引领生态道路建设发展新模式

文/同济大学 李辉 刘佳雯 谢宁

获奖等级：一等奖

项目名称：生态道路建设关键技术与综合效益评价

“生态道路建设关键技术与综合效益评价”项目研究，以同济大学为总体牵头单位，联合交通运输部公路科学研究院、河北交通投资集团有限公司、上海公路桥梁（集团）有限公司等10家单位协作攻关，荣获2021年中国公路学会科学技术奖一等奖。项目攻克了道路铺装复合生态功能材料、结构研发难题，形成了我国生态道路设计新理论和新方法，建立了智能施工及精细养护技术体系，提出了生态道路全生命周期环境-经济综合效益评价方法，引领了我国生态道路建设新模式，显著提升了行业的科技水平及国际竞争力。

构建系统新构架

生态文明建设作为国家重大战略被提至前所未有的高度，加强生态保护已成为中央政府持续推进的重点工作之一。随着城镇化快速发展及交通设施规模不断扩大，城市道路、公路、机场及港口道面、广场、停车场等各类道路铺装工程量大、面广，城市总铺装率超过20%以上。但传统的大规模密实沥青基铺装在满足交通功能的同时，带来持续、难消除的潜在生态负面影响，包括积水内涝与径流污染、路表高温（夏季达70摄氏度）与热岛效应、碳排放（占20%）与大气污染等。

传统道路工程多关注工程安全和耐久，而随着社会发展水平提高、人们对环境保护的要求日益提升，道路生态性得到了越来越多的关注。2019年，《交通强国建设纲要》中提出了“绿色发展节约集约、低碳环保”的发展要求。2021年，《国家综合立体交通网规划纲要》中进一步明确了高质量安全、智慧、绿色发展的交通运输发展任务。为加速道路发展转型升级，推动道路交通基础设施的绿色化和生态化，满足美丽中国和生态文明建设需求和“碳中和”愿景，实现道路与自然、生物及生态和谐共生，传统道路生态化转型升级势在必行。

←生态道路建设关键技术与综合效益评价项目研究架构

← 组图：研究技术路线

项目面向交通强国建设战略“绿色低碳”重点发展方向，通过交通、环境、材料等多学科交叉开展系统基础研究和技术应用攻关。针对当前大空隙生态道路材料与结构生态-力学双性能难协同、施工养护难度大及全生命周期综合效益评价体系缺失三大关键问题，技术成果从铺装材料、结构设计、智能建养、综合评价四方面入手，在理论、技术与方法上取得了突破与创新。

突破建养新技术

项目依托国家重点研发计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金、上海市政府间科技合作等项目，历经12年产、学、研、用联合，重点攻关具有高效透水、净水、降温、降噪等复合生态功能的大空隙多层透水铺装技术，取得了多项创新成果。

创新成果：建立基于空隙-力学-生态平衡的材料设计方法，实现大空隙生态道路材料力学强度与复合生态功能的协同提升

空隙特征是决定大空隙材料综合性能的关键，项目研究揭示了多尺度空隙特征对力学强度和生态功能的影响机制，提出了基于空隙-力学-生态平衡的大空隙材料设计方法。通过级配优化、界面改性、高性能胶结料，研发了高强耐久的大空隙水泥基和沥青基材料。透水水泥混凝土强度提升60%以上、透水沥青抗飞散性能提高两倍以上，可用于重载透水铺装。

在提高力学性能的同时，项目通过空隙特征的调整与优化，协同提升了大空隙材料透水、净水、降噪等生态功能。实现透水率高于3毫米每秒、磷氮净化率大于70%、降噪5分贝至8分贝。此外，在大空隙材料热阻-蒸发降温机制的基础上，研发了同色异谱的深色系红外反射降温材料，实现干湿状态全时降温功能，夏季路面高温降低5摄氏度至10摄氏度，有效解决了传统浅色降温材料易眩光、不耐污的问题。

创新成果：提出力学-生态平衡的双性能结构设计方法，突破生态道路交通承载力与生态功能平衡协同的技术瓶颈

←重载透水水泥混凝土铺装（河北曲港高速）

← 彩绘生态透水广场（雄安新区京德高速）

← 针对不同降雨条件和交通荷载的生态道路结构

大空隙碎石基层具有优良的透蓄水功能，但其重载稳定性差，项目提出了基于剪切应力与剪切强度比(Shear Stress-Strength Ratio，SSR)的力学分析模型，通过基层材料级配优化及土工格栅/土工室有效加固方法，控制基层顶面应力比SSR低于稳定极限值0.3，平衡协同了基层结构透蓄水能力与力学稳定性，并建立了透水沥青基和水泥基面层多孔结构空隙透水功能与变形/疲劳力学性能协同控制模型。为确定透水基层的蓄水功能厚度，建立了基于雨水渗-蓄-排模型的水文分析设计方法。有效控制路表径流75%以上。

