鋪面狀況指數與鋪面管理制度關係
(PCI VS PMS)
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試驗中心 經 理 |
吳學禮 |
摘 要
台灣地區道面工程業已使用PCI作為維修之依據，惟未徹底依其應用頻率執行，至於鋪面管理制度落實者亦不多，致提出AASHTO的4R觀念，美國瀝青學會(AI MS-17)、美軍工兵團及交通部的方法，至於鋪面管理制度(PMS)則以OECO方法簡略述之。
PCI與PMS關係以美軍工兵團方法及FAA為主，至於PCI求法除列出步驟外，亦以實際案例提供參考。
一、前言
鋪面真正令人困擾的問題在於完工後開始使用之維護，亦是造成用路者不滿詬病之主要項目，為此，建立鋪面管理制度，以資對症下藥不但可以節省公幣亦可減少使用者的不滿。惟台灣地區建立鋪面管理制度(PMS, Pavement Management Systems) 的單位并不多。雖然養護單位勤於修補、刨除重鋪，但未合乎科學化、本土化之浪費，仍然有待改進。
評估鋪面損害之方法及基準頗多，何法較宜需經比較分析方可獲得。筆者建議以機場道面曾經用過之鋪面狀況指數 (PCI, Pavement Condition Index) 第Ⅰ型作為PMS資料獲得 (Data Acquisition)之基本資料，亦是鋪面維護之依據。
部份表格未譯成中文，其因為讀者從事國外工作及WTO後較為方便。
二、鋪面維護步驟及措施
2.1傳統式之步驟為補孔洞 (臨時性措施) → 封層(定期性處理裂縫作業等，不必顧及鋪築結構強度) → 加鋪(刨除與否皆須考量既有路面之強度及未來交通量等) → 翻修(高程受限、鋪築結構已無法以加鋪處理者)。
2.2維修措施
2.2.1AASHTO設計方法 (1993年版) [1]
1. 4R修復概念 (Rehabilitation)：整修面層(Resurfacing)、重修(Restoration)、修復(Rehabilitation)及翻修(Reconstruction)。
2. 鋪面修復方法分為三個階段 (phase)：
(1)問題界定(Problem Definition)
在未決定修復方法前，平常要作第一階段的資料收集(Data Collection)，然後予以評估(Evaluate Data) , 再作認明束制(Identify Constraints)。
a.資料收集：依據道路之類別選擇必須收集之項目，下
列為較居完整之一般性項目：(a) 鋪面狀況(Pavement Condition)
(b) 路肩狀況(shoulder Condition)
(c) 鋪面設計(Pavement Design)
(d) 幾何設計(Geometric Design)
(e) 材料及土壤性質(Material and Soil Properties)
(f) 交通量容量及載重(Traffic Volume and Loading)
(g) 氣候狀況(Climate Conditions)
(h) 排水狀況(Drainge Condition)
(i) 安全考量(Safety Considerations)
b.資料評估(Data Evaluation)
資料評估步驟可能每個單位不同，但必須含蓋下列步驟：
官方資料收集® 首次工地量測（Field Survey）® 評估首次資料并決定增列項目® 第二次工地量測，從事取樣、粗糙度量測(Roughness Measurement)、撓度試驗(Deflection Testing)、防滑(Skid Resistance)等® 試驗室內試驗® 第二次評估，包括鋪築結構、功能評估及決定是否增加需要之資料® 綜合官方及調查結果，提出評估報告(Final Evaluation Report)。
c.認明束制
選擇修復方式必須涉及該工程受限制(束制)之問題，其考量項目為：
本工程限定金額、交通管制、最少修復設計年限、幾何設計、效益(Utilities)、淨利(Clearances)、正確方法(Right-of-way)，可利用材料及機具、承包商之經驗及所需人力，主管機關之政策(Agency Policies)。
(2)差異性問題解法(Potential Problem Solution)
