(1. 福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108；2. 福州市城鄉(xiāng)建設(shè)局， 福建 福州 350001)

地鐵車站基坑開(kāi)挖易引起鄰近路基土體及路面變形，且基坑回填密實(shí)度常因碾壓困難而無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求[1-2]，導(dǎo)致路基路面沉陷甚至開(kāi)裂，嚴(yán)重影響道路服務(wù)質(zhì)量，增加道路維養(yǎng)成本和難度。近年來(lái)各大城市地鐵建設(shè)方興未艾，福州市也加快地鐵建設(shè)，已建成運(yùn)營(yíng)的有地鐵1、2號(hào)線，在建和待建的還有好幾條。地鐵為市民出行帶來(lái)諸多便利的同時(shí)也導(dǎo)致地鐵沿線路面出現(xiàn)了各種病害，備受非議。雖然地鐵車站上方的道路歷經(jīng)多次維養(yǎng)，但其行車舒適感仍然顯著低于鄰近道路。為了有效提高地鐵沿線道路的服務(wù)質(zhì)量，減輕道路維養(yǎng)的壓力，需要對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行專門研究，提出針對(duì)性的病害防治措施。

福州地鐵1號(hào)線沿線道路主要采用瀝青路面，其典型病害為路面沉陷和裂縫，這些路面病害主要與路基強(qiáng)度和剛度有關(guān)[3-4]。目前常規(guī)的道路病害檢測(cè)方法對(duì)道路正常使用有較大影響，效率低，檢測(cè)范圍小，既不便于統(tǒng)計(jì)病害特征，更不利于分析病害產(chǎn)生機(jī)理[5-7]。因此，本文利用“數(shù)字福建”智能交通物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化路面數(shù)據(jù)車(DHDV)[8]檢測(cè)功能和電子地圖技術(shù)，對(duì)福州地鐵1號(hào)線車站附近道路的路面病害進(jìn)行掃描和統(tǒng)計(jì)分析，研究路面病害的幾何特征、路面行駛質(zhì)量以及路面病害與車站的關(guān)聯(lián)性，為進(jìn)一步研究路面病害產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)而提出針對(duì)性的防治方案奠定基礎(chǔ)。

1 路面病害掃描及計(jì)算方法

福州地鐵1號(hào)線共21個(gè)車站，其中4個(gè)站的上方路面不滿足掃描條件，實(shí)際掃描了剩下的17個(gè)車站。

1.1 路面高差掃描及計(jì)算方法

DHDV上有兩組激光成像設(shè)備，掃描時(shí)可以覆蓋整個(gè)車道，數(shù)據(jù)采集速度為60～100 km/h。該設(shè)備可以采集完全匹配的2D/3D路面圖像數(shù)據(jù)。2D激光圖像數(shù)據(jù)可以在系統(tǒng)上直接標(biāo)記出裂縫位置。3D激光云數(shù)據(jù)可以提取連續(xù)的路面橫斷面高程曲線，其垂直方向精度達(dá)0.3 mm，水平方向精度達(dá)1.0 mm，為國(guó)內(nèi)外圖像采集及全自動(dòng)處理系統(tǒng)的最高精度[8]。路面破損檢測(cè)系統(tǒng)將攝取到的圖像信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并對(duì)路面圖像進(jìn)行缺陷檢測(cè)及分類，把路面破損尺寸、部位、類型等信號(hào)進(jìn)行分類管理[7]。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高差掃描界面如圖1所示。

圖1 DHDV高程掃描界面Fig.1 Pavement elevation scanning interface of DHDV

車輛前后軸之間扣除道路縱坡影響的路面高差將引起行車顛簸。汽車軸距一般在1.4 m以上，自行車軸距在1 m左右[4]，而圖像掃描標(biāo)距為2.2 m，因此本文選擇波長(zhǎng)為0.5～1.5倍圖像掃描標(biāo)距的路面高程曲線作為計(jì)算對(duì)象，通過(guò)其波峰和波谷來(lái)計(jì)算路面高差，見(jiàn)圖2，圖中實(shí)線條為實(shí)測(cè)的路面標(biāo)高曲線，虛線為道路設(shè)計(jì)縱坡線。

圖2 典型的路面高程曲線Fig.2 Typical curves of pavement elevation

路面實(shí)際高程是道路設(shè)計(jì)高程與沉陷之和。道路設(shè)計(jì)高程隨縱坡變化，在計(jì)算路面高差時(shí)應(yīng)反映道路縱坡的影響。路面高差計(jì)算方法如式(1)所示，式中(a)、(b)、(c)、(d)分別對(duì)應(yīng)于圖2中4種高程變化模式。

1.2 路面裂縫掃描及計(jì)算方法

圖3為典型的路面裂縫電子掃描照片，圖中黃色矩形框?yàn)榇斑x框，紅色線為裂縫，白色線為車行道分界線。

圖3 典型的路面裂縫照片F(xiàn)ig.3 Photos of typical pavement cracks

裂縫長(zhǎng)度可以根據(jù)圖像中參照物的圖形長(zhǎng)度進(jìn)行換算。車行道分界線寬度為150 mm[9]，則裂縫的實(shí)際長(zhǎng)度l可由式(2)計(jì)算：

