“绿色铁路设计”核心理念的界定及应用探讨—以某进藏铁路工程为例

2022-12-13李艳鸽姜楠韩征黄健陵冉墨文

铁道科学与工程学报 2022年11期

李艳鸽，姜楠，韩征，黄健陵，冉墨文

(1.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075；2.中国铁路经济规划研究院有限公司，北京 100038)

21世纪以来，铁路线网的迅速扩展加快了我国现代化进程节奏，大幅缩短了区域时空距离，带动了沿线区域社会经济发展。根据国家“十四五”规划纲要中铁路发展规划以及中国铁路2035年发展重要目标，建设现代化交通体系、疏通偏远艰险地区的“断头路”、强化铁路工程绿色设计、解决西部铁路“留白”太多等问题已成为现阶段交通所关注的重点。在这一进程中，绿色铁路有助于减少工程对生态环境产生的负效应，将有利于提升区域间的融合性和贯通性，实现铁路建设全寿命周期各阶段的绿色环保[1]，推动综合交通运输网络绿色化进程发展。相较于铁路工程，绿色设计在建筑设计、公路交通等其他方面起步较早。王建国[2]通过挖掘以往城市建设时忽视自然生态的特点和规律，认为需要创造一个人与自然和谐共存的建筑环境。随后，张建国等[3]在此基础上进一步明确了绿色建筑在全寿命周期内的基本原则和基本框架，将绿色建筑划分为“目标说”和“过程说”2个层面，指出应当从不同着眼点动静结合发展。高昌等[4]将环保设计融入到总体设计和可行性研究阶段中，探究了绿色交通设计的理念，并强调要做好公路工程对自然环境的影响分析，进而在三阶段设计中就要考虑减少工程对环境的影响。王雷[5]则认为在绿色交通建设理念下的规划设计，需要协调利用交通和土地，优化交通体系，降低交通压力。为了缓解中长距离区域交通压力以及带动地方经济发展，我国铁路的运营里程不断创下纪录。然而，传统铁路工程的建设多从经济层面和施工技术层面进行考虑，却较少从一个较为宏观、广阔的视角对铁路工程整体的可持续发展进行衡量。山体滑坡的加剧，有害气体的排放，噪声水体的污染无不对生态环境造成了巨大的压力。因此，出于对施工阶段和运营阶段环境污染破坏的控制，绿色铁路设计势在必行。为确保铁路周边生态环境和既有建筑物的保护工作在实施过程中具有良好的规范性和整体性[6]，发达国家相继针对铁路线路发布了相应的规程标准。美国和日本分别于1965年和1976年颁布了《铁路绿化规定》和《铁路绿化技术基准》[7]，随后欧盟也发布了这一方面的交通运输白皮书。这些政策和规程的出台，体现出各国对铁路绿色建设发展的重视，也更加凸显了绿色铁路设计是时代的必然要求。我国铁路工程具有大规模、高频次的建设特点，多年铁路建设过程中累积的经验教训为我国在绿色铁路设计方面的发展提供了不少宝贵经验，也产出了不少代表性成果。例如，熊风等[8]以经济发展、社会进步、资源利用以及生态环境4个方面的持续发展为基础，综合探究了绿色铁路建设的协调发展和辩证统一。盛晖等[9]则将绿色建筑设计与铁路相结合，运用于铁路旅客站建筑，并总结归纳了铁路旅客站与公共建筑的主要不同点和特性，为规范铁路旅客站的绿色设计、施工全过程提供了很好的参考。孙永福等[10]提出绿色铁路工程要以优化规划设计、全面升级转型为出发点，全面深化铁路工程建设，提升人民生活质量。总体而言，绿色设计理念在已有研究中较多见于建筑和公路交通等方面，对于铁路工程而言，除了旅客站之外，涉及较少。同时，存在绿色铁路设计概念不统一，且易与绿色施工和绿色运营混淆的问题。除此之外，诸如在我国西部生态敏感、极端环境等复杂特殊情况的铁路线路，也必须根据其独特现状，从绿色设计角度进行考虑。因此，针对这些问题，本文开展铁路工程绿色设计概念及内涵研究工作，探究铁路工程绿色设计存在的挑战及其解决思路，以期为今后生态环境保护要求较高的铁路工程绿色设计提供参考。

