從全壽命周期角度看綠色公路

文/安徽省交通控股集團有限公司　黃學文

近年來，在江蘇寧宣、吉林鶴大、廣東廣佛肇高速公路等30多個典型示范工程的引領下，全國各地積極探索綠色公路建設方案和新技術，取得了突出成效。然而，運用全壽命周期理論系統指導綠色公路建設實踐時，仍存在項目規劃周期不足、設計耐久性不足、施工建造水平不高等問題。

為什么要從全壽命周期角度審視綠色公路發展

全壽命周期管理，是指通過先進技術手段和管理方法，統籌項目規劃、建設、運營和回收等全部環節，在確保規劃合理、工程優質、生產安全、運營可靠的前提下，以全壽命周期的整體最優為目標。

綠色公路建設理念與全壽命周期理論密切關聯，缺一不可的。綠色公路建設的內涵是統籌項目規劃、設計、建設、運營、養護、管理全過程的資源占用、能源耗費、環境影響等，而全過程控制也是全壽命周期管理。全壽命周期是衡量綠色公路的一把尺子，沒有全壽命周期最優，便不可能實現真正意義的綠色公路。當前，實施綠色公路建設期間，有些項目只能說建設期是綠色的，但在全壽命周期并不一定是綠色的。因此，運用全壽命周期視角，可以更科學、健康、持續地發展好綠色公路。

全壽命周期綠色公路發展的主要問題

一般公路項目全壽命周期階段，劃分為規劃研究、勘察設計、施工建設、運營養護、大修改建幾個階段，如果從全壽命周期各階段成本分析，可以看出規劃與設計階段是項目建造成本的決定性階段，通常達到90%左右，而這個階段實際花費占項目概算僅在3%至5%。因此，規劃與設計是項目的靈魂，這個階段是綠色公路建設的關鍵環節。與此相反，施工建設期只是按圖施工，對項目總成本影響相對較小，但卻是項目成本投入最大的階段，一般可達60%至90%。如果建設期投入不足，后期運維養護費用必然會高。下面結合各階段的現狀問題分析，輔以改進措施，以便為我國綠色公路健康發展提供參考。

項目規劃周期不足

公路工程在工可階段進行規劃決策研究時，因缺少全壽命周期的系統理論指導，論證技術標準前瞻性不足，技術標準的確定與項目預測壽命周期不匹配，造成實際壽命周期大幅縮短。這種項目初期建設投資雖較為節省，但不到項目壽命期就需要改擴建，分攤至實際壽命周期的投資，成本最終會很高。

以高速公路為例，我國高速公路建設起源于20世紀80年代中后期，但快速發展期是從本世紀初期開始，大多建成不足20年。截至目前，一批高速公路未到預測壽命期即處于飽和狀態，服務水平與效率大幅下降，通行車輛能源消耗陡然上升，不得不提前實施改擴建。例如，江蘇省的滬寧高速公路1996年11月正式通車，2003年5月決定擴建為八車道，2006年1月通車。新建與擴建相距不到10年。進一步分析我國近期實施的四改八擴建工程，使用壽命周期平均在15年左右，遠小于項目預測壽命周期的25年至30年。

實際縮短壽命周期既帶來部分資源的浪費，也增加了大量投資。這里以某高速公路改擴建為例計算全壽命周期成本，2002年建成時造價每公里2442萬元；2017年改擴建造價每公里8604萬元。按投資額折算現值計算，考慮折現率、正常維修及大修費用，則一次性建設八車道折算現值為每公里1.3億元，而按實際分期（15年）改建成八車道的現值約每公里1.4億元，分期改建的全壽命成本提高24%。

因此，從全壽命成本角度計算分析，項目全壽命周期過短顯然是很不經濟的。對于高速公路來說，預測20年內需要改擴建的項目，采用一次性建設是最經濟的方案，當然也是最綠色的方案。

