交通土建結構長壽命安全保障的途徑分析

錢永久，杜彥良

（1. 西南交通大學，成都 610031；2.石家莊鐵道大學，石家莊 050043）

由道路、鐵路、橋梁、隧道、地鐵、機場等構成的交通基礎設施是社會交通體系的重要組成部分，也是社會的一筆巨大的固定資產，具有社會公益性、經濟先導性、網絡經濟性、規模經濟性和軍事戰略性等基本屬性。確保交通基礎設施重大結構在設計壽命期的安全服役并盡可能延長其使用壽命，充分發揮其基礎性、先導性和服務性功能，對于支撐經濟建設持續發展、保障人民生活安穩有序、助力國家安全和社會穩定，具有十分重大的戰略意義。

經過多年的發展，我國交通基礎設施建設取得了令人矚目的成就。與世界其他工業化國家相比，我國的交通基礎設施建設總體表現出起步晚、速度快、強度大等特點。一方面，因交通基礎設施結構的自然劣化、嚴峻的服役條件以及不足的養護維修等因素影響，一部分結構過早地出現了安全性不足、耐久性降低，適用性不強的狀況，導致實際使用壽命遠遠短于期望的使用年限。隨著時間的推移，我國大批的工程結構物老化的現象日益突出，部分重大結構也將陸續達到設計使用壽命，如何科學決策它們的歸屬或合理使用將是我國面臨的一個重要問題；另一方面，修建結構時的高速度和高強度必然會集中反映到將來既有結構的維修加固上，屆時將會給養護維修、交通運輸和社會生活等帶來巨大壓力。

未來若干年，我國將通過體制、機制與科技創新系統解決交通土建結構長壽命安全領域的共性基礎理論與方法問題，提升設計、施工、管理、運營與維護等方面的法規和規范，系統開展新材料、新技術、新結構、新裝備、新工藝等領域的研究工作，培育適合我國交通基礎設施建設與管理養護（管養）工作的新型產業體系，充分發揮重大交通基礎設施的效能，服務國民經濟建設，提升我國在該領域的國際影響力與競爭力。

一、 現狀分析

（一） 我國交通基礎設施現狀分析

截至2015年末，我國“五縱五橫”綜合運輸大通道基本貫通，已建成的主要交通基礎設施規模如下：全國公路總里程4.6×106km，其中高速公路里程為1.3×105km；全國鐵路運營里程達到1.24×105km，其中，高速鐵路運營里程超過2.2×104km；全國城市道路長度為3.65×105km，路面面積為7.18×109m2，人均城市道路面積為15.60 m2；縣城道路長度為1.34×105km，道路面積為2.49×109m2，人均城市道路面積為15.98 m2；公路橋梁總數已達7.79×105座，已建成一批在國際上具有重要影響力的超級橋梁工程；鐵路橋梁總數達到6.5×104座，其中高速鐵路中長橋、高架橋、大跨度橋梁眾多，橋梁所占線路比例達50%以上；運營公路隧道11 359座，總長9 605.6 km（特長隧道562座、共計2 500.69 km）；運營鐵路隧道11 074座，總長8 938.78 km；全國已有24個城市建成軌道交通，線路長度為3 069 km，車站數為2 008個[1]。

總體來說，我國已建成了規模居于世界前列的交通基礎設施，但由于受到各種因素的影響，重大結構的安全保障問題面臨著越來越嚴峻的挑戰。

我國交通基礎設施重大結構的設計使用年限與實際使用壽命有顯著的差異與不確定性。以橋梁工程為例，我國特大橋、大橋和重要中橋的設計壽命為100年（特殊橋梁可按120年設計），中橋、重要小橋的設計壽命為50年，小橋和涵洞的設計壽命為30年。在橋梁設計使用年限內，由于各類因素的影響，實際使用壽命會小于設計使用壽命，對橋梁結構的正常安全使用造成威脅。另外，由于受不同時期國情和經濟條件的限制，新中國成立后修建的大量橋梁，其建設標準和建設質量存在較大的差異，總的趨勢是實際荷載等級在不斷增大，原有橋梁已難以適應當今運輸的要求。

