京张高速铁路绿色设计与创新研究

王洪宇

(中铁工程设计咨询集团有限公司, 北京 100055)

党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央从中国特色社会主义事业“五位一体”的总体布局出发，遵循发展规律，顺应人民期待，对深入实施可持续发展战略，推进生态文明建设作出重要部署。随着我国经济由高速增长阶段转向高质量发展阶段，贯彻新发展理念，实现绿色发展将成为今后一段时期经济社会发展的重要方向。在这一时代背景下，大力倡导铁路绿色设计，积极推进绿色铁路建设是促进我国经济可持续发展的内在要求，也是提升中国高铁国际竞争力的重要举措。

1 绿色铁路与铁路绿色设计

1.1 绿色铁路

绿色铁路是一个综合概念，涵盖铁路建设、运维的整个生命周期，包括铁路绿色规划、绿色设计、绿色建造、绿色运营等。熊风、杨立中等人[1]提出的“绿色铁路”概念为：以环境价值为尺度，运用各种绿色技术，在确保铁路运输安全、快捷、高效的前提下，不断减小铁路及配套设施对生态环境的负面影响，同时具有良好的经济性和可持续发展能力的铁路。其中，绿色技术包括能减少环境污染、降低能源消耗和改善生态条件的技术体系。

绿色铁路范畴包括了铁路建设中的生态环境保护、水土保持、地质灾害防治以及铁路运营、维护中的污染控制，它能使铁路占地少、能耗低、污染小、成本低、运量大、全天候运行的优势得到充分发挥，能够有效降低单位运量对土地、能源等资源的占用或消耗。

1.2 铁路绿色设计

铁路绿色设计是指在铁路规划、选线、设计各阶段，全面贯彻绿色、环保、节能等设计理念，考虑铁路设计、建造及运营等全生命周期的环境属性并将其作为设计目标，采用新技术、新材料、新工艺，实施铁路绿色生态、环境保护、节能减排设计。

2 工程概述

新建北京至张家口高速铁路简称“京张高铁”，是举办北京冬奥会的重要交通配套基础设施，是国家铁路中长期规划网中“八纵八横”铁路网干线之一的京兰通道的重要组成部分，也是京津冀城际铁路网的重要组成部分，兼顾市郊铁路功能。线路起始于北京枢纽北京北站，沿既有京张铁路和路径，经过北京市海淀区、昌平区、延庆区，穿越八达岭、跨越官厅湖，经河北省张家口市怀来县、下花园区、宣化区，终至张家口地区的张家口站(图1)，正线全长约174 km，共设10座车站，桥隧比为66%。

图1 京张高铁线路平面示意

3 京张高铁绿色设计的指导思想与设计理念

京张高铁既是2022年北京冬奥会的交通保障线，也是传承老京张铁路百年历史的文化线，加之京张高铁穿越众多历史、人文景点，打造一条绿色、景观、人文铁路是国家和社会赋予的历史使命。

为落实习近平总书记在北京城市规划建设和北京冬奥会筹办工作座谈会上的重要讲话精神，实现国铁集团建设“精品工程、智能京张”的总体目标，设计单位以“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念为引领，践行“不忘人民铁路为人民的初心，牢记打造高标准铁路产品的使命”[3-4]，遵循绿色办奥理念，通过统筹化设计、建设“智能京张”、“绿色京张”，将京张高铁打造为精品示范工程、文化传承线路，以此支撑北京冬奥会交通保障，树立绿色高铁中国名片。

京张高铁绿色设计的指导思想为：贯彻生态文明思想，践行绿色交通理念，支撑交通强国建设。绿色设计理念主要体现在安全舒适、生态环保、低碳节约、智慧高效、景观融入、品质提升等六个方面，努力在京张高铁全寿命周期内，最大限度地节约资源(节地、节能、节水、节材)，保护环境、减少污染和提升景观[9]。

4 京张高铁绿色设计创新

4.1 节约资源

节约资源对于国民经济和社会发展具有重要意义。坚持经济节约，最大限度减少资源浪费是新时代铁路建设高质量发展的必然要求。

4.1.1 节地

土地资源是人类赖以生存和发展的物质基础，京张高铁北京段因其特殊的地理位置，沿线土地资源稀缺。设计中，在满足运输功能要求、方便旅客出行的前提下，坚持绿色选线原则，最大限度节约土地，降低线路对城市规划及环境敏感区的影响。