在選擇修復方法前，需要提出候補解法(Select Candiate Solutions)後才作可行性解法(Feasible Rehabilitation Solutions)，進而展開初步設計(Development of Preliminary Design)。
(3)選擇較合意的解法(Selection of Preferred Solution)
選擇最好之路面修復方法需要工程師之判斷、創意及可適用性(Flexibility)，其考量項目為：
a. 成本分析(Cost Analysis)
b. 未花錢的考量(Nonmonetary Considerations)
有些未花錢的項目在決定較宜之修復方法時亦要考量，如：
服務年限(Service Life)、施工工期(Duration of Construction)、交通量管制、可靠度(Reliability)、可分析性(Constructibility)及可維護性 (Maintainability)。
c. 代替較合意之修復方法(Preferred Rehabilitation Alternative)
(4) 細步設計(Detailed Design)
2.2.2美國瀝青學會(AI)加鋪設計方法 [2]
AI將路面修復分為日常養護(Routine Maintenance)、加鋪(Overlay)及翻修(Reconstruction)等三個方法，評估方法以狀況檢定值(Condition Rating)為主。
其標準如圖2.1。
2.2.3美軍工兵團方法 [3]
美軍工兵團以鋪面狀況指數(PCI, Pavement Condition Index)作為決定路面修復方法之指標，國內機場業已使用多年。
1. PCI評估方法
將各種鋪面損害之形態以H、M及L等三級表示。
2.修復方法與PCI值關係
2.2.4交通部公路養護方法 [4]
1.修復方法種類
修復方法分為應急修復工程及改善工程等兩大類：
(1)應急修復工程
應急工程包括修補、裂縫及接縫等之填補、加薄封層(AC厚度薄於2.5cm)、局部翻修及其他等五項。
(2)改善工程
改善工程分為加封瀝青混凝土面層(加鋪Overlay)、銑平加封瀝青混凝土層及翻修等三項。
2.路面需要養護之研判值
以裂縫率、車轍等作為評估，因無數值依據，似乎不可行，亦易於造成主觀操縱。
2.2.5各種鋪面養護方法之比較
1.交通部方法：考量車轍、抗滑摩擦係數、平坦度等現象過於繁瑣，至於裂縫率又粗略不適用。
2. AASHTO 1993年版方法要建立PMS制度且花費較多。
3. PCI方法最適合於機場工程及道路工程。
4. AI MS-17方法較為簡易可行，適用於國內外工程。
三、概述鋪面管理制度(PMS, Pavement Management Systems)
3.1鋪面管理制度(PMS)早在1960及1970年代就已相當盛行而成立於OECO機構內 (Organization for Economic Co-operation and Development)。
3.2鋪面養護步驟含蓋下列四個階段：
3.2.1資料取得 (Data Acquisition)
3.2.2模式／分析 (Models/Analysis)
3.2.3準則／最好 (Criteria/Optimisation)
3.2.4結果／實行 (Consequence/Implementation)
3.3資料取得內容(Data Acquisition)
3.3.1鋪面結構的狀況(Structural Condition of Pavement)
1.建造歷史(Construction History)
2.幾何設計資料(Geometric Data)
3.土壤資料
4.排水性質
5.表面損害(Surface distress)
6.鋪面結構損失(撓度)
3.3.2鋪面功能的狀況(Functional Condition on Pavement)
1.縱向平坦性(Longitudinal Evenness)
2.橫向平坦性(Transverse Evenness)
3.防滑性 (Skid Resistance)
4.表面紋理(Surface Texture)
5.表面不透水性(Surface Impermeability)
6.一般噪音性質(Noise Generation Properties)
3.3.3交通狀況(Traffic Condition)