隨著時間的推移，大量的交通基礎設施重大結構也將陸續達到其設計使用壽命，并形成一筆巨大的“帶有問題”的固定資產。若采用完全更換的方式往往是經濟上不能承受的，有的在技術上也是難以實現的。比如，重要的城市地鐵系統、大型橋梁隧道，即使其使用年限達到設計使用壽命，也難以及時更換或重建。在確保使用安全的情況下，這些結構仍將服役相當長的時間并發揮巨大的社會效益與經濟效益。因此，如何在理論、技術、規范、政策和管理制度上保證這些老化結構（包括達到或即將達到設計使用壽命的結構）的可靠性與安全性，也是我們面臨的嚴峻課題。

結構長期性能退化、材料老化與劣化對我國交通基礎設施重大結構安全的影響日益突出。以橋梁與隧道為例，據統計，我國公路網中的危橋數量呈逐年遞增趨勢。2014年，各類危橋數量高達7.96萬座，約占公路橋梁總數的10.5%，根據2009年鐵道部秋檢資料統計，我國鐵路橋梁劣化等級達到A級（嚴重）以上病害的占總座數的24.8%。在我國運營的5 200多座鐵路隧道中，存在漏水、襯砌嚴重裂損及道床損壞等病害的隧道達2 000多座，發生病害的隧道長度約占隧道總長度的10%[1]。隧道結構采用的混凝土或鋼筋混凝土材料會由于隧道周圍地下水中含有侵蝕性物質以及機車排放廢氣侵蝕而導致混凝土腐蝕；氯離子侵蝕、混凝土碳化而發生鋼筋腐蝕，硫酸鹽侵蝕、堿集料反應及凍融、鹽結晶破壞等多種形式的電化學腐蝕，化學和物理破壞等導致我國鐵路隧道裂損的現象十分嚴重。

設計與施工質量不達標是影響我國目前存量交通基礎設施長壽命安全的重大隱患，也是目前重大事故發生的主要原因之一。如何科學診斷、評估、處置該類隱患將會是一項長期而艱巨的任務。眾所周知，改革開放以來，由于我國基本建設超常規的發展，導致設計周期短且質量監控措施不到位、施工周期短且監理作用發揮不充分、材料質量參差不齊且檢驗措施不夠嚴謹、對施工人員相應的技術培訓缺失，導致所建結構存在不同程度的缺陷。以隧道為例，隧道結構中由于施工不規范造成的隧道襯砌結構裂損占80%左右，材料質量差或配合比不合理產生的裂損占15%左右，設計不當引起的裂損占5%左右[1]。

超載與日常維修管理欠缺是影響重大結構損傷狀態和實際使用壽命的重要因素。近年來，隨著交通運輸量的大幅增長和汽車的大型化與重型化，超載、超限運輸現象十分嚴重，運輸荷載大大超越結構的設計荷載和承受能力，長期超負荷運營導致結構發生開裂與損傷，嚴重縮短結構的使用壽命，危及結構的使用安全。據統計，我國公路每年因車輛超載、超限運輸造成的經濟損失約為300億元，全國每年有10萬人死于因超載導致的交通事故。以四川省為例，全省40萬輛貨運汽車90%以上存在超限、超載，超載程度普遍在核定噸位的50%～200%，少數車輛超載甚至達到300%以上[1]。

各類自然災害與人為損害是重大結構使用安全的重大威脅。我國幅員遼闊，地理環境和氣候條件復雜，自然災害種類多、且發生頻繁，大量修建的交通基礎設施重大結構受臺風、地震、泥石流、滑波等自然災害的影響巨大，同時，爆炸、沖擊、火災等人為災害對結構安全的影響也不容忽視。

目前，我國仍處于交通基礎設施建設快速發展時期，交通基礎設施的安全保障呈現新內容、新形式和新特征。因此，迫切需要建立合理的安全風險預測評估和保障機制，以提高其抗風險能力，保證在運營期間的安全性。

