京張高速鐵路綠色設計與創新研究

王洪宇

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司, 北京 100055)

黨的十八大以來，以習近平同志為核心的黨中央從中國特色社會主義事業“五位一體”的總體布局出發，遵循發展規律，順應人民期待，對深入實施可持續發展戰略，推進生態文明建設作出重要部署。隨著我國經濟由高速增長階段轉向高質量發展階段，貫徹新發展理念，實現綠色發展將成為今后一段時期經濟社會發展的重要方向。在這一時代背景下，大力倡導鐵路綠色設計，積極推進綠色鐵路建設是促進我國經濟可持續發展的內在要求，也是提升中國高鐵國際競爭力的重要舉措。

1 綠色鐵路與鐵路綠色設計

1.1 綠色鐵路

綠色鐵路是一個綜合概念，涵蓋鐵路建設、運維的整個生命周期，包括鐵路綠色規劃、綠色設計、綠色建造、綠色運營等。熊風、楊立中等人[1]提出的“綠色鐵路”概念為：以環境價值為尺度，運用各種綠色技術，在確保鐵路運輸安全、快捷、高效的前提下，不斷減小鐵路及配套設施對生態環境的負面影響，同時具有良好的經濟性和可持續發展能力的鐵路。其中，綠色技術包括能減少環境污染、降低能源消耗和改善生態條件的技術體系。

綠色鐵路范疇包括了鐵路建設中的生態環境保護、水土保持、地質災害防治以及鐵路運營、維護中的污染控制，它能使鐵路占地少、能耗低、污染小、成本低、運量大、全天候運行的優勢得到充分發揮，能夠有效降低單位運量對土地、能源等資源的占用或消耗。

1.2 鐵路綠色設計

鐵路綠色設計是指在鐵路規劃、選線、設計各階段，全面貫徹綠色、環保、節能等設計理念，考慮鐵路設計、建造及運營等全生命周期的環境屬性并將其作為設計目標，采用新技術、新材料、新工藝，實施鐵路綠色生態、環境保護、節能減排設計。

2 工程概述

新建北京至張家口高速鐵路簡稱“京張高鐵”，是舉辦北京冬奧會的重要交通配套基礎設施，是國家鐵路中長期規劃網中“八縱八橫”鐵路網干線之一的京蘭通道的重要組成部分，也是京津冀城際鐵路網的重要組成部分，兼顧市郊鐵路功能。線路起始于北京樞紐北京北站，沿既有京張鐵路和路徑，經過北京市海淀區、昌平區、延慶區，穿越八達嶺、跨越官廳湖，經河北省張家口市懷來縣、下花園區、宣化區，終至張家口地區的張家口站(圖1)，正線全長約174 km，共設10座車站，橋隧比為66%。

圖1 京張高鐵線路平面示意

3 京張高鐵綠色設計的指導思想與設計理念

京張高鐵既是2022年北京冬奧會的交通保障線，也是傳承老京張鐵路百年歷史的文化線，加之京張高鐵穿越眾多歷史、人文景點，打造一條綠色、景觀、人文鐵路是國家和社會賦予的歷史使命。

為落實習近平總書記在北京城市規劃建設和北京冬奧會籌辦工作座談會上的重要講話精神，實現國鐵集團建設“精品工程、智能京張”的總體目標，設計單位以“創新、協調、綠色、開放、共享”五大發展理念為引領，踐行“不忘人民鐵路為人民的初心，牢記打造高標準鐵路產品的使命”[3-4]，遵循綠色辦奧理念，通過統籌化設計、建設“智能京張”、“綠色京張”，將京張高鐵打造為精品示范工程、文化傳承線路，以此支撐北京冬奧會交通保障，樹立綠色高鐵中國名片。

京張高鐵綠色設計的指導思想為：貫徹生態文明思想，踐行綠色交通理念，支撐交通強國建設。綠色設計理念主要體現在安全舒適、生態環保、低碳節約、智慧高效、景觀融入、品質提升等六個方面，努力在京張高鐵全壽命周期內，最大限度地節約資源(節地、節能、節水、節材)，保護環境、減少污染和提升景觀[9]。

4 京張高鐵綠色設計創新

4.1 節約資源

節約資源對于國民經濟和社會發展具有重要意義。堅持經濟節約，最大限度減少資源浪費是新時代鐵路建設高質量發展的必然要求。

4.1.1 節地

土地資源是人類賴以生存和發展的物質基礎，京張高鐵北京段因其特殊的地理位置，沿線土地資源稀缺。設計中，在滿足運輸功能要求、方便旅客出行的前提下，堅持綠色選線原則，最大限度節約土地，降低線路對城市規劃及環境敏感區的影響。