1.交通量調查(Traffic Surveys)
2.經過時間(Travel Time)
3.路況、駕駛者狀況、環境、損害、材料損壞等所造成之意外事件記錄。
3.3.4成本及效益(Costs and Benefits)
1.維護成本(Maintenance : Including Rehabilitation and Reconstruction)
2.使用者成本(User Costs)
3.社會成本(Social Costs) 如交通混亂、意外事件成本、噪音及空氣污染等。
四、建立鋪面管理制度重要性
鋪面管理制度內容應包括設計、施工及完工後定期調查及開始養護之資料，亦即是合理化、科學化及本土化之措施，其因不外乎：
4.1選擇評估鋪面功能狀況及損害型態之方法。
4.2編列鋪面維護預算。
4.3回饋設計及施工單位資料以利工進。
五、鋪面管理制度與鋪面狀況指數的關係
5.1 PMS資料庫管理系統(DATA、BASE)需用PCI
從圖3.1可得知績效和損壞形態分析必須有賴於鋪面開放交通後之損害狀況及其評估方法。由於狀況指標 (Consition Indicator) 種類頗多，致選擇某一種方法需要慎重考量其優劣點及慣用性等條件。
5.2 PCI種類
PCI可分為兩種類型，第Ⅰ型為鋪面單一項損害狀況參數之原始資料 (Raw Data)，而第Ⅱ型為混合多種損害狀況參數，其類別頗多，僅列下列七種以供參考。
· PSI (Present Serviceability Index)
· PCR (Pavement Condition Rating)
· PCI (Pavement Condition Index)
· PSR (Pavement Surface Rating)
· SCI (Surface Condition Index)
· RR (Ride Rating)
· SI (Structural Index)
5.3 PCI用途
PCI係以人工觀察鋪面表面 (Surface)損害之狀況而得數值，亦可洞悉鋪面之粗糙度(Roughness)及安全性(Safely)，惟無法評估鋪面之結構強度及抗磨擦之能力，只能作為鋪面維修及修復(Repair)之依據，例如表2.1為PCI與鋪面養護關係。
六、PCI觀測及計算
PCI求法可分為柔性鋪面及剛性鋪面等兩大類，其觀測方法又有AASHTO、SHRP、FAA、美軍工兵團及ASTM D5340，至於計算公式、圖表及方法大致相同。
6.1 名詞解釋
6.1.1 PCI (鋪面現況指數)：檢定鋪面狀況值其範圍為0-100，PCI值對應鋪面狀況及維修方法請看表2.1。
6.1.2增列樣品 (Additional Sample)
當選取之樣品部份有特別優良(Excellent)或非常不良 (Very Poor)時則要考量增列樣品，惟若所有路段皆觀測時則不必考量增列樣品。
6.1.3鋪面取樣數量 (Pavement Sample Unit) [6] [7] [8]
1.柔性鋪面：將鋪面分成每450±180m2為一取樣單位。
2.剛性鋪面：將鋪面分成每20±8個版槐 (Slabs)為一取樣單位。
3.觀測 (Survey)數量：以95％可信度（Confidence）為觀測標準，其公式為
n＝NS2／[(e2／4)(N－1)＋S2]-------公式(1)
公式中：
e＝±5 PCI觀測數
S＝標準差，通常觀測數AC為10個以上，PCC要15個以上
n＝觀測數量
(1) 取樣單位數 觀測數量
1∼5 1
6∼10 2
11∼15 3
16∼40 4
超過40 10%
(2)最少取樣單位數量與間距
(B) i =N／n ---------------------------------------------公式(2)
公式中 i＝觀測間距
N＝斷面總取樣單位
n＝觀測數量
(3) 增列樣品：鋪面狀況需要時觀測之(6.1.2節)，其觀測PCI值由公式(3)求之 [7]。
PCIS＝(N－A)(PCIR)／N＋A(PCIA)／N -------------公式(3)
公式中PCIS＝斷面中PCI之權重
N＝斷面總取樣數
A＝增列觀測數量
PCIR＝選定隨機取樣之平均PCI觀測值
PCIA＝選定增列觀測數量之平均PCI值
4.觀測頻率
觀測頻率與鋪面變質(Deterioration)有關，依據美軍工兵團建議[3]，其觀測頻率如下：