综合力学和水文分析模型，提出了基于力学模型和渗流模型的结构平衡协同理论模型与分析方法，提出了针对不同降雨条件和交通荷载的多种生态透水铺装结构，由左至右依次为表层透水、半透水、全透水结构，实现了交通承载力耐久性与生态功能的平衡协同，为生态道路的重载应用提供了理论基础和技术支撑。

创新成果：研发了生态道路智能施工与精细养护技术，显著提升了生态道路的施工质量与效率，延长了生态功能寿命

基于物联网、北斗导航定位、无线通信、高精度智能感知等技术，研发了生态道路智能化施工管控系统，首次实现无人化智能施工，施工质量提高25%。项目形成了生态道路智能施工技术体系，包括智能拌和技术、摊铺技术与压实技术，实现了施工各阶段智能化流程的后台可视化管理，为减少人员参与、提高施工效率、增强施工管理水平提供了技术支撑，保障了施工过程质量实时监督和预警调整，提升了工程的质量水平和使用寿命。

针对透水功能衰变问题，提出了日常性养护、预防性养护和修复性养护的综合策略方案，联合上海亮土智能科技有限公司等单位自主研发了针对不同养护场景的多功能养护装备，可利用高速旋转的高压水射流对黏结堵塞的路面污垢进行冲刷剥离，也同时采用高真空负压形成的强劲抽吸力，对附着在地面的重金属、酸碱物料、危化品、污垢等抽吸回收到污水仓，进行集中分离处理，使道路处于呼吸状态，将透水寿命由3年至5年提升至10年以上。与国内外同类技术相比，显著提升了生态道路的施工质量，延长了功能寿命。

← 生态道路智能化施工

← 组图：生态道路多功能养护装备

← 生态道路养护效果对比

↑道路全生命周期综合分析软件系统

创新成果：研发全生命周期环境-经济综合效益评价系统，为生态道路的推广应用提供了科学决策依据

基于径流峰值与污染物浓度，项目建立了透水净水效益评价方法，量化了使用阶段生态道路对缓解道路积水、控制径流污染的环境效益。项目建立了光热环境评价方法，研发了自动化测试系统，量化了生态道路在使用阶段对眩光安全、人体热舒适度的生态效益。

基于以上环境效益分析，并融合经济成本，开发了全生命周期综合评价系统，实现了生态道路经济成本与环境效益综合评价，助力生态道路推广应用。

激活发展新动能

依托该项目，获得了众多成果，形成技术标准12项，国家标准2项，行业标准2项；授权公开专利45项，其中美国专利1项，发明专利21项，实用新型专利12项，软著11项；出版专著5部（英文1部）；发表论文77篇(SCI，IF：3.0以上26篇，最高IF：9.3)；率先举办生态道路系列会议5届。

中国科学技术交流中心对项目的综合绩效评价为“优秀”，中科院科技查新中心评价成果总体国际先进，在道路双性能协同设计、全时降温方法及多级径流净化技术居国际领先。中国工程院院士郑健龙等行业权威专家评价成果总体达到国际先进水平，双性能平衡设计方法达到国际领先水平。

近10年来，成果已成功应用于延崇高速、河北雄安新区对外骨干路网等国家重大工程，以及上海崇明世界级生态岛、临港国家海绵城市示范区等180余项工程。其中，上海中环快速路已经过10余年交通荷载检验，透水功能保持良好，并推广应用到江苏、河北、广东、河南、江西等21个省份95项工程，应用总面积达420万平方米。项目成果通过中美、中德国际合作科研项目及中国路桥海外工程项目，推广应用到美国加州、德国科隆、“一带一路”巴基斯坦绿色公路、非洲塞内加尔、科特迪瓦生态道路等国际生态道路工程。

项目面向我国生态文明建设、交通强国建设和“碳达峰、碳中和”重大需求，提出的生态道路建设关键技术可实现长时间保持透水、净水、降温、降噪的生态功能，并可广泛用于各类交通基础设施，包括高等级公路、城市道路、城市广场、停车场、桥面铺装、人行步道等。依托项目共新增产值31.92亿元，新增利润2.30亿元，新增税收1.85亿元，综合效益明显，推广应用前景广阔。

项目研究成果具有巨大的经济与社会效益。研究成果可有效实现75%以上的降雨就地消纳利用，减少排水管网等设施的排水压力及建设维护费用，明显提升雨天行车舒适度与安全性；采用的彩色防眩降温涂层可实现夏季降温5摄氏度以上，提升人体热舒适性，并兼具良好的抗滑与耐磨耗性能，有效减少年平均清扫、清洗及养护维修次数，产生系列间接经济效益。项目研发的赤泥基绿色生态道路材料与改性生物沥青材料可有效降低道路建设成本20%及以上；生态道路全生命周期综合效益评价结果显示，相比于传统硬化铺装，生态道路铺装能耗降低60%，温室气体排放减少50%，酸化气体排放减少40%，臭氧排放减少45%，环境效益显著。

