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(lǐng)下，全國各地積極探索綠色公路建設(shè)方案和新技術(shù)，取得了突出成效。然而，運用全壽命周期理論系統(tǒng)指導綠色公路建設(shè)實踐時，仍存在項目規(guī)劃周期不足、設(shè)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(fā)展

全壽命周期管理，是指通過先進技術(shù)手段和管理方法，統(tǒng)籌項目規(guī)劃、建設(shè)、運營和回收等全部環(huán)節(jié)，在確保規(guī)劃合理、工程優(yōu)質(zhì)、生產(chǎn)安全、運營可靠的前提下，以全壽命周期的整體最優(yōu)為目標。

綠色公路建設(shè)理念與全壽命周期理論密切關(guān)聯(lián)，缺一不可的。綠色公路建設(shè)的內(nèi)涵是統(tǒng)籌項目規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運營、養(yǎng)護、管理全過程的資源占用、能源耗費、環(huán)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(yōu)，便不可能實現(xiàn)真正意義的綠色公路。當前，實施綠色公路建設(shè)期間，有些項目只能說建設(shè)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(xù)地發(fā)展好綠色公路。

全壽命周期綠色公路發(fā)展的主要問題

一般公路項目全壽命周期階段，劃分為規(guī)劃研究、勘察設(shè)計、施工建設(shè)、運營養(yǎng)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(guī)劃與設(shè)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(guī)劃與設(shè)計是項目的靈魂，這個階段是綠色公路建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。與此相反，施工建設(shè)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(shè)期投入不足，后期運維養(yǎng)護費用必然會高。下面結(jié)合各階段的現(xiàn)狀問題分析，輔以改進措施，以便為我國綠色公路健康發(fā)展提供參考。

項目規(guī)劃周期不足

公路工程在工可階段進行規(guī)劃決策研究時，因缺少全壽命周期的系統(tǒng)理論指導，論證技術(shù)標準前瞻性不足，技術(shù)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(shè)投資雖較為節(jié)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(shè)起源于20世紀80年代中后期，但快速發(fā)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(tài)，服務(wù)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(xiàn)值計算，考慮折現(xiàn)率、正常維修及大修費用，則一次性建設(shè)八車道折算現(xiàn)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(xiàn)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(jīng)濟的。對于高速公路來說，預測20年內(nèi)需要改擴建的項目，采用一次性建設(shè)是最經(jīng)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(chuàng)建綠色公路主題性示范項目”。

設(shè)計耐久性不足

現(xiàn)行公路勘察設(shè)計，偏重功能需求與投資比較，在滿足技術(shù)標準條件下，經(jīng)濟指標被優(yōu)先考慮，但對工程結(jié)構(gòu)耐久性研究不多或者不全面，包括設(shè)計與施工、運營相關(guān)的全壽命周期設(shè)計體系、評價方法尚未形成。設(shè)計、建造與養(yǎng)護各階段互相脫節(jié)，也是導致工程病害時有發(fā)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(shè)計壽命低一半以上。美國有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(xiàn)明顯的損壞。

為什么會出現(xiàn)路面未到壽命就會損壞，以我國現(xiàn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，基本上以半剛性基層瀝青路面為主要結(jié)構(gòu)類型，這種結(jié)構(gòu)耐久性不足體現(xiàn)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(jié)構(gòu)易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)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?？梢哉f，傳統(tǒng)的半剛性基層和強基薄面結(jié)構(gòu)，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(jù)目前常規(guī)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(jié)構(gòu)路面，實現(xiàn)30年的壽命周期，將比一般性結(jié)構(gòu)15年壽命周期節(jié)省43%，如果計算通行阻塞和交通事故損失，耐久性路面的經(jīng)濟性更加突出。

再以橋梁建設(shè)為例，我國是世界第一橋梁大國，目前公路橋梁總數(shù)接近80萬座，大多是近40年內(nèi)建設(shè)，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(jié)構(gòu)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(shè)計抓起。目前，公路橋梁設(shè)計普遍采用混凝土結(jié)構(gòu)，造價較低、施工工藝成熟，但混凝土材料易出現(xiàn)徐變、裂縫、下?lián)系炔『ΑＬ貏e是大跨預應力混凝土結(jié)構(gòu)受設(shè)計、材料、施工因素等影響大，長期性能設(shè)計不足。如黃石長江大橋運營7年即下?lián)?2厘米，裂縫擴展后不得不限制重載通行。

鋼結(jié)構(gòu)和鋼混結(jié)構(gòu)為世界橋梁界所推崇。美國的鋼結(jié)構(gòu)橋梁占比為35%，發(fā)達國家鋼結(jié)構(gòu)橋梁最高占比為85%。但我國公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁占比僅1%。鋼結(jié)構(gòu)與鋼混結(jié)構(gòu)橋梁應用少，傳統(tǒng)認為初期建造成本和后期養(yǎng)護成本高，但未計鋼材回收及混凝土耐久性養(yǎng)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(yōu)勢將會凸顯。

