如何開展專業化、智能化的公路路面養護設計

文 中交基礎設施養護集團有限公司道路養護研發中心 董雨明 朱艷永 邢鵬 蔣汶玉 張琛

本文結合公路路面養護設計現狀明確了檢測評價、養護時機決策、養護措施選擇、經濟性評價的關鍵需求，提出了建立包含地域物理特征與措施方案數據庫，以及決策設計系統的高品質路面養護設計路徑，闡明了材料設計是智能養護發展的關鍵環節。

基本內容

公路路面包括瀝青路面、水泥路面、復合式路面等。公路路面養護設計包括調查與評價、病害診斷與養護對策選擇、技術設計和施工圖設計等內容。公路養護中，日常養護無需設計，預防養護和修復養護需要設計，應急養護和專項養護工程路面設計則視具體情況而定。

設計原則

公路路面養護設計應根據路況、結構、材料、施工、荷載、環境、經濟及安全等因素綜合確定，需及時跟蹤路面病害發展情況，并結合隱蔽病害實行動態設計。其中，充分且合理地利用既有路面結構尤為重要。

設計年限

公路路面養護設計應根據目標，結合路況特點提出設計年限要求，《公路瀝青路面養護設計規范》（JTG 5421-2018）中，根據公路等級推薦了設計年限。而預防性養護設計的預期使用年限，應根據荷載等級、路況、資金計劃和技術措施等因素選擇。需要分清的是，對于修復養護要求的是設計年限，而對于預防性養護要求的是預期使用年限。另外，結構修復設計應包括結構力學驗算，設計年限是路面結構力學驗算的計算參數，預防性養護、功能修復則不考慮結構驗算問題。

養路工在三伏天養護路面（攝影：張嘯天）

設計原理

路面養護設計實質上是路面面層材料設計，應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，以及季凍地區低溫開裂和表面功能等指標。

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作用下，瀝青混合料層底產生拉應力，主要原因是面層下的基層或路基結構強度不足所致，表現為從下到上的裂縫，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，材料熱脹冷縮產生拉應變，反復作用多次后超過瀝青混合料容許拉應變所致，表現為從上到下的裂縫，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為路面在交通荷載作用下，內部拉應變、剪切應變不斷出現，導致瀝青層底產生拉應力，造成從下到上的反射裂縫，而低溫開裂是因為溫度驟降導致的早期橫向裂縫。因此，瀝青路面養護設計一定程度上是瀝青混合料的抗裂設計、抗車轍設計及抗滑設計等。

專業化因素

公路路面養護設計與新建設計、改擴建設計相比，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，涉及的內容點多、面廣、個性化需求明顯，因此養護設計是一個復雜、綜合的過程，良好的養護設計趨向模塊化、一體化決策設計，應具備多個條件。

模塊化、一體化決策設計

精細檢測評價

路況檢測是對路面表面破損狀態的評價，但表面的狀態與隱蔽的內部損傷或病害有著緊密的聯系，要想最大限度利用殘值，就必須全面“體檢”路面結構，包括表面狀態、內部狀態、功能狀態、結構狀態等，PCI、RDI是表面狀態指標，PSSI是結構狀態指標，SRI是功能指標，而分層鋪筑的各結構層完整性等內部狀態則需要通過鉆芯取樣或切割坑槽來分析。與此同時，應加大3D雷達應用的力度及水平，全面系統掌握開裂、脫空、積水等內部不良狀態。只有精細的檢測評價，才能準確評估路面殘值，提高其利用率。

掌握病害變化規律

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

養護措施適應性

每一個養護技術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，每個技術的適應性有著較大差異，養護設計考慮的側重點也有所不同。以瀝青混合料為例，應將抗水損害考慮在內，濕潤區的設計空隙率應比干旱區低一些。稀漿封層因微表處噪聲大的特點，可用于西部人口較少地區，但在人口密集地區應選用超薄罩面。此外，我國有些地區存在“小氣候”的特點，技術規范難以涉及，也導致一些養護技術遭遇“水土不服”；氣候、荷載、管理等多種因素的耦合作用，也會造成一些養護技術及措施的不適應性。遇到這些難題時，一定要深入現場廣泛調查，再著手公路路面養護設計。