(1)中心城區采用地下線方案。京張高鐵從既有北京北站引出，向北穿越北京中心城區，五環內區段沿線分布多個高校、商業區、居民區，交通設施、市政管網等建構筑物密集，地面條件復雜。在選線階段，系統研究了城區線路敷設方式，就地下線和地面線方案進行系統比選。以減少占地，降低鐵路對周邊環境影響作為確定線路方案最重要的因素之一，最終選定地下線方案(圖2)，有效節約土地資源。

圖2 京張高鐵中心城區內地下線方案線路縱剖面示意

(2)與既有交通設施采用共通道設計。綠色選線階段利用現有鐵路或公路通道開展集約型“共通道設計”研究，充分利用土地資源。在北京北至昌平段，根據西直門地區及老京張鐵路沿線現狀及未來規劃，在北五環外新設清河站，與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]，選擇沿老京張鐵路廊道走行(圖3)，避免了對城市的再次分割，最大限度減少了沿線的用地和征拆。在跨越官廳水庫段，經充分論證，最終確定與京藏高速公路共通道、跨越水域面積最小的線路方案，減少了用地分割，降低了對官廳水庫景觀和水體的影響。

圖3 京張高鐵利用老京張鐵路共通道設計線路示意

4.1.2 節能

京張高鐵在規劃設計中，始終堅持節約能源的基本國策，貫徹綠色理念，對照節能標準，進行系統研究，從源頭降低能源消耗，有效提高項目能效水平。

(1)在線路選線中，選用較大的曲線半徑和較大坡長、較小的坡度差，有效減少運營期機車牽引能耗。在車站選址中，結合城市規劃和多種交通銜接方式，與城市、自然環境充分融合并強化一體設計，創造性地提出了綠色規劃設計的五種融合模式：城市中心采用融入模式(北京北站)；城市連接處采用織補模式(清河站)，見圖4；城市邊緣采用引領模式(張家口站)；歷史古跡點采用消隱模式(八達嶺長城站)；自然環境點采用共生模式(太子城站)。充分體現了科學化統一布局、現代化功能融合和各種交通方式無縫銜接的“暢通融合”、“站城一體”綠色設計新理念，實現了“車站與城市、建設與運營、智能與服務”的完美有機融合[4]。

圖4 清河站融合設計示意

(2)在站房設計中，貫徹“綠色、節能、環?！钡脑O計思想，應用了智能百葉遮陽技術、清水混凝土技術等多項綠色技術，新建站房均達到二星綠色鐵路客站標準，清河站、八達嶺站、太子城站、張家口達到三星綠色鐵路客站標準。清河站成為全國首個采用TB/T 10429—2014《綠色鐵路客站評價標準》進行評價并同時取得美國綠色建筑委員會頒發的LEED(綠色能源與環境設計先鋒獎金獎)金級預認證的車站[5]，建筑節能率達到67.3%。

(3)在供電系統中，選用AT供電方式，合理設計牽引供電方案。在設備選用方面，大面積采用節能光源，電力變壓器、空調、熱泵和通風機等通用設備選用滿足相應1級能效的產品，提高能源利用效率和能效水平。

4.1.3 節水

為最大限度地節約水資源，設計中開展了智能化節水技術關鍵路徑研究，主要包括節水系統、節水器具與設備、非傳統水源利用等。

(1)打造智能節水系統。給排水各系統選用密閉性能好的閥門、設備，使用耐腐蝕、耐久性能好的管材、管件。每個用水構筑物外和室內各用水點處均設無線遠傳水表，自動化操作，實時監督用水管理，及時上報管網漏水、儀表故障等問題，實現精準智能管理。

(2)優選節水器具設備。設計采用較高用水效率等級的給排水衛生器具，如采用帶恒溫控制和溫度顯示調節功能的淋浴器。綠化灌溉采用節水灌溉末端裝置，同時設置土壤濕度感應器，雨天關閉裝置等節水措施?？照{系統采用節水冷卻技術，循環冷卻水系統設置水處理措施，避免冷卻水泵停泵時冷卻水溢出。

(3)合理使用非傳統水源。設計采用市政中水進行道路沖洗、車庫地面沖洗等。結合雨水利用設施進行景觀水體設計，景觀水體利用雨水的補水量大于其水體蒸發量60%，且采用生態水處理技術保障水體水質。

4.1.4 節材

設計中積極推廣應用新型節能材料、工藝、和裝備，加強新舊設施更新利用，實現建筑施工材料、廢舊材料等資源化利用。

(1)在路基工程中，針對鐵路運營安全要求高、植物護坡人工養護困難等特點，深化巖質深路塹邊坡綠色柔性結構的深層穩定加固設計，開展了GPI巖質邊坡植被建造及錨拉式巖質邊坡綠色防護等技術創新[6]，解決了巖質邊坡無創化生態修復難題，節約傳統材料，生態防護效果良好。