（二） 國外的一些相關研究與發展現狀

美國公路運輸網非常發達，約有60 萬座公路橋梁。從1967 年Sliver 橋倒塌開始，美國高度關注橋梁的檢測和養護，目前已經形成相對完善的橋梁檢測、評估和維護加固體系，逐年減少了有缺陷的橋梁數量。2008 年美國聯邦公路局（FHWA）的基礎設施研究與發展署又發起了橋梁長期性能研究計劃（LTBP），計劃用20 年時間，系統收集美國國家公路橋梁的相關數據，建立詳細即時的橋梁健康數據庫，開展橋梁結構性能理論和應用技術的研究，最終提高美國公路橋梁的安全性、可靠性和長壽命[2]。

日本在1964年舉辦東京奧林匹克運動會時所建設的首都高速1號線以及在經濟高速成長期建成的交通基礎設施都將進入老齡化。例如，在今后20年，建造年齡超過50年的道路橋梁的比例將從目前的約16%達到約65%，老齡化的比例正在加速增長。在這些基礎設施中，存在眾多維護管理信息（例如，建設年度、構造形式等設施要素，劣化、損傷的進展狀況等）不明的設施，而且關于維護管理的標準、管理制度及體制也不十分健全[3]。

未來若干年，日本將切實應對規模約800萬億日元的基礎設施老齡化問題。以國家、地方公共團體以及其他民間企業等管理的所有基礎設施為對象，策劃制定了“基礎設施長壽命化基本計劃”。該計劃要求日本全國各省廳及自治體必須制定整體的維持管理體制及中長期所需要的成本等行動計劃，必須分別制定學校、道路、下水道等設施的檢查、修繕計劃，逐步實現構筑安全牢固的基礎設施系統、實現綜合性與一體化管理以及強化維修產業競爭力的預期目標[3]。

英國通過公路機構對基礎設施的發展與維護進行資產管理并開發出相應的管理系統,最近還宣布了近半個世紀以來最大的道路建設工程計劃，即投資150億英鎊用于改善該國100多條主干道路[4]。

二、交通土建結構長壽命安全面臨的主要問題

交通土建結構長壽命安全保障問題主要涉及到兩個方面的內容：一是確保量大面廣的既有交通基礎設施在預期設計使用壽命內安全可靠服役；二是對重大或重要結構在達到或超過其設計使用壽命之后，延長其服役年限并確保安全運營。重大結構長壽命安全保障工作是一個系統工程，涉及政策法規、設計理論、評估與診斷理論、病害監測與檢測、結構維修和加固理論與技術、施工工藝、材料、裝備等，目前還缺乏必要而充分的研究。從現有的工程實踐中，總結出重大結構長壽命安全領域存在的主要問題。

（1）已有的設計缺乏對結構長壽命的系統考慮，包括相關的設計理論與建造方法還不成熟，構成了結構長壽命安全的隱患。

（2）設計與施工質量的缺陷威脅著大量正在使用的既有結構的安全。

（3）長期以來，我國交通基礎設施領域重建設、輕管養的狀況普遍存在，對既有結構養護維修的缺失或系統性不足可能嚴重縮短結構的實際使用壽命。

（4）公路系統中普遍存在的超載現象加劇了結構的損傷，同時縮短了結構的使用壽命。

（5）遭受不同類型災害作用后的結構會存在不同程度的損傷，盡管可能會進行加固維修，但損傷對結構長期使用安全的影響仍需要研究與評估。

（6）對既有重大結構的剩余壽命評估缺乏必要的理論基礎。

（7）對服役期已達設計年限的重大結構，評估其繼續安全服役的可行性理論與方法還有待研究。

（8）現有檢測與健康監控的技術與手段還需要做進一步的研究。

（9）在實驗室通過快速實驗得出的耐久性結論不足以保證實際結構的長期性能。

（10）對結構長壽命安全領域開展的系統研究工作不足，不利于既有結構的管理與維護，也對新結構的設計提出挑戰。

三、交通土建結構長壽命安全保障的途徑分析

基于對相關領域的國內外現狀分析，為了更好地發揮我國存量巨大且資產龐大的交通基礎設施為國民經濟建設服務的功能，考慮到交通基礎設施重大結構安全面臨的嚴峻形勢，同時其安全保障作為一項系統工程目前還缺乏長遠規劃與頂層設計，因此建議在我國開展“交通基礎設施重大結構長壽命安全保障計劃”。

