如何開展專業(yè)化、智能化的公路路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計

文 中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司道路養(yǎng)護(hù)研發(fā)中心 董雨明 朱艷永 邢鵬 蔣汶玉 張琛

本文結(jié)合公路路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計現(xiàn)狀明確了檢測評價、養(yǎng)護(hù)時機(jī)決策、養(yǎng)護(hù)措施選擇、經(jīng)濟(jì)性評價的關(guān)鍵需求，提出了建立包含地域物理特征與措施方案數(shù)據(jù)庫，以及決策設(shè)計系統(tǒng)的高品質(zhì)路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計路徑，闡明了材料設(shè)計是智能養(yǎng)護(hù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

基本內(nèi)容

公路路面包括瀝青路面、水泥路面、復(fù)合式路面等。公路路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計包括調(diào)查與評價、病害診斷與養(yǎng)護(hù)對策選擇、技術(shù)設(shè)計和施工圖設(shè)計等內(nèi)容。公路養(yǎng)護(hù)中，日常養(yǎng)護(hù)無需設(shè)計，預(yù)防養(yǎng)護(hù)和修復(fù)養(yǎng)護(hù)需要設(shè)計，應(yīng)急養(yǎng)護(hù)和專項(xiàng)養(yǎng)護(hù)工程路面設(shè)計則視具體情況而定。

設(shè)計原則

公路路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計應(yīng)根據(jù)路況、結(jié)構(gòu)、材料、施工、荷載、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)及安全等因素綜合確定，需及時跟蹤路面病害發(fā)展情況，并結(jié)合隱蔽病害實(shí)行動態(tài)設(shè)計。其中，充分且合理地利用既有路面結(jié)構(gòu)尤為重要。

設(shè)計年限

公路路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計應(yīng)根據(jù)目標(biāo)，結(jié)合路況特點(diǎn)提出設(shè)計年限要求，《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計規(guī)范》（JTG 5421-2018）中，根據(jù)公路等級推薦了設(shè)計年限。而預(yù)防性養(yǎng)護(hù)設(shè)計的預(yù)期使用年限，應(yīng)根據(jù)荷載等級、路況、資金計劃和技術(shù)措施等因素選擇。需要分清的是，對于修復(fù)養(yǎng)護(hù)要求的是設(shè)計年限，而對于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)要求的是預(yù)期使用年限。另外，結(jié)構(gòu)修復(fù)設(shè)計應(yīng)包括結(jié)構(gòu)力學(xué)驗(yàn)算，設(shè)計年限是路面結(jié)構(gòu)力學(xué)驗(yàn)算的計算參數(shù)，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)、功能修復(fù)則不考慮結(jié)構(gòu)驗(yàn)算問題。

養(yǎng)路工在三伏天養(yǎng)護(hù)路面（攝影：張嘯天）

設(shè)計原理

路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計實(shí)質(zhì)上是路面面層材料設(shè)計，應(yīng)控制瀝青混合料層疲勞開裂、基層反射裂縫、瀝青層永久變形，以及季凍地區(qū)低溫開裂和表面功能等指標(biāo)。

疲勞開裂包括荷載疲勞開裂和溫度疲勞開裂。前者是在交通荷載重復(fù)作用下，瀝青混合料層底產(chǎn)生拉應(yīng)力，主要原因是面層下的基層或路基結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足所致，表現(xiàn)為從下到上的裂縫，即國際上所謂的“down-top”裂縫。而溫度疲勞開裂是在四季及晝夜溫度變化后，材料熱脹冷縮產(chǎn)生拉應(yīng)變，反復(fù)作用多次后超過瀝青混合料容許拉應(yīng)變所致，表現(xiàn)為從上到下的裂縫，即國際上所謂的“top-down”裂縫。

此外，還有其他類型裂縫。其中，半剛性基層干縮裂縫是因?yàn)槁访嬖诮煌ê奢d作用下，內(nèi)部拉應(yīng)變、剪切應(yīng)變不斷出現(xiàn)，導(dǎo)致瀝青層底產(chǎn)生拉應(yīng)力，造成從下到上的反射裂縫，而低溫開裂是因?yàn)闇囟润E降導(dǎo)致的早期橫向裂縫。因此，瀝青路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計一定程度上是瀝青混合料的抗裂設(shè)計、抗車轍設(shè)計及抗滑設(shè)計等。

專業(yè)化因素

公路路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計與新建設(shè)計、改擴(kuò)建設(shè)計相比，既要考慮殘值的最大化利用，又要考慮解決具體問題延長路面壽命，涉及的內(nèi)容點(diǎn)多、面廣、個性化需求明顯，因此養(yǎng)護(hù)設(shè)計是一個復(fù)雜、綜合的過程，良好的養(yǎng)護(hù)設(shè)計趨向模塊化、一體化決策設(shè)計，應(yīng)具備多個條件。

