青藏高原地區鐵路隧道綠色施工水平綜合評價

李海文，鮑學英

青藏高原地區鐵路隧道綠色施工水平綜合評價

李海文，鮑學英

(蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

針對我國在鐵路隧道綠色施工的評價方法缺少，且隧道施工對環境破壞嚴重的現狀，通過深入了解青藏高原地區獨特的自然環境和隧道施工的特征，從土壤環境污染防治、固體廢棄物污染防治、大氣環境污染防治、自然資源破壞防治、資源合理利用、施工人員健康保護6個方面建立綜合評價指標體系。將向量夾角余弦法與二維云理論結合，構建基于向量夾角余弦-二維云的評價模型。用該模型對風火山隧道綠色施工水平進行綜合評價，并利用MATLAB軟件繪制二維綜合評價云圖反映綠色施工水平，最后通過計算貼近度確保評價結果的準確性。得出的結論與實際施工情況高度吻合，驗證了評價指標體系和評價模型的適用性和有效性。

青藏高原地區；鐵路隧道；綠色施工水平；向量夾角余弦法；二維云模型

隨著我國鐵路建設的不斷發展和完善，鐵路周邊生態環境破壞、資源消耗量大等問題日益嚴重，如何解決鐵路建設與環境保護、資源合理利用之間的矛盾，構建鐵路綠色施工評價的標準框架，成為鐵路建設部門主要關注的話題。近年來，許多專家學者針對鐵路綠色施工評價做出了大量的研究，黃喜兵等[1]從節地、節能、節約材料與材料資源、節水和環境保護5個方面出發建立了綠色施工評價指標體系，并利用二級模糊綜合評價方法對工程實例進行了模擬評價；王明慧等[2?3]提出一種簡單、可靠地突變級數法對鐵路客站和高速鐵路綠色施工水平進行了評價研究；鮑學英等[4]將灰色聚類法和雷達分析法結合構建了一種綜合評價鐵路綠色施工等級的模型；但是，現有文獻只是總體對鐵路綠色施工做出評價，沒有考慮到不同地區、特殊環境下綠色施工存在的差異，而且評價體系不夠全面細致，忽略了特殊地區自然資源保護、施工人員健康保障等重要因素。鑒于目前的研究現狀，本文選擇鐵路施工過程中最艱難且環境破壞嚴重、資源消耗量巨大的隧道工程作為研究對象；以自然環境特殊的青藏高原地區為研究背景，通過查閱資料、咨詢參與青藏鐵路隧道施工的專家，建立了青藏高原地區鐵路隧道綠色施工水平綜合評價指標體系；將向量夾角余弦法與二維云模型結合建立了一種基于向量夾角余弦?二維云模型的青藏高原地區鐵路隧道綠色施工水平綜合評價模型，并利用該模型從綠色施工措施的效果和經濟性兩方面對青藏鐵路風火山隧道進行了綜合評價，科學的評價出了該隧道的綠色施工水平。通過對青藏高原地區鐵路隧道綠色施工水平的評價研究，完善了鐵路隧道綠色施工評價的空缺，為鐵路隧道綠色施工評價提供了理論依據，對正在修建的川藏鐵路隧道綠色施工具有一定的參考價值。

1 綜合評價指標體系

基于現行GB/T 50905—2014《建筑工程綠色施工評價標準》中提出的“四節一環保”、施工人員安全的要求，以土壤環境污染防治、固體廢棄物污染防治、大氣環境污染防治、自然資源破壞防治、資源合理利用、施工人員健康保護6個一級指標為基準，結合青藏高原地區獨特的自然環境以及在這種環境下隧道施工的特點建立了青藏高原地區鐵路隧道綠色施工水平綜合評價指標體系。各指標含義解釋如下：

土壤環境污染主要是指施工產生的含重金屬的廢油、廢液，生活污水、廢水的不合理排放會污染青藏高原稀有土壤資源，破壞土壤的結構，而青藏高原地區土壤中含有大量維持土壤肥力的真菌和微生物[5]，土壤污染后肥力降低，缺乏營養物質，導致多年才形成的高寒草甸等特殊植被群落退化，且該地區土壤抗侵蝕能力弱，植被自然生產及自我恢復能力低下，恢復周期長，最終可能會導致土地沙化，水土流失；該地區土壤中還含有豐富的有機和無機碳，是我國重要的土壤碳庫[6?8]，一旦破壞對該地區大氣的碳氧平衡會造成嚴重的影響。

