公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

文 中國(guó)工程院土木、水利與建筑工程學(xué)部院士 鄭健龍

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年約有1萬(wàn)多公里高速公路、近20萬(wàn)公里普通公路需進(jìn)行大中修，每年養(yǎng)護(hù)大中修產(chǎn)生的廢棄料近2億噸，且大多數(shù)養(yǎng)護(hù)工程造成了嚴(yán)重的交通擁堵，降低了公路通行效率。因而，研究公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)、掌握公路養(yǎng)護(hù)前沿發(fā)展趨勢(shì)對(duì)于推動(dòng)公路養(yǎng)護(hù)事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展意義重大。

趨勢(shì)一 在役道路性能檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)維修新技術(shù)開(kāi)發(fā)是永恒的主題

在役道路性能檢測(cè)

挑戰(zhàn)：盡管在役道路實(shí)現(xiàn)了路面性能的不停車(chē)檢測(cè)，但檢測(cè)時(shí)行車(chē)速度慢，存在安全隱患，被正常行駛車(chē)輛撞擊的事件時(shí)有發(fā)生；根據(jù)檢測(cè)到的路表信息反演道路材料與結(jié)構(gòu)性能參數(shù)時(shí)，存在不唯一性和不準(zhǔn)確性；路基病害具有隱蔽性，非接觸式無(wú)損檢測(cè)難以穿透路面后準(zhǔn)確感知路基的特征信息；路基使用性能對(duì)含水率與密度的變化極為敏感，而現(xiàn)有檢測(cè)手段無(wú)法達(dá)到相應(yīng)的精度要求，且難以實(shí)時(shí)感知在役道路的使用性能，不能獲得全壽命周期的完整信息。

截至2020年底，我國(guó)公路總里程達(dá)519.81萬(wàn)公里，養(yǎng)護(hù)里程約514.4萬(wàn)公里，占公路總里程的98.96%，但年均養(yǎng)護(hù)總投資僅3000億元左右。

技術(shù)對(duì)策：開(kāi)發(fā)路面性能高速檢測(cè)技術(shù)與裝備；改善傳統(tǒng)的檢測(cè)手段與裝備，提高檢測(cè)的客觀性和準(zhǔn)確性；研究在役道路性能實(shí)時(shí)感知技術(shù)，推廣應(yīng)用到路面信息感知、傳輸、解譯等環(huán)節(jié)；改進(jìn)路基病害檢測(cè)技術(shù)，研發(fā)非接觸式感知技術(shù)、方法與裝備，使檢測(cè)數(shù)據(jù)更精、更準(zhǔn)；研發(fā)非接觸式路側(cè)信息感知技術(shù)，以達(dá)到全天候?qū)崟r(shí)感知，同時(shí)服務(wù)自動(dòng)駕駛的目標(biāo)。

道路養(yǎng)護(hù)維修

挑戰(zhàn)：道路養(yǎng)護(hù)施工極易造成交通擁堵，降低路網(wǎng)通行能力；我國(guó)北方冬季、南方雨季時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致道路損壞無(wú)法及時(shí)修復(fù)，病害向深層次擴(kuò)展；缺乏具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的養(yǎng)護(hù)材料、技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)有效的路基病害修復(fù)手段。

技術(shù)對(duì)策：開(kāi)發(fā)適用于特殊氣候環(huán)境的路面養(yǎng)護(hù)材料與技術(shù)；開(kāi)發(fā)無(wú)污染的融冰化雪材料與技術(shù)、汽車(chē)尾氣降解涂料；開(kāi)發(fā)適用于不同需要的預(yù)養(yǎng)護(hù)材料、技術(shù)與裝備；開(kāi)發(fā)快速養(yǎng)護(hù)的材料、技術(shù)與裝備；開(kāi)發(fā)新型路基、邊坡病害修復(fù)與加固技術(shù)、瀝青路面裝配式修補(bǔ)技術(shù)等。

趨勢(shì)二 公路長(zhǎng)期性能觀測(cè)與研究是全世界關(guān)注的熱點(diǎn)

公路長(zhǎng)期性能觀測(cè)與研究是全面掌握公路基礎(chǔ)設(shè)施性能演變科學(xué)規(guī)律，指導(dǎo)公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、養(yǎng)護(hù)與管理的必要手段，是實(shí)現(xiàn)公路基礎(chǔ)設(shè)施建養(yǎng)數(shù)字化、信息化的基礎(chǔ)性工作和全面提升公路交通基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)、施工水平及使用壽命的科學(xué)依據(jù)，也是全面提高路網(wǎng)運(yùn)輸效能，降低物流運(yùn)輸成本，提升養(yǎng)護(hù)管理智能化與養(yǎng)護(hù)決策科學(xué)化水平的重要途徑，其重要性不言而喻。

發(fā)展公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)是延長(zhǎng)路面使用壽命，降低資源消耗和全壽命周期成本最直接的方法。

