青藏高原地区铁路隧道绿色施工水平综合评价

李海文，鲍学英

青藏高原地区铁路隧道绿色施工水平综合评价

李海文，鲍学英

(兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

针对我国在铁路隧道绿色施工的评价方法缺少，且隧道施工对环境破坏严重的现状，通过深入了解青藏高原地区独特的自然环境和隧道施工的特征，从土壤环境污染防治、固体废弃物污染防治、大气环境污染防治、自然资源破坏防治、资源合理利用、施工人员健康保护6个方面建立综合评价指标体系。将向量夹角余弦法与二维云理论结合，构建基于向量夹角余弦-二维云的评价模型。用该模型对风火山隧道绿色施工水平进行综合评价，并利用MATLAB软件绘制二维综合评价云图反映绿色施工水平，最后通过计算贴近度确保评价结果的准确性。得出的结论与实际施工情况高度吻合，验证了评价指标体系和评价模型的适用性和有效性。

青藏高原地区；铁路隧道；绿色施工水平；向量夹角余弦法；二维云模型

随着我国铁路建设的不断发展和完善，铁路周边生态环境破坏、资源消耗量大等问题日益严重，如何解决铁路建设与环境保护、资源合理利用之间的矛盾，构建铁路绿色施工评价的标准框架，成为铁路建设部门主要关注的话题。近年来，许多专家学者针对铁路绿色施工评价做出了大量的研究，黄喜兵等[1]从节地、节能、节约材料与材料资源、节水和环境保护5个方面出发建立了绿色施工评价指标体系，并利用二级模糊综合评价方法对工程实例进行了模拟评价；王明慧等[2−3]提出一种简单、可靠地突变级数法对铁路客站和高速铁路绿色施工水平进行了评价研究；鲍学英等[4]将灰色聚类法和雷达分析法结合构建了一种综合评价铁路绿色施工等级的模型；但是，现有文献只是总体对铁路绿色施工做出评价，没有考虑到不同地区、特殊环境下绿色施工存在的差异，而且评价体系不够全面细致，忽略了特殊地区自然资源保护、施工人员健康保障等重要因素。鉴于目前的研究现状，本文选择铁路施工过程中最艰难且环境破坏严重、资源消耗量巨大的隧道工程作为研究对象；以自然环境特殊的青藏高原地区为研究背景，通过查阅资料、咨询参与青藏铁路隧道施工的专家，建立了青藏高原地区铁路隧道绿色施工水平综合评价指标体系；将向量夹角余弦法与二维云模型结合建立了一种基于向量夹角余弦−二维云模型的青藏高原地区铁路隧道绿色施工水平综合评价模型，并利用该模型从绿色施工措施的效果和经济性两方面对青藏铁路风火山隧道进行了综合评价，科学的评价出了该隧道的绿色施工水平。通过对青藏高原地区铁路隧道绿色施工水平的评价研究，完善了铁路隧道绿色施工评价的空缺，为铁路隧道绿色施工评价提供了理论依据，对正在修建的川藏铁路隧道绿色施工具有一定的参考价值。

1 综合评价指标体系

基于现行GB/T 50905—2014《建筑工程绿色施工评价标准》中提出的“四节一环保”、施工人员安全的要求，以土壤环境污染防治、固体废弃物污染防治、大气环境污染防治、自然资源破坏防治、资源合理利用、施工人员健康保护6个一级指标为基准，结合青藏高原地区独特的自然环境以及在这种环境下隧道施工的特点建立了青藏高原地区铁路隧道绿色施工水平综合评价指标体系。各指标含义解释如下：

土壤环境污染主要是指施工产生的含重金属的废油、废液，生活污水、废水的不合理排放会污染青藏高原稀有土壤资源，破坏土壤的结构，而青藏高原地区土壤中含有大量维持土壤肥力的真菌和微生物[5]，土壤污染后肥力降低，缺乏营养物质，导致多年才形成的高寒草甸等特殊植被群落退化，且该地区土壤抗侵蚀能力弱，植被自然生产及自我恢复能力低下，恢复周期长，最终可能会导致土地沙化，水土流失；该地区土壤中还含有丰富的有机和无机碳，是我国重要的土壤碳库[6−8]，一旦破坏对该地区大气的碳氧平衡会造成严重的影响。

固体废弃物污染主要是指施工产生的废料、弃渣以及生活垃圾的不合理堆放覆压该地区的稀有植被，因而弃渣场的选择应以荒秃的土地为主并做好挡护措施，防治污染有机土壤，压覆草原植被。

大气环境污染主要是指施工机械产生的NO，SO2，CO气体、隧道开挖、运输的扬尘以及施工产生的有毒金属颗粒污染含氧量不足且稀薄的高原空气，因此对于大气环境的保护措施是非常有必要的。

