浅谈铺面工程

11997/5/24淺談鋪面工程成大土木系教授郭振銘很多人搞不懂，路面有什麼好研究的?路面真的有那麼重要嗎?這類問題的答案其實是見仁見智，沒有絕對的對與不對。也許路面失敗的後果造成生命財產損失的比例的確遠比一般結構物來得低，但是想想我們出門來來往往如果脫離不了坑坑洞洞的道路，經歷了一段顛頗不平的道路之後，對我們心情與生活的影響有多大?再想想你我的生活周遭有多少路需要修補，而政府每年需要花費多少錢在新建道路與道路加鋪等工程上；還有，因為道路失修而造成的民怨、車輛損耗、經濟損失、時間延誤、甚至車禍意外，都是無法以金錢估計的。您應該會同意，道路工程的重要性確實並非無病呻吟。廣義來說，鋪面工程除了一般車輛通行的各級道路之外，還包括機場跑道、停機坪、滑行道，鐵路軌道等等。鋪面工程在先進國家的政府工程單位與學術界都佔有一席地位，除了如上述與生活與財政息息相關之外，這些公共建設工程之所以能吸引研究人員與經費支援，主要因為大多具備以下的特性，1.工程範圍遼闊，設計因素複雜。一條公路往往跨越數百公里的距離，經過各種地形，各種地質條件，不同的氣候特性。而且鋪面結構直接面對一年四季，甚至日夜不同的大氣與大地環境，許許多多複雜而且變動的因素使得鋪面的設計考慮與一般固定位置的結構物設計考量不相同。在設計精準度、環境變動與相異性、現場實務與工程經濟等方面，必須求得一個妥協平衡點。2.工程數量龐大。在施工困難度與精度的要求方面，鋪面工程雖然無法與許多重要結構物相提並論，但是誠如第一點所言，公路動輒數百公里，市區一般街道里程數更是驚人。從近年來國家重要建設編列預算的龐大與交通建設所佔的比例，就可看出道路建設對國家財政與經濟的影響。所以，儘管鋪面工程在一般人的觀念中是最簡易、最基本的工程，卻也是相當需要投入更多人才研究的領域。事實上，完整的鋪面工程研究體系範圍相當的廣泛，應用的技術與理論也相當多元化。大致上，我們可以以應用的領域不同，將鋪面工程的相關研究分成以下幾大類；1.路面結構分析鋪面並非僅只一般狹義認定的「表面薄薄的一層」！廣義的鋪面應該是包括表面層、面層下的各層底層、天然路基土壤等三大部分的特殊層狀結構系統。因為各層的材料強度不同、材料透水、傳熱、膨脹、彈性等等性質不同、厚度不同、層與層間界面的黏結與摩擦狀況不同、以及實際土壤與碎石等各種不連續粒狀材料的不同堆積或移動狀況、環境溫濕度的不同，使得這個層狀2結構系統的受力反應行為十分複雜。要掌握鋪面的特性，深入而且具有理論基礎的結構分析是絕對必要的。從Westergaard的無限版剛性路面解析解、柔性路面的多層彈性理論解，到二維有限元素分析，再到目前正在起步的三維有限元素分析，都是帶動鋪面工程進步的主要依據。在未來，如何更精確瞭解鋪面系統的行為與互制關係，如何突破現有的鋪面結構觀念，設計出更經濟耐用的鋪面結構，都仍有賴不斷的精進鋪面結構分析的研究。2.路面材料瀝青材料是眾所周知的鋪面材料，在國內已有多年的研究歷史，而本系主任蔡攀鰲教授所主持的瀝青材料實驗室更是公認台灣瀝青材料研究的領導權威與人才搖籃。為了日益嚴苛的交通需求與保護環境，如何突破傳統瀝青材料的先天限制，開發更耐用更穩定的改質瀝青與回收舊瀝青路面再製瀝青，都是實驗室中正在進行的重要課題。此外，常見的鋪面工程材料還包括應用於剛性鋪面的水泥混凝土，用於接縫的橡膠類填縫料，用於修補路面的樹脂類材料，用於鋪設底層的級配料與穩定處理材料，用於鋪面結構加勁的地工織物等等。都是需要研究材料專家參與的項目。3.路面檢測與評分對於既有鋪面，經常性的檢測猶如人體的定期健康檢查，不但能追蹤鋪面使用與受損情況，也是建立整個區域鋪面資料庫的必要基礎。因此，各項非破壞性檢測技術也都有應用在鋪面工程的例子。例如FWD、RoadRater，都是以重擊鋪面再量取鋪面變位量的方式，反算鋪面的結構強度、各層厚度或路基強度。超音波及雷達的技術則應用於檢測面層下方出現淘空或裂縫的位置，以利修補或進行預防性加強措施。除了上述的結構性檢測之外，管理鋪面的單位往往更重視「感官性」的檢測成果，這包括肉眼可見的表面瑕疵及車輛行駛時的平穩舒適感。透過影像處理，自動判別鋪面裂紋數量及修補面積，已經被引進應用。而如何將舒適感客觀的量化，及如何建立更合理的舒適感與結構檢測間的關係，對一般工程學者都是極富挑戰性的任務。4.鋪面管理正因為鋪面的數量龐大，品質的好壞與民生經濟關係十分密切，偏偏政府養護鋪面的預算有限。所以如何將此有限的資源，有效而且及時的分配運用，應該依賴一套科學化的管理系統。這套管理系統的中樞是一個完整又有時效性的鋪面現況資料庫。目的在定期迅速收集所有鋪面的各項相關資料，透過資料庫管理，有效掌握鋪面現況。