青藏公路路基路面管理系统研究

　　摘　要：通过对青藏公路实际调查和数据的分析，研究青藏公路各种病害，并加以分类，提出了青藏公路路基路面评价方法，设计了青藏公路路基路面管理数据库，建立了青藏公路路基路面管理系统，为青藏公路综合管理提供了先进的辅助工具。

　 关键词：青藏公路；工程数据库；管理信息系统；路基状况评价；路基路面管理系统

　　青藏公路地处青藏高原，自1954年通车以来，担负了85%的进出藏物资的运输任务，在国防、经济和政治上具有战略意义。但受限于经济及自然条件，青藏公路的大量信息难以及时、准确地汇集整理，更未能及时建立路基路面管理系统。笔者在分析青藏公路路基路面管理特点的基础上，通过实际调查与分析，运用计算机技术及网络技术，开发出针对性强、使用方便和科学高效的青藏公路路基路面管理系统(SPMS Subgrade and Pavement Management System)。对于改善青藏公路的路基路面使用性能，保障道路畅通，降低道路养护成本具有重要意义。

　　青藏公路多年冻土地区的路基，由于受冻融循环、水热耦合变化等影响，常常处于不稳定状态，路基的失稳往往是造成路面破坏的根本原因，所以，对路基病害进行实时观测评价，准确预测，并采取适当的养护措施，是路基保持最佳使用性能的保障。同时，青藏公路沿线自然条件恶劣，路面病害类型复杂，病害面广，为更科学地进行养护管理，对路面进行及时地观测评价与预测，并及时收集路面养护信息，有必要建立青藏公路的路基路面管理系统。

　　1　青藏公路路基路面状况调查

　　进行路基路面养护管理，首先必须对研究对象的数据属性进行研究，将其分类、整理，并根据调查结果建立适当的数据词典。路基路面状况是编制路基路面管理系统数据库的依据，利用这些数据，可以判断路基路面状况是否适应目前交通和使用的要求，并确定哪些路段需要采取养护和改建措施以及采取什么措施较为合适。

　　1997—1998年，课题组就青藏公路的病害情况进行了实地调查，分析了青藏公路常见的病害及其产生原因，了解了青藏公路的现状以及主要的破损类型，并从青藏公路管理局、沿线养护工区和养护段调查了青藏公路道路资料、施工资料、养护历史资料以及青藏公路改建维修资料，为设计和建立青藏公路路基路面管理系统数据库提供了宝贵的第一手资料。

　　1.1　青藏公路基本状况

　　青藏公路即国道109格尔木-拉萨段，全长1147km，全段内有当雄、安多、那曲、雁石坪、五道梁和纳赤台等6个公路养护段，约30个养护工区，它们肩负着青藏公路的日常养护管理工作。青藏公路由格尔木向南穿过760km冻土区，其中多年冻土连续分布区550km。1972-1984年青藏公路改建为沥青路面，由于沥青路面的吸热作用，极大地改变了原路基及地基下多年冻土的水热平衡状态，加上全球气候变暖造成多年冻土边缘地带冻土退化，冻土上限下降，从而加剧了路基不均匀沉降变形等病害。90年代对病害严重路段进行了两期整治。1992-1996年一期整治，全长339km，1996—1999年为二期整治，累计长度204km，零星整治路段60km。

　　气温低、空气稀薄、大气干燥、太阳辐射异常强烈构成青藏高原气候的基本特征。

　　1.2　路基病害

　　由于复杂的自然条件，加之超负荷、超期使用，青藏公路路基破坏严重。病害集中地段在昆仑山北侧、斜五段、风火山北侧、唐古拉山两侧。青藏公路路基病害主要有以下几种：

　　1.2.1　翻浆

　　翻浆是春融时的主要病害，产生的原因是地表积水及地下水影响，沿线排水不畅，路基长期处于潮湿状态。路基内含水量过大，经行车作用导致面层松散脱落。加之青藏公路改建时路面结构采用的石灰土基层，板体性能较差，以致翻浆更为严重。