1 绿色铁路设计的基本概念

由于铁路工程绿色设计理念界定不够清晰，在实际工作开展中易产生混淆，导致无法清晰区分全寿命周期各阶段的任务，影响后续工作进程。针对此问题，在此章节中对其内容划分和理念界定进行探讨。

1.1 绿色与绿色设计

“绿色”是一种思想观念和理念，是工程与环境和谐统一、发展与环境和谐统一的环保理念，是工程实施的环保目标。为了达到绿色的环保目标，必须通过绿色设计的手段来实现，即在工程的规划设计阶段，就必须围绕绿色目标，从工程全寿命周期的角度来设计新技术、新材料和新工艺。因此，绿色设计是绿色的手段，而绿色既是绿色设计的目标，也是其核心理念。

1.2 绿色设计与铁路工程的绿色设计

绿色设计涵盖的专业方向面广，包含了绿色建筑设计、绿色城市设计、绿色铁路及公路设计等。在城镇化进程的发展下，以及城市高密集人口模式的特征分布下，绿色建筑设计和绿色城市设计得到了极快的发展。大规模、短周期的城市高速建设发展特点，能够迅速降低污染能耗、提升绿色回报[3]。从已有研究可以看出，绿色建筑大多从节能和节材2个方面入手，一般侧重于建筑能源功耗控制和环保材料的应用，偏于绿色设计的微观技术层面。绿色城市设计则是站在一个更广阔的视角，在保证物质环境层面的基础上，追求人类活动与自然生态的高度协调，研究城市理念、功能、结构、标准和人之间的关系，偏于绿色设计的宏观规划层面。

不同于建筑和城市，铁路工程存在施工周期长、作业面广泛、线路辐射范围狭长和沿线发展集中度低等情况。针对其特殊性，铁路工程的绿色设计需要从宏观规划及微观技术2个尺度进行思考。其一，铁路工程是线状工程，工程地域跨度大，在宏观层面的规划设计时就必须考虑到生态环保和节能减排。若在运维期边施工边转型，将会极大地增加成本预算并且成效有限。因此，应当在设计阶段就注入“绿色思维”，缩减对沿线区域生态环境的负面影响。此外，相比城市规划，铁路工程有其独特性，施工便道、取土场、弃渣场等大临工程的规划设计是铁路建设中必不可少的。青藏铁路在设计文件中就对大临工程进行了明确规定，体现了工程与环境和谐统一、发展与环境和谐统一的环保理念[11]。其二，铁路工程由混凝土工程、砌筑工程、四电工程等工程形式构成，这些具体工程在设计施工中也需要从微观技术层面考虑“四节一环保”的理念。例如，王洪宇[12]就微观技术层面对京张铁路工程绿色设计进行了界定和说明。

综上所述，铁路工程绿色设计的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，目标是使铁路占地少、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。从微观层面上来讲，绿色铁路设计需要提高单位工程的土地利用率，并且将对水土流失带来的损害限制在可修复或可控范围内，保证建设全寿命周期的绿色环保。同时，在宏观层面，绿色铁路设计作为铁路可持续发展的体现，要从生态环保、节能减排的角度出发，响应铁路规划发展的思路进行选线。因此，必须要从宏观规划层面和微观技术层面对铁路绿色设计进行研究，如图1所示。

图1 绿色铁路设计特点Fig.1 Design features of Green Railway

2 绿色铁路设计的内涵

绿色铁路并不仅简单指代线路周边植被绿化及防止水土流失等，更需要从节能、节地、节水角度出发，减少水源污染、声光污染，强化灾害防治、信息化管理。而绿色设计，作为绿色铁路各层次中最关键的一环，统筹建设全寿命周期全过程，对于规划和协调绿色施工、绿色运营起着决定性作用。不仅如此，对于绿色设计的效果评价，需要将技术指标和评价体系相结合对其进行评定。同时，绿色设计的思想框架也是对绿色技术和绿色评价的有力支撑。