2015年4月，貴州盤興高速公路被交通運輸部列為“創建綠色公路主題性示范項目”。

設計耐久性不足

現行公路勘察設計，偏重功能需求與投資比較，在滿足技術標準條件下，經濟指標被優先考慮，但對工程結構耐久性研究不多或者不全面，包括設計與施工、運營相關的全壽命周期設計體系、評價方法尚未形成。設計、建造與養護各階段互相脫節，也是導致工程病害時有發生，工程耐久性下降的主要因素。

以高速公路路面為例，我國超過92%的瀝青路面，平均壽命周期大概是7年至8年，比預估設計壽命低一半以上。美國有關統計數據顯示，絕大部分瀝青路面使用15年以上才需要表面維修，很多瀝青路面使用20年以上才出現明顯的損壞。

為什么會出現路面未到壽命就會損壞，以我國現行路面結構設計為例，基本上以半剛性基層瀝青路面為主要結構類型，這種結構耐久性不足體現在半剛性基層的非荷載型裂縫難以克服。行車荷載作用下，半剛性結構易出現結構疲勞開裂，形成反射裂縫。半剛性基層的剛度過大及材料性能不足，加速形成早期車轍和裂縫病害。可以說，傳統的半剛性基層和強基薄面結構，是當前路面耐久性不足的重要原因之一。

從全壽命周期成本來看，路面耐久性不足直接導致全壽命周期成本的明顯增加。根據目前常規路面建造成本推算，如果采用增加12厘米厚度的瀝青級配碎石基層作為耐久性結構路面，實現30年的壽命周期，將比一般性結構15年壽命周期節省43%，如果計算通行阻塞和交通事故損失，耐久性路面的經濟性更加突出。

再以橋梁建設為例，我國是世界第一橋梁大國，目前公路橋梁總數接近80萬座，大多是近40年內建設，但未到使用壽命便步入維修期的橋梁日漸增多，目前有超過10萬座橋梁為危橋。有些甚至十年、二十年就成了“橋倒倒”，橋梁工程結構的耐久性和安全性令人堪憂。

解決橋梁耐久性問題應首先從設計抓起。目前，公路橋梁設計普遍采用混凝土結構，造價較低、施工工藝成熟，但混凝土材料易出現徐變、裂縫、下撓等病害。特別是大跨預應力混凝土結構受設計、材料、施工因素等影響大，長期性能設計不足。如黃石長江大橋運營7年即下撓22厘米，裂縫擴展后不得不限制重載通行。

鋼結構和鋼混結構為世界橋梁界所推崇。美國的鋼結構橋梁占比為35%，發達國家鋼結構橋梁最高占比為85%。但我國公路鋼結構橋梁占比僅1%。鋼結構與鋼混結構橋梁應用少，傳統認為初期建造成本和后期養護成本高，但未計鋼材回收及混凝土耐久性養護成本，隨著耐候鋼材料的進步，鋼橋和鋼混橋的全壽命成本效益優勢將會凸顯。

近年來，交通運輸部提出大力推廣鋼結構和鋼混結構橋梁，正是落實綠色發展理念，提升公路橋梁建設品質的重要抓手，并且可以降低全壽命周期成本，有效促進公路建設的轉型升級。

廣佛肇高速公路沿線串聯了二廣高速、江肇高速、懷陽高速（在建）、清云高速（在建）等多條高速公路。

設計指標與資源能耗關系不清

通常設計技術指標的比選，主要考慮技術、經濟及社會環境方面的影響，缺少從全壽命周期的角度，深入比較資源占用和能源消耗的情況。

以橋梁與高路堤、隧道與深挖方比較為例，前者初期建設成本大，但后者增加土地資源占用，尤其是耕地減少，帶來土地的長期機會成本增加；同時對資源環境造成破壞，往往需要花巨資補償修復。那么，從全壽命周期來測算，高路堤和深挖方設計是否具有經濟性，又是否滿足綠色發展要求？

以路線平縱指標為例，車輛低速行駛的離心力與曲線半徑成反比，與車速平方成正比，曲線半徑小，內摩擦大，能耗則大；最大縱坡與最大坡長的汽車能耗呈顯著上升。相關研究表明，縱坡從6%下降至3%，小客車節油20%，貨車節油70%；大于3%的縱坡路段的事故率是緩坡路段的二三倍，而且能耗急劇增加，大氣污染也隨之變得嚴重。