　　1.2.2　冻胀

　　冻胀是多年冻土地区特有的公路病害，常与翻浆对应，统称为冻胀翻浆。而冻胀范围要比翻浆大，对路面的破坏更严重、更剧烈。

　　1.2.3　变形

　　青藏公路部分路基设计高度不合理，不能满足保护冻土或稳定需要。加之沥青层反射率小，日光吸收率高，长年日照及荷载不断增加，破坏了原地基的热平衡，多年冻土上限逐年下降，产生融沉变形。路基变形是多年冻土地区公路的普遍病害，通常变形高差为20-30cm，最大可达60-70cm。

　　1.2.4　边坡冲刷

　　青藏高原虽降水量不大，但降水比较集中，降水强度大，边坡冲刷较为严重，经对路基材料筛分结果分析得知，路基材料为砾类、砂类和砂性土，粘结力小，抗冲刷能力差，加之部分路基高度较高，边坡坡度较陡，遇强降水时易产生边坡冲刷破坏。

　　 1.3　路面病害状况

　　造成路面结构和功能性破损的因素有以下几方面：交通条件、气象条件、排水条件、材料因素、施工水平、管理水平。在青藏公路1400km的路段里，沥青路面各种病害的成因比较复杂，由于环境、气候条件、水文地质的不同，病害的情况不一。

　　1.3.1　泛油

　　青藏公路沿线日照时间长、辐射强烈。由于沥青面层吸热量高，面层的温度较高，加之青藏公路沥青路面普遍采用较大用油量，造成泛油的病害分布较广。

　　1.3.2　波浪、拥包

　　青藏公路地质条件复杂，冻土融沉常造成路基乃至路面的沉陷，有些路段波浪起伏达40cm以上， 在转弯处，由于车辆横向力的作用，拥包推移比较普遍。

　　1.3.3　剥落、松散与坑槽

　　沥青材料由多种复杂的碳氢化合物组成，在高原特有的大气因素作用下，因氧化、缩合和聚合反应，轻质组分逐渐挥发，油分、树脂含量减小，沥青质相对增多，沥青质转化为沥青碳与似碳物愈来愈多，沥青的粘塑性逐渐消失，沥青混合物骨料和沥青粘结性下降产生的骨料松散、脱落，严重时即形成坑槽。

　　1.3.4　修补不良

　　修补不良也是一种破坏，修补后的路面由于与原路面存在结构材料差异而衔接不良。修补往往导致路面的不平整，影响行车舒适性。

　　1.3.5　裂缝

　　在青藏公路路面上裂缝比较普遍，主要有横向裂缝、纵向裂缝、网裂和块裂等几种形式。横向裂缝一般贯通整个路面宽度，纵向间距约5-10m不等。纵向裂缝为沿行车方向产生的长裂缝。网裂是由于路面强度不足，路基下沉等原因，产生的小网格式的网状裂缝。块裂是路面上产生不规则的大网格式裂缝。

　　青藏公路路面裂缝病害较为严重，为进一步掌握裂缝发展，有必要对裂缝形成原因加以分类，以便在病害库中进行病害成因描述。

　　1 低温收缩裂缝

　　青藏公路新铺沥青路面经过第一个冬天后，就出现横向裂缝。裂缝宽3-5mm，间距18-25m。初期这种裂缝到夏天闭合消失，但经几个冬季后，裂缝逐年增宽。青藏公路沿线格尔木至西大滩和拉萨至小德庆共长200km的路段海拔低于4000m，其余950km均在海拔4000m以上，气候寒冷、空气干燥。除拉萨、当雄、格尔木地区以外，沿线其余地区的年平均气温均为负温。当气温骤然降低，面层受基层和周围材料的约束不能自由伸缩，产生很大的温度应力；同时，沥青混合料的劲度模量随温度的降低迅速提高，变形能力随之降低，在温度应力超过路面抗拉强度时，路面将出现裂缝。