(2)在橋梁工程中，為避免盲目追求“一橋一景”的景觀效應，造成資源浪費，以綠色設計為準則，采用簡潔的橋梁體系，統一結構尺寸，進行標準化設計，實現簡化施工工藝，節約施工用料。根據能源消耗最小原則，準確分析結構受力，合理確定結構尺寸、配筋及結點設計，在保證結構安全的前提下，將材料消耗降到最低。

(3)在站房工程中，秉承“重結構、輕裝修、簡裝飾”的設計理念。清河站地下換乘大廳內，橋柱、蓋梁均采用清水混凝土一次澆筑成型、不做二次裝飾，利用現澆混凝土的自然表面效果作為飾面，整個空間現代自然、綠色環保。太子城站地下一層公共區所有橋梁柱均利用清水混凝土一次澆筑成型，并進行篆刻工藝雕刻，形成獨特的室內景觀。八達嶺長城站站房區域也采用大面積清水混凝土飾面，天然、莊重，體現出建筑原始美感。

4.2 保護環境

環境保護設計是京張高鐵綠色設計的重要組成內容，除在鐵路選線與選址開展生態環境保護設計外，還大量采用新型環保設計，對施工期和運營期噪聲、振動、水、大氣、固體廢物等進行了系統防治，最大程度恢復鐵路范圍內生態功能，并以項目為依托，制定了《鐵路工程綠化設計和施工質量控制標準(北方地區)》。

(1)沿線路基、橋梁、站區、取棄土場等系統開展了綠色通道設計(圖5)，包括沿線自然條件差異性生態設計和綠化植物生態多樣性設計等，達到了穩固土體、保持水土、美化環境、降低投資及提高工程生態功能的目的，實現了自然環境與工程的融合。

(2)深化高路堤邊坡淺層高強土工格室固土防護技術研究，開展了路基坡面新型土工材料輔助固土及與坡面整體性銜接設計，提高了坡面的整體穩定性和生態防護效果。

圖5 京張高鐵綠色通道

(3)首次應用智能滴管灌溉技術[7](圖6)，解決了高鐵運營后邊坡植物澆水養護的困難，同時利于節約用水，體現了智能建造及節能減排的設計理念。

(4)在南口、居庸關、新八達嶺隧道等洞口邊坡采用綠色加筋格賓設計，一方面對巖石洞口開挖創面進行結構性防護，另一方面為植被生長提供必要的生長基床，取得理想的生態綠化效果，有效解決八達嶺景區植被施工破壞、創傷綠化困難等問題。

圖6 智能滴管灌溉系統

(5)針對噪聲和振動敏感點，沿線設置多個耐候性聲屏障、隔聲窗等降噪措施，或采用減振無砟軌道，有效減少運營期對環境的影響。

(6)針對八達嶺隧道下穿老京張鐵路青龍橋車站最小洞頂覆土厚度僅4 m的情況，創新性提出微震微損傷精準爆破技術，實現了爆破振動精準控制，確保了老京張鐵路運營安全。

(7)官廳水庫特大橋穿越庫區采用頂推施工設計、高耐候涂裝體系、泥漿分離設備，設置了雨、污水收集系統等；橋梁、隧道采用泥漿循環利用技術，施工廢水經沉淀池處理后再利用；八達嶺地下站采用清污分離排水系統設計[12]，實現了地下水清水再利用、污廢水經環保處理后納入市政管網的環保目標，最大限度減少了地表水和地下水污染。

4.3 提升景觀

設計中，深入開展景觀化設計提升通道品質，根據沿線自然景觀和人文景觀將京張高鐵劃分為五大景觀分區[4](圖7)，分別為城郊風光段、關塞風光段、大澤風光段、燕北風光段、雪國風光段。五大景觀分區深入融合了沿線的自然資源、地貌特征、城鎮布局、地域文化等因素，并以此作為開展全線景觀設計的依據，著力構建綠色生態長廊，發揮綠色生態鐵路作用。

圖7 京張高鐵五大景觀分區示意

4.3.1 區間景觀設計

統籌兼顧生態效益、環境功能和美學特征，基于行車理論研究，結合不同區段列車速度、視覺舒適度的研究，劃定視覺敏感區域為重點景觀設計區域。從色彩搭配、視覺美感、空間尺度等方面著手開展沿線景觀設計。