固體廢棄物污染主要是指施工產生的廢料、棄渣以及生活垃圾的不合理堆放覆壓該地區的稀有植被，因而棄渣場的選擇應以荒禿的土地為主并做好擋護措施，防治污染有機土壤，壓覆草原植被。

大氣環境污染主要是指施工機械產生的NO，SO2，CO氣體、隧道開挖、運輸的揚塵以及施工產生的有毒金屬顆粒污染含氧量不足且稀薄的高原空氣，因此對于大氣環境的保護措施是非常有必要的。

青藏高原地區自然資源極其豐富，各種潛在的金屬如鉀鹽、鉻鐵礦、銅、鉛鋅、金、鎳礦[9]比比皆是，隧道開挖必須做好對礦產資源的保護措施，該地區多為古老的地質層和特殊的巖質層，隧道開挖必然會破壞其結構，所以要做好必要的防治措施以免大面積破壞地質和巖層的結構，低溫永久凍土帶是青藏高原多年形成的土層，主要是由古冰川、現代冰川作用而形成的高原含土冰層，開挖隧道會破壞凍土層的結構，若開挖時不作保護措施，隧道內控溫不合理，一旦凍結層被熱擾或振動擊穿，將造成難以處理的熱融滑塌或冒頂事故，而且會造成運營期的滲漏水及凍害[10]；隧道口及周圍施工場地的珍稀物種必須移植合理安置，待施工結束后對施工場地進行植被修復處理，維護地貌景觀。

資源合理利用主要表現在水資源的節約及循環利用，由于氣溫極低施工機械大都為電力設備，加之隧道內控溫、照明、取暖，所以對電量的消耗很大，必須采取必要的措施節約使用電力資源。

綠色施工中施工人員的安全和健康是一項重要的衡量指標，隧道內施工必須配置防寒、保暖、供養的設備，防止對施工人員健康造成嚴重的 傷害。

通過對青藏高原地區隧道施工特征的深入了解，咨詢具有高級職稱并且參加該地區隧道施工的專家，參考《全國建筑業綠色施工示范工程申報與驗收指南》、《鐵路隧道工程施工技術指南》《青藏高原區域生態建設與環境保護規劃》及相關文 獻[11]，利用德爾菲法[12]進行指標篩選，最終選出23個細化指標，建立了青藏高原地區鐵路隧道綠色施工水平綜合評價指標體系，如圖1所示。

2 向量夾角余弦賦權法

1) 構造評價指標最優值向量和最差值向量[13]：

其中：

圖1 青藏高原地區鐵路隧道綠色施工水平綜合評價

Fig. 1 Comprehensive evaluation of green construction level of railway tunnels in the Qinghai-Tibet Plateau

3) 確定評價指標的夾角余弦權重

3 基于二維云模型的評價模型

3.1 云模型

二維云模型[14](Two-Dimensional Cloud Model, TDCM)是綜合評價2個影響因素共同作用下的隨機性和不確定性問題，通過將2個維度的定性概念與定量數據轉換綜合評價不確定性問題的優劣 程度。

式中：x和y為云滴坐標；P和P為條件云滴坐標；為超熵；μ為隸屬度。

3.2 綜合評價云

青藏高原地區鐵路隧道綠色施工的措施所達到的效果和其經濟性共同反映綠色施工水平的綜合評價結果，因此可以以評價指標為度量，選取效果等級和經濟等級作為綜合評價結果的2個基礎變量。邀請參加該地區隧道施工的專家以10分為滿分為二級評價指標進行打分，規定分值精度為0.1。這樣每個評價指標衡量的綠色施工措施的效果和經濟性分值分別形成一個云滴，組成該指標的綠色施工效果云和經濟云，統稱為二維綜合評價云。利用MATLAB逆向云發生器生成效果云和經濟云的數字特征。