　　2 冻胀裂缝

　　冻胀裂缝有纵向、横向及网状等不规则形状，特征是路面鼓起、凸凹不平。沥青面层隆起，主要由于土基不均匀冻胀，以致在面层中产生的相对延伸度超过允许极限，导致面层断裂。

　　3 温度疲劳裂缝

　　青藏公路沿线日照时间长，一天中温度变化很大，拉应力白天出现在沥青面层的底面，夜间出现在沥青面层的顶面，日复一日反复作用在沥青面层中，造成沥青面层疲劳开裂。

　　4 施工不当

　　青藏公路沿线气候恶劣，天气变幻无常，给施工带来有效压实时间不足、压实不充分等不利影响，致使路面施工阶段即产生局部裂纹，并为以后路面破坏埋下隐患。

　　2　路基路面使用状况的评价与预估

　　2.1　路基评价模型

　　2.1.1　路基变形

　　路基由融沉、冻胀和沉陷产生不均匀变形，分为纵向不均匀变形和横向不均匀变形两种。路段的路基纵向不均匀变形采用路基纵向偏差指数评价，路基横向不均匀变形采用路基横向偏差指数评价。

　　如1.2.3中所述，多年冻土地区路基普遍存在融沉变形，融沉变形可分为两种：一种是均匀沉降，即大段路段(通常15m以上)整体沉降，沉降量相差不大；另一种是不均匀沉降，即在较短路段内(通常3-5m)出现路基沉降变形，且沉降量变化较大。工程实践表明，均匀的沉降变形对路面结构性能和使用性能的影响并不大，所以在计算变形指标时，应将均匀变形排除在外。

　　路基纵向偏差指数LDI(Lengthways Deviation Index)由式(1)计算：

　　

　　式中，Hm——路基中线实测点高程(m)；Hd——路基中线实测点均值高程m；H——纵坡引起的相对于计算起点的高差；n——测点数。

　　为保证数据的准确性，测试间距应不大于10m。

　　路基横向偏差指数CDI(Crosswise Deviation Index)由式(2)计算：

　　

　　式中，HR——右侧路肩实测高程；HL——左侧路肩实测高程；HL′，HR′——左右侧路肩计算高程，右侧时(左侧类同)为

　　

　　式中，Hd——路基实测中线高程，B——路基宽度，i——设计路拱坡度。当有超高、加宽时路肩计算高程据实计算。

　　2.1.2　路基强度评价指标

　　温度场、水分、冻土性状等对路基及土基强度影响很大，随着季节的变化，路基强度会逐渐发生变化。路基强度会逐渐发生变化。路基强度的降低是路基发生变形和破裂的先期征兆，因此有必要建立路基强度评价指标，对路基强度进行监测。

　　路基强度采用强度系数作为评价指标。路基强度系数SSC(Subgrade Strength Coefficient)是路基土的实测回弹模量与设计回弹模量之比，它用来反映路基强度的当前强度情况。

　　

　　式中，E——路基实测回弹模量；Ed——路基设计回弹模量。

　　路基实测回弹模量E是最不利季节(青藏公路为气温最高季节7、8月份)实测的回弹模量，可采用钻芯取样方法测定。

　　2.1.3　路基开裂指标

　　由于地基冻土活动使路基产生裂缝，进而使路面产生裂缝，此种裂缝与路面裂缝不同，仅通过路面裂缝难以客观反映实际情况，不及时处理后果严重，不利于道路养护管理。

　　路基裂缝指标通过裂缝长度、宽度和深度计算：

　　

　　式中，SCI——路基裂缝指数；Lc——裂缝长度(m)；W——裂缝宽度(ｍ)；H——裂缝平均深度(m)；L——路段长度(km)。

　　裂缝深度测量困难，仅能采用目估进行估算，测量误差较大，而且也不如裂缝长度、宽度那样重要。因此在计算裂缝指数时对裂缝深度开方折减。

　　2.1.4　路基附属物

　　路基附属物包括边沟、截水沟和边坡防护等。它们能否正常发挥作用，对于路基的稳定有很大影响，但其指标量化比较困难。这里采用目估实测的办法，对附属物的使用性能进行粗略评价。

　　

　　式中，AI——附属物功效指数；——路段内路基附属物使用功效的平均值；优良取1.0，较好取0.8，次好取0.5，失效取0。

　　2.2　路面使用性能的评价

　　路面使用性能的评价依据采集到的路面的状况数据，对路面性能满足要求的程度做出判断，由于路面使用性能具有多方面属性，要从不同侧面满足要求。因而对路面使用性能的评价要按单项使用性能属性进行。