2.1 绿色设计与绿色施工和绿色运营的关联关系

从目前的研究来看，与绿色设计有关的概念主要有绿色施工和绿色运营等。这些理念既有其关联性，又在内涵上存在区别，需要进行清晰界定。

综合而言，绿色设计主要强调整体设计的思想，强调工程的全寿命周期设计方法，采用单独的某一项技术不能称之为实施了绿色设计。因此，绿色设计的重点在于工程的全寿命周期的整体设计。对于绿色施工，主要是指利用先进的施工管理技术对施工进度与施工质量进行严格控制，以减少在施工过程中存在的资源浪费问题，即从施工技术和施工管理2个层面实现“四节一环保”的目标。例如，住建部发布的《绿色施工导则》定义绿色施工为工程建设中，在保证质量、安全等基本要求的前提下，通过科学管理和技术进步，最大限度地节约资源与减少对环境产生负面影响的施工活动，实现“四节一环保”。而对于绿色运营，其核心主要是以环境价值为尺度，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，不断减少铁路及配套设施对生态环境的负面影响，使铁路具有良好的经济性和可持续发展能力。

综上，绿色设计主要是围绕工程全寿命周期，从整体规划和环保节能技术2个层面开展，每个阶段都有其个性的绿色内涵和绿色设计内容。而绿色施工和绿色运营主要是围绕工程某一阶段使用能实现节能减排和降低环境影响的具体技术。

2.2 绿色设计与绿色技术和绿色评价之间的逻辑

绿色设计、绿色技术和绿色评价存在共通性，也存在差异性。其中，绿色设计涵盖了绿色技术，而绿色评价主要指对绿色设计的实施效果及理念的评定。绿色评价不仅涉及节地、节能、节水和节材等绿色技术指标，还应该考虑绿色设计所包含的工程全寿命周期中施工管理和线路运营方面的绿色评估。因此，绿色评价的指标体系构建，应当遵循以绿色设计为目标，按照环境对象、工程对象、生态对象的不同，采用整体性思维来对指标体系进行层次分析和分类，其中，节能、节地、节水的绿色技术是指标体系的一个重要类别。绿色评价在以绿色设计为整体思想、绿色技术为细分手段的框架内，对成本经济、生态环保、绿色节能和社会资源等方面进行独立评价，再解析综合权重因子协同作用下的主导因子。

综上，绿色铁路设计的目标在于实现铁路生态环保和节能减排，其内涵在于工程全寿命周期的整体设计，其实现手段的关键在于新技术、新工艺、新材料、新设备等绿色技术的应用，且需要在工程全寿命周期中不断通过绿色评价进行调整。因此，绿色铁路设计可以定义为在铁路设计、建设及运营的工程全寿命周期内，考虑铁路工程的环境属性并将其作为设计目标，从宏观规划和微观技术2个层面，采用新技术、新工艺、新材料、新设备等实施手段贯彻“四节一环保”理念，并结合绿色评价进行动态调整，全面提升铁路工程生态环保、节能减排能力。

3 某西部铁路工程绿色设计的应用与挑战

进藏铁路是我国关乎西藏地区发展百年大计的世纪工程，对于沿线地区政治、经济等方面的发展具有重大意义[13]。线路沿线地壳板块活动频繁，高山深谷地貌分布密集，现场地质情况复杂，工程施工条件恶劣，自然生态敏感脆弱[14−16]。种种特殊地域性因素都表明该铁路的设计、建设与运维必定有别于普通铁路工程，必须要深度契合工程的独特现状去开展研究，秉承“四节一环保”的理念进行绿色设计，通过“新技术、新工艺、新材料、新设备”等手段实现铁路工程建设(如图2所示)。

图2 某铁路绿色设计关键问题的解决路线Fig.2 Key problems and their solutions regarding Green design for the chosen Railway for example

