0 引言
2020年9月22日,国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论时庄严宣布:中国力争2030年前二氧化碳排放达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和目标。同时,国家也颁布了一系列文件,引导各行各业积极探索碳减、碳汇路径。铁路建设是国家基础设施建设的重要组成部分,隧道是铁路的主要结构型式,尤其是在我国西南山区,隧线比甚至超过了50%。因此,铁路隧道建设碳减排工作是实现“双碳”目标过程中至关重要的一环。
国内外学者曾开展了大量的关于隧道绿色建造技术的研究。例如:在设计方面,黄俊等[1]从装配式建造、噪声控制、通风环保等方面分析了绿色隧道的现状和发展方向,并提出了绿色隧道的发展目标;在施工方面,金文良等[2]对沉管隧道水下绿色施工进行了研究,为绿色交通基础设施建设提供了技术支撑;在运维方面,王剑宏等[3]提出全寿命周期碳排放绿色评价指标。然而,针对隧道绿色建设的研究基本停留在定性分析阶段,仅有部分学者进行了定量计算。因此,本文将定性和定量相结合,提出碳排放的计算方法和减碳策略。
要实现“双碳”目标,必须在隧道建设过程中采取一系列低碳建造技术,以减少碳排放、提高资源利用效率和降低对生态环境的负面影响[4]。首先,在铁路线路规划和设计阶段要充分考虑对生态环境的保护,通过采用现代化的轨道交通,尽可能减少对土地的占用,避免对自然生态系统造成破坏[5];其次,在建造阶段可以采用全预制技术来减少碳排放;最后,在运营阶段可以采取一系列减排技术来实现绿色运营。总之,减排理念贯穿铁路隧道建设的每个环节,进而最大程度地减少碳排放,助力“双碳”目标的实现[6]。
1 隧道低碳设计理念、原则及方法
1.1 低碳设计理念
隧道与地下工程低碳设计理念是指在隧道工程设计过程中,以减少工程全生命周期碳排放为目的的设计理念。它强调以环保和可持续发展为出发点,通过创新技术与设计方法,降低对环境和能源的负面影响,实现更高的资源利用效率。低碳设计理念包括以下几个方面:
1)减少碳排放。通过节能减排措施,减少隧道和地下工程建设及运营过程中产生的碳排放。例如,采用高效节能的工法、设备和材料,优化能源供应和利用方式等。
2)资源有效利用。尽量减少对原材料和自然资源的需求,采用循环经济的思想,通过再生材料的使用和废弃物的回收利用,提高资源利用效率。
3)能源节约。通过优化设计和技术手段,减少隧道和地下工程的能源消耗。例如,在通风、照明和水利方面采用节能设备和管理措施,减少能源浪费。
4)生态环境保护。减少对生态系统的破坏和影响,保护自然环境。例如,在施工和运营过程中采用低影响开发技术,减少土地占用和水土流失等。
低碳设计理念体现了将可持续发展原则应用于隧道及地下工程,以实现减少碳排放、资源有效利用、能源节约和生态环境保护的目标。
1.2 低碳设计原则和方法
隧道低碳设计与隧道安全息息相关,合理的低碳设计能够减少能源消耗和碳排放。同时,低碳设计也要兼顾隧道的安全性,在建设与运营过程中确保隧道结构的安全。因此,安全是隧道设计的基础,低碳设计是在保障隧道安全的基础上开展的减碳设计。
隧道低碳设计应遵循以下3个原则:1)少排,即减少工程建造过程中的污染物排放和能源消耗,通过节省原材料、提高预制率来达到少排的目标;2)多汇,即汇聚多方面的综合治理方式,减少建筑占地面积,增加植被覆盖率;3)耐久,即为达到高可靠、高韧性的目标,开发耐腐蚀、耐碳化的建筑材料。隧道低碳设计原则见图1。
