从全寿命周期角度看绿色公路

文/安徽省交通控股集团有限公司　黄学文

近年来，在江苏宁宣、吉林鹤大、广东广佛肇高速公路等30多个典型示范工程的引领下，全国各地积极探索绿色公路建设方案和新技术，取得了突出成效。然而，运用全寿命周期理论系统指导绿色公路建设实践时，仍存在项目规划周期不足、设计耐久性不足、施工建造水平不高等问题。

为什么要从全寿命周期角度审视绿色公路发展

全寿命周期管理，是指通过先进技术手段和管理方法，统筹项目规划、建设、运营和回收等全部环节，在确保规划合理、工程优质、生产安全、运营可靠的前提下，以全寿命周期的整体最优为目标。

绿色公路建设理念与全寿命周期理论密切关联，缺一不可的。绿色公路建设的内涵是统筹项目规划、设计、建设、运营、养护、管理全过程的资源占用、能源耗费、环境影响等，而全过程控制也是全寿命周期管理。全寿命周期是衡量绿色公路的一把尺子，没有全寿命周期最优，便不可能实现真正意义的绿色公路。当前，实施绿色公路建设期间，有些项目只能说建设期是绿色的，但在全寿命周期并不一定是绿色的。因此，运用全寿命周期视角，可以更科学、健康、持续地发展好绿色公路。

全寿命周期绿色公路发展的主要问题

一般公路项目全寿命周期阶段，划分为规划研究、勘察设计、施工建设、运营养护、大修改建几个阶段，如果从全寿命周期各阶段成本分析，可以看出规划与设计阶段是项目建造成本的决定性阶段，通常达到90%左右，而这个阶段实际花费占项目概算仅在3%至5%。因此，规划与设计是项目的灵魂，这个阶段是绿色公路建设的关键环节。与此相反，施工建设期只是按图施工，对项目总成本影响相对较小，但却是项目成本投入最大的阶段，一般可达60%至90%。如果建设期投入不足，后期运维养护费用必然会高。下面结合各阶段的现状问题分析，辅以改进措施，以便为我国绿色公路健康发展提供参考。

项目规划周期不足

公路工程在工可阶段进行规划决策研究时，因缺少全寿命周期的系统理论指导，论证技术标准前瞻性不足，技术标准的确定与项目预测寿命周期不匹配，造成实际寿命周期大幅缩短。这种项目初期建设投资虽较为节省，但不到项目寿命期就需要改扩建，分摊至实际寿命周期的投资，成本最终会很高。

以高速公路为例，我国高速公路建设起源于20世纪80年代中后期，但快速发展期是从本世纪初期开始，大多建成不足20年。截至目前，一批高速公路未到预测寿命期即处于饱和状态，服务水平与效率大幅下降，通行车辆能源消耗陡然上升，不得不提前实施改扩建。例如，江苏省的沪宁高速公路1996年11月正式通车，2003年5月决定扩建为八车道，2006年1月通车。新建与扩建相距不到10年。进一步分析我国近期实施的四改八扩建工程，使用寿命周期平均在15年左右，远小于项目预测寿命周期的25年至30年。

实际缩短寿命周期既带来部分资源的浪费，也增加了大量投资。这里以某高速公路改扩建为例计算全寿命周期成本，2002年建成时造价每公里2442万元；2017年改扩建造价每公里8604万元。按投资额折算现值计算，考虑折现率、正常维修及大修费用，则一次性建设八车道折算现值为每公里1.3亿元，而按实际分期（15年）改建成八车道的现值约每公里1.4亿元，分期改建的全寿命成本提高24%。

因此，从全寿命成本角度计算分析，项目全寿命周期过短显然是很不经济的。对于高速公路来说，预测20年内需要改扩建的项目，采用一次性建设是最经济的方案，当然也是最绿色的方案。

