郑健龙院士：公路养护技术发展趋势会这样

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郑健龙院士：公路养护技术发展趋势会这样

郑健龙的主要成就

为什么构建公路养护科学决策体系

公路养护的发展过程

一、郑健龙院士：公路养护技术发展趋势会这样

本文选自《中国公路》杂志2021年第14期

文/中国工程院土木、水利与建筑工程学部院士 郑健龙

据统计，我国每年约有1万多公里高速公路、近20万公里普通公路需进行大中修，每年养护大中修产生的废弃料近2亿吨，且大多数养护工程造成了严重的交通拥堵，降低了公路通行效率。因而，研究公路养护技术、掌握公路养护前沿发展趋势对于推动公路养护事业高质量发展意义重大。

▲截至2020年底，我国公路总里程达519.81万公里，养护里程约514.4万公里。 舒运平/摄

趋势一：在役道路性能检测与养护维修新技术开发是永恒的主题

在役道路性能检测

挑战：尽管在役道路实现了路面性能的不停车检测，但检测时行车速度慢，存在安全隐患，被正常行驶车辆撞击的事件时有发生；根据检测到的路表信息反演道路材料与结构性能参数时，存在不唯一性和不准确性；路基病害具有隐蔽性，非接触式无损检测难以穿透路面后准确感知路基的特征信息；路基使用性能对含水率与密度 的变化极为敏感，而现有检测手段无法达到相应的精度要求，且难以实时感知在役道路的使用性能，不能获得全寿命周期的完整信息。

技术对策：开发路面性能高速检测技术与装备；改善传统的检测手段与装备， 提高检测的客观性和准确性；研究在役道路性能实时感知技术，推广应用到路面信息感知、传输、 解译等环节；改进路基病害检测技术，研发非接触式感知技术、方法与装备，使检测数据更精、更准；研发非接触式路侧信息感知技术，以达到全天候实时感知，同时服务自动驾驶的目标。

道路养护维修

挑战：道路养护施工极易造成交通拥堵，降低路网通行能力；我国北方冬季、南方雨季时间长，导致道路损坏无法及时修复，病害向深层次扩展；缺乏具有自主知识产权的养护材料、技术以及经济有效的路基病害修复手段。

技术对策：开发适用于特殊气候环境的路面 养护材料与技术；开发无污染的融冰化雪材料与技术、汽车尾气降解涂料；开发适用于不同需要的预养护材料、技术与装备；开发快速养护的材料、技术与装备；开发新型路基、边坡病害修复与加固技术、沥青路面装配式修补技术等。

趋势二 公路长期性能观测与研究是全世界关注的热点

公路长期性能观测与研究是全面掌握公路基础设施性能演变科学规律，指导公路基础设施建设、养护与管理的必要手段，是实现公路基础设施建养数字化、信息化的基础性工作和全面提升公路交通基础设施设计、施工水平及使用寿命 的科学依据，也是全面提高路网运输效能，降低物流运输成本，提升养护管理智能化与养护决策科学化水平的重要途径，其重要性不言而喻。

国外研究现状

以美国为代表的发达国家已经将交通基础设施的长期性能观测、数据分析作为一项长期实施的国家战略。早在1984年，美国就在其战略公路研究计划（SHRP）中启动了有关路面长期性能 （LTPP）的研究。研究范围覆盖整个北美地区，域外一些国家特别是西方发达国家也参与了这项研究，取得了大量宝贵的观测资料与研究成果。研究成果还支撑了美国交通基础设施建设领域的长期安全健康运行，主导了国际相关领域标准规范的制定与发展。

为确保路面长期性能研究顺利开展，美国建立了完备的道路长期性能观测网，观测站点达到了2581个（截至2019年12月），主要采集道路基本信息、气象交通量、路面荷载、路况数据等，数据库由美国联邦公路局下设的路面长期性能工作组统一管理。目前，数据库的用户量达到1000多家（包括科研、设计、施工单位等），数据的年均下载量约400～500太字节（TB）。

国内研究现状

▲就地热再生作业现场 钟晓亮 摄

“十二五”和“十三五”期间，我国曾两次立项开展路面长期性能观测研究。目前，全国共建设59个（不完全统计）路面长期性能野外观测站点，分布于16个省份。此外，还在青藏高原设置了300余个高原冻土地区公路路基路面监测断面。总体来看，我国的道路长期性能观测网密度低，观测持续度不足，与开展路面长期性能研究的要求相差甚远。