(2)

式中，l為裂縫實(shí)際長(zhǎng)度(mm)，li為裂縫的圖形長(zhǎng)度，b為車行道分界線的圖形長(zhǎng)度。

1.3 路面病害空間位置確定方法

除了路面病害的幾何特征值外，其空間分布情況也是研究病害產(chǎn)生機(jī)理的重要信息，因此首先需要分別確定DHDV掃描路線在車站內(nèi)、外的掃描長(zhǎng)度，再統(tǒng)計(jì)路面病害在站內(nèi)、外的分布情況。

每個(gè)車站及附近路面檢測(cè)的總長(zhǎng)度包括站內(nèi)長(zhǎng)度和站外長(zhǎng)度，可由DHDV計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的掃描路線經(jīng)計(jì)算而得。DHDV掃描路線電子地圖見(jiàn)圖4，圖中Lj、Ls分別代表路面檢測(cè)總長(zhǎng)度和站內(nèi)長(zhǎng)度，站外長(zhǎng)度La為L(zhǎng)j與Ls之差。

圖4 掃描路線的電子地圖Fig.4 Digital map of the scanning route

地鐵屬于人防工程，其施工圖和竣工圖屬于保密資料，而且地鐵車站一般深埋于地下3 m，只能通過(guò)風(fēng)亭等建(構(gòu))筑物的電子地圖坐標(biāo)來(lái)確定車站起始點(diǎn)的大概位置，從而計(jì)算Ls。此外，DHDV在檢測(cè)過(guò)程中不可避免地會(huì)受到車流、行人的影響，導(dǎo)致車載記錄的站內(nèi)距離Ls與實(shí)際距離L有偏差。因此，在利用電子地圖計(jì)算站內(nèi)、外長(zhǎng)度Ls、La之前，需對(duì)距離偏差ε進(jìn)行檢算，其計(jì)算方法見(jiàn)式(3)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

(3)

表1 檢測(cè)路線的距離偏差

距離偏差ε的平均值為3.3%，方差為2×10-4，精度滿足要求；站內(nèi)的路面平均檢測(cè)長(zhǎng)度為215.9 m，站外的為170.2 m，分別是掃描標(biāo)距2.2 m[8]的98.1倍和77.4倍，說(shuō)明路面掃描具有足夠的樣本容量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有充分的代表性。由此可見(jiàn)，利用DHDV自動(dòng)獲得的掃描路線并結(jié)合電子地圖，可以準(zhǔn)確地計(jì)算站內(nèi)、外的行進(jìn)距離，從而準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)出站內(nèi)、外的路面高差和裂縫的分布情況。

2 路面病害結(jié)果及分析

2.1 路面病害特征值計(jì)算

為了深入研究路面病害產(chǎn)生機(jī)理，將站內(nèi)、外上方的路面高差和裂縫分別統(tǒng)計(jì)后列于表2，表中Δhs、Δha分別代表站內(nèi)、外的路面高差，ls、la分別代表站內(nèi)、外的裂縫長(zhǎng)度，IRI為國(guó)際平整度指數(shù)，RQI為路面行駛質(zhì)量指數(shù)。不同類型車輛的軸距不同，車輪的直徑也不統(tǒng)一，對(duì)于相同的路面高差，其行車顛簸感也不同，因此引入行駛質(zhì)量指數(shù)RQI加以輔助說(shuō)明。由于每個(gè)車站站內(nèi)和站外掃描路線的總距離約為400 m，距離較短，IRI和RQI是指對(duì)包括站內(nèi)和站外的整體評(píng)價(jià)。RQI的計(jì)算方法見(jiàn)式(4)。

RQI=11.5-0.75×IRI

(4)

式中,IRI為國(guó)際平整度指數(shù)(m/km)，其值由DHDV計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)生成。

表2 站內(nèi)、外路面病害特征統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及評(píng)價(jià)

《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》[10]根據(jù)RQI將道路行駛質(zhì)量分為“優(yōu)良中次差”5個(gè)等級(jí)。如表2所示，福州地鐵1號(hào)線車站上方路面的道路行駛質(zhì)量沒(méi)有“優(yōu)”，僅有2個(gè)車站的為“良”，RQI平均值為4.19∈(4.0，4.5)，道路行駛質(zhì)量總體評(píng)價(jià)為“次”[10]。各等級(jí)行駛質(zhì)量的占比見(jiàn)圖5。

圖5 地鐵車站路面評(píng)價(jià)指標(biāo)匯總圖Fig.5 Summary of evaluation indices of pavements in the metro station

由圖5可知，“次”、“差”路面合計(jì)66%，表明路面現(xiàn)狀嚴(yán)重影響市民行車體驗(yàn)，需要維修[10-11]。實(shí)際上，在地鐵1號(hào)線運(yùn)營(yíng)后，附近路面均經(jīng)歷了多次維修，個(gè)別路段甚至進(jìn)行了全面翻修。也就是說(shuō)，地鐵車站上方路面的病害很嚴(yán)重，與地鐵車站建設(shè)必然存在某種聯(lián)系。

