“綠色鐵路設(shè)計”核心理念的界定及應(yīng)用探討—以某進藏鐵路工程為例

李艷鴿，姜楠，韓征，黃健陵，冉墨文

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2.中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院有限公司，北京 100038)

21世紀以來，鐵路線網(wǎng)的迅速擴展加快了我國現(xiàn)代化進程節(jié)奏，大幅縮短了區(qū)域時空距離，帶動了沿線區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展。根據(jù)國家“十四五”規(guī)劃綱要中鐵路發(fā)展規(guī)劃以及中國鐵路2035年發(fā)展重要目標，建設(shè)現(xiàn)代化交通體系、疏通偏遠艱險地區(qū)的“斷頭路”、強化鐵路工程綠色設(shè)計、解決西部鐵路“留白”太多等問題已成為現(xiàn)階段交通所關(guān)注的重點。在這一進程中，綠色鐵路有助于減少工程對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的負效應(yīng)，將有利于提升區(qū)域間的融合性和貫通性，實現(xiàn)鐵路建設(shè)全壽命周期各階段的綠色環(huán)保[1]，推動綜合交通運輸網(wǎng)絡(luò)綠色化進程發(fā)展。相較于鐵路工程，綠色設(shè)計在建筑設(shè)計、公路交通等其他方面起步較早。王建國[2]通過挖掘以往城市建設(shè)時忽視自然生態(tài)的特點和規(guī)律，認為需要創(chuàng)造一個人與自然和諧共存的建筑環(huán)境。隨后，張建國等[3]在此基礎(chǔ)上進一步明確了綠色建筑在全壽命周期內(nèi)的基本原則和基本框架，將綠色建筑劃分為“目標說”和“過程說”2個層面，指出應(yīng)當從不同著眼點動靜結(jié)合發(fā)展。高昌等[4]將環(huán)保設(shè)計融入到總體設(shè)計和可行性研究階段中，探究了綠色交通設(shè)計的理念，并強調(diào)要做好公路工程對自然環(huán)境的影響分析，進而在三階段設(shè)計中就要考慮減少工程對環(huán)境的影響。王雷[5]則認為在綠色交通建設(shè)理念下的規(guī)劃設(shè)計，需要協(xié)調(diào)利用交通和土地，優(yōu)化交通體系，降低交通壓力。為了緩解中長距離區(qū)域交通壓力以及帶動地方經(jīng)濟發(fā)展，我國鐵路的運營里程不斷創(chuàng)下紀錄。然而，傳統(tǒng)鐵路工程的建設(shè)多從經(jīng)濟層面和施工技術(shù)層面進行考慮，卻較少從一個較為宏觀、廣闊的視角對鐵路工程整體的可持續(xù)發(fā)展進行衡量。山體滑坡的加劇，有害氣體的排放，噪聲水體的污染無不對生態(tài)環(huán)境造成了巨大的壓力。因此，出于對施工階段和運營階段環(huán)境污染破壞的控制，綠色鐵路設(shè)計勢在必行。為確保鐵路周邊生態(tài)環(huán)境和既有建筑物的保護工作在實施過程中具有良好的規(guī)范性和整體性[6]，發(fā)達國家相繼針對鐵路線路發(fā)布了相應(yīng)的規(guī)程標準。美國和日本分別于1965年和1976年頒布了《鐵路綠化規(guī)定》和《鐵路綠化技術(shù)基準》[7]，隨后歐盟也發(fā)布了這一方面的交通運輸白皮書。這些政策和規(guī)程的出臺，體現(xiàn)出各國對鐵路綠色建設(shè)發(fā)展的重視，也更加凸顯了綠色鐵路設(shè)計是時代的必然要求。我國鐵路工程具有大規(guī)模、高頻次的建設(shè)特點，多年鐵路建設(shè)過程中累積的經(jīng)驗教訓(xùn)為我國在綠色鐵路設(shè)計方面的發(fā)展提供了不少寶貴經(jīng)驗，也產(chǎn)出了不少代表性成果。例如，熊風等[8]以經(jīng)濟發(fā)展、社會進步、資源利用以及生態(tài)環(huán)境4個方面的持續(xù)發(fā)展為基礎(chǔ)，綜合探究了綠色鐵路建設(shè)的協(xié)調(diào)發(fā)展和辯證統(tǒng)一。盛暉等[9]則將綠色建筑設(shè)計與鐵路相結(jié)合，運用于鐵路旅客站建筑，并總結(jié)歸納了鐵路旅客站與公共建筑的主要不同點和特性，為規(guī)范鐵路旅客站的綠色設(shè)計、施工全過程提供了很好的參考。孫永福等[10]提出綠色鐵路工程要以優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計、全面升級轉(zhuǎn)型為出發(fā)點，全面深化鐵路工程建設(shè)，提升人民生活質(zhì)量?？傮w而言，綠色設(shè)計理念在已有研究中較多見于建筑和公路交通等方面，對于鐵路工程而言，除了旅客站之外，涉及較少。同時，存在綠色鐵路設(shè)計概念不統(tǒng)一，且易與綠色施工和綠色運營混淆的問題。除此之外，諸如在我國西部生態(tài)敏感、極端環(huán)境等復(fù)雜特殊情況的鐵路線路，也必須根據(jù)其獨特現(xiàn)狀，從綠色設(shè)計角度進行考慮。因此，針對這些問題，本文開展鐵路工程綠色設(shè)計概念及內(nèi)涵研究工作，探究鐵路工程綠色設(shè)計存在的挑戰(zhàn)及其解決思路，以期為今后生態(tài)環(huán)境保護要求較高的鐵路工程綠色設(shè)計提供參考。

