青藏高原地區(qū)鐵路隧道綠色施工水平綜合評價

李海文，鮑學(xué)英

青藏高原地區(qū)鐵路隧道綠色施工水平綜合評價

李海文，鮑學(xué)英

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)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(huán)境破壞嚴(yán)重的現(xiàn)狀，通過深入了解青藏高原地區(qū)獨特的自然環(huán)境和隧道施工的特征，從土壤環(huán)境污染防治、固體廢棄物污染防治、大氣環(huán)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(biāo)體系。將向量夾角余弦法與二維云理論結(jié)合，構(gòu)建基于向量夾角余弦-二維云的評價模型。用該模型對風(fēng)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(jié)果的準(zhǔn)確性。得出的結(jié)論與實際施工情況高度吻合，驗證了評價指標(biāo)體系和評價模型的適用性和有效性。

青藏高原地區(qū)；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(shè)的不斷發(fā)展和完善，鐵路周邊生態(tài)環(huán)境破壞、資源消耗量大等問題日益嚴(yán)重，如何解決鐵路建設(shè)與環(huán)境保護、資源合理利用之間的矛盾，構(gòu)建鐵路綠色施工評價的標(biāo)準(zhǔn)框架，成為鐵路建設(shè)部門主要關(guān)注的話題。近年來，許多專家學(xué)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(jié)地、節(jié)能、節(jié)約材料與材料資源、節(jié)水和環(huán)境保護5個方面出發(fā)建立了綠色施工評價指標(biāo)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(shù)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(xué)英等[4]將灰色聚類法和雷達分析法結(jié)合構(gòu)建了一種綜合評價鐵路綠色施工等級的模型；但是，現(xiàn)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(qū)、特殊環(huán)境下綠色施工存在的差異，而且評價體系不夠全面細(xì)致，忽略了特殊地區(qū)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(xiàn)狀，本文選擇鐵路施工過程中最艱難且環(huán)境破壞嚴(yán)重、資源消耗量巨大的隧道工程作為研究對象；以自然環(huán)境特殊的青藏高原地區(qū)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(qū)鐵路隧道綠色施工水平綜合評價指標(biāo)體系；將向量夾角余弦法與二維云模型結(jié)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(qū)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(jīng)濟性兩方面對青藏鐵路風(fēng)火山隧道進行了綜合評價，科學(xué)的評價出了該隧道的綠色施工水平。通過對青藏高原地區(qū)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(jù)，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(biāo)體系

基于現(xiàn)行GB/T 50905—2014《建筑工程綠色施工評價標(biāo)準(zhǔn)》中提出的“四節(jié)一環(huán)保”、施工人員安全的要求，以土壤環(huán)境污染防治、固體廢棄物污染防治、大氣環(huán)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(biāo)為基準(zhǔn)，結(jié)合青藏高原地區(qū)獨特的自然環(huán)境以及在這種環(huán)境下隧道施工的特點建立了青藏高原地區(qū)鐵路隧道綠色施工水平綜合評價指標(biāo)體系。各指標(biāo)含義解釋如下：

土壤環(huán)境污染主要是指施工產(chǎn)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(jié)構(gòu)，而青藏高原地區(qū)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(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致多年才形成的高寒草甸等特殊植被群落退化，且該地區(qū)土壤抗侵蝕能力弱，植被自然生產(chǎn)及自我恢復(fù)能力低下，恢復(fù)周期長，最終可能會導(dǎo)致土地沙化，水土流失；該地區(qū)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(qū)大氣的碳氧平衡會造成嚴(yán)重的影響。

固體廢棄物污染主要是指施工產(chǎn)生的廢料、棄渣以及生活垃圾的不合理堆放覆壓該地區(qū)的稀有植被，因而棄渣場的選擇應(yīng)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(huán)境污染主要是指施工機械產(chǎn)生的NO，SO2，CO氣體、隧道開挖、運輸?shù)膿P塵以及施工產(chǎn)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(huán)境的保護措施是非常有必要的。

青藏高原地區(qū)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(chǎn)資源的保護措施，該地區(qū)多為古老的地質(zhì)層和特殊的巖質(zhì)層，隧道開挖必然會破壞其結(jié)構(gòu)，所以要做好必要的防治措施以免大面積破壞地質(zhì)和巖層的結(jié)構(gòu)，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(xiàn)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(jié)構(gòu)，若開挖時不作保護措施，隧道內(nèi)控溫不合理，一旦凍結(jié)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(jié)束后對施工場地進行植被修復(fù)處理，維護地貌景觀。

資源合理利用主要表現(xiàn)在水資源的節(jié)約及循環(huán)利用，由于氣溫極低施工機械大都為電力設(shè)備，加之隧道內(nèi)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(jié)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(biāo)，隧道內(nèi)施工必須配置防寒、保暖、供養(yǎng)的設(shè)備，防止對施工人員健康造成嚴(yán)重的 傷害。

通過對青藏高原地區(qū)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(qū)隧道施工的專家，參考《全國建筑業(yè)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(shù)指南》《青藏高原區(qū)域生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護規(guī)劃》及相關(guān)文 獻[11]，利用德爾菲法[12]進行指標(biāo)篩選，最終選出23個細(xì)化指標(biāo)，建立了青藏高原地區(qū)鐵路隧道綠色施工水平綜合評價指標(biāo)體系，如圖1所示。

2 向量夾角余弦賦權(quán)法

1) 構(gòu)造評價指標(biāo)最優(yōu)值向量和最差值向量[13]：

其中：

圖1 青藏高原地區(qū)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(biāo)的夾角余弦權(quán)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換綜合評價不確定性問題的優(yōu)劣 程度。

