引領(lǐng)生態(tài)道路建設(shè)發(fā)展新模式

文/同濟(jì)大學(xué) 李輝 劉佳雯 謝寧

獲獎等級：一等獎

項目名稱：生態(tài)道路建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與綜合效益評價

“生態(tài)道路建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與綜合效益評價”項目研究，以同濟(jì)大學(xué)為總體牽頭單位，聯(lián)合交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院、河北交通投資集團(tuán)有限公司、上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司等10家單位協(xié)作攻關(guān)，榮獲2021年中國公路學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎。項目攻克了道路鋪裝復(fù)合生態(tài)功能材料、結(jié)構(gòu)研發(fā)難題，形成了我國生態(tài)道路設(shè)計新理論和新方法，建立了智能施工及精細(xì)養(yǎng)護(hù)技術(shù)體系，提出了生態(tài)道路全生命周期環(huán)境-經(jīng)濟(jì)綜合效益評價方法，引領(lǐng)了我國生態(tài)道路建設(shè)新模式，顯著提升了行業(yè)的科技水平及國際競爭力。

構(gòu)建系統(tǒng)新構(gòu)架

生態(tài)文明建設(shè)作為國家重大戰(zhàn)略被提至前所未有的高度，加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)已成為中央政府持續(xù)推進(jìn)的重點(diǎn)工作之一。隨著城鎮(zhèn)化快速發(fā)展及交通設(shè)施規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市道路、公路、機(jī)場及港口道面、廣場、停車場等各類道路鋪裝工程量大、面廣，城市總鋪裝率超過20%以上。但傳統(tǒng)的大規(guī)模密實瀝青基鋪裝在滿足交通功能的同時，帶來持續(xù)、難消除的潛在生態(tài)負(fù)面影響，包括積水內(nèi)澇與徑流污染、路表高溫（夏季達(dá)70攝氏度）與熱島效應(yīng)、碳排放（占20%）與大氣污染等。

傳統(tǒng)道路工程多關(guān)注工程安全和耐久，而隨著社會發(fā)展水平提高、人們對環(huán)境保護(hù)的要求日益提升，道路生態(tài)性得到了越來越多的關(guān)注。2019年，《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》中提出了“綠色發(fā)展節(jié)約集約、低碳環(huán)?！钡陌l(fā)展要求。2021年，《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》中進(jìn)一步明確了高質(zhì)量安全、智慧、綠色發(fā)展的交通運(yùn)輸發(fā)展任務(wù)。為加速道路發(fā)展轉(zhuǎn)型升級，推動道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的綠色化和生態(tài)化，滿足美麗中國和生態(tài)文明建設(shè)需求和“碳中和”愿景，實現(xiàn)道路與自然、生物及生態(tài)和諧共生，傳統(tǒng)道路生態(tài)化轉(zhuǎn)型升級勢在必行。

←生態(tài)道路建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與綜合效益評價項目研究架構(gòu)

← 組圖：研究技術(shù)路線

項目面向交通強(qiáng)國建設(shè)戰(zhàn)略“綠色低碳”重點(diǎn)發(fā)展方向，通過交通、環(huán)境、材料等多學(xué)科交叉開展系統(tǒng)基礎(chǔ)研究和技術(shù)應(yīng)用攻關(guān)。針對當(dāng)前大空隙生態(tài)道路材料與結(jié)構(gòu)生態(tài)-力學(xué)雙性能難協(xié)同、施工養(yǎng)護(hù)難度大及全生命周期綜合效益評價體系缺失三大關(guān)鍵問題，技術(shù)成果從鋪裝材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、智能建養(yǎng)、綜合評價四方面入手，在理論、技術(shù)與方法上取得了突破與創(chuàng)新。

突破建養(yǎng)新技術(shù)

項目依托國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家科技支撐計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市政府間科技合作等項目，歷經(jīng)12年產(chǎn)、學(xué)、研、用聯(lián)合，重點(diǎn)攻關(guān)具有高效透水、凈水、降溫、降噪等復(fù)合生態(tài)功能的大空隙多層透水鋪裝技術(shù)，取得了多項創(chuàng)新成果。