1 綠色鐵路設(shè)計的基本概念

由于鐵路工程綠色設(shè)計理念界定不夠清晰，在實際工作開展中易產(chǎn)生混淆，導(dǎo)致無法清晰區(qū)分全壽命周期各階段的任務(wù)，影響后續(xù)工作進程。針對此問題，在此章節(jié)中對其內(nèi)容劃分和理念界定進行探討。

1.1 綠色與綠色設(shè)計

“綠色”是一種思想觀念和理念，是工程與環(huán)境和諧統(tǒng)一、發(fā)展與環(huán)境和諧統(tǒng)一的環(huán)保理念，是工程實施的環(huán)保目標。為了達到綠色的環(huán)保目標，必須通過綠色設(shè)計的手段來實現(xiàn)，即在工程的規(guī)劃設(shè)計階段，就必須圍繞綠色目標，從工程全壽命周期的角度來設(shè)計新技術(shù)、新材料和新工藝。因此，綠色設(shè)計是綠色的手段，而綠色既是綠色設(shè)計的目標，也是其核心理念。

1.2 綠色設(shè)計與鐵路工程的綠色設(shè)計

綠色設(shè)計涵蓋的專業(yè)方向面廣，包含了綠色建筑設(shè)計、綠色城市設(shè)計、綠色鐵路及公路設(shè)計等。在城鎮(zhèn)化進程的發(fā)展下，以及城市高密集人口模式的特征分布下，綠色建筑設(shè)計和綠色城市設(shè)計得到了極快的發(fā)展。大規(guī)模、短周期的城市高速建設(shè)發(fā)展特點，能夠迅速降低污染能耗、提升綠色回報[3]。從已有研究可以看出，綠色建筑大多從節(jié)能和節(jié)材2個方面入手，一般側(cè)重于建筑能源功耗控制和環(huán)保材料的應(yīng)用，偏于綠色設(shè)計的微觀技術(shù)層面。綠色城市設(shè)計則是站在一個更廣闊的視角，在保證物質(zhì)環(huán)境層面的基礎(chǔ)上，追求人類活動與自然生態(tài)的高度協(xié)調(diào)，研究城市理念、功能、結(jié)構(gòu)、標準和人之間的關(guān)系，偏于綠色設(shè)計的宏觀規(guī)劃層面。