（一） “交通基礎設施重大結構長壽命安全保障計劃”應達到的目標

針對我國的具體國情，通過體制創新、機制創新、科技創新和產學研相結合的方式，以滿足經濟社會發展和人民生命財產安全需求為目標，充分發掘既有基礎設施服務國家經濟發展的潛力，保持重大交通基礎設施長壽命安全與綜合造價控制的平衡，推進基礎設施建設與信息化、工業化的深度融合，全面推行綠色制造，提高我國重大交通基礎設施的安全性、適用性、可靠性和長壽命，培育適合我國交通基礎設施建設與管養工作的新型產業體系，使我國在交通基礎設施重大結構長壽命安全保障領域的設計、施工、建設管理等方面的綜合能力達到世界先進水平，確保我國交通基礎設施重大結構的安全，確保國家安全和人民群眾的生命財產安全。

通過開展交通基礎設施重大結構長壽命安全保障領域的研究與實踐，構建基于勘察、規劃、設計、建造、運營維護與管理的全壽命信息檔案與管理體系，適應現代運營組織與管理的監控體系，大型結構性能改造與提升工程新型結構體系，應對不同自然災害的大型結構應急搶修搶建與裝備研發和應急救援組織管理體系；基于規劃、設計、施工、運營、管養、拆除全過程，實現全壽命周期內總體性能（功能、成本、人文、環境等）最優的交通基礎設施重大結構設計、建設與管理體系，確保我國交通基礎設施重大結構不發生重大安全事故，為國民經濟建設與發展提供有力的支撐。

具體來說，可以分三步來達到我們的預期目標。

（1）全面掌握我國交通基礎設施重大結構的建設現狀并對未來的發展趨勢進行預測。按交通基礎設施重大結構分類，研究確定需要采集的數據，制定數據采樣、采集和質量保證的標準，并系統收集相關數據。建立詳細即時的結構健康數據庫以及與之相關的開放的、可升級的、可擴展的數據管理和數據分析系統。通過系統分析采集到的相關數據，確定未來研究、監（檢）測和評估所需要的典型的重大結構的類型、數量及位置，并制定相應的研究計劃。這項工作預計用5年左右的時間完成。

（2）系統開展關鍵技術領域方面的研究工作，包括長壽命安全領域的共性基礎理論與方法研究，結構長壽命安全評價及預警平臺，重大結構系統預防性養護維修策略，結構檢測與健康監測新型實用技術，重大結構長壽命安全保障技術，應急技術裝備，新材料、新技術、新裝備的研發與應用，長壽命安全保障的政策與法規的建立等。取得關鍵技術領域的突破，并建立相應的技術法規與規范。此項工作預計在10年之內完成。

（3）構建適合我國國情的交通基礎設施重大結構的長壽命安全保障系統，普及推廣與之相關的新材料、新技術、新結構、新裝備、新工藝、新規范、新制度，建立重大結構管養的標準體系，逐步培育新型產業體系和國民經濟新的增長點，對重大工程結構實現可測、可檢、可控、可修、可應急處置，充分發揮交通基礎設施重大結構為國民經濟建設服務的重大功能，并體現出重大的經濟效益。此項工作預計在20年之內完成。

通過實施該項計劃，可以達到如下具體目標：①所有交通基礎設施均應建立相應的長壽命安全保障標準化計劃，并落實在日常管理工作之中；②培育重大結構長壽命安全保障領域的產業體系，其產業化實現的產值達到重大結構新建產值的50%；③所有交通基礎設施均可以使用新型傳感器、機器人、非破壞性檢測技術等，結合大數據、云計算的現代信息技術，高效地進行檢查、檢測、評估、修補或加固處置；④通過上述工作，使交通基礎設施重大結構在可使用壽命內發生重大事故的概率顯著降低；⑤結合國家“一帶一路”戰略，在沿線國家推廣相關成果與技術。