(1)在大風、寒冷、干燥的氣候特點下，開展了寒冷地區城市景觀觀賞性灌木適應性研究，完成了“五彩冬夢”、“飛越四海”、“繼往開來”等路基植物景觀設計，將奧運精神和奧運文化通過植物景觀融入京張高鐵。

(2)八達嶺長城景區九仙廟中橋(圖8)詮釋了“天人合一，效法自然，和諧包容”設計理念，采用最具歷史文化特色的拱橋設計將京張高鐵融入自然環境。

(3)官廳水庫特大橋屬全線景觀分區中大澤風光段，結合“輕質、大跨、環?！钡脑O計理念，采用由8個曲弦拱梁組成的拱形鋼桁梁跨越官廳水庫(圖9)，如一道彩虹跨越寬闊平靜的官廳湖面，橋梁結構富有韻律，造型優美，與湖面交相輝映，成為一道亮麗的風景。

圖8 九仙廟中橋景觀設計

圖9 官廳水庫特大橋全景

(4)隧道重點景觀洞門采用“地域元素、自然融合、簡潔實用、美觀大方”的設計理念，開展了“古韻傳承”、“峰臺橋映”、“城臺夕照”(圖10)等洞門景觀設計，將綠化工程與長城等元素的景觀洞門設計相結合，讓工程與自然景觀更和諧，增添了古典與現代的融合美。

圖10 “城臺夕照”洞門效果圖及實景

4.3.2 站區景觀設計

結合全線系統景觀分區，對京張高鐵客站區范圍內房屋、城市廣場、景觀綠化等進行統籌考慮，開展了“一站一景”一體化設計及站房文化主題設計[7]。

京張高鐵文化性、藝術性表達核心理念為“天地合德，百年京張”，全線10座車站均明確了不同的文化主題，如北京北站“通合”主題、清河站“不息”主題、八達嶺長城站“豐碑”主題、太子城站“無界”主題等。為做好文化性表達，提煉了四種視覺符號“人字紋”、“蘇州碼子”、“山水視界”和“五行五色”融入站房空間設計。

4.3.3 附屬景觀設計

(1)照明景觀。以官廳水庫特大橋景觀照明設計為例，采用傳統與現代、光線與造型、速度與激情結合的設計思路，橋梁景觀照明共設有：神龍戲水、二龍戲珠、五環奧運、煙花璀璨、復興繁榮等多個有機銜接的動態照明主題，通過采用獨立的智能照明控制系統，實現區域控制、模式控制、定時控制。

(2)聲屏障景觀。京張高鐵封閉式聲屏障在滿足環境敏感點隔聲降噪環保功能的同時，結合周邊環境及京張特點提出了“京張磚韻”方案，融入了老京張鐵路的文化與景觀元素。

4.4 綠色建筑技術

模塊化設計是綠色設計未來發展的重要方向，京張高鐵在設計中大量采用模塊化設計、裝配式施工，構件易于制造、裝配、更換，有效縮短工期，降低施工費用，大幅提升設計、建造水平。

4.4.1 盾構隧道模塊化設計

清華園隧道盾構管片、水溝、電纜槽等均采用工廠化預制、現場拼裝，并首次采用全預制拼裝式軌下結構[10](圖11)，在此基礎上研發了機械化拼裝機器人，建立了盾構隧道施工信息化、可視化的智能建造系統。軌下結構建造工廠化、機械化、專業化和智能化，促進了設計與施工的全面創新，提高了功效和工程質量，大幅度改善了作業環境，踐行了綠色建造理念。

圖11 清華園隧道全預制拼裝式軌下結構

4.4.2 橋梁結構模塊化設計

京張高鐵全線應用具有自主知識產權的標準梁橋技術，大規模采用模塊化、標準化設計，縮短施工工期，降低施工費用，也為大規模工場化預制創造條件，實現了鐵路工程模塊化、集約化的綠色環保設計理念。全線重點控制性工程官廳水庫大橋，主橋鋼梁長度達880 m，為多聯多跨結構，且跨越北京市備用水源地、一級水源保護區官廳水庫庫區，環保要求極為嚴格。設計中為減少涉水工程對水體的影響，拱形鋼桁梁全部采用裝配化設計、頂推施工就位的方案[11](圖12)，確保施工安全。

5 綠色高鐵在中國的發展展望

2020年10月，黨的十九屆五中全會審議通過了《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標的建議》，將“生態文明建設實現新進步”和“生態環境根本好轉”作為重要目標，“推動綠色發展，促進人與自然和諧共生”作為重要舉措。今后一段時期，綠色發展將是我國經濟建設的主旋律和內動力，京張綠色高鐵的成功建設，打造了我國綠色高鐵新標準，樹立了綠色高鐵的中國名片，必將引領中國高鐵實現持續的綠色發展和科技創新。