近年來，交通運輸部提出大力推廣鋼結(jié)構(gòu)和鋼混結(jié)構(gòu)橋梁，正是落實綠色發(fā)展理念，提升公路橋梁建設(shè)品質(zhì)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(shè)的轉(zhuǎn)型升級。

廣佛肇高速公路沿線串聯(lián)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(shè)計指標與資源能耗關(guān)系不清

通常設(shè)計技術(shù)指標的比選，主要考慮技術(shù)、經(jīng)濟及社會環(huán)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(shè)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(huán)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(shè)計是否具有經(jīng)濟性，又是否滿足綠色發(fā)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(nèi)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(guān)研究表明，縱坡從6%下降至3%，小客車節(jié)油20%，貨車節(jié)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(shè)計者應統(tǒng)籌設(shè)計指標與資源，以及后期運營能耗之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。技術(shù)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(shù)指標設(shè)計原則。

施工建造水平不高

作業(yè)隊伍專業(yè)性不強。伴隨我國高速公路30年的快速發(fā)展，公路建造技術(shù)取得了長足的進步，但以農(nóng)民工、小規(guī)模分包作業(yè)為特征的傳統(tǒng)建造模式卻未明顯改進。農(nóng)民工作為公路建設(shè)的主力軍，缺乏系統(tǒng)的技能培訓，普遍存在專業(yè)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(shè)基礎(chǔ)薄弱，從農(nóng)民工到產(chǎn)業(yè)工人的轉(zhuǎn)型之路依然較長。

施工組織與工藝落后。傳統(tǒng)的現(xiàn)場分散施工工藝，臨時設(shè)施投入大、重復利用率低，鋼筋制作誤差較大，現(xiàn)澆混凝土運輸、振搗、養(yǎng)護工藝難以控制，工程質(zhì)量通病多，與綠色公路發(fā)展理念的差距較大。當前，多地探索工業(yè)化的建造工藝，從施工企業(yè)來看，工業(yè)化改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，實現(xiàn)了公路設(shè)計標準化、構(gòu)件生產(chǎn)工廠化和組織管理科學化，大大減少施工現(xiàn)場的勞動力和工作量——體現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展。

從工業(yè)化生產(chǎn)過程來看，構(gòu)件的集成化、模塊化提升了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量水平，構(gòu)件的可視、可換，有利于提升工程品質(zhì)，延長使用壽命。從工業(yè)化建造效果來看，避免臨時設(shè)施，降低資源消耗率，節(jié)約人工成本，減少環(huán)境影響。因此，工業(yè)化建造符合全壽命周期最優(yōu)目標，將可持續(xù)、更耐久。

行業(yè)管理體制不協(xié)調(diào)。目前，政府大力推廣的PPP、EPC、BOT等多種建設(shè)管理模式，各從業(yè)單位關(guān)注度并不一致，缺少統(tǒng)一的思想認識與行動自覺。政府關(guān)注的是工程安全與質(zhì)量形象的提升，業(yè)主關(guān)注的是項目投資效益，施工單位關(guān)注的是工程是否合格與經(jīng)濟效益，監(jiān)理單位關(guān)注的是工程安全和質(zhì)量合格，而系統(tǒng)關(guān)注工程全壽命周期質(zhì)量、環(huán)境及經(jīng)濟和社會效益的并不多。另一方面，綠色公路建設(shè)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(shè)全壽命周期綠色公路的動力。

盤興高速公路應用了生態(tài)環(huán)境脆弱地帶隧道安全環(huán)保進洞技術(shù)　

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

預防性養(yǎng)護不及時

從全壽命周期來看，建設(shè)與養(yǎng)護是相互統(tǒng)一的。建設(shè)應該為養(yǎng)護提供方便，如可達、可檢、可換的養(yǎng)護條件。養(yǎng)護是鞏固建設(shè)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(yǎng)的問題一直存在，形成被動養(yǎng)護的思維，結(jié)果小病害變成大病害，小錢不花花大錢。目前，普遍使用的養(yǎng)護手段是矯正性養(yǎng)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(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)問題再養(yǎng)護往往錯過了最佳養(yǎng)護時機。

預防性養(yǎng)護是在公路路面、橋梁結(jié)構(gòu)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(tǒng)養(yǎng)護思路不同，更加具有一定的主動性。有關(guān)研究表明，一條驗收時達到優(yōu)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(nèi)，性能會持續(xù)下降40%，可見養(yǎng)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(yǎng)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(fā)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(shè)是一項系統(tǒng)工程，需要從項目前期工作抓起，以規(guī)劃設(shè)計為起點，并貫穿建設(shè)、運營、管理全過程，統(tǒng)籌實現(xiàn)路基、路面、橋涵、隧道等多項工程的整體壽命最優(yōu)。