3.1 考虑生态环境影响的绿色设计

由于铁路穿越地区生态环保重点多，环境敏感区分布密集，环境保护要求极为严格。国家级保护区密集，濒临灭绝动植物分布零散、种类繁多，生存环境艰险，保护压力巨大。面对这种严峻的状况，铁路在选线时就需要开展生态环境保护设计工作。同时，采用新型环保设计，能够保证在施工期最大程度地遏制和预防噪声、振动、大气、固体废弃物等在高原难以解决的问题，并在运营期尽可能地达成系统防治，使得铁路沿线免于遭受生态破坏，更快地将有着生态恶化趋势的区域恢复到原有生态状况。

3.2 考虑经济成本的绿色设计

受复杂地质条件影响，该铁路线路上需要横穿众多南北走向的山脉峡谷[17]，一些区段施工难度极大，且极易受到滑坡、泥石流等灾害冲击，水土保持任务严峻，也给沿线制梁场、混凝土拌合站、取弃土场等大临工程的选址带来极大的不便。此外，夏季的高温照射，使得原本坚固的季节性冻土出现融冻现象，诱发破坏力更强的冰雪融水泥石流以及不均匀沉降，为该铁路的建设带来不小的挑战。因此，大临工程与线路主体结构一并规划，既能考虑沿线自然条件差异性带来的不便，系统地进行绿色通道开发设计，又能站在更加全面、专业的角度解决成本过高的问题。通过对大临工程进行技术层面的节能优化设计，能够减少对能源和资源的额外损耗，压缩单位运量下的经济成本，从单边粗放型经济模式调整至绿色精细型经济模式。

3.3 考虑施工环保健康的绿色设计

该铁路桥隧占比高，长大深埋隧道多，这些隧道工程的施工作业不仅易受涌水突泥等施工安全事故影响[18]，同时还面临着隧道出渣量大、运输效率低的问题。隧道施工的出渣运输一直是掣肘工程进度的一大难题，如何在污染最小化的情况下完成隧道出渣的合理高效运输就显得尤为重要。对此，需要结合隧道现场情况提前分析并设计无轨运输线，借助排队论的方法，绿色精准地确定土石方装载机和自卸车的合理比例，在保证高效运转的同时减少设备能源的损耗。同时，围绕“新设备、新技术”的发展方向，借助机械电动化技术，采用纯电动装载机和自卸车[19]，实现零排放、无污染，降低使用成本，缓解由于隧道通风问题所引发的工作人员健康安全问题。

3.4 考虑水文环境保护的绿色设计

线路施工开挖会破坏地下水流场的平衡、施工作业产生的废水会导致地表生态污染，以及施工过程中用水取水条件苛刻等一系列问题，都可能加剧该铁路在施工阶段对生态环境的影响，而预先依照绿色理念进行设计则能够最大程度化解工程建设与环境保护的矛盾，保证人类活动和生态环境的和谐统一。

隧道工程的建设必定会影响地下水环境平衡，破坏含水层结构和围岩力学的平衡[20]，地下水沿着围岩缝隙流向其他水流，导致地下水位降低，使原有湖泊面积减少，水域支流收缩，对动植物的水资源获取带来不少困扰，生态环境愈发脆弱。施工用水中的有害离子含量应控制在国家相关规范标准范围内，然而由于线路开挖所引发的水质异常变化，将引发一系列生态环境问题。同时，施工后产生的污水废水，将对生态环境造成二次伤害。因此，面对诸如此类的水源破坏和污染问题，针对高地热、高矿物等特殊水文灾害情况，对高原非传统水源使用问题进行设计研究显得尤为重要。在设计阶段提出革新水体处理的新工艺方案，采用生态水处理技术保护水体水质，解决该铁路在施工期内水体高矿杂质多、高海拔处理施工用水难的问题。通过揭示隧道内水文地质活动规律，提前对灾害情况作出应对，修建绿色通道，降低对生态敏感区域的伤害。

综上，进藏铁路意义重大，线路沿线剧烈的内部构造活动、较大的地形起伏、复杂的现场地质情况[21−22]、极敏感脆弱的自然生态环境等地域性不利因素都为该铁路绿色设计带来了更大的挑战。因此，必须进一步明确绿色铁路设计的内涵与核心，并切实围绕这一理念，从生态环境、经济成本、施工环保健康和水文环境保护4个维度进行细化，为对生态环境保护有着高标准、严要求的新建铁路绿色设计提供参考。