設計者應統籌設計指標與資源，以及后期運營能耗之間的協調關系。技術指標與工程方案不能僅限于建造成本的比較，而要用科學方法計算資源成本、能耗成本、碳排放成本，甚至是事故成本，運用全壽命周期理論成本分析比較，才真正符合綠色公路技術指標設計原則。

施工建造水平不高

作業隊伍專業性不強。伴隨我國高速公路30年的快速發展，公路建造技術取得了長足的進步，但以農民工、小規模分包作業為特征的傳統建造模式卻未明顯改進。農民工作為公路建設的主力軍，缺乏系統的技能培訓，普遍存在專業技能低、安全意識差、人員流動性大的特點，導致分包隊伍建設基礎薄弱，從農民工到產業工人的轉型之路依然較長。

施工組織與工藝落后。傳統的現場分散施工工藝，臨時設施投入大、重復利用率低，鋼筋制作誤差較大，現澆混凝土運輸、振搗、養護工藝難以控制，工程質量通病多，與綠色公路發展理念的差距較大。當前，多地探索工業化的建造工藝，從施工企業來看，工業化改變了傳統的生產方式，實現了公路設計標準化、構件生產工廠化和組織管理科學化，大大減少施工現場的勞動力和工作量——體現轉型發展。

從工業化生產過程來看，構件的集成化、模塊化提升了結構的質量水平，構件的可視、可換，有利于提升工程品質，延長使用壽命。從工業化建造效果來看，避免臨時設施，降低資源消耗率，節約人工成本，減少環境影響。因此，工業化建造符合全壽命周期最優目標，將可持續、更耐久。

行業管理體制不協調。目前，政府大力推廣的PPP、EPC、BOT等多種建設管理模式，各從業單位關注度并不一致，缺少統一的思想認識與行動自覺。政府關注的是工程安全與質量形象的提升，業主關注的是項目投資效益，施工單位關注的是工程是否合格與經濟效益，監理單位關注的是工程安全和質量合格，而系統關注工程全壽命周期質量、環境及經濟和社會效益的并不多。另一方面，綠色公路建設制度尚不健全，包括評價制度、評價指標、考核體系、激勵機制等，從而影響參建各方建設全壽命周期綠色公路的動力。

盤興高速公路應用了生態環境脆弱地帶隧道安全環保進洞技術　

吉林鶴大高速公路應用了季凍區高速公路路基路面長期使用性能及生態敏感路段濕地路基修筑技術

預防性養護不及時

從全壽命周期來看，建設與養護是相互統一的。建設應該為養護提供方便，如可達、可檢、可換的養護條件。養護是鞏固建設成果，保證使用壽命周期的重要工作之一。長期以來，重建輕養的問題一直存在，形成被動養護的思維，結果小病害變成大病害，小錢不花花大錢。目前，普遍使用的養護手段是矯正性養護，僅對一些特定的病害定向處治，而對一些潛在的隱患不能及時發現，出現問題再養護往往錯過了最佳養護時機。

預防性養護是在公路路面、橋梁結構未造成明顯損害時排查隱患，并采取有效地處理措施。與傳統養護思路不同，更加具有一定的主動性。有關研究表明，一條驗收時達到優良標準的公路，達到使用年限的75%左右時，其路用性能下降40%，如果不及時防護，在隨后12%的使用壽命時間內，性能會持續下降40%，可見養護的及時性在全壽命周期中的價值十分重要。由此可見，預防性養護可延長使用壽命，降低全壽命周期成本，是運維階段綠色公路發展的重要措施。

基于全壽命周期問題分析可知，綠色公路建設是一項系統工程，需要從項目前期工作抓起，以規劃設計為起點，并貫穿建設、運營、管理全過程，統籌實現路基、路面、橋涵、隧道等多項工程的整體壽命最優。