創(chuàng)新成果：建立基于空隙-力學(xué)-生態(tài)平衡的材料設(shè)計方法，實現(xiàn)大空隙生態(tài)道路材料力學(xué)強(qiáng)度與復(fù)合生態(tài)功能的協(xié)同提升

空隙特征是決定大空隙材料綜合性能的關(guān)鍵，項目研究揭示了多尺度空隙特征對力學(xué)強(qiáng)度和生態(tài)功能的影響機(jī)制，提出了基于空隙-力學(xué)-生態(tài)平衡的大空隙材料設(shè)計方法。通過級配優(yōu)化、界面改性、高性能膠結(jié)料，研發(fā)了高強(qiáng)耐久的大空隙水泥基和瀝青基材料。透水水泥混凝土強(qiáng)度提升60%以上、透水瀝青抗飛散性能提高兩倍以上，可用于重載透水鋪裝。

在提高力學(xué)性能的同時，項目通過空隙特征的調(diào)整與優(yōu)化，協(xié)同提升了大空隙材料透水、凈水、降噪等生態(tài)功能。實現(xiàn)透水率高于3毫米每秒、磷氮凈化率大于70%、降噪5分貝至8分貝。此外，在大空隙材料熱阻-蒸發(fā)降溫機(jī)制的基礎(chǔ)上，研發(fā)了同色異譜的深色系紅外反射降溫材料，實現(xiàn)干濕狀態(tài)全時降溫功能，夏季路面高溫降低5攝氏度至10攝氏度，有效解決了傳統(tǒng)淺色降溫材料易眩光、不耐污的問題。

創(chuàng)新成果：提出力學(xué)-生態(tài)平衡的雙性能結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，突破生態(tài)道路交通承載力與生態(tài)功能平衡協(xié)同的技術(shù)瓶頸

←重載透水水泥混凝土鋪裝（河北曲港高速）

← 彩繪生態(tài)透水廣場（雄安新區(qū)京德高速）

← 針對不同降雨條件和交通荷載的生態(tài)道路結(jié)構(gòu)

大空隙碎石基層具有優(yōu)良的透蓄水功能，但其重載穩(wěn)定性差，項目提出了基于剪切應(yīng)力與剪切強(qiáng)度比(Shear Stress-Strength Ratio，SSR)的力學(xué)分析模型，通過基層材料級配優(yōu)化及土工格柵/土工室有效加固方法，控制基層頂面應(yīng)力比SSR低于穩(wěn)定極限值0.3，平衡協(xié)同了基層結(jié)構(gòu)透蓄水能力與力學(xué)穩(wěn)定性，并建立了透水瀝青基和水泥基面層多孔結(jié)構(gòu)空隙透水功能與變形/疲勞力學(xué)性能協(xié)同控制模型。為確定透水基層的蓄水功能厚度，建立了基于雨水滲-蓄-排模型的水文分析設(shè)計方法。有效控制路表徑流75%以上。

綜合力學(xué)和水文分析模型，提出了基于力學(xué)模型和滲流模型的結(jié)構(gòu)平衡協(xié)同理論模型與分析方法，提出了針對不同降雨條件和交通荷載的多種生態(tài)透水鋪裝結(jié)構(gòu)，由左至右依次為表層透水、半透水、全透水結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了交通承載力耐久性與生態(tài)功能的平衡協(xié)同，為生態(tài)道路的重載應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

創(chuàng)新成果：研發(fā)了生態(tài)道路智能施工與精細(xì)養(yǎng)護(hù)技術(shù)，顯著提升了生態(tài)道路的施工質(zhì)量與效率，延長了生態(tài)功能壽命

基于物聯(lián)網(wǎng)、北斗導(dǎo)航定位、無線通信、高精度智能感知等技術(shù)，研發(fā)了生態(tài)道路智能化施工管控系統(tǒng)，首次實現(xiàn)無人化智能施工，施工質(zhì)量提高25%。項目形成了生態(tài)道路智能施工技術(shù)體系，包括智能拌和技術(shù)、攤鋪技術(shù)與壓實技術(shù)，實現(xiàn)了施工各階段智能化流程的后臺可視化管理，為減少人員參與、提高施工效率、增強(qiáng)施工管理水平提供了技術(shù)支撐，保障了施工過程質(zhì)量實時監(jiān)督和預(yù)警調(diào)整，提升了工程的質(zhì)量水平和使用壽命。