图1 隧道低碳设计原则
低碳设计理念需要借助多种低碳技术来实现。低碳设计理念的实现路径包括低碳选线设站技术、低碳建筑设计技术、低碳结构设计技术、低碳通风空调技术和低碳防排水技术等。
隧道建设不仅是国家基础设施建设的重要组成部分,也是碳排放的重要来源。因此,研究铁路隧道绿色低碳建造技术是践行绿色发展理念,实现“双碳”目标的关键。
2 清华园隧道绿色建造实践
2.1 清华园隧道工程概况
京张高铁清华园隧道位于北京市海淀区,自学院南路以南入地至北五环内清华东路以南出地,全长6020m,隧道内径11.1m、外径12.2m。隧道共穿越7条主要市政道路和一百多条市政管线,穿越的市政道路有学院南路、北三环、知春路、北四环、成府路、清华东路、双清路,隧道还穿越10、12、15号地铁线路,并与地铁13号线近距离并行。综上所述,清华园隧道是目前穿越地层最复杂、穿越重要建筑物最多的高铁单洞双线大直径盾构高风险隧道[7]。
清华园隧道在建设过程中使用了多项绿色建造技术来减少碳排放,如全预制建造技术[8]和增加地表绿化面。
2.2 全预制建造减碳设计
清华园隧道是国内首次实现全预制拼装的隧道,其盾构管片、轨下结构和附属沟槽均采用预制拼装结构,并专门研发了拼装机器人,实现了盾构管片、轨下结构及附属沟槽工厂化、机械化、专业化和智能化建造。
与现浇结构相比,预制结构采用工厂化生产,养护条件好,混凝土强度更高,质量更好,材料用量更少;预制结构集中制造、集中养护,材料损耗低,措施能耗低,可避免大量的模板消耗,节省模板安拆人力;预制结构还避免了现浇施工产生的粉尘、废水污染。计算分析表明,采用预制结构每延米碳排放比现浇结构减少246.4kg。清华园隧道盾构段长4.45km,采用预制轨下结构可减少碳排放1096.5t。全预制建造技术推广后,按铁路盾构规划长度387km计算,将减少碳排放9.53万t。清华园隧道轨下预制与现浇结构碳排放对比见表1。
表1 清华园隧道轨下预制与现浇结构碳排放对比
2.3 地表绿化减碳设计
清华园隧道消除了老京张铁路对城市的分割,取消了四道口、五道口等平角道口,显著降低了该区域的交通拥堵,减少了汽车尾气排放。京张高铁五环内采用大直径盾构隧道下穿城市核心区,同时将老京张铁路地面线拆除改造成京张铁路遗址公园和城市绿带[9],释放了城市空间。京张铁路遗址公园长9km、宽约20m,为北京增加了18万m2的绿带面积[10],年碳汇量达2000t以上。京张铁路遗址公园位置图见图2。
图2 京张铁路遗址公园位置图
3 新八达岭隧道及八达岭长城站绿色建造实践
3.1 新八达岭隧道及八达岭长城站工程概况
新八达岭隧道下穿居庸关、水关和八达岭长城等重要风景名胜区,是京张高速铁路全线控制性工程,隧道全长12.01km,不仅3次下穿长城,而且还超浅埋下穿百年京张铁路和石佛寺村。因此,该隧道是整条线路中最长、环保要求最严格、工期最紧张的隧道。隧道的设计和施工需经精心计划和严格控制,以确保工程质量和安全。同时,根据环保要求,隧道在施工过程中需采取一系列措施,以减少对周边环境的影响。
八达岭长城站位于北京延庆八达岭滚天沟停车场下方八达岭隧道内的地下车站,车站毗邻八达岭长城,全长470m,总宽80m,地下建筑面积达3.985万m2,隧道轨面埋深达102m,旅客提升高度达62m,是目前国内埋深及提升高度最大的高速铁路地下站。八达岭长城站拥有多个层次、大量洞室、复杂的洞型和密集的交叉节点,是目前国内最复杂的暗挖洞群车站之一。车站两端渡线段单洞开挖跨度达到32.7m,是目前国内单拱跨度最大的暗挖铁路隧道车站。八达岭长城站的建设展示了中国工程技术的雄厚实力。该车站的设计和施工需经过精心计划和严格控制,以确保工程质量和安全。同时,车站的建设也考虑了环保因素,并采取了相应的措施,以减少对周边环境的影响。八达岭长城站作为八达岭隧道的重要组成部分,将为京张高速铁路的运营提供便利,它不仅满足了交通需求,而且还为游客提供了更加便捷的到达八达岭长城的交通方式。八达岭长城站的竣工将对区域经济发展和旅游业的繁荣产生积极的影响。