不同于建筑和城市，鐵路工程存在施工周期長、作業(yè)面廣泛、線路輻射范圍狹長和沿線發(fā)展集中度低等情況。針對其特殊性，鐵路工程的綠色設(shè)計需要從宏觀規(guī)劃及微觀技術(shù)2個尺度進行思考。其一，鐵路工程是線狀工程，工程地域跨度大，在宏觀層面的規(guī)劃設(shè)計時就必須考慮到生態(tài)環(huán)保和節(jié)能減排。若在運維期邊施工邊轉(zhuǎn)型，將會極大地增加成本預(yù)算并且成效有限。因此，應(yīng)當在設(shè)計階段就注入“綠色思維”，縮減對沿線區(qū)域生態(tài)環(huán)境的負面影響。此外，相比城市規(guī)劃，鐵路工程有其獨特性，施工便道、取土場、棄渣場等大臨工程的規(guī)劃設(shè)計是鐵路建設(shè)中必不可少的。青藏鐵路在設(shè)計文件中就對大臨工程進行了明確規(guī)定，體現(xiàn)了工程與環(huán)境和諧統(tǒng)一、發(fā)展與環(huán)境和諧統(tǒng)一的環(huán)保理念[11]。其二，鐵路工程由混凝土工程、砌筑工程、四電工程等工程形式構(gòu)成，這些具體工程在設(shè)計施工中也需要從微觀技術(shù)層面考慮“四節(jié)一環(huán)?！钡睦砟?。例如，王洪宇[12]就微觀技術(shù)層面對京張鐵路工程綠色設(shè)計進行了界定和說明。

綜上所述，鐵路工程綠色設(shè)計的范疇包括了鐵路建設(shè)中的生態(tài)環(huán)境保護、水土保持、地質(zhì)災(zāi)害防治以及鐵路運營維護中的污染控制，目標是使鐵路占地少、能耗低、污染小、成本低、運量大、全天候運行的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，能夠有效降低單位運量對土地、能源等資源的占用或消耗。從微觀層面上來講，綠色鐵路設(shè)計需要提高單位工程的土地利用率，并且將對水土流失帶來的損害限制在可修復(fù)或可控范圍內(nèi)，保證建設(shè)全壽命周期的綠色環(huán)保。同時，在宏觀層面，綠色鐵路設(shè)計作為鐵路可持續(xù)發(fā)展的體現(xiàn)，要從生態(tài)環(huán)保、節(jié)能減排的角度出發(fā)，響應(yīng)鐵路規(guī)劃發(fā)展的思路進行選線。因此，必須要從宏觀規(guī)劃層面和微觀技術(shù)層面對鐵路綠色設(shè)計進行研究，如圖1所示。

圖1 綠色鐵路設(shè)計特點Fig.1 Design features of Green Railway

2 綠色鐵路設(shè)計的內(nèi)涵

綠色鐵路并不僅簡單指代線路周邊植被綠化及防止水土流失等，更需要從節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水角度出發(fā)，減少水源污染、聲光污染，強化災(zāi)害防治、信息化管理。而綠色設(shè)計，作為綠色鐵路各層次中最關(guān)鍵的一環(huán)，統(tǒng)籌建設(shè)全壽命周期全過程，對于規(guī)劃和協(xié)調(diào)綠色施工、綠色運營起著決定性作用。不僅如此，對于綠色設(shè)計的效果評價，需要將技術(shù)指標和評價體系相結(jié)合對其進行評定。同時，綠色設(shè)計的思想框架也是對綠色技術(shù)和綠色評價的有力支撐。

2.1 綠色設(shè)計與綠色施工和綠色運營的關(guān)聯(lián)關(guān)系

從目前的研究來看，與綠色設(shè)計有關(guān)的概念主要有綠色施工和綠色運營等。這些理念既有其關(guān)聯(lián)性，又在內(nèi)涵上存在區(qū)別，需要進行清晰界定。