(1)中心城区采用地下线方案。京张高铁从既有北京北站引出，向北穿越北京中心城区，五环内区段沿线分布多个高校、商业区、居民区，交通设施、市政管网等建构筑物密集，地面条件复杂。在选线阶段，系统研究了城区线路敷设方式，就地下线和地面线方案进行系统比选。以减少占地，降低铁路对周边环境影响作为确定线路方案最重要的因素之一，最终选定地下线方案(图2)，有效节约土地资源。

图2 京张高铁中心城区内地下线方案线路纵剖面示意

(2)与既有交通设施采用共通道设计。绿色选线阶段利用现有铁路或公路通道开展集约型“共通道设计”研究，充分利用土地资源。在北京北至昌平段，根据西直门地区及老京张铁路沿线现状及未来规划，在北五环外新设清河站，与北京北站形成一主一副的客站布局，妥善安置清河老站房[3]，选择沿老京张铁路廊道走行(图3)，避免了对城市的再次分割，最大限度减少了沿线的用地和征拆。在跨越官厅水库段，经充分论证，最终确定与京藏高速公路共通道、跨越水域面积最小的线路方案，减少了用地分割，降低了对官厅水库景观和水体的影响。

图3 京张高铁利用老京张铁路共通道设计线路示意

4.1.2 节能

京张高铁在规划设计中，始终坚持节约能源的基本国策，贯彻绿色理念，对照节能标准，进行系统研究，从源头降低能源消耗，有效提高项目能效水平。

(1)在线路选线中，选用较大的曲线半径和较大坡长、较小的坡度差，有效减少运营期机车牵引能耗。在车站选址中，结合城市规划和多种交通衔接方式，与城市、自然环境充分融合并强化一体设计，创造性地提出了绿色规划设计的五种融合模式：城市中心采用融入模式(北京北站)；城市连接处采用织补模式(清河站)，见图4；城市边缘采用引领模式(张家口站)；历史古迹点采用消隐模式(八达岭长城站)；自然环境点采用共生模式(太子城站)。充分体现了科学化统一布局、现代化功能融合和各种交通方式无缝衔接的“畅通融合”、“站城一体”绿色设计新理念，实现了“车站与城市、建设与运营、智能与服务”的完美有机融合[4]。

图4 清河站融合设计示意

(2)在站房设计中，贯彻“绿色、节能、环保”的设计思想，应用了智能百叶遮阳技术、清水混凝土技术等多项绿色技术，新建站房均达到二星绿色铁路客站标准，清河站、八达岭站、太子城站、张家口达到三星绿色铁路客站标准。清河站成为全国首个采用TB/T 10429—2014《绿色铁路客站评价标准》进行评价并同时取得美国绿色建筑委员会颁发的LEED(绿色能源与环境设计先锋奖金奖)金级预认证的车站[5]，建筑节能率达到67.3%。

(3)在供电系统中，选用AT供电方式，合理设计牵引供电方案。在设备选用方面，大面积采用节能光源，电力变压器、空调、热泵和通风机等通用设备选用满足相应1级能效的产品，提高能源利用效率和能效水平。

4.1.3 节水

为最大限度地节约水资源，设计中开展了智能化节水技术关键路径研究，主要包括节水系统、节水器具与设备、非传统水源利用等。

(1)打造智能节水系统。给排水各系统选用密闭性能好的阀门、设备，使用耐腐蚀、耐久性能好的管材、管件。每个用水构筑物外和室内各用水点处均设无线远传水表，自动化操作，实时监督用水管理，及时上报管网漏水、仪表故障等问题，实现精准智能管理。

(2)优选节水器具设备。设计采用较高用水效率等级的给排水卫生器具，如采用带恒温控制和温度显示调节功能的淋浴器。绿化灌溉采用节水灌溉末端装置，同时设置土壤湿度感应器，雨天关闭装置等节水措施。空调系统采用节水冷却技术，循环冷却水系统设置水处理措施，避免冷却水泵停泵时冷却水溢出。

(3)合理使用非传统水源。设计采用市政中水进行道路冲洗、车库地面冲洗等。结合雨水利用设施进行景观水体设计，景观水体利用雨水的补水量大于其水体蒸发量60%，且采用生态水处理技术保障水体水质。

4.1.4 节材

设计中积极推广应用新型节能材料、工艺、和装备，加强新旧设施更新利用，实现建筑施工材料、废旧材料等资源化利用。

(1)在路基工程中，针对铁路运营安全要求高、植物护坡人工养护困难等特点，深化岩质深路堑边坡绿色柔性结构的深层稳定加固设计，开展了GPI岩质边坡植被建造及锚拉式岩质边坡绿色防护等技术创新[6]，解决了岩质边坡无创化生态修复难题，节约传统材料，生态防护效果良好。