鋪面變質率(PCI/年) 觀測頻率(次/年)
＞10 1
6∼10 2
2∼5 3
＜2 3
6.2 PCI觀測
6.2.1鋪面損害型態
1. PCI觀測目的在於記載鋪面損害之型態及受損之程度，因此觀測者必須對於鋪面損害型態徹底之了解然後才能在觀測時記載屬於L、M或H級之類別及面積或長度。
2.本文將鋪面損害型態分為柔性與剛性，其涵義除圖示未列外，擬將AASHTO、SHRP、FAA、美軍工兵團及ASTM D5340等列於中華技術試驗新知內。
6.2.2觀測工具
2.手用輪轉計 (可讀到3公分)。
3.直尺。
4.圈尺 (可讀到3mm)，總長度30cm。
5.平面圖 (機場才用到)。
6.2.3鋪面觀測步驟
1.分開鋪面斷面選擇樣品單位：
(1)路面：依照道路之里程、左右側及車道等區分觀測之區域，其面積以每450±180m2 (或每20個±8個版塊)為一取樣單位，然後予以編號。
(2)道面：依照跑道、滑行道、停機坪等予以區分，然後以每20個±8個版塊 (剛性)或每450±180m2 (柔性)等作為一取樣單位，然後予以編號。
2.檢查樣品單位內損害之類別、基準及密度
依據表6.1或表6.2之格式，按照鋪面狀況評估其損害之類別、基準及密度等予以記錄。
3.決定減除值(DV)：將各樣品之密度及L、M或H等代入
(1)柔性鋪面：圖6.3 ∼ 圖6.21 [6]。
(2)剛性鋪面：圖6.22 ∼圖6.40 [6]。
4.計算總減除值 (TDV)
將各樣品之減除值DV相加即可得到總減除值 (TDV)。
5.校正“總減除值”求出CDV
(1)先求出q之數量 (q為DV大於5者)。
(2)校正圖 [6]：
(3)將TDV及q值等代入圖6.41 (柔性)或圖6.42 (剛性)即可求出CDV。
6. PCI值求法
PCI＝100－CDV
(1)如果觀測單位之CDV小於個別之最高值DV，則以個別最高值DV作為CDV。
(2) ASTM D5340之求法不同，本文不予以列出。
7.計算整個路面之PCI
將所觀測單位之PCI相加後求出其平均值即是本工程本次觀測之PCI值。
8.決定鋪面狀況檢定等級
將平均PCI代入表2.1或圖6.2 (第八步)即可得知養護或修補之適宜方式。
6.3 例題 [9]
6.3.1已知軍方某機場3號及4號滑行道、東跑道等三處，皆為剛性道路，請求出PCI值？
6.3.2解題
1.檢查單位：依據已知條件 (工程概況)可分為三個檢查單位：
(1) 3號滑行道：300個版塊，可分為20個檢查單元，其最少檢查之單元數量從圖6.2，可求出為13個，實際檢查之單元數量擬取14個。
(2) 4號滑行道：255個版塊，可分為17個檢查單元，其最少檢查之單元數量從圖6.2可求出為12個，實際檢查之單元擬取13個。
(3)東跑道：長度3300公尺，寬度45公尺，版塊尺寸為6×3.75公尺，總版塊數量為6600塊，若分為275檢查單元已無法從圖6.2求出檢查單元數量，因此需用公式(1)求之。
n = NS2／[(e2/4)(N－1)＋S2]
公式中n＝最少採樣數量(檢查之單元數量或謂觀測數量)
N＝整體樣本數量 (275)
S＝標準差 (剛性為15)
e＝允許誤差 (可信度95％，e＝5)
∴ n＝275×152／[(52/4)(275－1)＋152]＝ 32
(4)評估檢查之單元數量如下：
區 位 |
樣 本 單元總數 |
每單元之 版塊數量 |
最少須檢查之 單元數量 |
實際檢查之 單元數量 |
|
3號滑行道 |
20 |
15 |
|
|
|
4號滑行道 |
17 |
15 |
|
|
東 跑 道 |
275 |
24 |
|
|
2.檢查記錄表格
表6.1 (柔性) 及表6.2 (剛性) 為英文版，國外工作時可用之，本例題使用表6.3 (實例，中文版)。
3.檢查及計算PCI步驟
(1)以4號滑行道而言，每單元共有15個版塊，工程師(檢查員)應步行檢查每一版塊，然後就其損害型態、破壞程度等級予以記載屬於H、M、L等級，計算其密度并記錄之 (如表6.3)。
(2)決定減除值 (DV)：從記錄表之5H、10L、1M…等在圖6.22∼圖6.40當中求出DV (為12、14……)。
(3)計算總減除值(TVD)：12＋14＋37＋10＋46＋23＋2＋3＝147。
(4)校正總減除值(CDV，校正扣減值)：將TVD＝147及q＝6 (表6.3查出)等代入圖6.42，可求出CDV＝87。