青藏高原地区自然资源极其丰富，各种潜在的金属如钾盐、铬铁矿、铜、铅锌、金、镍矿[9]比比皆是，隧道开挖必须做好对矿产资源的保护措施，该地区多为古老的地质层和特殊的岩质层，隧道开挖必然会破坏其结构，所以要做好必要的防治措施以免大面积破坏地质和岩层的结构，低温永久冻土带是青藏高原多年形成的土层，主要是由古冰川、现代冰川作用而形成的高原含土冰层，开挖隧道会破坏冻土层的结构，若开挖时不作保护措施，隧道内控温不合理，一旦冻结层被热扰或振动击穿，将造成难以处理的热融滑塌或冒顶事故，而且会造成运营期的渗漏水及冻害[10]；隧道口及周围施工场地的珍稀物种必须移植合理安置，待施工结束后对施工场地进行植被修复处理，维护地貌景观。

资源合理利用主要表现在水资源的节约及循环利用，由于气温极低施工机械大都为电力设备，加之隧道内控温、照明、取暖，所以对电量的消耗很大，必须采取必要的措施节约使用电力资源。

绿色施工中施工人员的安全和健康是一项重要的衡量指标，隧道内施工必须配置防寒、保暖、供养的设备，防止对施工人员健康造成严重的 伤害。

通过对青藏高原地区隧道施工特征的深入了解，咨询具有高级职称并且参加该地区隧道施工的专家，参考《全国建筑业绿色施工示范工程申报与验收指南》、《铁路隧道工程施工技术指南》《青藏高原区域生态建设与环境保护规划》及相关文 献[11]，利用德尔菲法[12]进行指标筛选，最终选出23个细化指标，建立了青藏高原地区铁路隧道绿色施工水平综合评价指标体系，如图1所示。

2 向量夹角余弦赋权法

1) 构造评价指标最优值向量和最差值向量[13]：

其中：

图1 青藏高原地区铁路隧道绿色施工水平综合评价

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

3) 确定评价指标的夹角余弦权重

3 基于二维云模型的评价模型

3.1 云模型

二维云模型[14](Two-Dimensional Cloud Model, TDCM)是综合评价2个影响因素共同作用下的随机性和不确定性问题，通过将2个维度的定性概念与定量数据转换综合评价不确定性问题的优劣 程度。

式中：x和y为云滴坐标；P和P为条件云滴坐标；为超熵；μ为隶属度。

3.2 综合评价云

青藏高原地区铁路隧道绿色施工的措施所达到的效果和其经济性共同反映绿色施工水平的综合评价结果，因此可以以评价指标为度量，选取效果等级和经济等级作为综合评价结果的2个基础变量。邀请参加该地区隧道施工的专家以10分为满分为二级评价指标进行打分，规定分值精度为0.1。这样每个评价指标衡量的绿色施工措施的效果和经济性分值分别形成一个云滴，组成该指标的绿色施工效果云和经济云，统称为二维综合评价云。利用MATLAB逆向云发生器生成效果云和经济云的数字特征。

式中：,,分别为样本期望、熵和超熵；x为第位专家打分值，2为样本方差，为专家数。

将二级效果云数字特征矩阵和经济云数字特征矩阵分别与对应的权重向量矩阵进行合成，可得到一级效果云和经济云的数字特征，进而可得最终综合评价云的数字特征。

式中：，，分别是上一级评价指标的期望、熵和超熵。

表1 标准评价等级数字特征

3.3 标准云

将区间[0,10]平均分成5个标准评级区间，由式(12)可得每个区间的数字特征，具体的取值范围等级描述和数字特征如表1所示。

3.4 综合评价云图

将最终得到的综合评价云数字特征和标准云的数字特征输入到MATLAB正向云发生器，可得到综合评价云图和标准云图，通过对比分析可初步得出青藏高原地区铁路隧道绿色施工水平的综合评价等级。

3.5 贴近度

由于得出的综合评价结果与标准云之间存在相似性，为了更加准确的得出综合评价等级，利用贴近度来计算综合评价结果与标准云的贴近程度，贴近度越大说明综合评价结果越接近该贴近度对应的标准评价等级。

4 应用实例

根据铁路隧道绿色施工的评价目标，选取青藏铁路中比较典型的风火山隧道作为评价对象。风火山隧道[15](DIK1159+000～DIK1160+338全长1338 m)是目前世界上海拔最高的铁路隧道，隧道地处多年低温永久冻土带，洞口多为含土冰层，洞内所经地层主要为泥岩和砂岩，且风化严重，洞内低温干燥，缺氧、空气稀薄，环境极其脆弱，而且该区域属于可可西里自然保护区[16]，环境保存比较完整，高寒草甸、多年冻土一经破坏很难恢复。鉴于风火山隧道极其脆弱的施工环境，中铁二十局集团联合北京交通大学从该隧道施工技术、环境保护等方面展开研究，最终研究出适合该隧道的防排水及保温施工技术、施工卫生保障技术和多年冻土隧道施工环境保护措施，其中环境保护措施包括了降低爆破热能、移植高原植被、详细比较选择弃渣场、修建垃圾处理池等；施工卫生保障技术包括有氧吸附、低压解吸的变压吸附制氧工艺、隧道制氧站、隧道氧吧车等。综上述可知，风火山隧道施工十分重视《建筑工程绿色施工评价标准》中提到的环境保护和对施工人员安全的要求。现用本文提出的评价模型对风火山隧道绿色施工水平进行综合评价。