綜合而言，綠色設(shè)計主要強調(diào)整體設(shè)計的思想，強調(diào)工程的全壽命周期設(shè)計方法，采用單獨的某一項技術(shù)不能稱之為實施了綠色設(shè)計。因此，綠色設(shè)計的重點在于工程的全壽命周期的整體設(shè)計。對于綠色施工，主要是指利用先進的施工管理技術(shù)對施工進度與施工質(zhì)量進行嚴格控制，以減少在施工過程中存在的資源浪費問題，即從施工技術(shù)和施工管理2個層面實現(xiàn)“四節(jié)一環(huán)保”的目標。例如，住建部發(fā)布的《綠色施工導(dǎo)則》定義綠色施工為工程建設(shè)中，在保證質(zhì)量、安全等基本要求的前提下，通過科學(xué)管理和技術(shù)進步，最大限度地節(jié)約資源與減少對環(huán)境產(chǎn)生負面影響的施工活動，實現(xiàn)“四節(jié)一環(huán)保”。而對于綠色運營，其核心主要是以環(huán)境價值為尺度，運用各種綠色技術(shù)，在確保鐵路運輸安全、快捷、高效的前提下，不斷減少鐵路及配套設(shè)施對生態(tài)環(huán)境的負面影響，使鐵路具有良好的經(jīng)濟性和可持續(xù)發(fā)展能力。

綜上，綠色設(shè)計主要是圍繞工程全壽命周期，從整體規(guī)劃和環(huán)保節(jié)能技術(shù)2個層面開展，每個階段都有其個性的綠色內(nèi)涵和綠色設(shè)計內(nèi)容。而綠色施工和綠色運營主要是圍繞工程某一階段使用能實現(xiàn)節(jié)能減排和降低環(huán)境影響的具體技術(shù)。

2.2 綠色設(shè)計與綠色技術(shù)和綠色評價之間的邏輯

綠色設(shè)計、綠色技術(shù)和綠色評價存在共通性，也存在差異性。其中，綠色設(shè)計涵蓋了綠色技術(shù)，而綠色評價主要指對綠色設(shè)計的實施效果及理念的評定。綠色評價不僅涉及節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水和節(jié)材等綠色技術(shù)指標，還應(yīng)該考慮綠色設(shè)計所包含的工程全壽命周期中施工管理和線路運營方面的綠色評估。因此，綠色評價的指標體系構(gòu)建，應(yīng)當遵循以綠色設(shè)計為目標，按照環(huán)境對象、工程對象、生態(tài)對象的不同，采用整體性思維來對指標體系進行層次分析和分類，其中，節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水的綠色技術(shù)是指標體系的一個重要類別。綠色評價在以綠色設(shè)計為整體思想、綠色技術(shù)為細分手段的框架內(nèi)，對成本經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)保、綠色節(jié)能和社會資源等方面進行獨立評價，再解析綜合權(quán)重因子協(xié)同作用下的主導(dǎo)因子。

綜上，綠色鐵路設(shè)計的目標在于實現(xiàn)鐵路生態(tài)環(huán)保和節(jié)能減排，其內(nèi)涵在于工程全壽命周期的整體設(shè)計，其實現(xiàn)手段的關(guān)鍵在于新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備等綠色技術(shù)的應(yīng)用，且需要在工程全壽命周期中不斷通過綠色評價進行調(diào)整。因此，綠色鐵路設(shè)計可以定義為在鐵路設(shè)計、建設(shè)及運營的工程全壽命周期內(nèi)，考慮鐵路工程的環(huán)境屬性并將其作為設(shè)計目標，從宏觀規(guī)劃和微觀技術(shù)2個層面，采用新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備等實施手段貫徹“四節(jié)一環(huán)?！崩砟睿⒔Y(jié)合綠色評價進行動態(tài)調(diào)整，全面提升鐵路工程生態(tài)環(huán)保、節(jié)能減排能力。