(5) PCI＝100－CDV＝100－87＝13。
七、結論及建議事項
7.1結論
7.1.1台灣地區每年使用150億元之鋪面養護費用，真正經過科學化管理支付者可能不多，亦即是建立鋪面管理制度的單位有限，因此亟需導入正軌。
7.1.2建立PMS所需之資料以評估鋪面狀況而言，機械化固然迅速惟仍然有其盲點，尤其是路面損害型態偏重於局部者時，以人工觀察校為可行，因此PCI乃較為省錢且可行之法。
7.1.3鋪面維護有一定步驟，台灣地區各單位幾乎忘記封層(Seal)這個步驟，而刨除加鋪成為唯一之維修方式，因此提出AASHTO (1993年版)、AI MS-17及美軍工兵團等方法以供參考。
7.1.4以PCI作為評估鋪面時，工作者必須徹底瞭解鋪面損害之形態及如何區分H、M及L等三級，因限於篇幅請看中華技術試驗新知。
7.1.5 PCI值求出後依據表2.1美軍工兵團PCI與路面養護關係即可決定其維修方式，而納入PMS資料庫內。
7.1.6PCI值計算可用電腦程式亦可用表格方式，本文採用人工的表格式，因此求DV值圖頗多。
7.1.7定期求出PCI其頻率可參考美軍工兵團方法 (6.1.3, 觀測頻率)。
7.1.8PCI觀測及計算列於6.2.3節，因有實際案例可循，因此使用PCI并不困難。亦可從ASTM D5340獲得資料。
7.1.9 表6.2與表6.3格式不同，乃基於實際使用時要因地制宜。
7.2建議
7.2.1 經費受限制及夜間才能觀測時，採用人工以求PCI仍然是可行的方法。
7.2.2 定期作PCI觀測，建立PMS制度，然後才決定鋪面維修之方式。
7.2.3 封層為鋪面維修之一環，尤其是路面不應該只以刨除加鋪為 惟一之方式，建議在刨除前先以PCI值判斷是否可用封層處理。
7.2.4 刨除後若加鋪超過2.5cm，建議應求得既有路面之強度予以設計，求出應加鋪之厚度。
7.2.5 求DV值建議採用FAA (ASTM D5340) 方法較為安全，因台灣地區車輛超載嚴重。
參考資 料
[1] AASHTO Guide for“Design of Pavement Structures”,1993, P.Ⅲ.
[2] Asphalt Institute“Asphalt Overlays for Highway and Street Rehability”AI MS-17, 1990.
[3] US Army Corps of Engineers Construction Engineering Research Laboratory “The
Practical Use of Paver in Planning Programming, and Developing Projects for Pavement
Maintenance and Repair”, Technical Report M-86/04, 1986.
[4] 交通部“公路養護手冊”，78年6月初版。
[5] Road Transport Research “Pavement Management Systems Organization for Economic
Co-Operation and Development” , 1987.
[6] FAA “Guidelines and Procedures for Maintenance of Airport Pavements” , AC
150/5380-6, 1982.
[7] ASTM D5340-93, “Standard Test Method for Airport Pavement Condition Index Survey”.
[8] US Army Corps. of Engineers Construction Engineering Research Laboratory “Pavements
Maintenance Management for Roads and Streets Using the PAVER System”, Usacerl
Technical Report M-90/05, 1990.
[9] 中華顧問工程司“某基地跑滑道鋪面狀況評估報告”，82年11月。
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