(2)在桥梁工程中，为避免盲目追求“一桥一景”的景观效应，造成资源浪费，以绿色设计为准则，采用简洁的桥梁体系，统一结构尺寸，进行标准化设计，实现简化施工工艺，节约施工用料。根据能源消耗最小原则，准确分析结构受力，合理确定结构尺寸、配筋及结点设计，在保证结构安全的前提下，将材料消耗降到最低。

(3)在站房工程中，秉承“重结构、轻装修、简装饰”的设计理念。清河站地下换乘大厅内，桥柱、盖梁均采用清水混凝土一次浇筑成型、不做二次装饰，利用现浇混凝土的自然表面效果作为饰面，整个空间现代自然、绿色环保。太子城站地下一层公共区所有桥梁柱均利用清水混凝土一次浇筑成型，并进行篆刻工艺雕刻，形成独特的室内景观。八达岭长城站站房区域也采用大面积清水混凝土饰面，天然、庄重，体现出建筑原始美感。

4.2 保护环境

环境保护设计是京张高铁绿色设计的重要组成内容，除在铁路选线与选址开展生态环境保护设计外，还大量采用新型环保设计，对施工期和运营期噪声、振动、水、大气、固体废物等进行了系统防治，最大程度恢复铁路范围内生态功能，并以项目为依托，制定了《铁路工程绿化设计和施工质量控制标准(北方地区)》。

(1)沿线路基、桥梁、站区、取弃土场等系统开展了绿色通道设计(图5)，包括沿线自然条件差异性生态设计和绿化植物生态多样性设计等，达到了稳固土体、保持水土、美化环境、降低投资及提高工程生态功能的目的，实现了自然环境与工程的融合。

(2)深化高路堤边坡浅层高强土工格室固土防护技术研究，开展了路基坡面新型土工材料辅助固土及与坡面整体性衔接设计，提高了坡面的整体稳定性和生态防护效果。

图5 京张高铁绿色通道

(3)首次应用智能滴管灌溉技术[7](图6)，解决了高铁运营后边坡植物浇水养护的困难，同时利于节约用水，体现了智能建造及节能减排的设计理念。

(4)在南口、居庸关、新八达岭隧道等洞口边坡采用绿色加筋格宾设计，一方面对岩石洞口开挖创面进行结构性防护，另一方面为植被生长提供必要的生长基床，取得理想的生态绿化效果，有效解决八达岭景区植被施工破坏、创伤绿化困难等问题。

图6 智能滴管灌溉系统

(5)针对噪声和振动敏感点，沿线设置多个耐候性声屏障、隔声窗等降噪措施，或采用减振无砟轨道，有效减少运营期对环境的影响。

(6)针对八达岭隧道下穿老京张铁路青龙桥车站最小洞顶覆土厚度仅4 m的情况，创新性提出微震微损伤精准爆破技术，实现了爆破振动精准控制，确保了老京张铁路运营安全。

(7)官厅水库特大桥穿越库区采用顶推施工设计、高耐候涂装体系、泥浆分离设备，设置了雨、污水收集系统等；桥梁、隧道采用泥浆循环利用技术，施工废水经沉淀池处理后再利用；八达岭地下站采用清污分离排水系统设计[12]，实现了地下水清水再利用、污废水经环保处理后纳入市政管网的环保目标，最大限度减少了地表水和地下水污染。

4.3 提升景观

设计中，深入开展景观化设计提升通道品质，根据沿线自然景观和人文景观将京张高铁划分为五大景观分区[4](图7)，分别为城郊风光段、关塞风光段、大泽风光段、燕北风光段、雪国风光段。五大景观分区深入融合了沿线的自然资源、地貌特征、城镇布局、地域文化等因素，并以此作为开展全线景观设计的依据，着力构建绿色生态长廊，发挥绿色生态铁路作用。

图7 京张高铁五大景观分区示意

4.3.1 区间景观设计

统筹兼顾生态效益、环境功能和美学特征，基于行车理论研究，结合不同区段列车速度、视觉舒适度的研究，划定视觉敏感区域为重点景观设计区域。从色彩搭配、视觉美感、空间尺度等方面着手开展沿线景观设计。