针对上述问题，交通运输部和科技部目前正在规划组建公路长期性能野外科学观测研究站， 观测站拟以交通运输部公路科学研究院的足尺试验场为主体，拟在现有野外观测站点的基础上，再建8个野外观测站点，届时野外观测站点将覆盖我国各个主要地质、气候区划，可以实时或周期性地收集气候环境、交通荷载、路面材料与结构的力学响应及服役状态等信息，为从业人员研究公路全寿命周期服役性能演化规律及衰变机理，长寿命路面设计新理论、新方法、新模型，路面结构与材料长期性能试验的新方法与新设备，打造多维度、多源数据资料的共享平台提供重要支撑。

趋势三 绿色养护技术是当今世界的发展方向

绿色养护的必要性

▲目前，我国形成了一系列具有自主知识产权的道路性能检测装备

实现“双碳”目标的要求 2020年9月22日，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表 重要讲话，提出了我国2030年前达到二氧化碳排 放峰值、2060年前实现碳中和的“双碳”目标。当前，我国交通运输体系的碳排放量占全社会碳排放量的9%，而且还在以每年5%的速度增长。综合考虑交通基础设施建设、养护期间的能源消耗量以及原材料生产过程中产生的二氧化碳量，目前我国交通行业的碳排放量约在20%以上。由此可见，在“双碳”背景下，公路养护技术的发展面临重大挑战。

降低能源消耗的要求 我国公路基础设施建设、养护工程消耗的不可再生资源巨大，给生态环境造成了一时难以恢复的破坏，且养护过程中会产生大量废弃物，还有可能诱发地质灾害。而绿色养护技术的核心是减少资源消耗，并实现废弃料的资源化再生利用。提高材料利用率的要求当前，我国道路材料再生利用面临诸多问题：沥青路面铣刨料级配破坏严重，铣刨前的加热造成了沥青的二次老化；再生利用技术十分粗放，新料与旧料直接掺拌使用，导致再生混合料的品质不高；养护施工中，通常将废弃料降级使用，再生混合料的使用效率低。可见，绿色养护技术研究已成为大势所趋。

发展绿色养护的技术对策

开发新型沥青路面铣刨设备 以废弃料中矿料的资源化为目标，转变铣刨设备的设计思路；改善加热技术，确保拟铣刨层的沥青混合料充分软化又不至于老化；优化铣刨工艺，改铣刨为铲扒，提高废弃料级配的完整性，特别是粗集料的完整性；发展厂拌再生技术，最大限度提高路面维修。

开发沥青路面铣刨油石分离技术 当前，砂石资源越来越宝贵，可通过开发新型油石分离技术降低成本，实现规模化生产。利用油石分离技术能够使铣刨料中的集料实现资源化，还能确保新制备沥青混合料的品质。此外，分离出来的废沥青不再作为沥青结合料，可用于开发新的资源化 用途，建议施工单位分地区建立废弃料资源化工厂，统一回收、 统一加工，最大限度发挥其潜在价值。

趋势四 道路养护维修的智慧管理是数字经济 的时代特色

现阶段，我国道路养护维修智慧管理主要面临以下问题：一是养护部门开展路况定期检测的目的性不强，对检测数据的挖掘与利用不充分，且建设期、养护维修与大中修期、运营期的路况数据互设信息壁垒，定期检测与道路巡检数据由政府监管部门、业主单位、检测单位等分别存储，难以对路况数据进行深入挖掘和二次开发。二是养护维修决策与管理的智能化水平不高，具体表 现为养护维修决策部门掌握的路况信息不全，导致养护维修处治不及时；由于路况信息碎片化现象严重，且存在信息孤岛效应，养护部门无法构 建科学、合理的道路性能预测模型与养护维修决策模型等。对此，可采取以下技术对策：

开发公路建设、运营与养护管理一体化的区块链技术

旨在实现公路全寿命周期建设、运营与养护管理信息融合的一体化。要求业主单位分别建立下辖各路段的历史数据库，借助共识机制、加密算法和智能合约，在政府监管部门、业主和各承包商之间构建联盟链，以保证数据的公开透明和 不可篡改，避免数据造假，同时支持业主通过数据上链，对原材料生产、现场施工、验收检测等进行有效监管。

开发搭载于“区块链+养护管理平台”的公路养护管理系统

该系统应具备分布式存储全寿命周期的路况数据、实时进行指定路段的路况评价、根据路况演变历史预测道路性能和结构性能、进行网级和项目级养护决策和养护投资预算、实现养护施工采购与实施过程监督（含招投标和施工过程监督）等功能。