2.2 路面病害與車站關(guān)聯(lián)性分析

為了分析地鐵車站建設(shè)與沿線路面病害的關(guān)聯(lián)性，需對(duì)站內(nèi)與站外的病害特征值進(jìn)行對(duì)比。路面高差體現(xiàn)路面沉陷程度。由表2可知，站內(nèi)的路面高差Δhs平均值是40.9 mm，站外的路面高差Δha平均值是27.4 mm，站內(nèi)的是站外的151%。如《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[5]所述，路面沉陷小于10 mm時(shí)對(duì)行車舒適感無(wú)影響，10～25 mm之間行車有輕微顛簸感；大于25 mm時(shí)行車有明顯顛簸感。這表明車站及其附近的路面均出現(xiàn)顯著的沉陷，路面行車具有明顯的顛簸感，且離車站越近道路的顛簸感越強(qiáng)。類似地，站內(nèi)的路面裂縫長(zhǎng)度ls平均值是1 165 mm，站外的路面裂縫長(zhǎng)度la平均值是794 mm，站內(nèi)的是站外的147%。這表明站內(nèi)、外路面均有大量長(zhǎng)大裂縫，路面開(kāi)裂嚴(yán)重，且離車站越近路面開(kāi)裂越嚴(yán)重。由此可見(jiàn)，站內(nèi)的路面病害程度比站外的平均高50%。一方面站內(nèi)及站外路面所采用的建材相同，施工工藝一樣[1]，另一方面站內(nèi)路面的病害比站外更嚴(yán)重，這說(shuō)明路面病害與路基下面的車站存在著緊密聯(lián)系[12-13]。

福州地鐵車站基坑多采用明挖法施工[1]。在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，站外幾十米范圍內(nèi)的路基土體勢(shì)必受到擾動(dòng)[12,14]，不過(guò)此處的擾動(dòng)相對(duì)站內(nèi)的小。此外，站外路基中沒(méi)有上翻梁、冠梁等構(gòu)造，基坑回填施工尤其是碾壓受到的不利影響比站內(nèi)的少，故站外路基的壓實(shí)度較高，即站外的路基施工質(zhì)量要略高于站內(nèi)。更重要的是，車站的頂板上翻梁和冠梁等構(gòu)造使得上方路基厚度不一，路面彎沉必然有別。因此，站外的路面病害程度要比站內(nèi)的輕。

需要特別指出的是，對(duì)于南門兜站(見(jiàn)表2中的第8號(hào)車站)，站內(nèi)路面高差比站外的大76%，增加幅度最大，比平均值大25%；站內(nèi)的裂縫長(zhǎng)度比站外的大80%，增加幅度第二大，比平均值大33%。表面上看，南門兜站的病害特征似乎離散性較大，實(shí)際上，南門兜站屬于地鐵換乘站，是1號(hào)線和2號(hào)線的相交處，車站構(gòu)造更復(fù)雜，對(duì)路基的不利影響也更大，使得路面病害更嚴(yán)重。因此，南門兜站沿線道路路面的病害幾何特征值比所有站的平均值更大。而這更進(jìn)一步說(shuō)明地鐵建設(shè)與沿線路面病害存在著顯著的關(guān)聯(lián)性。

總之，地鐵車站上方的路面病害主要根源于地鐵基坑開(kāi)挖引起的路基施工質(zhì)量問(wèn)題和車站構(gòu)造的不利影響，在路面維修養(yǎng)護(hù)方案中應(yīng)考慮地鐵車站因素并提出針對(duì)性的防治措施。

3 結(jié)論

基于DHDV掃描功能和電子地圖技術(shù)，開(kāi)展的福州地鐵1號(hào)線17個(gè)車站附近道路路面病害的實(shí)地調(diào)查和計(jì)算分析結(jié)果表明：

1)福州地鐵1號(hào)線車站上方路面病害嚴(yán)重，道路行駛質(zhì)量總體評(píng)價(jià)為“次”；道路離地鐵車站越近其路面病害越嚴(yán)重，站內(nèi)道路的路面病害比站外高50%，路面病害與地鐵車站存在顯著的正相關(guān)。

2)地鐵車站基坑開(kāi)挖和回填嚴(yán)重影響沿線路基施工質(zhì)量，且車站構(gòu)造引起路基剛度不一，進(jìn)而引起路面發(fā)生沉陷和開(kāi)裂；對(duì)于已建地鐵的沿線道路，其維養(yǎng)方案應(yīng)考慮車站構(gòu)造對(duì)路基的影響，提出相應(yīng)的路面病害防治措施；對(duì)于在建和待建地鐵的沿線道路，應(yīng)提高基坑回填質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，并建議對(duì)地鐵車站頂板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

3)利用本文提出的結(jié)合DHDV和電子地圖并利用圖形尺寸換算關(guān)系的分析技術(shù)，可以高效而準(zhǔn)確地計(jì)算出路面沉陷和裂縫的幾何特征值以及空間分布情況，為道路維養(yǎng)決策和路面病害機(jī)理研究提供有力支持。