式中：,,分別為樣本期望、熵和超熵；x為第位專家打分值，2為樣本方差，為專家數。

將二級效果云數字特征矩陣和經濟云數字特征矩陣分別與對應的權重向量矩陣進行合成，可得到一級效果云和經濟云的數字特征，進而可得最終綜合評價云的數字特征。

式中：，，分別是上一級評價指標的期望、熵和超熵。

表1 標準評價等級數字特征

3.3 標準云

將區間[0,10]平均分成5個標準評級區間，由式(12)可得每個區間的數字特征，具體的取值范圍等級描述和數字特征如表1所示。

3.4 綜合評價云圖

將最終得到的綜合評價云數字特征和標準云的數字特征輸入到MATLAB正向云發生器，可得到綜合評價云圖和標準云圖，通過對比分析可初步得出青藏高原地區鐵路隧道綠色施工水平的綜合評價等級。

3.5 貼近度

由于得出的綜合評價結果與標準云之間存在相似性，為了更加準確的得出綜合評價等級，利用貼近度來計算綜合評價結果與標準云的貼近程度，貼近度越大說明綜合評價結果越接近該貼近度對應的標準評價等級。

4 應用實例

根據鐵路隧道綠色施工的評價目標，選取青藏鐵路中比較典型的風火山隧道作為評價對象。風火山隧道[15](DIK1159+000～DIK1160+338全長1338 m)是目前世界上海拔最高的鐵路隧道，隧道地處多年低溫永久凍土帶，洞口多為含土冰層，洞內所經地層主要為泥巖和砂巖，且風化嚴重，洞內低溫干燥，缺氧、空氣稀薄，環境極其脆弱，而且該區域屬于可可西里自然保護區[16]，環境保存比較完整，高寒草甸、多年凍土一經破壞很難恢復。鑒于風火山隧道極其脆弱的施工環境，中鐵二十局集團聯合北京交通大學從該隧道施工技術、環境保護等方面展開研究，最終研究出適合該隧道的防排水及保溫施工技術、施工衛生保障技術和多年凍土隧道施工環境保護措施，其中環境保護措施包括了降低爆破熱能、移植高原植被、詳細比較選擇棄渣場、修建垃圾處理池等；施工衛生保障技術包括有氧吸附、低壓解吸的變壓吸附制氧工藝、隧道制氧站、隧道氧吧車等。綜上述可知，風火山隧道施工十分重視《建筑工程綠色施工評價標準》中提到的環境保護和對施工人員安全的要求。現用本文提出的評價模型對風火山隧道綠色施工水平進行綜合評價。

表2 效果等級和經濟等級評分值

邀請中鐵二十局集團和北京交通大學參加該隧道施工的6名專家按照綠色施工措施的效果和經濟性對評價指標進行打分，記為1和2，如表 2所示。

4.1 向量夾角余弦權重確定

將表2中的數據代入式(1)~(4)可得效果等級和經濟等級的最優和最差向量：

將效果等級和經濟等級的最優向量和最差向量代入式(5)和式(6)可得對應的偏差矩陣：

將偏差矩陣代入式(7)和式(8)可得二級指標的向量夾角余弦權重，同理，可得一級指標的向量夾角余弦權重，如表3所示。

表3 效果和經濟評價云數字特征

4.2 計算云數字特征

將表2中各二級指標的評分值代入式(10)可得二級評價云效果云和經濟云的數字特征；將二級評價云的數字特征與表3中對應的權重值代入式(11)可得一級評價云的效果云和經濟云的數字特征，進而得到綜合評價云的數字特征，具體數值如表3 所示。

將表3中綜合評價云的數字特征和標準云的數字特征輸入到MATLAB正向云發生器，可得到綜合評價云圖如圖2所示；為了更清楚地看出綜合評價等級這里同時給出了綜合評價云的俯視圖如圖3所示。

圖2 綜合評價云圖

圖3 綜合評價云俯視圖

由圖2和圖3可知，風火山隧道綠色施工的綜合評價云位于“優秀”和“良好”2個標準云之間，更貼近“良好”標準云，尤其圖3中綜合評價云基本與“良好”標準云重合，因此，可初步確定風火山隧道綠色施工的綜合評價等級為“良好”。由文獻[16]可知，風火山隧道施工時制定了詳細的環保方案，重點從凍土、植被、污染、棄渣處理、垃圾處理、恢復已破壞環境等方面采取了先進的環保措施。如為保護凍土平衡，分析、排列較大的人工熱擾源，并從季節選擇、溫度控制、搭設遮陽棚、降低爆破熱能、各段開挖面熱交換等方面采取大量的技術措施，有效的防止了凍土熱融滑塌發生。對破壞區的高原植被采取移植和恢復技術，非常有效地保護了自然植被。隧道棄渣場經過詳細對比選擇環保影響較小的地點，設置完善的擋護措施，并移植草皮綠化，減少了對環境的污染。對垃圾采取修建分類垃圾池, 集中堆放、消毒，不能焚燒、掩埋，拉往規定地點集中處理的方式，很好的保護了環境。同時，為保護施工人員安全，開發了有壓吸附、低壓解吸的變壓吸附制氧工藝，成功應用于該地區的制氧系統，并提出隧道氧吧車、隧道制氧站等新方法，十分有效的降低了缺氧、低壓給施工人員帶來的風險。由此可見，風火山隧道綠色施工的方法非常有效，結果相當良好。這說明本文得出的風火山隧道綠色施工的結果為“良好”是非常合理的，十分符合風火山隧道綠色施工的實際情況。