一、郑健龙的主要成就

“国家有突出贡献的中青年专家”
“国务院特殊津贴”享受者
“全国优秀科技工作者”（ 2010 ）
“科学中国人（ 2009 ）年度人物”
交通部“交通青年科技英才” （ 2009 ）
交通部首批“交通教育贡献奖” 交通部中国公路学会科技进步特等奖获奖人（排名第一）（ 2008 ）
2009 年度国家科技进步一等奖获奖人（排名第一）（ 2009 ）
国家自然科学基金重点项目主持人（ 2010 ）
湖南省第七届“光召科技奖”获得者 ( 排名第一 ) （ 2011 ）
交通运输部“十一五”十大“交通科技杰出成就奖（ 2010 ）
2012年度国家科学技术进步奖二等奖（排名第一）（2012）
2014年3月郑健龙同志不再担任校党委副书记、校长职务。
2015年12月，正式增选为中国工程院院士。
2000年，国家有突出贡献中青年专家
2008年，中国公路交通科技特等奖获得者
2009年，国家科技进步一等奖获得者
2009年，“科学中国人”年度人物入选者
2010年，国家自然科学基金重点项目课题获得者
2010年，交通部“十一五”交通科技杰出成就奖获得者
2011年，全国优秀科技工作者
2011年，湖南省第七届光召科技奖获得者
2012年，国家科学技术进步奖二等奖
2015年，正式增选为中国工程院院士

二、为什么构建公路养护科学决策体系

技术需求及存在问题
　　巨大的养护需求给公路养护管理工作带来了前所未有的压力。与公路建设相比，我国公路养护是一个薄弱环节，技术能力和保障能力严重不足，成为制约公路养护发展的瓶颈。到目前为止，公路养护还远没有形成完整、有效的技术支撑体系，需要通过系统的科学研究和技术创新予以解决。
　　（一）公路养护技术需求
　　根据我国公路养护管理现状，在充分调研的基础上，确定如下四个方面为现阶段公路养护管理领域
　　亟需解决的重大技术问题：
　　★ 快速、准确、可靠的路网技术状况监测技术；
　　★ 科学的公路养护分析决策技术；
　　★ 先进的公路损坏原因诊断与养护设计技术；
　　★ 节能、环保型的公路养护材料及工艺。
　　上述四方面关键技术贯穿了公路养护管理的全过程。本文将结合我们正在开展的西部项目研究工作，重点针对公路养护设计技术进行阐述。
　　（二）养护设计实践中存在的问题
　　与发达国家相比，我国路面损坏速度普遍过快，路面大中修养护周期普遍过短，路面平均使用寿命仅为国外的35~
50%。究其主要原因，在公路养护设计中存在以下几方面突出问题：
　　技术层面
　　（1）我国缺少独立的沥青路面大中修养护设计技术和规范，现行路面大中修养护设计是借用《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）的方法。
　　（2）在路面养护设计中，针对大修工程主要有以下三种常规做法：采用原结构修复；采用经验型典型结构；按照现行设计规范进行补强设计。针对中修工程，则主要依赖经验，对于路面损坏机理缺乏深入全面的认识，对养护方案的选择缺乏针对性。
　　（3）在路面大修养护设计中，过于倚重力学设计方法，选择的力学指标（路面回弹弯沉）不够科学，考虑的主要受力方式相对于目前复杂的荷载状况而言可能过于简单。
　　（4）设计的养护方案中，路面结构形式单一（半刚性基层+沥青面层），对于结构层次的合理匹配、路面排水性能、路基状况、路面的综合使用性能（路面破损、平整度、车辙、抗滑等）缺乏全面考虑和定量研究。
　　（5）对路面大中修各种候选养护方案的经济性缺乏定量的考虑，没有引入科学的经济评价方法。
　　管理层面
　　（1）养护工程采用两阶段设计：方案设计（初步设计，立项阶段用于控制资金和规模）；施工图设计（详细设计，可用于工程实施）。在实际工作中，往往以施工图设计为主导，方案设计没有得到应有的重视，有的与检评业务结合，有的与施工图设计打包。
　　（2）设计单位采用的养护设计方法大同小异，无法突破现有规范的局限性，有的甚至无设计可言，仅仅是业主思想的简单实现。
　　鉴于上述状况，在公路养护设计实践中，亟需建立一整套从设计目标到设计方案，再到使用效果评估的“路面大中修养护设计和评价综合体系”。通过路面大中修养护设计成套技术的应用，延长路面大中修养护周期，减少频繁养护对公路运营的干扰，提升公路养护管理在公众心目中的形象。
　　养护设计新理念
　　科学的公路养护分析流程可以划分为路网级和项目级两个层次，每个层次包含的主要工作内容及相关辅助技术如图2所示。网级养护分析的主要目的是通过实施路网技术状况检测，确定整体养护需求和项目建议，并据此制定科学合理的养护计划和养护规划。而项目级养护分析则是针对拟实施养护工程的具体路段，通过详细检测和科学分析，诊断路面病害成因，确定养护性质和养护单元，通过路面使用性能及全寿命周期费用分析，提出具有针对性的养护设计方案（一组候选方案），并最终完成施工图设计。
　　养护设计新理念的提出主要是针对上述第二阶段（项目级）工作，其中包含以下两个核心要素：
　　（一）在养护设计中对路面使用性能进行全过程控制判别路面质量优劣的终极标准是路面的使用性能（路面损坏状况、路面平整度、路面车辙、路面抗滑性能、路面结构性能等），按照使用性能分析和设计路面结构及路面材料已经形成一种必然趋势。
　　（二）在养护设计中对养护方案的经济性进行科学评价
　　根据技术经济条件，借助科学的分析方法——寿命周期费用分析方法进行方案比选和经济分析。
　　综上所述，基于使用性能和全寿命周期费用分析的路面大中修养护设计方法，是从“结构、材料、荷载、环境、经济”几方面综合考虑，力求达到结构设计与材料设计的统一、力学性能与使用性能的统一，技术指标与经济指标的统一。以经济指标作为优化条件，通过寿命周期费用分析方法，来选择技术可行（既满足力学要求又能满足使用性能要求），同时最经济合理的路面大中修养护方案（养护时机、养护措施）。