國(guó)外研究現(xiàn)狀

以美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將交通基礎(chǔ)設(shè)施的長(zhǎng)期性能觀測(cè)、數(shù)據(jù)分析作為一項(xiàng)長(zhǎng)期實(shí)施的國(guó)家戰(zhàn)略。早在1984年，美國(guó)就在其戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃（SHRP）中啟動(dòng)了有關(guān)路面長(zhǎng)期性能（LTPP）的研究。研究范圍覆蓋整個(gè)北美地區(qū)，域外一些國(guó)家特別是西方發(fā)達(dá)國(guó)家也參與了這項(xiàng)研究，取得了大量寶貴的觀測(cè)資料與研究成果。研究成果還支撐了美國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的長(zhǎng)期安全健康運(yùn)行，主導(dǎo)了國(guó)際相關(guān)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定與發(fā)展。

為確保路面長(zhǎng)期性能研究順利開(kāi)展，美國(guó)建立了完備的道路長(zhǎng)期性能觀測(cè)網(wǎng)，觀測(cè)站點(diǎn)達(dá)到了2581個(gè)（截至2019年12月），主要采集道路基本信息、氣象交通量、路面荷載、路況數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)庫(kù)由美國(guó)聯(lián)邦公路局下設(shè)的路面長(zhǎng)期性能工作組統(tǒng)一管理。目前，數(shù)據(jù)庫(kù)的用戶(hù)量達(dá)到1000多家（包括科研、設(shè)計(jì)、施工單位等），數(shù)據(jù)的年均下載量約400～500太字節(jié)（TB）。

國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

就地?zé)嵩偕鳂I(yè)現(xiàn)場(chǎng)

“十二五”和“十三五”期間，我國(guó)曾兩次立項(xiàng)開(kāi)展路面長(zhǎng)期性能觀測(cè)研究。目前，全國(guó)共建設(shè)59個(gè)（不完全統(tǒng)計(jì)）路面長(zhǎng)期性能野外觀測(cè)站點(diǎn)，分布于16個(gè)省份。此外，還在青藏高原設(shè)置了300余個(gè)高原凍土地區(qū)公路路基路面監(jiān)測(cè)斷面。總體來(lái)看，我國(guó)的道路長(zhǎng)期性能觀測(cè)網(wǎng)密度低，觀測(cè)持續(xù)度不足，與開(kāi)展路面長(zhǎng)期性能研究的要求相差甚遠(yuǎn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，交通運(yùn)輸部和科技部目前正在規(guī)劃組建公路長(zhǎng)期性能野外科學(xué)觀測(cè)研究站，觀測(cè)站擬以交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院的足尺試驗(yàn)場(chǎng)為主體，擬在現(xiàn)有野外觀測(cè)站點(diǎn)的基礎(chǔ)上，再建8個(gè)野外觀測(cè)站點(diǎn)，屆時(shí)野外觀測(cè)站點(diǎn)將覆蓋我國(guó)各個(gè)主要地質(zhì)、氣候區(qū)劃，可以實(shí)時(shí)或周期性地收集氣候環(huán)境、交通荷載、路面材料與結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)及服役狀態(tài)等信息，為從業(yè)人員研究公路全壽命周期服役性能演化規(guī)律及衰變機(jī)理，長(zhǎng)壽命路面設(shè)計(jì)新理論、新方法、新模型，路面結(jié)構(gòu)與材料長(zhǎng)期性能試驗(yàn)的新方法與新設(shè)備，打造多維度、多源數(shù)據(jù)資料的共享平臺(tái)提供重要支撐。

趨勢(shì)三 綠色養(yǎng)護(hù)技術(shù)是當(dāng)今世界的發(fā)展方向

綠色養(yǎng)護(hù)的必要性

目前，我國(guó)形成了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的道路性能檢測(cè)裝備，人工檢測(cè)基本上實(shí)現(xiàn)了多指標(biāo)集成自動(dòng)化檢測(cè)（多功能檢測(cè)車(chē)）。

實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的要求 2020年9月22日，習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話(huà)，提出了我國(guó)2030年前達(dá)到二氧化碳排放峰值、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)。當(dāng)前，我國(guó)交通運(yùn)輸體系的碳排放量占全社會(huì)碳排放量的9%，而且還在以每年5%的速度增長(zhǎng)。綜合考慮交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、養(yǎng)護(hù)期間的能源消耗量以及原材料生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳量，目前我國(guó)交通行業(yè)的碳排放量約在20%以上。由此可見(jiàn)，在“雙碳”背景下，公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)的發(fā)展面臨重大挑戰(zhàn)。

降低能源消耗的要求 我國(guó)公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、養(yǎng)護(hù)工程消耗的不可再生資源巨大，給生態(tài)環(huán)境造成了一時(shí)難以恢復(fù)的破壞，且養(yǎng)護(hù)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量廢棄物，還有可能誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。而綠色養(yǎng)護(hù)技術(shù)的核心是減少資源消耗，并實(shí)現(xiàn)廢棄料的資源化再生利用。