　　2.2.1　路面状况指数

　　路面破损状况采用路面状况指数(PCI)进行评价。路面状况指数由沥青路面破损率(DR)计算得出。

　　 2.2.2　路面强度评价指标

　　路面强度系数(SSI)是设计弯沉值与实测代表弯沉值的比值，它反映了路面承载能力的贮备情况。

　　2.2.3　行驶质量指数

　 我国行驶质量指数RQI是根据国际平整度指数(IRI)推出的，其关系如下：

　

　　RQI的取值范围为0～10，若出现负值，则RQI值取0；如计算大于10，RQI取10。

　　IRI由下式计算：

　　

　　BI——平整度测试设备的测试结果；ａ，ｂ——标定系数。

　　RQI仍存在一定缺陷，PCI、RQI二者值域不同，RQI计算结果会出现不合理的预测值，如RQI<0或IRI>10，必须强行限制其计算结果，这说明模型在结构上的缺陷。因此，在青藏公路SPMS系统中，采用文[6]推荐的式(9)计算

　　 2.2.4　路面抗滑性能

　　路面抗滑性能以摆值(BPN)或横向力系数(SFC)表示。

　　2.3　路基及路面的综合评价模型

　　多年冻土地区路基破坏情况复杂，难以用单一的评价标准进行评价，所以路基病害以向量方式进行综合评价，并利用多媒体数据库技术，建立病害的文字及图像描述，使用户可以随时查阅路基的图文资料。

　　路面使用性能具有多方面属性，为了反映各路段路面的使用性能，选用路面综合评价指标(PQI)作用路面综合评价指标。

　　计算方法如下：（略）

　　式中，Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3、Ｐ4——相应指标权重，根据青藏公路各评价指标的重要性推荐权重。考虑到青藏公路空间跨度大，沿途地形复杂、自然状况多变，权重可能不一，所以系统仅提出权重推荐值。各地可根据各自不同的实际情况更改。譬如在山区可以考虑适当将P4(SFC或BPN的系数)增大。

　　2.4　路基路面使用性能预估模型

　　青藏公路路基评价指标采用向量表示，各分量分别预估。由于缺乏青藏公路路基观测的连续数据，且无成熟的路基预测模型可供参考，所以本系统预留神经网络接口，待数据丰富后，可进行动态预测。

　　同样，在缺乏青藏公路路面连续数据的情况下，本系统的预估模型参照北京市干线公路沥青路面预估模型[3]建立：

　　式中，ｙ——路面建成后或新近一次改建的年数；ａ，ｂ——回归系数，初始值分别设为0.1和0.8，使用中据实调整；ｃ，ｄ——回归系数，初始值分别为4.0和0.064，使用中据实调整。

　　随着数据丰富，预估模型随之动态调整，可使预估更加准确。

　　3　数据库设计

　　路基路面管理系统的核心是数据，路基路面养护评价、预测、分析和决策工作都须在数据库的基础上完成。

　　3.1　SPMS管理的级别

　　SPMS管理的级别有以下3种，并以此为基础管理数据。

　　3.1.1　路线

　　指某一条公路在一地区的全部，在这里路线指的是国道109格尔木-拉萨段。

　　3.1.2　区间

　　将路线按一定原则划分，依不同特性划分为若干小部分，每一个部分即为一个区间。在青藏公路SPMS中，区间根据各养护段划分。

　　3.1.3　路段

　　将区间按照里程桩划分为若干个指定长度，每一部分称为一个路段，路段是路基路面管理中的最小单位，记录路况基本数据，路段是决策的基本依据与基本对象。路段长度这里取1000m，在部分地段根据需要加密。

　　3.2　数据库编码系统

　　为了便于数据的存贮，便于信息的处理与交换，需对数据进行编码，将数据标准化。建立统一的路线编码系统是构建数据库的前提，路线编码系统的建立有4种基本方法：①路线里程法；②道路联结点法；③分支路段法；④地理信息系统(GIS)。就目前已建立的路面管理系统来看，有相当一部分是用路线里程法作用参照信息的。在本文中，对象虽然为项目级的管理，但考虑到将来系统扩充，路线编码采用路线码加地区码的形式，并建立了路线、行政区、区间和路段等编码库。