表2 效果等级和经济等级评分值

邀请中铁二十局集团和北京交通大学参加该隧道施工的6名专家按照绿色施工措施的效果和经济性对评价指标进行打分，记为1和2，如表 2所示。

4.1 向量夹角余弦权重确定

将表2中的数据代入式(1)~(4)可得效果等级和经济等级的最优和最差向量：

将效果等级和经济等级的最优向量和最差向量代入式(5)和式(6)可得对应的偏差矩阵：

将偏差矩阵代入式(7)和式(8)可得二级指标的向量夹角余弦权重，同理，可得一级指标的向量夹角余弦权重，如表3所示。

表3 效果和经济评价云数字特征

4.2 计算云数字特征

将表2中各二级指标的评分值代入式(10)可得二级评价云效果云和经济云的数字特征；将二级评价云的数字特征与表3中对应的权重值代入式(11)可得一级评价云的效果云和经济云的数字特征，进而得到综合评价云的数字特征，具体数值如表3 所示。

将表3中综合评价云的数字特征和标准云的数字特征输入到MATLAB正向云发生器，可得到综合评价云图如图2所示；为了更清楚地看出综合评价等级这里同时给出了综合评价云的俯视图如图3所示。

图2 综合评价云图

图3 综合评价云俯视图

由图2和图3可知，风火山隧道绿色施工的综合评价云位于“优秀”和“良好”2个标准云之间，更贴近“良好”标准云，尤其图3中综合评价云基本与“良好”标准云重合，因此，可初步确定风火山隧道绿色施工的综合评价等级为“良好”。由文献[16]可知，风火山隧道施工时制定了详细的环保方案，重点从冻土、植被、污染、弃渣处理、垃圾处理、恢复已破坏环境等方面采取了先进的环保措施。如为保护冻土平衡，分析、排列较大的人工热扰源，并从季节选择、温度控制、搭设遮阳棚、降低爆破热能、各段开挖面热交换等方面采取大量的技术措施，有效的防止了冻土热融滑塌发生。对破坏区的高原植被采取移植和恢复技术，非常有效地保护了自然植被。隧道弃渣场经过详细对比选择环保影响较小的地点，设置完善的挡护措施，并移植草皮绿化，减少了对环境的污染。对垃圾采取修建分类垃圾池, 集中堆放、消毒，不能焚烧、掩埋，拉往规定地点集中处理的方式，很好的保护了环境。同时，为保护施工人员安全，开发了有压吸附、低压解吸的变压吸附制氧工艺，成功应用于该地区的制氧系统，并提出隧道氧吧车、隧道制氧站等新方法，十分有效的降低了缺氧、低压给施工人员带来的风险。由此可见，风火山隧道绿色施工的方法非常有效，结果相当良好。这说明本文得出的风火山隧道绿色施工的结果为“良好”是非常合理的，十分符合风火山隧道绿色施工的实际情况。

为了确定各一级指标的评价结果等级，选择土壤环境污染防治B1，大气环境污染防治B3，自然资源破坏防治B4，资源合理利用B5绘制了一级指标评价云图，如图4所示。

由图4可知，土壤环境污染防治B1，自然资源破坏防治B4，资源合理利用B5的评价云图介于“优秀”和“良好”的标准云之间，而大气环境污染防治B3的评价云图介于“良好”和“一般”标准云之间，说明大气环境的保护措施还需要改善。

4.3 计算贴近度

为了更加准确的确定出风火山隧道的综合评价结果，利用贴近度来计算初步确定的综合评价结果与标准云的贴近程度，分别用1，2，3，4，5表示。

由计算结果可知五级标准云与综合评价结果的贴近度大小关系为2>1>3>4>5，故可最终确定风火山隧道的绿色施工水平综合评价结果为“良好”。这进一步确定评价结果与文献[16]中描述的风火山隧道绿色施工的结果吻合，也与中铁二十集团相关专家给出的结论有比较高的吻合性。

5 结论

1) 基于青藏高原地区独特的自然环境，通过深入了解该地区铁路隧道施工的特点，咨询参加该地区铁路隧道施工的专家，建立了青藏高原地区铁路隧道绿色施工水平综合评价指标体系。

2) 将向量夹角余弦法与二维云理论结合，构建了基于向量夹角余弦−二维云模型的评价模型，并用该模型对风火山隧道绿色施工水平进行综合评价，得出的结论与实际施工情况比较吻合，证明该模型的适用性和有效性。

3) 通过对青藏铁路风火山隧道绿色施工水平的综合评价，不仅完善了铁路绿色施工评价的体系，而且为铁路隧道绿色施工评价提供了理论依据，对正在修建的川藏铁路隧道绿色施工具有重要的参考价值。

图4 一级指标评价云图

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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

国家自然科学基金资助项目(51768034)

鲍学英(1974−)，女，宁夏中卫人，教授，博士，从事绿色铁路与工程管理研究；E−mail：813257032@qq.com

(编辑 蒋学东)