三、公路养护的发展过程

中国自古就有养护道路的优良传统。西周时期就设“司空”,负责按季节整平道路,并规定“列树以表道，立鄙食以守路”，“雨毕而除道，水涸而成梁”。此后,这些规定历代相传,逐渐在人民中树立起修桥补路是美德的传统观念。
高速公路养护管理工作的顺畅进行是保障高速公路可持续发展的必要条件。做好高速公路养护管理工作，提高高速公路的使用效率和服务水平，是高速公路管理部门和经营企业一项长期而艰巨的任务。
然而，目前我们在高速公路养护管理方面还存在许多问题，如养护管理政策不健全，养护管理体制不顺畅，重建轻养思想严重，缺少定额和规范，养护资金投入不够，养护工区规划与高速公路发展不够协调等问题已经突出出来，并将成为影响高速公路运营管理的障碍，影响高速公路养护水平的提高和养管机制的创新。
20世纪初，中国开始修建通行汽车的公路，那时多数省的公路部门只管修路不管养路，只有个别路线如湖南省长潭公路于1927年设立养路道班,进行经常性的养护。30年代,华东、华南各省陆续建立了养路组织，一些有关公路养护管理的规章制度陆续颁布。1939年公路管理部门开始征收公路养路费，作为公路养护的主要资金来源。40年代，西北、西南、中南等地区的主要公路统一建立了养护组织。但在华北平原地区和东北地区，仍采取农闲季节动用民工养路。50年代，各级人民政府交通部门普遍设立了公路养护管理机构，交通部公路总局制订了各项公路养护的规章制度和技术规范，改进了养路费征收办法。1955年国务院颁布了《关于改进民工建勤养护公路和修建地方道路的指示》。中国的公路养护不仅保证了公路的完好畅通，并将许多不合乎标准的公路和大车道逐步改建成符合一定技术等级的公路。
2010年12月28日．交通运输部部长李盛霖在全国交通工作会议上介绍：截至2010年底．我国高速公路通车里程已经达到了7-4万公里，仅次于美国，居世界第二位。在新建高速公路的快速增长的同时．原有的很多高速公路却出现了不同程度的病害与破损。而且这些病害、破损得不到及时、合理的路面养护，导致了部分高速公路路况急剧下降．对车辆行驶的舒适性、经济性和安全性产生了不小的影响。因此．近些年来高速公路路面养护管理及其相关问题受到了越来越多的关注。
随着国家高速公路网的建设，高速公路总里程的加长，公路养护的需求与日俱增，公路养护行业发展前景广阔。因此，国内优秀的公路养护运营企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究。正因为如此，一大批国内优秀的公路养护运营企业迅速崛起，逐渐成为公路养护行业中的翘楚！