除了可以排定各路段維修的順序之外，配合上鋪面破壞預測模式，更可以預估未來的維修需求，以為編列預算的參考。5.設計規範之檢討修訂3不論是鋪面結構分析、鋪面材料試驗、或是鋪面檢測結果，最終還是要落實到鋪面的設計上。在眾多的鋪面設計規範中，往往有規範不夠明確或適用時機合不合適的問題出現。所以在鋪面工程相關的研究中也經常必須面對追究鋪面設計規範訂定的背景，研究補充其中不足或不明確的部分。而目前更經常被提起的是所謂的「本土化」的問題。希望在不變動國外知名設計方法的架構下，將受到地域因素影響的參數部分代換成適合台灣本土特性的參數。另外，鋪面工程學者在獲得研究成果之後，往往忽略了後續的工作，那就是如何將研究發現轉換成有系統的成果，以容易應用的方式表達出來。這是將學術研究與工程設計實務連接的重要步驟。6.自動化應用包括鋪面管理系統，地理資訊系統在鋪面資料庫的應用，鋪面破壞診斷與維修策略專家系統等等。儘管鋪面工程的研究涵蓋了從數學解析、道路試驗、電腦科技、到人性因素的各個領域，不過一般用路人常接觸到的鋪面議題之一就是鋪面的種類。到底什麼是剛性鋪面?什麼是柔性鋪面?哪一種鋪面比較好?這一類問題偶爾會被提及，可惜往往都沒有正確完整的資訊給一般民眾正確的認識。實際上，剛性與柔性是相互對比產生的名詞。因為柔性舖面的舖築材料－瀝青之強度相對於混凝土之強度軟弱甚多而得名。柔性鋪面的下面到自然路基土壤之間通常仍然需要二至三層，甚至更多層的碎石級配料或穩定處理底層來分散來自車輛輪胎的集中壓力。由於瀝青路面的施工技術比較容易，鋪面平整度較容易獲得，而且瀝青也比水泥混凝土便宜，因此國內長久以來都習慣以柔性路面為主。然而因為材料本身強度限制與遇熱軟化的性質，加上超載嚴重，台灣地區的路面變形破壞的比例相當高，需要整修的頻率也偏高。國人對另一種鋪面類型-剛性鋪面的印象大概主要來自於中山高速公路各收費站附近之混凝土路面。當時一方面是考慮收費站附近的車速低、車輛加速減速頻繁，對鋪面都是較重的負擔，因此需要強度高的路面；另一方面也是試辦的性質，希望能引進剛性路面的優點。遺憾的是，可能是經驗不足設計不當、或是施工問題，絕大部分的剛性路面段都出現嚴重的裂縫、陷落、破碎等現象，使得車行其上顛頗嚴重，舒適度與行駛於瀝青路面段形成強烈對比，而引起對該路面的批評與強烈質疑，混凝土路面之推廣因此而延滯，剛性舖面的優點也長期受到忽略。有鑑於中山高速公路之柔性路面損壞及維修頻繁，對交通之衝擊甚大，國道新建工程局乃再度鼓足勇氣，積極推動剛性路面技術之引進與本土化，並於北二高的大溪龍潭段試舖9.25公里的六線道主線。通車至今，鋪面結構的表現良好，可惜鋪面的平整度仍因為在山坡地區控制水泥混凝土平坦度的經驗不足，而未能達到預期水準，顛頗的現象仍讓用路人心生排拒。從國內的剛性路面經驗印證了剛性鋪面對設計與施工技術的要求與難度都4比較高，成本也比較高一些。但是因為水泥混凝土的強度甚高，剛性路面的結構也就比較單純，結構強度與承載能力都遠比柔性鋪面來得高，維修的頻率也相當低。因此大部分機場鋪面都採用剛性鋪面以應付飛機的重壓，在因應台灣地區超載的問題上，剛性路面也是可行的治標方案。對於前不久曾因為台北市政府研究在忠孝東路與羅斯福路捷運工程完工後改鋪剛性路面，而引發對剛性鋪面的不正確批評，包括歐美都已經放棄剛性路面，不再興建剛性路面；又說修補破損的剛性鋪面已經成為歐美國家的財政負擔等等。這些都不是事實，實際的情況是歐美國家的剛性路面平整舒適度絕不亞於瀝青路面，各國政府與學者都仍致力於兩種鋪面的研究。又近年來，國內航空運輸方興未艾，機場跑道、滑行道、停機坪亟需整建、擴建、或新建，剛性鋪面的發展與潛力是無庸置疑的。但是，誠如前面所說，台灣技術的不成熟，正確觀念不普及、民眾的排斥心理、市區道路面臨管線挖掘的需求，在在都是貿然採用剛性路面之前必須審慎評估的課題。工程技術的發展有如一門藝術，它可以千變萬化，也可以有不同觀點的考量；它可以只滿足一個需求，也可以追求盡善盡美，同時具備多元的功能。所以不論是剛性、柔性、或是正在發展的複合鋪面；不論鋪路是多麼古老又簡單的工程；不論是結構分析、材料研發、評估管理、或是應用新科技，這個離不開你我每天生活的東西—道路，還有許許多多值得研究進步之處，也需要各個不同領域知識的投入。在分工越來越細的趨勢下，凡事講求專業，如何使鋪面工程跳脫以往不受重視的角色，跳脫只是工程偷工減料的對象，跳脫政治人物在選前拿來討好選民的工具，使國內的鋪面工程放大眼光與格局，成為一個實用、廣用的研究領域，應該是公路機場主管機關、學者、業界、與各位土木工程的新生力軍所要共同參與的。