的, 即识别病灶的空间位置和判断病灶的随时间养护需求增减。维修的目的有三类:消除病灶、遏止病害发展或排除致病因素, 第一类指标区间的前移, 第二类区间不变但指标不再劣化, 第三类防止病害快速发展或病害出现。可见养护需求管理涉及需求三要素、三主体、病害周期、病害空间分布等复杂内容, 采用台帐管理 (或动态数据库管理) 可以将这些内容有机整合起来。