(1)在大风、寒冷、干燥的气候特点下，开展了寒冷地区城市景观观赏性灌木适应性研究，完成了“五彩冬梦”、“飞越四海”、“继往开来”等路基植物景观设计，将奥运精神和奥运文化通过植物景观融入京张高铁。

(2)八达岭长城景区九仙庙中桥(图8)诠释了“天人合一，效法自然，和谐包容”设计理念，采用最具历史文化特色的拱桥设计将京张高铁融入自然环境。

(3)官厅水库特大桥属全线景观分区中大泽风光段，结合“轻质、大跨、环保”的设计理念，采用由8个曲弦拱梁组成的拱形钢桁梁跨越官厅水库(图9)，如一道彩虹跨越宽阔平静的官厅湖面，桥梁结构富有韵律，造型优美，与湖面交相辉映，成为一道亮丽的风景。

图8 九仙庙中桥景观设计

图9 官厅水库特大桥全景

(4)隧道重点景观洞门采用“地域元素、自然融合、简洁实用、美观大方”的设计理念，开展了“古韵传承”、“峰台桥映”、“城台夕照”(图10)等洞门景观设计，将绿化工程与长城等元素的景观洞门设计相结合，让工程与自然景观更和谐，增添了古典与现代的融合美。

图10 “城台夕照”洞门效果图及实景

4.3.2 站区景观设计

结合全线系统景观分区，对京张高铁客站区范围内房屋、城市广场、景观绿化等进行统筹考虑，开展了“一站一景”一体化设计及站房文化主题设计[7]。

京张高铁文化性、艺术性表达核心理念为“天地合德，百年京张”，全线10座车站均明确了不同的文化主题，如北京北站“通合”主题、清河站“不息”主题、八达岭长城站“丰碑”主题、太子城站“无界”主题等。为做好文化性表达，提炼了四种视觉符号“人字纹”、“苏州码子”、“山水视界”和“五行五色”融入站房空间设计。

4.3.3 附属景观设计

(1)照明景观。以官厅水库特大桥景观照明设计为例，采用传统与现代、光线与造型、速度与激情结合的设计思路，桥梁景观照明共设有：神龙戏水、二龙戏珠、五环奥运、烟花璀璨、复兴繁荣等多个有机衔接的动态照明主题，通过采用独立的智能照明控制系统，实现区域控制、模式控制、定时控制。

(2)声屏障景观。京张高铁封闭式声屏障在满足环境敏感点隔声降噪环保功能的同时，结合周边环境及京张特点提出了“京张砖韵”方案，融入了老京张铁路的文化与景观元素。

4.4 绿色建筑技术

模块化设计是绿色设计未来发展的重要方向，京张高铁在设计中大量采用模块化设计、装配式施工，构件易于制造、装配、更换，有效缩短工期，降低施工费用，大幅提升设计、建造水平。

4.4.1 盾构隧道模块化设计

清华园隧道盾构管片、水沟、电缆槽等均采用工厂化预制、现场拼装，并首次采用全预制拼装式轨下结构[10](图11)，在此基础上研发了机械化拼装机器人，建立了盾构隧道施工信息化、可视化的智能建造系统。轨下结构建造工厂化、机械化、专业化和智能化，促进了设计与施工的全面创新，提高了功效和工程质量，大幅度改善了作业环境，践行了绿色建造理念。

图11 清华园隧道全预制拼装式轨下结构

4.4.2 桥梁结构模块化设计

京张高铁全线应用具有自主知识产权的标准梁桥技术，大规模采用模块化、标准化设计，缩短施工工期，降低施工费用，也为大规模工场化预制创造条件，实现了铁路工程模块化、集约化的绿色环保设计理念。全线重点控制性工程官厅水库大桥，主桥钢梁长度达880 m，为多联多跨结构，且跨越北京市备用水源地、一级水源保护区官厅水库库区，环保要求极为严格。设计中为减少涉水工程对水体的影响，拱形钢桁梁全部采用装配化设计、顶推施工就位的方案[11](图12)，确保施工安全。

5 绿色高铁在中国的发展展望

2020年10月，党的十九届五中全会审议通过了《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标的建议》，将“生态文明建设实现新进步”和“生态环境根本好转”作为重要目标，“推动绿色发展，促进人与自然和谐共生”作为重要举措。今后一段时期，绿色发展将是我国经济建设的主旋律和内动力，京张绿色高铁的成功建设，打造了我国绿色高铁新标准，树立了绿色高铁的中国名片，必将引领中国高铁实现持续的绿色发展和科技创新。