基于多维度空间综合检测技术的高速公路路面养护方案研究

孙健、孔维臻

（广东华美加工程顾问有限公司，广东广州 510000）

1 工程概况

广州至河源高速公路惠州段，起点桩号K69+667.472，终点桩号K144+245，路线全长75.34km，至2023 年通车已有11 年，其路面结构为倒装式柔性基层结构。全线采用双向六车道沥青混凝土路面，路基宽度34.5m，设计行车速度为120km/h。路面结构设计采用倒装式柔性基层沥青路面结构，桥梁设计车辆荷载：公路-I 级。于2012 年1 月10 日建成通车。

2 路面使用状况分析

2.1 路面结构强度分析

2021 年7 月，广东华美加工程顾问有限公司对广河高速惠州段广州方向K106+500—K107+500 和河源方向K126+550—K128+050（运营期桩号K128+644—K130+144）段路面进行路面常规检测，路面弯沉检测采用落锤式弯沉仪。

采用落锤式弯沉仪对广州方向K106+500—K107+500 段第一、二、三车道进行检测，河源方向K126+550—K128+050（运营期桩号K128+644—K130+144）段第一、二、三车道的路面弯沉值进行检测，检测结果见表1 所列。

表1 路面弯沉及结构强度指数PSSI 评价结果汇总

由表1 可知，检测路段存在以下问题：

一是河源方向检测路段第三车道弯沉值整体上大于广州方向第三车道的弯沉值，说明河源方向第三车道检测路段的路面强度更弱，路面更易发生损坏。二是广州方向K106+500—K107+500 路段的弯沉代表值为28.20（0.01mm），广州方向K126+550—K18+050（运营期桩号K128+644—K130+144）路段的弯沉代表值为29.54（0.01mm），接近路面设计弯沉值，道路储备强度不足。三是河源方向K126+550—K128+050（运营期桩号K128+644—K130+144）路段的弯沉代表值为31.50（0.01mm），弯沉较大，超出路面设计弯沉值，路面结构强度明显不足。

2.2 路面损坏状况

路面状况采用多功能道路检测车检测，利用视觉传感器，对路面病害进行扫描。路面病害主要是纵向裂缝及横向裂缝，另外有少量龟裂、坑槽和松散，路面损坏典型照片如图1、图2 所示。

图1 裂缝、龟裂

图2 松散、龟裂坑槽

经检测和调查，按公里划分的各区间段病害数量进行统计和等级评定，路面病害形式主要有：裂缝、龟裂、松散、坑槽，虽然病害种类多样，但路面PCI 评价大部分在92 以上，评价等级为优，没有评价为良及其以下路段。

2.3 探地雷达检测分析

3D 探地雷达（Ground Penertrating Radar—GPR）工程探测属于一种高频微电子及计算机综合应用的前沿技术，特别是近代计算机的高速发展，使得该项技术广泛应用于工程探测。可以将路面深层存在的脱空、松散、裂缝类型直观地反映出来，对弯沉较大疑似脱空的位置进行复核、验证。

在对检测数据进行分析后，发现右幅第三车道弯沉值总体偏大，存在疑似脱空及松散的情况，具体路段弯沉值如图3 所示。

图3 河源方向K127+246—K127+478 第三车弯沉值

由图3 可知，该路段已有多处位置弯沉超过30（0.01mm）的设计值。利用3D 探地雷达对该路段进行扫描，发现河源方向K127+246—K127+478 第三车道基层存在沉降、脱空及松散的情况，较为典型位置如图4、图5 所示。

图4 河源方向K127+246—K127+478 第三车道雷达影像截图

图5 河源方向K127+560—K127+562 第三车道雷达影像截图

由图4 可知，在黑色加粗方框（原图是红色方框）范围内，路面10～50cm 之间，出现不规则波浪形曲线，究其原因是基层的不均匀沉降，引起路面脱空。3D 雷达的扫描结果基本与弯沉值呈现出对应关系。

由5 可知，河源方向K127+560—K127+562 第三车上面层总体状况良好，但在路表下50cm 处，黑色竖向加粗方框（原图是红色框）存在内部脱空情况，同时也印证了弯沉的检测结果，找到该路段弯沉较大的真实原因，为下一步病害处治手段选择提供重要参考。

综合利用落锤式弯沉仪及3D 探地雷达，对广州方向K106+500—K107+500 段第一、二、三车道，河源方向K126+550—K128+050（运营期桩号K128+644—K130+144）段第一、二、三车道的路面进行3D 雷达扫描，并结合弯沉检测结果，发现路面病害呈现如下特点：

其一，河源方向的K126+550—K128+050 路段弯沉和内部病害都远大于广州方向K106+500—K107+500 路段，且均为第三车道病害较为突出。因其长期受车辆重载的作用，弯沉也较大。

其二，基层出现前后基层沉降及脱空和局部松散的路段，落锤式弯沉仪检测出的弯沉较大，基层的结构承载能力不足，以河源方向桩号为K127+264—K127+478 的第三车道较为明显，路面基层内部脱空和沉降较为严重[1]。

其三，面层裂缝及面层修补的路段，检测出的弯沉值较小，可以发现内部病害的出现对路面弯沉造成不利影响[2]。

综上所述，广州方向K106+500—K107+500 与河源方向K126+550—K128+050 路段面层整体使用性能良好，基层存在一些内部的沉降及脱空病害，结构承载能力降低[3]。对于弯沉较大且基层强度明显不足或病害较为严重的路段，应采取一定的养护措施及时处治，提升路面的行驶质量。如果不及时处治将进一步加重路面的变形和车辙问题，影响行车舒适性和安全性。

