如何开展专业化、智能化的公路路面养护设计

文 中交基础设施养护集团有限公司道路养护研发中心 董雨明 朱艳永 邢鹏 蒋汶玉 张琛

本文结合公路路面养护设计现状明确了检测评价、养护时机决策、养护措施选择、经济性评价的关键需求，提出了建立包含地域物理特征与措施方案数据库，以及决策设计系统的高品质路面养护设计路径，阐明了材料设计是智能养护发展的关键环节。

基本内容

公路路面包括沥青路面、水泥路面、复合式路面等。公路路面养护设计包括调查与评价、病害诊断与养护对策选择、技术设计和施工图设计等内容。公路养护中，日常养护无需设计，预防养护和修复养护需要设计，应急养护和专项养护工程路面设计则视具体情况而定。

设计原则

公路路面养护设计应根据路况、结构、材料、施工、荷载、环境、经济及安全等因素综合确定，需及时跟踪路面病害发展情况，并结合隐蔽病害实行动态设计。其中，充分且合理地利用既有路面结构尤为重要。

设计年限

公路路面养护设计应根据目标，结合路况特点提出设计年限要求，《公路沥青路面养护设计规范》（JTG 5421-2018）中，根据公路等级推荐了设计年限。而预防性养护设计的预期使用年限，应根据荷载等级、路况、资金计划和技术措施等因素选择。需要分清的是，对于修复养护要求的是设计年限，而对于预防性养护要求的是预期使用年限。另外，结构修复设计应包括结构力学验算，设计年限是路面结构力学验算的计算参数，预防性养护、功能修复则不考虑结构验算问题。

养路工在三伏天养护路面（摄影：张啸天）

设计原理

路面养护设计实质上是路面面层材料设计，应控制沥青混合料层疲劳开裂、基层反射裂缝、沥青层永久变形，以及季冻地区低温开裂和表面功能等指标。

疲劳开裂包括荷载疲劳开裂和温度疲劳开裂。前者是在交通荷载重复作用下，沥青混合料层底产生拉应力，主要原因是面层下的基层或路基结构强度不足所致，表现为从下到上的裂缝，即国际上所谓的“down-top”裂缝。而温度疲劳开裂是在四季及昼夜温度变化后，材料热胀冷缩产生拉应变，反复作用多次后超过沥青混合料容许拉应变所致，表现为从上到下的裂缝，即国际上所谓的“top-down”裂缝。

此外，还有其他类型裂缝。其中，半刚性基层干缩裂缝是因为路面在交通荷载作用下，内部拉应变、剪切应变不断出现，导致沥青层底产生拉应力，造成从下到上的反射裂缝，而低温开裂是因为温度骤降导致的早期横向裂缝。因此，沥青路面养护设计一定程度上是沥青混合料的抗裂设计、抗车辙设计及抗滑设计等。

专业化因素

公路路面养护设计与新建设计、改扩建设计相比，既要考虑残值的最大化利用，又要考虑解决具体问题延长路面寿命，涉及的内容点多、面广、个性化需求明显，因此养护设计是一个复杂、综合的过程，良好的养护设计趋向模块化、一体化决策设计，应具备多个条件。

模块化、一体化决策设计

精细检测评价

路况检测是对路面表面破损状态的评价，但表面的状态与隐蔽的内部损伤或病害有着紧密的联系，要想最大限度利用残值，就必须全面“体检”路面结构，包括表面状态、内部状态、功能状态、结构状态等，PCI、RDI是表面状态指标，PSSI是结构状态指标，SRI是功能指标，而分层铺筑的各结构层完整性等内部状态则需要通过钻芯取样或切割坑槽来分析。与此同时，应加大3D雷达应用的力度及水平，全面系统掌握开裂、脱空、积水等内部不良状态。只有精细的检测评价，才能准确评估路面残值，提高其利用率。

掌握病害变化规律

检测评价一般只能代表一个时间点的路面状态。但路面状态随着四季、昼夜的变化而变化，因此尽量选择在一个最不利的时机评价较为合理，可以提高养护设计的可靠度。此外，病害直接影响路面状态，不同地域的病害也有所不同，其中干旱区因降雨少，裂缝引发的病害发展较慢；潮湿地区因降雨多，裂缝引发的病害发展快，若不及时治理，将形成唧浆、坑槽等病害。因此在设计时，需要广泛调研、尽量多次检测精准掌握病害变化规律。