（二）“交通基礎設施重大結構長壽命安全保障計劃”的戰略任務和重點

具體來說，“交通基礎設施重大結構長壽命安全保障計劃”的戰略任務和重點主要包含下列內容。

（1）基于信息技術與大數據的大型工程結構數據庫的建立，構建從勘察、規劃、設計、建造到運營維護與管理的全壽命信息檔案與管理系統；建立基于數據庫和現代試驗技術的結構劣化與剩余壽命預測模型，構建重大結構長壽命安全理論與方法，實現重大結構養護維修與加固對策制定的科學化。

（2）基于現代傳感技術、信息技術、結構評估技術的大型結構健康監測與安全控制體系的構建，以及適應現代運營組織與管理的點、線、面、體監控體系的構建，推動適應大型工程結構的現代傳感與監測儀器裝備的研發及產業化。

（3）基于新材料、新結構、新工藝的大型結構性能改造與提升工程及其產業化的發展，用于延長使用壽命，提高承載力，形成新型結構受力體系。

（4）應對不同自然災害的大型結構應急搶修、搶建與裝備研發和應急救援組織管理體系的構建。

（5）基于信息化、網絡化、智能化的現代運營組織管理與全壽命預防養護維修模式及自動化養護機械設備的研發，培育重大交通基礎設施養護、維修、加固新型產業。

（6）建立適應現代大型工程結構全壽命周期管理的政策、法規、技術標準和規范。

四、建議

交通基礎設施作為社會的巨大固定資產，對國民經濟建設具有極其重要的作用。我國既有的數量龐大的交通基礎設施重大結構在其使用壽命內存在不同程度的、甚至是嚴重的安全隱患，隨著時間的推移，大批的工程結構物老化與性能退化的現象日益突出，部分重大結構將陸續達到設計使用壽命。目前，我國仍處于交通快速發展時期，新建的眾多交通基礎設施體量巨大、結構復雜，而且隨著服役期的不斷增長，其安全性、耐久性及管理維護的問題日益增加，長壽命安全保障問題將會日益突出。

鑒于相關領域的理論、技術與管理體系的缺失或不足，世界各國特別是發達國家十分關注并正在實施重大結構長壽命安全領域的理論與技術研發，投入了巨額的資金并制定新的制度予以保證，試圖占領該領域的制高點。

建議盡快在我國實施“交通基礎設施重大結構長壽命安全保障計劃”，通過全面掌握我國交通基礎設施的建設現狀，系統開展關鍵技術領域方面的研究工作，構建適合我國國情的相應技術體系和技術標準。該項工作對于確保我國交通基礎設施重大結構的安全，確保國家安全和人民群眾生命財產安全，確保交通基礎設施這一龐大資產為國民經濟建設服務并造福人民，同時培育新的產業體系和經濟增長點，都將具有十分重要的意義。

[1] 中華人民共和國交通運輸部. 2016年交通運輸行業發展統計公報 [R].北京∶中華人民共和國交通運輸部, 2017.

Ministry of Transport of the PRC. Statistics report on transportation industry development in 2016 [R]. Beijing∶ Ministry of Transport of the PRC, 2017.

[2] 朱從明，張宇峰，戴云峰. 美國橋梁長期性能研究計劃及其啟示 [J].現代交通技術，2012, 9(2)∶ 18–21.

Zhu C M, Zhang Y F, Dai Y F. American bridge long term performance research and its enlightenment [J]. Modern Transportation Technology, 2012, 9(2)∶ 18–21.

[3] インフラ長壽命化基本計畫 [R].インフラ老朽化対策の推進に関する関係省庁連絡會議, 平成25年11月.

[4] 吳文娟, 趙偉. 道路資產管理系統簡介 [J].中外公路, 2012,31(1)∶ 253–258.

Wu W J, Zhao W. Brief introduction of road asset management system [J]. Journal of China & Foreign Highway, 2012, 31(1)∶253–258.