2.4 有限元分析

结合弯沉反算的应力应变，利用有限元对标准荷载作用下的沥青路面进行分析，图6 为荷载中心位置下竖向压应变随深度的变化曲线，表2 为其各个层位对应的竖向压应变大小。

图6 荷载中心位置下竖向压应变随深度的变化曲线

表2 倒装式柔性基层沥青路面不同深度处压应变大小

由表2 及图6 可知：

一是竖向压应变在上面层内先增加到最大值而后逐渐减小，在水泥稳定碎石底基层时压应变有所增大。二是不同的颜色区域代表压应变值的大小，压应变随着深度的增加而减小，倒装式柔性基层沥青路面的应变分布较为均匀。三是倒装式柔性基层沥青路面的上、中、下面层压应变在荷载作用范围内随着与轮隙中心距离的缩减，先减小后增大，在荷载作用中心附近达到最大。四是上、下、底基层压应变在荷载作用范围内随着与轮隙中心距离的缩减逐渐减小，在轮隙中心附近达到最大。土基顶面最大竖向压应变为122.873με，压应变较大原因在于倒装式柔性基层结构在荷载作用下承载能力较低，容易发生协同变形，产生车辙损害[4]。

2.5 路面使用状况综合分析

针对广河高速惠州段广州方向K106+500—K107+500 和河源方向K126+550—K128+050 路段路面进行常规检测、专项检测及有限元分析，由检测结果分析可知：

一是检测路段路面的功能性指标良好，如路面破损、车辙及平整度；而路面的结构承载能力出现不足。河源方向路段的代表弯沉过大，已不满足设计技术要求[5]；广州方向路段的代表弯沉虽满足设计要求，但已接近设计临界值，且目前距道路设计年限仍有较长时间。从剩余寿命角度考虑，也应对其进行预防性养护，延长其使用寿命。二是3D 雷达检测表明河源方向有内部病害的路段较多，占检测里程的23.6%，广州方向路段良好，占检测里程的4.5%。病害类型主要为面层的裂缝、坑槽及修补问题和基层的沉降、脱空、局部松散问题。三是雷达检测结果与弯沉对比发现对于路面内部脱空和基层沉降等内部病害较为严重的路段，结构承载能力降低，弯沉较大。整体来说此次检测路段的路面基层脱空病害较少。

3 路面综合处治方案确定

广州方向K106+500—K107+500 弯沉代表值为28.2（0.01mm），广州方向K126+550—K128+050 弯沉代表值为 29.54（0.01mm），与设计弯沉值 30（0.01mm）相近，结构强度处于临界状态。为了提高路面结构强度和使用寿命，考虑在路面结构验算的基础上，采用直接加铺罩面方案。

河源方向采用直接加铺罩面方案。河源方向K126+550—K128+050 弯沉代表值为 31.50（0.01mm），超出路面设计弯沉值30（0.01mm），且部分路段存在内部脱空，结构承载能力明显不足，提出采用加铺结构补强层的处治方案。

除采用结构补强层的养护方法外，针对3D 雷达探测出的结构强度不足的位置，重点对河源方向建议采用注浆补强与加铺罩面相结合的综合处治方法，对级配碎石层到路基均进行注浆补强，提高路面结构整体承载能力。注浆补强主要集中在级配碎石层及水稳层。由于注浆补强后提高了基层刚度，理论上更易产生反射裂缝。

加铺厚度的确定：

结合路面弯沉实测值，对原路面结构层材料模量进行试算，使得路面结构的实测弯沉代表值与计算弯沉值相接近，表明此时试算的结构层材料模量与实际结构层材料的模量相接近。此次路面结构层材料模量试算仅考虑沥青碎石上基层及以上面层材料模量的衰变，采用HPDS 对基层模量进行试算，如表3所示。

表3 各结构层实测弯沉值下对应的模量

结合各结构层实测弯沉值下对应的模量，利用HPDS 对加铺结构层厚度进行初步设计，不同弯沉代表值下所需加铺厚度如表4 所示。

表4 不同弯沉值代表值下所需加铺厚度

由表4 可知：

其一，采用直接加铺罩面方案时，当原路面检测弯沉值代表值在33（0.01mm）～40（0.01mm）时，路面直接加铺层厚度至少需要4.2～10.2cm。

其二，采用直接加铺罩面方案主要针对弯沉较小的路段，结构整体无明显变化。广州方向路面实测代表弯沉值为28.2（0.01mm）时，经验算加铺层厚度为1cm，满足设计要求。

其三，河源方向路面实测代表值为34.5（0.01mm），直接加铺厚度最少需6cm。对级配碎石到路基注浆补强的位置，经验算后需再加铺1cm。

综上所述，提高路面结构强度和使用寿命，采用直接加铺罩面方案，经过结构设计验算和技术经济比较，最终确定加铺层的厚度为6cm，并对级配碎石到路基注浆补强。

4 结语

高速公路养护方案的选择，是一项复杂的系统工程。综合利用荷载传感器、视觉传感器、3D 雷达探测器，同时应用有限元进行仿真，从多维空间对路面现有病害进行检测，针对性地对现有病害进行处治，不仅节省工程造价，更能保障处治措施的有效性。