2015年4月，贵州盘兴高速公路被交通运输部列为“创建绿色公路主题性示范项目”。

设计耐久性不足

现行公路勘察设计，偏重功能需求与投资比较，在满足技术标准条件下，经济指标被优先考虑，但对工程结构耐久性研究不多或者不全面，包括设计与施工、运营相关的全寿命周期设计体系、评价方法尚未形成。设计、建造与养护各阶段互相脱节，也是导致工程病害时有发生，工程耐久性下降的主要因素。

以高速公路路面为例，我国超过92%的沥青路面，平均寿命周期大概是7年至8年，比预估设计寿命低一半以上。美国有关统计数据显示，绝大部分沥青路面使用15年以上才需要表面维修，很多沥青路面使用20年以上才出现明显的损坏。

为什么会出现路面未到寿命就会损坏，以我国现行路面结构设计为例，基本上以半刚性基层沥青路面为主要结构类型，这种结构耐久性不足体现在半刚性基层的非荷载型裂缝难以克服。行车荷载作用下，半刚性结构易出现结构疲劳开裂，形成反射裂缝。半刚性基层的刚度过大及材料性能不足，加速形成早期车辙和裂缝病害。可以说，传统的半刚性基层和强基薄面结构，是当前路面耐久性不足的重要原因之一。

从全寿命周期成本来看，路面耐久性不足直接导致全寿命周期成本的明显增加。根据目前常规路面建造成本推算，如果采用增加12厘米厚度的沥青级配碎石基层作为耐久性结构路面，实现30年的寿命周期，将比一般性结构15年寿命周期节省43%，如果计算通行阻塞和交通事故损失，耐久性路面的经济性更加突出。

再以桥梁建设为例，我国是世界第一桥梁大国，目前公路桥梁总数接近80万座，大多是近40年内建设，但未到使用寿命便步入维修期的桥梁日渐增多，目前有超过10万座桥梁为危桥。有些甚至十年、二十年就成了“桥倒倒”，桥梁工程结构的耐久性和安全性令人堪忧。

解决桥梁耐久性问题应首先从设计抓起。目前，公路桥梁设计普遍采用混凝土结构，造价较低、施工工艺成熟，但混凝土材料易出现徐变、裂缝、下挠等病害。特别是大跨预应力混凝土结构受设计、材料、施工因素等影响大，长期性能设计不足。如黄石长江大桥运营7年即下挠22厘米，裂缝扩展后不得不限制重载通行。

钢结构和钢混结构为世界桥梁界所推崇。美国的钢结构桥梁占比为35%，发达国家钢结构桥梁最高占比为85%。但我国公路钢结构桥梁占比仅1%。钢结构与钢混结构桥梁应用少，传统认为初期建造成本和后期养护成本高，但未计钢材回收及混凝土耐久性养护成本，随着耐候钢材料的进步，钢桥和钢混桥的全寿命成本效益优势将会凸显。

近年来，交通运输部提出大力推广钢结构和钢混结构桥梁，正是落实绿色发展理念，提升公路桥梁建设品质的重要抓手，并且可以降低全寿命周期成本，有效促进公路建设的转型升级。

广佛肇高速公路沿线串联了二广高速、江肇高速、怀阳高速（在建）、清云高速（在建）等多条高速公路。

设计指标与资源能耗关系不清

通常设计技术指标的比选，主要考虑技术、经济及社会环境方面的影响，缺少从全寿命周期的角度，深入比较资源占用和能源消耗的情况。

以桥梁与高路堤、隧道与深挖方比较为例，前者初期建设成本大，但后者增加土地资源占用，尤其是耕地减少，带来土地的长期机会成本增加；同时对资源环境造成破坏，往往需要花巨资补偿修复。那么，从全寿命周期来测算，高路堤和深挖方设计是否具有经济性，又是否满足绿色发展要求？

以路线平纵指标为例，车辆低速行驶的离心力与曲线半径成反比，与车速平方成正比，曲线半径小，内摩擦大，能耗则大；最大纵坡与最大坡长的汽车能耗呈显著上升。相关研究表明，纵坡从6%下降至3%，小客车节油20%，货车节油70%；大于3%的纵坡路段的事故率是缓坡路段的二三倍，而且能耗急剧增加，大气污染也随之变得严重。