技術經濟性

養護方案的技術經濟性關系到養護資金的投入，性價比是重要的平衡點，即技術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、養護技術、氣候條件、交通荷載、管理方式、突發事件、施工質量等。

個性化條件

做好檢測診斷

在養護設計過程中，最重要的一步是評估原路面資產性能檢測級殘值，一方面是結構性能的評價，另一方面是功能特征的評價。結構性能評價包括直接和間接的特征，例如路面結構狀況指數PSSI就是結構強度最直接表征，路面開裂是間接表征。路面殘值評估首先是對結構性能的評價，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，養護設計的重要任務是對路面病害的處置，而且盡量做到“根治”。要“根治”病害，就應找準“病根”，因此要深度分析病害原因及病害發展狀態，這需要通過鉆芯、雷達等手段深入路面內部進行檢測。

精通材料性能

公路路面養護科學決策與方案設計一體化框架

路面養護設計基本上是對路面材料的選擇和設計，相當于對路面狀況及病害“開處方”，能否“藥到病除”，關鍵是熟知各類藥物的特點及功效，對于路面養護而言，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中，選擇最適合的。

智能化路徑

數字時代的到來，給養護設計的精細化和個性化要求提供了快速可靠的解決方案，有效提高了養護設計的精準性和時效性。針對某一地區的路面養護設計，需要建好以“兩個數據庫”“兩個系統”和“一個方法”為核心的基本框架，從而實現養護設計精準化、養護方案定制化、養護施工標準化、養護資金分配科學化和養護效益最大化。

地域環境物理特征數據庫。路基結構狀態與含水率關系密切，我國相關設計施工規范采用自然區劃和氣候分區的思路，確保路面結構材料與氣候的適應性，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”現象明顯和面積較大的區域，行業規范中的分區不夠細致，因此有必要針對各省的氣候與交通等物理特征的差異性，建立影響該地區路基路面結構性能和功能衰減的精細化數據庫。

地域養護措施及技術參數數據庫。不同的養護技術有著不同的適用范圍和使用條件，針對不同地區氣候及交通特征，相同養護措施的具體技術參數也存在一定的差異。另外，為解決不同的病害處置、性能衰減，遏制病害發展，應適當調整具體的技術參數，加之各地所產材料也存在較大差異，有的地方石灰巖豐富、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境特征的各類養護技術措施及參數的數據庫。

基于地域合理性調整路況評定方法。路況評定結果是養護決策及方案設計的依據，然而不同地區多數病害的發展趨勢是不同的，有的發展快、有的發展慢，所以相同病害對路面使用性能的影響是不同的，如干旱區的裂縫與濕潤區的裂縫對路面結構的影響不同、干熱區的車轍與濕熱區的車轍發展不同，對路面使用性能影響快慢也不同。同時，因為等級道路和行車速度的不同，對舒適性和安全性的要求也不同，例如農村公路與高速公路PCI評定中的平整度權重是不同的，應有各自的側重點，而不能一概而論。因此，有必要適當調整現行《公路技術狀況評定標準》中的部分參數及權重。

養護設計輔助軟件系統。眾所周知，路面養護設計幾乎不涉及路面“平縱橫”調整，技術方案和材料選擇是設計的核心，設計工程師應熟悉材料檢測、材料設計和材料施工等，而這是多數設計工程師的弱項，隨著公路建設的減少和公路養護的增加，養護設計的任務將日益繁重、個性化需求也將增加。因此要做出一個好的養護設計，需要輔以一個自動化的養護設計軟件系統。

養護決策智能軟件系統。路面養護決策是運營單位最棘手的問題，尤其是在養護資金有限或者匱乏的情況下，根據一定區域路網范圍內路面結構殘值及功能需求，確定養護資金分配的優先次序，是一個多目標決策樹的計算過程，隨著數字技術的日益迭代升級，可以不斷優化算法，這也是實現智能養護的首要任務。