式中：x和y為云滴坐標(biāo)；P和P為條件云滴坐標(biāo)；為超熵；μ為隸屬度。

3.2 綜合評價云

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

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

式中：，，分別是上一級評價指標(biāo)的期望、熵和超熵。

表1 標(biāo)準(zhǔn)評價等級數(shù)字特征

3.3 標(biāo)準(zhǔn)云

將區(qū)間[0,10]平均分成5個標(biāo)準(zhǔn)評級區(qū)間，由式(12)可得每個區(qū)間的數(shù)字特征，具體的取值范圍等級描述和數(shù)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(shù)字特征和標(biāo)準(zhǔn)云的數(shù)字特征輸入到MATLAB正向云發(fā)生器，可得到綜合評價云圖和標(biāo)準(zhǔn)云圖，通過對比分析可初步得出青藏高原地區(qū)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(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)云之間存在相似性，為了更加準(zhǔn)確的得出綜合評價等級，利用貼近度來計算綜合評價結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)云的貼近程度，貼近度越大說明綜合評價結(jié)果越接近該貼近度對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)評價等級。

4 應(yīng)用實例

根據(jù)鐵路隧道綠色施工的評價目標(biāo)，選取青藏鐵路中比較典型的風(fēng)火山隧道作為評價對象。風(fēng)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(nèi)所經(jīng)地層主要為泥巖和砂巖，且風(fēng)化嚴(yán)重，洞內(nèi)低溫干燥，缺氧、空氣稀薄，環(huán)境極其脆弱，而且該區(qū)域?qū)儆诳煽晌骼镒匀槐Ｗo區(qū)[16]，環(huán)境保存比較完整，高寒草甸、多年凍土一經(jīng)破壞很難恢復(fù)。鑒于風(fēng)火山隧道極其脆弱的施工環(huán)境，中鐵二十局集團聯(lián)合北京交通大學(xué)從該隧道施工技術(shù)、環(huán)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(shù)、施工衛(wèi)生保障技術(shù)和多年凍土隧道施工環(huán)境保護措施，其中環(huán)境保護措施包括了降低爆破熱能、移植高原植被、詳細(xì)比較選擇棄渣場、修建垃圾處理池等；施工衛(wèi)生保障技術(shù)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(fēng)火山隧道施工十分重視《建筑工程綠色施工評價標(biāo)準(zhǔn)》中提到的環(huán)境保護和對施工人員安全的要求。現(xiàn)用本文提出的評價模型對風(fēng)火山隧道綠色施工水平進行綜合評價。

表2 效果等級和經(jīng)濟等級評分值

邀請中鐵二十局集團和北京交通大學(xué)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(jīng)濟性對評價指標(biāo)進行打分，記為1和2，如表 2所示。

4.1 向量夾角余弦權(quán)重確定

將表2中的數(shù)據(jù)代入式(1)~(4)可得效果等級和經(jīng)濟等級的最優(yōu)和最差向量：

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

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

表3 效果和經(jīng)濟評價云數(shù)字特征

4.2 計算云數(shù)字特征

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

將表3中綜合評價云的數(shù)字特征和標(biāo)準(zhǔn)云的數(shù)字特征輸入到MATLAB正向云發(fā)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(fēng)火山隧道綠色施工的綜合評價云位于“優(yōu)秀”和“良好”2個標(biāo)準(zhǔn)云之間，更貼近“良好”標(biāo)準(zhǔn)云，尤其圖3中綜合評價云基本與“良好”標(biāo)準(zhǔn)云重合，因此，可初步確定風(fēng)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(fēng)火山隧道施工時制定了詳細(xì)的環(huán)保方案，重點從凍土、植被、污染、棄渣處理、垃圾處理、恢復(fù)已破壞環(huán)境等方面采取了先進的環(huán)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(jié)選擇、溫度控制、搭設(shè)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(shù)措施，有效的防止了凍土熱融滑塌發(fā)生。對破壞區(qū)的高原植被采取移植和恢復(fù)技術(shù)，非常有效地保護了自然植被。隧道棄渣場經(jīng)過詳細(xì)對比選擇環(huán)保影響較小的地點，設(shè)置完善的擋護措施，并移植草皮綠化，減少了對環(huán)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(guī)定地點集中處理的方式，很好的保護了環(huán)境。同時，為保護施工人員安全，開發(fā)了有壓吸附、低壓解吸的變壓吸附制氧工藝，成功應(yīng)用于該地區(qū)的制氧系統(tǒng)，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(fēng)險。由此可見，風(fēng)火山隧道綠色施工的方法非常有效，結(jié)果相當(dāng)良好。這說明本文得出的風(fēng)火山隧道綠色施工的結(jié)果為“良好”是非常合理的，十分符合風(fēng)火山隧道綠色施工的實際情況。

為了確定各一級指標(biāo)的評價結(jié)果等級，選擇土壤環(huán)境污染防治B1，大氣環(huán)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(biāo)評價云圖，如圖4所示。

由圖4可知，土壤環(huán)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(yōu)秀”和“良好”的標(biāo)準(zhǔn)云之間，而大氣環(huán)境污染防治B3的評價云圖介于“良好”和“一般”標(biāo)準(zhǔn)云之間，說明大氣環(huán)境的保護措施還需要改善。

4.3 計算貼近度

為了更加準(zhǔn)確的確定出風(fēng)火山隧道的綜合評價結(jié)果，利用貼近度來計算初步確定的綜合評價結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)云的貼近程度，分別用1，2，3，4，5表示。

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

5 結(jié)論

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

2) 將向量夾角余弦法與二維云理論結(jié)合，構(gòu)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(fēng)火山隧道綠色施工水平進行綜合評價，得出的結(jié)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(fēng)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(jù)，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(biāo)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(xué)基金資助項目(51768034)

鮑學(xué)英(1974?)，女，寧夏中衛(wèi)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(xué)東)