模塊化、一體化決策設(shè)計

精細(xì)檢測評價

路況檢測是對路面表面破損狀態(tài)的評價，但表面的狀態(tài)與隱蔽的內(nèi)部損傷或病害有著緊密的聯(lián)系，要想最大限度利用殘值，就必須全面“體檢”路面結(jié)構(gòu)，包括表面狀態(tài)、內(nèi)部狀態(tài)、功能狀態(tài)、結(jié)構(gòu)狀態(tài)等，PCI、RDI是表面狀態(tài)指標(biāo)，PSSI是結(jié)構(gòu)狀態(tài)指標(biāo)，SRI是功能指標(biāo)，而分層鋪筑的各結(jié)構(gòu)層完整性等內(nèi)部狀態(tài)則需要通過鉆芯取樣或切割坑槽來分析。與此同時，應(yīng)加大3D雷達(dá)應(yīng)用的力度及水平，全面系統(tǒng)掌握開裂、脫空、積水等內(nèi)部不良狀態(tài)。只有精細(xì)的檢測評價，才能準(zhǔn)確評估路面殘值，提高其利用率。

掌握病害變化規(guī)律

檢測評價一般只能代表一個時間點(diǎn)的路面狀態(tài)。但路面狀態(tài)隨著四季、晝夜的變化而變化，因此盡量選擇在一個最不利的時機(jī)評價較為合理，可以提高養(yǎng)護(hù)設(shè)計的可靠度。此外，病害直接影響路面狀態(tài)，不同地域的病害也有所不同，其中干旱區(qū)因降雨少，裂縫引發(fā)的病害發(fā)展較慢；潮濕地區(qū)因降雨多，裂縫引發(fā)的病害發(fā)展快，若不及時治理，將形成唧漿、坑槽等病害。因此在設(shè)計時，需要廣泛調(diào)研、盡量多次檢測精準(zhǔn)掌握病害變化規(guī)律。

養(yǎng)護(hù)措施適應(yīng)性

每一個養(yǎng)護(hù)技術(shù)措施都存在明確的適用范圍，由于不同地域的氣候條件、交通荷載不盡相同，每個技術(shù)的適應(yīng)性有著較大差異，養(yǎng)護(hù)設(shè)計考慮的側(cè)重點(diǎn)也有所不同。以瀝青混合料為例，應(yīng)將抗水損害考慮在內(nèi)，濕潤區(qū)的設(shè)計空隙率應(yīng)比干旱區(qū)低一些。稀漿封層因微表處噪聲大的特點(diǎn)，可用于西部人口較少地區(qū)，但在人口密集地區(qū)應(yīng)選用超薄罩面。此外，我國有些地區(qū)存在“小氣候”的特點(diǎn)，技術(shù)規(guī)范難以涉及，也導(dǎo)致一些養(yǎng)護(hù)技術(shù)遭遇“水土不服”；氣候、荷載、管理等多種因素的耦合作用，也會造成一些養(yǎng)護(hù)技術(shù)及措施的不適應(yīng)性。遇到這些難題時，一定要深入現(xiàn)場廣泛調(diào)查，再著手公路路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計。

技術(shù)經(jīng)濟(jì)性

養(yǎng)護(hù)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性關(guān)系到養(yǎng)護(hù)資金的投入，性價比是重要的平衡點(diǎn)，即技術(shù)方案造價與使用壽命是否成正比。影響使用壽命的因素是多方面的，包括路面殘值、養(yǎng)護(hù)技術(shù)、氣候條件、交通荷載、管理方式、突發(fā)事件、施工質(zhì)量等。

個性化條件

做好檢測診斷

在養(yǎng)護(hù)設(shè)計過程中，最重要的一步是評估原路面資產(chǎn)性能檢測級殘值，一方面是結(jié)構(gòu)性能的評價，另一方面是功能特征的評價。結(jié)構(gòu)性能評價包括直接和間接的特征，例如路面結(jié)構(gòu)狀況指數(shù)PSSI就是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最直接表征，路面開裂是間接表征。路面殘值評估首先是對結(jié)構(gòu)性能的評價，其次是對功能特征評價，考察是否具有充足的抗滑、平整、密水等性能。

另外，養(yǎng)護(hù)設(shè)計的重要任務(wù)是對路面病害的處置，而且盡量做到“根治”。要“根治”病害，就應(yīng)找準(zhǔn)“病根”，因此要深度分析病害原因及病害發(fā)展?fàn)顟B(tài)，這需要通過鉆芯、雷達(dá)等手段深入路面內(nèi)部進(jìn)行檢測。

精通材料性能

公路路面養(yǎng)護(hù)科學(xué)決策與方案設(shè)計一體化框架

路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計基本上是對路面材料的選擇和設(shè)計，相當(dāng)于對路面狀況及病害“開處方”，能否“藥到病除”，關(guān)鍵是熟知各類藥物的特點(diǎn)及功效，對于路面養(yǎng)護(hù)而言，需要對材料及其性能熟之又熟，才能從含砂霧封層、微表處、稀漿封層、超薄罩面、共振碎石化、深層注漿、就地再生、廠拌再生等材料與技術(shù)中，選擇最適合的。