提高材料利用率的要求 當(dāng)前，我國(guó)道路材料再生利用面臨諸多問(wèn)題：瀝青路面銑刨料級(jí)配破壞嚴(yán)重，銑刨前的加熱造成了瀝青的二次老化；再生利用技術(shù)十分粗放，新料與舊料直接摻拌使用，導(dǎo)致再生混合料的品質(zhì)不高；養(yǎng)護(hù)施工中，通常將廢棄料降級(jí)使用，再生混合料的使用效率低?？梢?jiàn)，綠色養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究已成為大勢(shì)所趨。

發(fā)展綠色養(yǎng)護(hù)的技術(shù)對(duì)策

開(kāi)發(fā)新型瀝青路面銑刨設(shè)備 以廢棄料中礦料的資源化為目標(biāo)，轉(zhuǎn)變銑刨設(shè)備的設(shè)計(jì)思路；改善加熱技術(shù)，確保擬銑刨層的瀝青混合料充分軟化又不至于老化；優(yōu)化銑刨工藝，改銑刨為鏟扒，提高廢棄料級(jí)配的完整性，特別是粗集料的完整性；發(fā)展廠拌再生技術(shù)，最大限度提高路面維修質(zhì)量。

開(kāi)發(fā)瀝青路面銑刨油石分離技術(shù) 當(dāng)前，砂石資源越來(lái)越寶貴，可通過(guò)開(kāi)發(fā)新型油石分離技術(shù)降低成本，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。利用油石分離技術(shù)能夠使銑刨料中的集料實(shí)現(xiàn)資源化，還能確保新制備瀝青混合料的品質(zhì)。此外，分離出來(lái)的廢瀝青不再作為瀝青結(jié)合料，可用于開(kāi)發(fā)新的資源化用途，建議施工單位分地區(qū)建立廢棄料資源化工廠，統(tǒng)一回收、統(tǒng)一加工，最大限度發(fā)揮其潛在價(jià)值。

趨勢(shì)四 道路養(yǎng)護(hù)維修的智慧管理是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的時(shí)代特色

現(xiàn)階段，我國(guó)道路養(yǎng)護(hù)維修智慧管理主要面臨以下問(wèn)題：一是養(yǎng)護(hù)部門(mén)開(kāi)展路況定期檢測(cè)的目的性不強(qiáng)，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的挖掘與利用不充分，且建設(shè)期、養(yǎng)護(hù)維修與大中修期、運(yùn)營(yíng)期的路況數(shù)據(jù)互設(shè)信息壁壘，定期檢測(cè)與道路巡檢數(shù)據(jù)由政府監(jiān)管部門(mén)、業(yè)主單位、檢測(cè)單位等分別存儲(chǔ)，難以對(duì)路況數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘和二次開(kāi)發(fā)。二是養(yǎng)護(hù)維修決策與管理的智能化水平不高，具體表現(xiàn)為養(yǎng)護(hù)維修決策部門(mén)掌握的路況信息不全，導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)維修處治不及時(shí)；由于路況信息碎片化現(xiàn)象嚴(yán)重，且存在信息孤島效應(yīng)，養(yǎng)護(hù)部門(mén)無(wú)法構(gòu)建科學(xué)、合理的道路性能預(yù)測(cè)模型與養(yǎng)護(hù)維修決策模型等。對(duì)此，可采取以下技術(shù)對(duì)策：

開(kāi)發(fā)公路建設(shè)、運(yùn)營(yíng)與養(yǎng)護(hù)管理一體化的區(qū)塊鏈技術(shù)

旨在實(shí)現(xiàn)公路全壽命周期建設(shè)、運(yùn)營(yíng)與養(yǎng)護(hù)管理信息融合的一體化。要求業(yè)主單位分別建立下轄各路段的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，借助共識(shí)機(jī)制、加密算法和智能合約，在政府監(jiān)管部門(mén)、業(yè)主和各承包商之間構(gòu)建聯(lián)盟鏈，以保證數(shù)據(jù)的公開(kāi)透明和不可篡改，避免數(shù)據(jù)造假，同時(shí)支持業(yè)主通過(guò)數(shù)據(jù)上鏈，對(duì)原材料生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)施工、驗(yàn)收檢測(cè)等進(jìn)行有效監(jiān)管。

開(kāi)發(fā)搭載于“區(qū)塊鏈+養(yǎng)護(hù)管理平臺(tái)”的公路養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)應(yīng)具備分布式存儲(chǔ)全壽命周期的路況數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)進(jìn)行指定路段的路況評(píng)價(jià)、根據(jù)路況演變歷史預(yù)測(cè)道路性能和結(jié)構(gòu)性能、進(jìn)行網(wǎng)級(jí)和項(xiàng)目級(jí)養(yǎng)護(hù)決策和養(yǎng)護(hù)投資預(yù)算、實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)施工采購(gòu)與實(shí)施過(guò)程監(jiān)督（含招投標(biāo)和施工過(guò)程監(jiān)督）等功能。