針對透水功能衰變問題，提出了日常性養(yǎng)護(hù)、預(yù)防性養(yǎng)護(hù)和修復(fù)性養(yǎng)護(hù)的綜合策略方案，聯(lián)合上海亮土智能科技有限公司等單位自主研發(fā)了針對不同養(yǎng)護(hù)場景的多功能養(yǎng)護(hù)裝備，可利用高速旋轉(zhuǎn)的高壓水射流對黏結(jié)堵塞的路面污垢進(jìn)行沖刷剝離，也同時采用高真空負(fù)壓形成的強(qiáng)勁抽吸力，對附著在地面的重金屬、酸堿物料、?；?、污垢等抽吸回收到污水倉，進(jìn)行集中分離處理，使道路處于呼吸狀態(tài)，將透水壽命由3年至5年提升至10年以上。與國內(nèi)外同類技術(shù)相比，顯著提升了生態(tài)道路的施工質(zhì)量，延長了功能壽命。

← 生態(tài)道路智能化施工

← 組圖：生態(tài)道路多功能養(yǎng)護(hù)裝備

← 生態(tài)道路養(yǎng)護(hù)效果對比

↑道路全生命周期綜合分析軟件系統(tǒng)

創(chuàng)新成果：研發(fā)全生命周期環(huán)境-經(jīng)濟(jì)綜合效益評價系統(tǒng)，為生態(tài)道路的推廣應(yīng)用提供了科學(xué)決策依據(jù)

基于徑流峰值與污染物濃度，項目建立了透水凈水效益評價方法，量化了使用階段生態(tài)道路對緩解道路積水、控制徑流污染的環(huán)境效益。項目建立了光熱環(huán)境評價方法，研發(fā)了自動化測試系統(tǒng)，量化了生態(tài)道路在使用階段對眩光安全、人體熱舒適度的生態(tài)效益。

基于以上環(huán)境效益分析，并融合經(jīng)濟(jì)成本，開發(fā)了全生命周期綜合評價系統(tǒng)，實現(xiàn)了生態(tài)道路經(jīng)濟(jì)成本與環(huán)境效益綜合評價，助力生態(tài)道路推廣應(yīng)用。

激活發(fā)展新動能

依托該項目，獲得了眾多成果，形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)12項，國家標(biāo)準(zhǔn)2項，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2項；授權(quán)公開專利45項，其中美國專利1項，發(fā)明專利21項，實用新型專利12項，軟著11項；出版專著5部（英文1部）；發(fā)表論文77篇(SCI，IF：3.0以上26篇，最高IF：9.3)；率先舉辦生態(tài)道路系列會議5屆。

中國科學(xué)技術(shù)交流中心對項目的綜合績效評價為“優(yōu)秀”，中科院科技查新中心評價成果總體國際先進(jìn)，在道路雙性能協(xié)同設(shè)計、全時降溫方法及多級徑流凈化技術(shù)居國際領(lǐng)先。中國工程院院士鄭健龍等行業(yè)權(quán)威專家評價成果總體達(dá)到國際先進(jìn)水平，雙性能平衡設(shè)計方法達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

近10年來，成果已成功應(yīng)用于延崇高速、河北雄安新區(qū)對外骨干路網(wǎng)等國家重大工程，以及上海崇明世界級生態(tài)島、臨港國家海綿城市示范區(qū)等180余項工程。其中，上海中環(huán)快速路已經(jīng)過10余年交通荷載檢驗，透水功能保持良好，并推廣應(yīng)用到江蘇、河北、廣東、河南、江西等21個省份95項工程，應(yīng)用總面積達(dá)420萬平方米。項目成果通過中美、中德國際合作科研項目及中國路橋海外工程項目，推廣應(yīng)用到美國加州、德國科隆、“一帶一路”巴基斯坦綠色公路、非洲塞內(nèi)加爾、科特迪瓦生態(tài)道路等國際生態(tài)道路工程。