智能化路徑

數(shù)字時代的到來，給養(yǎng)護(hù)設(shè)計的精細(xì)化和個性化要求提供了快速可靠的解決方案，有效提高了養(yǎng)護(hù)設(shè)計的精準(zhǔn)性和時效性。針對某一地區(qū)的路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計，需要建好以“兩個數(shù)據(jù)庫”“兩個系統(tǒng)”和“一個方法”為核心的基本框架，從而實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)設(shè)計精準(zhǔn)化、養(yǎng)護(hù)方案定制化、養(yǎng)護(hù)施工標(biāo)準(zhǔn)化、養(yǎng)護(hù)資金分配科學(xué)化和養(yǎng)護(hù)效益最大化。

地域環(huán)境物理特征數(shù)據(jù)庫。路基結(jié)構(gòu)狀態(tài)與含水率關(guān)系密切，我國相關(guān)設(shè)計施工規(guī)范采用自然區(qū)劃和氣候分區(qū)的思路，確保路面結(jié)構(gòu)材料與氣候的適應(yīng)性，最大限度提高其耐久性。但由于我國氣候特征差異明顯，在“小氣候”現(xiàn)象明顯和面積較大的區(qū)域，行業(yè)規(guī)范中的分區(qū)不夠細(xì)致，因此有必要針對各省的氣候與交通等物理特征的差異性，建立影響該地區(qū)路基路面結(jié)構(gòu)性能和功能衰減的精細(xì)化數(shù)據(jù)庫。

地域養(yǎng)護(hù)措施及技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)庫。不同的養(yǎng)護(hù)技術(shù)有著不同的適用范圍和使用條件，針對不同地區(qū)氣候及交通特征，相同養(yǎng)護(hù)措施的具體技術(shù)參數(shù)也存在一定的差異。另外，為解決不同的病害處置、性能衰減，遏制病害發(fā)展，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整具體的技術(shù)參數(shù)，加之各地所產(chǎn)材料也存在較大差異，有的地方石灰?guī)r豐富、有的地方玄武巖豐富、有的地方存在鋼渣利用條件、有的地方存在鐵尾礦資源等。因此，有必要建立基于局部氣候交通環(huán)境特征的各類養(yǎng)護(hù)技術(shù)措施及參數(shù)的數(shù)據(jù)庫。

基于地域合理性調(diào)整路況評定方法。路況評定結(jié)果是養(yǎng)護(hù)決策及方案設(shè)計的依據(jù)，然而不同地區(qū)多數(shù)病害的發(fā)展趨勢是不同的，有的發(fā)展快、有的發(fā)展慢，所以相同病害對路面使用性能的影響是不同的，如干旱區(qū)的裂縫與濕潤區(qū)的裂縫對路面結(jié)構(gòu)的影響不同、干熱區(qū)的車轍與濕熱區(qū)的車轍發(fā)展不同，對路面使用性能影響快慢也不同。同時，因?yàn)榈燃壍缆泛托熊囁俣鹊牟煌?，對舒適性和安全性的要求也不同，例如農(nóng)村公路與高速公路PCI評定中的平整度權(quán)重是不同的，應(yīng)有各自的側(cè)重點(diǎn)，而不能一概而論。因此，有必要適當(dāng)調(diào)整現(xiàn)行《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》中的部分參數(shù)及權(quán)重。

養(yǎng)護(hù)設(shè)計輔助軟件系統(tǒng)。眾所周知，路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計幾乎不涉及路面“平縱橫”調(diào)整，技術(shù)方案和材料選擇是設(shè)計的核心，設(shè)計工程師應(yīng)熟悉材料檢測、材料設(shè)計和材料施工等，而這是多數(shù)設(shè)計工程師的弱項(xiàng)，隨著公路建設(shè)的減少和公路養(yǎng)護(hù)的增加，養(yǎng)護(hù)設(shè)計的任務(wù)將日益繁重、個性化需求也將增加。因此要做出一個好的養(yǎng)護(hù)設(shè)計，需要輔以一個自動化的養(yǎng)護(hù)設(shè)計軟件系統(tǒng)。

養(yǎng)護(hù)決策智能軟件系統(tǒng)。路面養(yǎng)護(hù)決策是運(yùn)營單位最棘手的問題，尤其是在養(yǎng)護(hù)資金有限或者匱乏的情況下，根據(jù)一定區(qū)域路網(wǎng)范圍內(nèi)路面結(jié)構(gòu)殘值及功能需求，確定養(yǎng)護(hù)資金分配的優(yōu)先次序，是一個多目標(biāo)決策樹的計算過程，隨著數(shù)字技術(shù)的日益迭代升級，可以不斷優(yōu)化算法，這也是實(shí)現(xiàn)智能養(yǎng)護(hù)的首要任務(wù)。