设计者应统筹设计指标与资源，以及后期运营能耗之间的协调关系。技术指标与工程方案不能仅限于建造成本的比较，而要用科学方法计算资源成本、能耗成本、碳排放成本，甚至是事故成本，运用全寿命周期理论成本分析比较，才真正符合绿色公路技术指标设计原则。

施工建造水平不高

作业队伍专业性不强。伴随我国高速公路30年的快速发展，公路建造技术取得了长足的进步，但以农民工、小规模分包作业为特征的传统建造模式却未明显改进。农民工作为公路建设的主力军，缺乏系统的技能培训，普遍存在专业技能低、安全意识差、人员流动性大的特点，导致分包队伍建设基础薄弱，从农民工到产业工人的转型之路依然较长。

施工组织与工艺落后。传统的现场分散施工工艺，临时设施投入大、重复利用率低，钢筋制作误差较大，现浇混凝土运输、振捣、养护工艺难以控制，工程质量通病多，与绿色公路发展理念的差距较大。当前，多地探索工业化的建造工艺，从施工企业来看，工业化改变了传统的生产方式，实现了公路设计标准化、构件生产工厂化和组织管理科学化，大大减少施工现场的劳动力和工作量——体现转型发展。

从工业化生产过程来看，构件的集成化、模块化提升了结构的质量水平，构件的可视、可换，有利于提升工程品质，延长使用寿命。从工业化建造效果来看，避免临时设施，降低资源消耗率，节约人工成本，减少环境影响。因此，工业化建造符合全寿命周期最优目标，将可持续、更耐久。

行业管理体制不协调。目前，政府大力推广的PPP、EPC、BOT等多种建设管理模式，各从业单位关注度并不一致，缺少统一的思想认识与行动自觉。政府关注的是工程安全与质量形象的提升，业主关注的是项目投资效益，施工单位关注的是工程是否合格与经济效益，监理单位关注的是工程安全和质量合格，而系统关注工程全寿命周期质量、环境及经济和社会效益的并不多。另一方面，绿色公路建设制度尚不健全，包括评价制度、评价指标、考核体系、激励机制等，从而影响参建各方建设全寿命周期绿色公路的动力。

盘兴高速公路应用了生态环境脆弱地带隧道安全环保进洞技术　

吉林鹤大高速公路应用了季冻区高速公路路基路面长期使用性能及生态敏感路段湿地路基修筑技术

预防性养护不及时

从全寿命周期来看，建设与养护是相互统一的。建设应该为养护提供方便，如可达、可检、可换的养护条件。养护是巩固建设成果，保证使用寿命周期的重要工作之一。长期以来，重建轻养的问题一直存在，形成被动养护的思维，结果小病害变成大病害，小钱不花花大钱。目前，普遍使用的养护手段是矫正性养护，仅对一些特定的病害定向处治，而对一些潜在的隐患不能及时发现，出现问题再养护往往错过了最佳养护时机。

预防性养护是在公路路面、桥梁结构未造成明显损害时排查隐患，并采取有效地处理措施。与传统养护思路不同，更加具有一定的主动性。有关研究表明，一条验收时达到优良标准的公路，达到使用年限的75%左右时，其路用性能下降40%，如果不及时防护，在随后12%的使用寿命时间内，性能会持续下降40%，可见养护的及时性在全寿命周期中的价值十分重要。由此可见，预防性养护可延长使用寿命，降低全寿命周期成本，是运维阶段绿色公路发展的重要措施。

基于全寿命周期问题分析可知，绿色公路建设是一项系统工程，需要从项目前期工作抓起，以规划设计为起点，并贯穿建设、运营、管理全过程，统筹实现路基、路面、桥涵、隧道等多项工程的整体寿命最优。