养护措施适应性

每一个养护技术措施都存在明确的适用范围，由于不同地域的气候条件、交通荷载不尽相同，每个技术的适应性有着较大差异，养护设计考虑的侧重点也有所不同。以沥青混合料为例，应将抗水损害考虑在内，湿润区的设计空隙率应比干旱区低一些。稀浆封层因微表处噪声大的特点，可用于西部人口较少地区，但在人口密集地区应选用超薄罩面。此外，我国有些地区存在“小气候”的特点，技术规范难以涉及，也导致一些养护技术遭遇“水土不服”；气候、荷载、管理等多种因素的耦合作用，也会造成一些养护技术及措施的不适应性。遇到这些难题时，一定要深入现场广泛调查，再着手公路路面养护设计。

技术经济性

养护方案的技术经济性关系到养护资金的投入，性价比是重要的平衡点，即技术方案造价与使用寿命是否成正比。影响使用寿命的因素是多方面的，包括路面残值、养护技术、气候条件、交通荷载、管理方式、突发事件、施工质量等。

个性化条件

做好检测诊断

在养护设计过程中，最重要的一步是评估原路面资产性能检测级残值，一方面是结构性能的评价，另一方面是功能特征的评价。结构性能评价包括直接和间接的特征，例如路面结构状况指数PSSI就是结构强度最直接表征，路面开裂是间接表征。路面残值评估首先是对结构性能的评价，其次是对功能特征评价，考察是否具有充足的抗滑、平整、密水等性能。

另外，养护设计的重要任务是对路面病害的处置，而且尽量做到“根治”。要“根治”病害，就应找准“病根”，因此要深度分析病害原因及病害发展状态，这需要通过钻芯、雷达等手段深入路面内部进行检测。

精通材料性能

公路路面养护科学决策与方案设计一体化框架

路面养护设计基本上是对路面材料的选择和设计，相当于对路面状况及病害“开处方”，能否“药到病除”，关键是熟知各类药物的特点及功效，对于路面养护而言，需要对材料及其性能熟之又熟，才能从含砂雾封层、微表处、稀浆封层、超薄罩面、共振碎石化、深层注浆、就地再生、厂拌再生等材料与技术中，选择最适合的。

智能化路径

数字时代的到来，给养护设计的精细化和个性化要求提供了快速可靠的解决方案，有效提高了养护设计的精准性和时效性。针对某一地区的路面养护设计，需要建好以“两个数据库”“两个系统”和“一个方法”为核心的基本框架，从而实现养护设计精准化、养护方案定制化、养护施工标准化、养护资金分配科学化和养护效益最大化。

地域环境物理特征数据库。路基结构状态与含水率关系密切，我国相关设计施工规范采用自然区划和气候分区的思路，确保路面结构材料与气候的适应性，最大限度提高其耐久性。但由于我国气候特征差异明显，在“小气候”现象明显和面积较大的区域，行业规范中的分区不够细致，因此有必要针对各省的气候与交通等物理特征的差异性，建立影响该地区路基路面结构性能和功能衰减的精细化数据库。

地域养护措施及技术参数数据库。不同的养护技术有着不同的适用范围和使用条件，针对不同地区气候及交通特征，相同养护措施的具体技术参数也存在一定的差异。另外，为解决不同的病害处置、性能衰减，遏制病害发展，应适当调整具体的技术参数，加之各地所产材料也存在较大差异，有的地方石灰岩丰富、有的地方玄武岩丰富、有的地方存在钢渣利用条件、有的地方存在铁尾矿资源等。因此，有必要建立基于局部气候交通环境特征的各类养护技术措施及参数的数据库。

基于地域合理性调整路况评定方法。路况评定结果是养护决策及方案设计的依据，然而不同地区多数病害的发展趋势是不同的，有的发展快、有的发展慢，所以相同病害对路面使用性能的影响是不同的，如干旱区的裂缝与湿润区的裂缝对路面结构的影响不同、干热区的车辙与湿热区的车辙发展不同，对路面使用性能影响快慢也不同。同时，因为等级道路和行车速度的不同，对舒适性和安全性的要求也不同，例如农村公路与高速公路PCI评定中的平整度权重是不同的，应有各自的侧重点，而不能一概而论。因此，有必要适当调整现行《公路技术状况评定标准》中的部分参数及权重。

养护设计辅助软件系统。众所周知，路面养护设计几乎不涉及路面“平纵横”调整，技术方案和材料选择是设计的核心，设计工程师应熟悉材料检测、材料设计和材料施工等，而这是多数设计工程师的弱项，随着公路建设的减少和公路养护的增加，养护设计的任务将日益繁重、个性化需求也将增加。因此要做出一个好的养护设计，需要辅以一个自动化的养护设计软件系统。

养护决策智能软件系统。路面养护决策是运营单位最棘手的问题，尤其是在养护资金有限或者匮乏的情况下，根据一定区域路网范围内路面结构残值及功能需求，确定养护资金分配的优先次序，是一个多目标决策树的计算过程，随着数字技术的日益迭代升级，可以不断优化算法，这也是实现智能养护的首要任务。