項目面向我國生態(tài)文明建設(shè)、交通強(qiáng)國建設(shè)和“碳達(dá)峰、碳中和”重大需求，提出的生態(tài)道路建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)可實現(xiàn)長時間保持透水、凈水、降溫、降噪的生態(tài)功能，并可廣泛用于各類交通基礎(chǔ)設(shè)施，包括高等級公路、城市道路、城市廣場、停車場、橋面鋪裝、人行步道等。依托項目共新增產(chǎn)值31.92億元，新增利潤2.30億元，新增稅收1.85億元，綜合效益明顯，推廣應(yīng)用前景廣闊。

項目研究成果具有巨大的經(jīng)濟(jì)與社會效益。研究成果可有效實現(xiàn)75%以上的降雨就地消納利用，減少排水管網(wǎng)等設(shè)施的排水壓力及建設(shè)維護(hù)費(fèi)用，明顯提升雨天行車舒適度與安全性；采用的彩色防眩降溫涂層可實現(xiàn)夏季降溫5攝氏度以上，提升人體熱舒適性，并兼具良好的抗滑與耐磨耗性能，有效減少年平均清掃、清洗及養(yǎng)護(hù)維修次數(shù)，產(chǎn)生系列間接經(jīng)濟(jì)效益。項目研發(fā)的赤泥基綠色生態(tài)道路材料與改性生物瀝青材料可有效降低道路建設(shè)成本20%及以上；生態(tài)道路全生命周期綜合效益評價結(jié)果顯示，相比于傳統(tǒng)硬化鋪裝，生態(tài)道路鋪裝能耗降低60%，溫室氣體排放減少50%，酸化氣體排放減少40%，臭氧排放減少45%，環(huán)境效益顯著。

← 成果國際推廣應(yīng)用

項目研究成果推動了行業(yè)與學(xué)科發(fā)展，在提升生態(tài)道路透水、凈水、降溫、降噪的基礎(chǔ)上，保證且提升了生態(tài)道路的承載能力，以及生態(tài)道路全生命周期在經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、生物等多方面的綜合效益。在緩解積水內(nèi)澇、改善水環(huán)境、提升道路交通安全、緩解區(qū)域熱島效應(yīng)、降低交通噪音等方面取得了良好的生態(tài)環(huán)境效益，有效改善了道路基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境友好性，推動了道路建設(shè)的可持續(xù)性發(fā)展。項目為有效推進(jìn)生態(tài)道路建設(shè)和升級換代提供了成果的實踐經(jīng)驗和展示平臺。

主要完成人簡介

李輝

博士，國家海外高層次青年人才，同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院長聘教授、博士生導(dǎo)師。博士畢業(yè)于美國加州大學(xué)戴維斯分校。美國加州注冊土木工程師，美國交通與環(huán)境委員會委員，中國工程院期刊《工程（Engineering）》青年通訊專家，《國際交通科學(xué)與技術(shù)（IJTST）》期刊副主編。長期從事生態(tài)道路的教學(xué)及科研工作，主持國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等國家和省部級項目10余項。發(fā)表高水平論文58篇，編制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)4部，出版學(xué)術(shù)專著3部（英文專著1部）。授權(quán)專利12項（美國專利1項）。獲中國公路學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎(1/15)、首屆上海交通工程學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎特等獎(3/20)等。

趙文忠

博士，教授級高級工程師，研究生導(dǎo)師?，F(xiàn)任河北交通投資集團(tuán)有限公司副總經(jīng)理。從業(yè)近30年來，長期從事可持續(xù)交通基礎(chǔ)設(shè)施研究，主導(dǎo)應(yīng)用了高速公路高摻量膠粉瀝青路面、生態(tài)道路建設(shè)、預(yù)制梁板環(huán)形生產(chǎn)線、全裝配置預(yù)制橋梁、鋼混組合橋梁建造、BIM與GIS集成應(yīng)用、裝配式被動房、山區(qū)高速安全保障等多項科技創(chuàng)新技術(shù)研究。作為河北曲港高速公路開發(fā)有限公司董事長和籌建處主要負(fù)責(zé)人，主持建成了河北曲陽至黃驊港高速公路。共獲省部級科技獎一等獎3項、二等獎9項、三等獎7項。