　　另外，需建立材料类型、车型及路面结构类型等编码系统。根据青藏公路特点，还需建立特殊编码系统，包括冻土类型和气候特征编码。

　　3.3　数据库数据项

　　数据库中数据项的设置不仅关系到数据库的运行效率，还影响到SPMS实施的质量，因此数据项应在保障涵盖SPMS所使用的各种数据类型的前提下，尽可能减少数据的冗余，以利于数据库的高效运行。就SPMS的设计和实施而言，所需求的数据项可分为以下类型：

　　3.3.1　几何、功能和管理数据

　　几何数据包括路基路面的长度和宽度，路基高度，边坡坡度；功能数据指路段所在道路的功能划分，如公路/城市道路、国道(主干线)/省道(干线)/地方道路(次干线或支线)等；管理数据描述管理单位所归属(或管辖)的管理部门以及财政资源分配的区划等。

　　3.3.2　路面结构和养护维修历史数据

　　包括路面结构厚度、材料、修建方法及时间，历次养护维修的时间、类型和费用等。

　　3.3.3　路基路面性能数据

　　包括路基变形、强度、开裂指数等；路面性能包括损坏、结构强度、平整度和抗滑性能等方面数据。

　　3.3.4　交通数据

　　包括平均日交通量、车辆组成、方向分布以及荷载横向分布等。

　　按数据类型分，数据库数据可分为两类：静态数据，动态数据。静态数据属系统基本数据，一般不予改动；动态数据在路基路面管理过程中产生，这部分数据可以添加、修改或删除。

　　青藏公路SPMS数据库数据来源于静态库数据输入、交通调查数据输入、路况调查数据输入、日常养护数据输入等。通过数据库前端软件完成数据的输入，通过公路信息网络进行汇总。

　　4　计算机实现

　　4.1　数据库平台遴选

　　数据库是路基路面管理系统的运行基础，数据量大、关系复杂。因而，选用数据库时应考虑大型关系型数据库，如MS SQL Server、Oracle、DB2，从而充分利用数据库服务器强大的数据管理功能，方便地进行数据库管理，保障数据库安全、高效地运行。本系统运行平台选用基于MS Windows NT系统的MS SQL Server7网络数据库服务器系统。

　　4.2　管理系统的建立

　　在数据库基础上，通过应用VB、Delphi编写的应用程序实现路面系统的各种有关操作功能。程序功能包括用于评价路基路面的各指标计算、路基路面的评价、优先排序、养护费用计算、路面使用性能的预测、图表输出等。在程序编码设计中，为了保证系统对不同对象的通用性，利用数据库服务器存储过程(Stored Procedures)功能，将通用算法存放于数据库端。计算由数据库端完成，保障了数据的安全、稳定，使系统的开发条理更清晰。

　　管理系统用户界面开发工作利用VB完成，VB具有良好的数据库接口，提供强大的IDE(集成开发环境)。

　　管理系统对数据库数据的调用并不依赖于后台数据库的管理模式(库和表的划分)，而是根据需要动态地从各个不同的库中提取数据。本系统通过数据库视图(view)的技术，建立不同数据库的映射集。

　 5　结语

　　目前我国尚无针对青藏公路开发的路基路面管理系统，本研究根据青藏公路的特点，在工程数据库的基础上，开发了青藏公路的路基路面管理系统(SPMS)，为青藏公路管理提供了现代化的工具，使青藏公路的管理工作上了一个新台阶。并对高原寒冷、人烟稀少地区路基路面管理系统的开发做了有益的探索。

　　参考文献：

　　(1)　 Richard Robinson， el. Road Maintenance Management Concepts and Systemw[M]. Macmilan Press， 1997.

　　(2)　 胡霞光.青藏公路计算机辅助工程研究[D].西安公路交通大学，1999.

　　(3)　 姚祖康.路面管理系统[M].北京：人民交通出版社，1993.

　　(4)　 王身高，李方，邓学钧.道路CAD数据库研究[J].中国公路学报，1999，12(增刊)：18-24.

　　(5)　 中华人民共和国行业标准JTJ073-96.公路养护技术规范，北京：人民交通出版社，1996.

　　(6)　 潘玉利.路面管理系统原理[M].北京：人民交通出版社，1998.