為了確定各一級指標的評價結果等級，選擇土壤環境污染防治B1，大氣環境污染防治B3，自然資源破壞防治B4，資源合理利用B5繪制了一級指標評價云圖，如圖4所示。

由圖4可知，土壤環境污染防治B1，自然資源破壞防治B4，資源合理利用B5的評價云圖介于“優秀”和“良好”的標準云之間，而大氣環境污染防治B3的評價云圖介于“良好”和“一般”標準云之間，說明大氣環境的保護措施還需要改善。

4.3 計算貼近度

為了更加準確的確定出風火山隧道的綜合評價結果，利用貼近度來計算初步確定的綜合評價結果與標準云的貼近程度，分別用1，2，3，4，5表示。

由計算結果可知五級標準云與綜合評價結果的貼近度大小關系為2>1>3>4>5，故可最終確定風火山隧道的綠色施工水平綜合評價結果為“良好”。這進一步確定評價結果與文獻[16]中描述的風火山隧道綠色施工的結果吻合，也與中鐵二十集團相關專家給出的結論有比較高的吻合性。

5 結論

1) 基于青藏高原地區獨特的自然環境，通過深入了解該地區鐵路隧道施工的特點，咨詢參加該地區鐵路隧道施工的專家，建立了青藏高原地區鐵路隧道綠色施工水平綜合評價指標體系。

2) 將向量夾角余弦法與二維云理論結合，構建了基于向量夾角余弦?二維云模型的評價模型，并用該模型對風火山隧道綠色施工水平進行綜合評價，得出的結論與實際施工情況比較吻合，證明該模型的適用性和有效性。

3) 通過對青藏鐵路風火山隧道綠色施工水平的綜合評價，不僅完善了鐵路綠色施工評價的體系，而且為鐵路隧道綠色施工評價提供了理論依據，對正在修建的川藏鐵路隧道綠色施工具有重要的參考價值。

圖4 一級指標評價云圖

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Comprehensive evaluation of the green construction level of railway tunnels in the Qinghai-Tibet Plateau

LI Haiwen, BAO Xueying

(College of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Aiming at the lack of green construction evaluation methods for railway tunnels in China, and the serious environmental damage caused by tunnel construction, through the in-depth understanding of the unique natural environment and the characteristics of tunnel construction in the Qinghai-Tibet Plateau, a comprehensive evaluation index system has been established in six aspects: the prevention and control of soil environmental pollution, solid waste pollution prevention, prevention and control of atmospheric pollution, prevention and control of natural resources, reasonable use of resources, and health protection of construction workers. Combining the vector angle cosine method with the two-dimensional cloud theory, an evaluation model based on the vector angle cosine-two-dimensional cloud is constructed. This model was used to comprehensively evaluate the green construction level of Fenghuoshan Tunnel, and MATLAB software was used to generate a two-dimensional comprehensive evaluation cloud to reflect the green construction level. Finally, the accuracy of the evaluation results was ensured by calculating the closeness. The conclusions drawn are in good agreement with the actual construction situation, which verifies the applicability and effectiveness of the evaluation index system and evaluation model.

Qinghai-Tibet Plateau; railway tunnel; green construction level; vector angle cosine method; two-dimensional cloud model

U215.14

A

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200288

1672 ? 7029(2021)02 ? 0524 ? 09

2020?04?09

國家自然科學基金資助項目(51768034)

鮑學英(1974?)，女，寧夏中衛人，教授，博士，從事綠色鐵路與工程管理研究；E?mail：813257032@qq.com

(編輯 蔣學東)