3 某西部鐵路工程綠色設(shè)計的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

進藏鐵路是我國關(guān)乎西藏地區(qū)發(fā)展百年大計的世紀工程，對于沿線地區(qū)政治、經(jīng)濟等方面的發(fā)展具有重大意義[13]。線路沿線地殼板塊活動頻繁，高山深谷地貌分布密集，現(xiàn)場地質(zhì)情況復(fù)雜，工程施工條件惡劣，自然生態(tài)敏感脆弱[14?16]。種種特殊地域性因素都表明該鐵路的設(shè)計、建設(shè)與運維必定有別于普通鐵路工程，必須要深度契合工程的獨特現(xiàn)狀去開展研究，秉承“四節(jié)一環(huán)?！钡睦砟钸M行綠色設(shè)計，通過“新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備”等手段實現(xiàn)鐵路工程建設(shè)(如圖2所示)。

圖2 某鐵路綠色設(shè)計關(guān)鍵問題的解決路線Fig.2 Key problems and their solutions regarding Green design for the chosen Railway for example

3.1 考慮生態(tài)環(huán)境影響的綠色設(shè)計

由于鐵路穿越地區(qū)生態(tài)環(huán)保重點多，環(huán)境敏感區(qū)分布密集，環(huán)境保護要求極為嚴格。國家級保護區(qū)密集，瀕臨滅絕動植物分布零散、種類繁多，生存環(huán)境艱險，保護壓力巨大。面對這種嚴峻的狀況，鐵路在選線時就需要開展生態(tài)環(huán)境保護設(shè)計工作。同時，采用新型環(huán)保設(shè)計，能夠保證在施工期最大程度地遏制和預(yù)防噪聲、振動、大氣、固體廢棄物等在高原難以解決的問題，并在運營期盡可能地達成系統(tǒng)防治，使得鐵路沿線免于遭受生態(tài)破壞，更快地將有著生態(tài)惡化趨勢的區(qū)域恢復(fù)到原有生態(tài)狀況。

3.2 考慮經(jīng)濟成本的綠色設(shè)計

受復(fù)雜地質(zhì)條件影響，該鐵路線路上需要橫穿眾多南北走向的山脈峽谷[17]，一些區(qū)段施工難度極大，且極易受到滑坡、泥石流等災(zāi)害沖擊，水土保持任務(wù)嚴峻，也給沿線制梁場、混凝土拌合站、取棄土場等大臨工程的選址帶來極大的不便。此外，夏季的高溫照射，使得原本堅固的季節(jié)性凍土出現(xiàn)融凍現(xiàn)象，誘發(fā)破壞力更強的冰雪融水泥石流以及不均勻沉降，為該鐵路的建設(shè)帶來不小的挑戰(zhàn)。因此，大臨工程與線路主體結(jié)構(gòu)一并規(guī)劃，既能考慮沿線自然條件差異性帶來的不便，系統(tǒng)地進行綠色通道開發(fā)設(shè)計，又能站在更加全面、專業(yè)的角度解決成本過高的問題。通過對大臨工程進行技術(shù)層面的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計，能夠減少對能源和資源的額外損耗，壓縮單位運量下的經(jīng)濟成本，從單邊粗放型經(jīng)濟模式調(diào)整至綠色精細型經(jīng)濟模式。

3.3 考慮施工環(huán)保健康的綠色設(shè)計

該鐵路橋隧占比高，長大深埋隧道多，這些隧道工程的施工作業(yè)不僅易受涌水突泥等施工安全事故影響[18]，同時還面臨著隧道出渣量大、運輸效率低的問題。隧道施工的出渣運輸一直是掣肘工程進度的一大難題，如何在污染最小化的情況下完成隧道出渣的合理高效運輸就顯得尤為重要。對此，需要結(jié)合隧道現(xiàn)場情況提前分析并設(shè)計無軌運輸線，借助排隊論的方法，綠色精準地確定土石方裝載機和自卸車的合理比例，在保證高效運轉(zhuǎn)的同時減少設(shè)備能源的損耗。同時，圍繞“新設(shè)備、新技術(shù)”的發(fā)展方向，借助機械電動化技術(shù)，采用純電動裝載機和自卸車[19]，實現(xiàn)零排放、無污染，降低使用成本，緩解由于隧道通風問題所引發(fā)的工作人員健康安全問題。