← 成果国际推广应用

项目研究成果推动了行业与学科发展，在提升生态道路透水、净水、降温、降噪的基础上，保证且提升了生态道路的承载能力，以及生态道路全生命周期在经济、环境、生物等多方面的综合效益。在缓解积水内涝、改善水环境、提升道路交通安全、缓解区域热岛效应、降低交通噪音等方面取得了良好的生态环境效益，有效改善了道路基础设施的环境友好性，推动了道路建设的可持续性发展。项目为有效推进生态道路建设和升级换代提供了成果的实践经验和展示平台。

主要完成人简介

李辉

博士，国家海外高层次青年人才，同济大学交通运输工程学院长聘教授、博士生导师。博士毕业于美国加州大学戴维斯分校。美国加州注册土木工程师，美国交通与环境委员会委员，中国工程院期刊《工程（Engineering）》青年通讯专家，《国际交通科学与技术（IJTST）》期刊副主编。长期从事生态道路的教学及科研工作，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划等国家和省部级项目10余项。发表高水平论文58篇，编制技术标准4部，出版学术专著3部（英文专著1部）。授权专利12项（美国专利1项）。获中国公路学会科学技术奖一等奖(1/15)、首届上海交通工程学会科学技术奖特等奖(3/20)等。

赵文忠

博士，教授级高级工程师，研究生导师。现任河北交通投资集团有限公司副总经理。从业近30年来，长期从事可持续交通基础设施研究，主导应用了高速公路高掺量胶粉沥青路面、生态道路建设、预制梁板环形生产线、全装配置预制桥梁、钢混组合桥梁建造、BIM与GIS集成应用、装配式被动房、山区高速安全保障等多项科技创新技术研究。作为河北曲港高速公路开发有限公司董事长和筹建处主要负责人，主持建成了河北曲阳至黄骅港高速公路。共获省部级科技奖一等奖3项、二等奖9项、三等奖7项。

曹亚东

硕士，主要从事沥青及沥青混合料的研发、生产及施工工艺研究。担任上海道路技术中心路用材料组组长、上海大学兼职教授、上海市领军人才、上海市优秀学科带头人、全国建筑业科技进步与技术创新先进个人、交通运输行业优秀科技人员。负责省部级以上科研项目20余项，发表论文40余篇，获授权发明专利12项，主参编10余部国家、行业、地方标准，获国家级科技进步奖二等奖1项，获上海市科技进步奖7项。多次参与上海市重大工程建设项目。

主要完成单位简介

同济大学

同济大学是国家“双一流”建设高校。交通运输工程学院自1914年初创以来，在全国同类院校中具有突出实力，已成为中国交通运输领域人才培养与科学研究的重点基地之一。交通运输工程学科为同济大学的优势学科和优先发展学科，并先后被确定为国家一级重点学科、一流建设学科(第四轮学科评估)。拥有道路与交通工程教育部重点实验室、国家道路交通安全管理工程技术研究中心等领先科研平台。同济大学交通运输工程学院承担完成国家重大科技专项、国家科技支撑计划等国家级项目近300项。先后荣获国家科技进步奖和技术发明奖13项，省部级科技进步奖200多项，发表的高水平学术论文位列前茅。

河北交通投资集团有限公司

河北交通投资集团有限公司成立于2013年，是河北省政府出资的国有独资企业，主要负责高速公路的筹资、建设、养护、运营管理及相关多元化产业的投资经营业务。目前集团总资产为3260亿元，净资产为840亿元，管理高速公路运营里程3049公里，拥有全资、控股、参股企业120家，职工1.3万余人。集团先后承担京石改扩建项目、曲港高速、雄安新区对外骨干路网等16条段、1283公里，总投资1788亿元的高速公路建设任务，占全省同期高速公路建设投资的55%。目前已建成通车15条段、1117公里，累计完成建设投资1666亿元。“十四五”期间，集团将以“交通强国战略”为引领，服务“河北省经济社会发展战略”布局，全力实施“三六五”战略，打造成为国内具有行业影响力的综合交通投资运营集团。

上海公路桥梁（集团）有限公司

上海公路桥梁（集团）有限公司是隧道股份旗下的大型国有施工企业，具有市政公用工程总承包特级、市政行业设计甲级资质，另有公路、建筑工程、机电安装工程施工总承包一级，机场场道、公路路面、地基基础、桥梁工程专业承包一级等资质。先后承建和参建了上海市各大环线、延安路高架、沪宁、上海长江大桥、崇启通道、上海国际赛车场、上海世博园区、虹桥机场、广州白云国际机场及境外印度德里地铁二期工程、安哥拉罗安达体育场等重点工程项目。承建工程多次荣获国家优质工程金质奖和银质奖、中国土木工程詹天佑奖、中国建设工程鲁班奖、中国人居环境范例奖、全国绿色建筑创新奖等。