曹亞東

碩士，主要從事瀝青及瀝青混合料的研發(fā)、生產(chǎn)及施工工藝研究。擔(dān)任上海道路技術(shù)中心路用材料組組長、上海大學(xué)兼職教授、上海市領(lǐng)軍人才、上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人、全國建筑業(yè)科技進(jìn)步與技術(shù)創(chuàng)新先進(jìn)個人、交通運(yùn)輸行業(yè)優(yōu)秀科技人員。負(fù)責(zé)省部級以上科研項目20余項，發(fā)表論文40余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利12項，主參編10余部國家、行業(yè)、地方標(biāo)準(zhǔn)，獲國家級科技進(jìn)步獎二等獎1項，獲上海市科技進(jìn)步獎7項。多次參與上海市重大工程建設(shè)項目。

主要完成單位簡介

同濟(jì)大學(xué)

同濟(jì)大學(xué)是國家“雙一流”建設(shè)高校。交通運(yùn)輸工程學(xué)院自1914年初創(chuàng)以來，在全國同類院校中具有突出實力，已成為中國交通運(yùn)輸領(lǐng)域人才培養(yǎng)與科學(xué)研究的重點(diǎn)基地之一。交通運(yùn)輸工程學(xué)科為同濟(jì)大學(xué)的優(yōu)勢學(xué)科和優(yōu)先發(fā)展學(xué)科，并先后被確定為國家一級重點(diǎn)學(xué)科、一流建設(shè)學(xué)科(第四輪學(xué)科評估)。擁有道路與交通工程教育部重點(diǎn)實驗室、國家道路交通安全管理工程技術(shù)研究中心等領(lǐng)先科研平臺。同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院承擔(dān)完成國家重大科技專項、國家科技支撐計劃等國家級項目近300項。先后榮獲國家科技進(jìn)步獎和技術(shù)發(fā)明獎13項，省部級科技進(jìn)步獎200多項，發(fā)表的高水平學(xué)術(shù)論文位列前茅。

河北交通投資集團(tuán)有限公司

河北交通投資集團(tuán)有限公司成立于2013年，是河北省政府出資的國有獨(dú)資企業(yè)，主要負(fù)責(zé)高速公路的籌資、建設(shè)、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營管理及相關(guān)多元化產(chǎn)業(yè)的投資經(jīng)營業(yè)務(wù)。目前集團(tuán)總資產(chǎn)為3260億元，凈資產(chǎn)為840億元，管理高速公路運(yùn)營里程3049公里，擁有全資、控股、參股企業(yè)120家，職工1.3萬余人。集團(tuán)先后承擔(dān)京石改擴(kuò)建項目、曲港高速、雄安新區(qū)對外骨干路網(wǎng)等16條段、1283公里，總投資1788億元的高速公路建設(shè)任務(wù)，占全省同期高速公路建設(shè)投資的55%。目前已建成通車15條段、1117公里，累計完成建設(shè)投資1666億元?！笆奈濉逼陂g，集團(tuán)將以“交通強(qiáng)國戰(zhàn)略”為引領(lǐng)，服務(wù)“河北省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展戰(zhàn)略”布局，全力實施“三六五”戰(zhàn)略，打造成為國內(nèi)具有行業(yè)影響力的綜合交通投資運(yùn)營集團(tuán)。

上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司

上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司是隧道股份旗下的大型國有施工企業(yè)，具有市政公用工程總承包特級、市政行業(yè)設(shè)計甲級資質(zhì)，另有公路、建筑工程、機(jī)電安裝工程施工總承包一級，機(jī)場場道、公路路面、地基基礎(chǔ)、橋梁工程專業(yè)承包一級等資質(zhì)。先后承建和參建了上海市各大環(huán)線、延安路高架、滬寧、上海長江大橋、崇啟通道、上海國際賽車場、上海世博園區(qū)、虹橋機(jī)場、廣州白云國際機(jī)場及境外印度德里地鐵二期工程、安哥拉羅安達(dá)體育場等重點(diǎn)工程項目。承建工程多次榮獲國家優(yōu)質(zhì)工程金質(zhì)獎和銀質(zhì)獎、中國土木工程詹天佑獎、中國建設(shè)工程魯班獎、中國人居環(huán)境范例獎、全國綠色建筑創(chuàng)新獎等。