3.4 考慮水文環(huán)境保護的綠色設(shè)計

線路施工開挖會破壞地下水流場的平衡、施工作業(yè)產(chǎn)生的廢水會導(dǎo)致地表生態(tài)污染，以及施工過程中用水取水條件苛刻等一系列問題，都可能加劇該鐵路在施工階段對生態(tài)環(huán)境的影響，而預(yù)先依照綠色理念進行設(shè)計則能夠最大程度化解工程建設(shè)與環(huán)境保護的矛盾，保證人類活動和生態(tài)環(huán)境的和諧統(tǒng)一。

隧道工程的建設(shè)必定會影響地下水環(huán)境平衡，破壞含水層結(jié)構(gòu)和圍巖力學(xué)的平衡[20]，地下水沿著圍巖縫隙流向其他水流，導(dǎo)致地下水位降低，使原有湖泊面積減少，水域支流收縮，對動植物的水資源獲取帶來不少困擾，生態(tài)環(huán)境愈發(fā)脆弱。施工用水中的有害離子含量應(yīng)控制在國家相關(guān)規(guī)范標準范圍內(nèi)，然而由于線路開挖所引發(fā)的水質(zhì)異常變化，將引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題。同時，施工后產(chǎn)生的污水廢水，將對生態(tài)環(huán)境造成二次傷害。因此，面對諸如此類的水源破壞和污染問題，針對高地熱、高礦物等特殊水文災(zāi)害情況，對高原非傳統(tǒng)水源使用問題進行設(shè)計研究顯得尤為重要。在設(shè)計階段提出革新水體處理的新工藝方案，采用生態(tài)水處理技術(shù)保護水體水質(zhì)，解決該鐵路在施工期內(nèi)水體高礦雜質(zhì)多、高海拔處理施工用水難的問題。通過揭示隧道內(nèi)水文地質(zhì)活動規(guī)律，提前對災(zāi)害情況作出應(yīng)對，修建綠色通道，降低對生態(tài)敏感區(qū)域的傷害。

綜上，進藏鐵路意義重大，線路沿線劇烈的內(nèi)部構(gòu)造活動、較大的地形起伏、復(fù)雜的現(xiàn)場地質(zhì)情況[21?22]、極敏感脆弱的自然生態(tài)環(huán)境等地域性不利因素都為該鐵路綠色設(shè)計帶來了更大的挑戰(zhàn)。因此，必須進一步明確綠色鐵路設(shè)計的內(nèi)涵與核心，并切實圍繞這一理念，從生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟成本、施工環(huán)保健康和水文環(huán)境保護4個維度進行細化，為對生態(tài)環(huán)境保護有著高標準、嚴要求的新建鐵路綠色設(shè)計提供參考。

4 結(jié)論

1) 從全壽命周期的角度出發(fā)，從宏觀規(guī)劃層面和微觀技術(shù)2個層面進行分析，梳理了目前對于綠色設(shè)計的主要研究，界定了綠色鐵路設(shè)計的內(nèi)涵和范疇，明確了其與綠色施工和綠色運營的關(guān)系，梳理了其與綠色技術(shù)和綠色評價的邏輯。

2) 根據(jù)綠色設(shè)計理念的界定，以某西部鐵路工程為例進行應(yīng)用探討，總結(jié)分析該線路頻繁的地殼活動、復(fù)雜的現(xiàn)場地質(zhì)情況、惡劣工程施工條件和極敏感脆弱的自然生態(tài)環(huán)境等地域性不利因素。

3) 針對某西部鐵路綠色設(shè)計階段可能面臨的挑戰(zhàn)，從生態(tài)環(huán)境影響、經(jīng)濟成本、施工環(huán)保健康和水文環(huán)境保護4個維度，對鐵路工程綠色設(shè)計的主要實施方式和技術(shù)手段進行探討，為今后生態(tài)環(huán)境保護要求較高的在建鐵路工程綠色設(shè)計提供參考。