八达岭长城站在设计、建造过程中充分考虑了对环境的影响,采取了选址减排、群洞开挖减排、超大跨隧道减排、景区节地碳汇、八达岭长城站绿色运营等多种方法来减少碳排放。
3.2 地下站选址减碳设计
八达岭长城站建成后距离长城索道登城口仅250m,距离长城步道登城口仅800m,游客乘车旅行仅需30min。因此,大量游客放弃乘坐大巴车和小客车而选择乘坐高铁至景区游览,按每年运送游客260万人次、游客平均旅程70km计[11],每年仅游客旅行减少的碳排放就达7700t。
3.3 地下站结构减碳设计
八达岭长城站设计期间对比分析了单洞、三联拱、三洞、穹顶及群洞布置方案等9种方案的优缺点,也补充进行了各方案的碳排放分析,现举例比较单洞集中布置与群洞分散布置的碳排放。
单洞集中布置方案是将车站四股道、站台、站厅均设计在一个超大跨隧道内[12],隧道开挖跨度达到44m,高度达到27m。大跨隧道内设置1道混凝土中板,上层为站厅层,下层为站台层。单洞集中布置方案见图3。
图3 单洞集中布置方案(单位 : m)
群洞分散布置方案是根据车站的功能需求设置相互独立的隧道组成隧道群,充分利用群洞之间岩墙、岩板的支撑作用来提升群洞的整体稳定性,减少隧道开挖量,降低隧道支护成本。群洞分散布置方案见图4。对比2个方案,单洞集中布置方案每延米开挖面积为1023.7m2,即图3中断面面积,群洞分散布置方案每延米开挖面积为844.8m2,即图4中群洞面积之和,车站站台长450m。根据计算,得出群洞分散布置方案比单洞集中布置方案减少岩石开挖8万m3,减少建设期碳排放约1.7万t[13]。
图4 群洞分散布置方案(单位 : m)
3.4 隧道结构减碳设计
为了满足车站两端的渡线需求,八达岭长城站在隧道开挖过渡段采取了特殊设计。这些过渡段的隧道开挖跨度达到32.7m,开挖面积共计418.9m2。采用塌落拱理论计算,隧道二次衬砌厚度达2m,隧道开挖跨度将增大至36.3m,开挖面积达622.9m2。设计中提出了超大跨隧道围岩自承载理论、围岩承载拱构件化设计方法、预应力锚网支岩壳自承载支护措施和超大跨隧道开挖工法,实现了围岩自承载,将二次衬砌厚度缩小至0.6m,最大跨段每延米减少开挖量125.77m2,共计减少开挖量2.05万m3,减少碳排放0.44万t[14-15]。
3.5 隧道洞口减碳设计
隧道洞口边坡和仰坡、隧道洞口上方回填、渣场表面都采用绿色植被覆盖。例如:新八达岭隧道出口边仰坡、渣场、隧顶采用绿色植被覆盖,增加绿地面积2000m2,其余隧道平均每座增加绿地面积800m2,全线隧道洞口增加绿地,仅隧道洞口绿化每年将增加碳汇近500t。新八达岭隧道出口绿化设计见图5。
图5 新八达岭隧道出口绿化设计
京张高铁采用更加绿色的格宾挡墙对边坡、仰坡进行防护,既可以对开挖面进行结构挡护,还可以为植被的生长提供必要的基床,为陡坡绿化打下坚实的基础。新八达岭隧道洞口格宾挡墙设计见图6。以新八达岭隧道为例,设计将混凝土挡墙优化为格宾挡墙后[16],碳排放量由75.883t减少为6.427t,差值为69.456t,减少碳排放量超过90%,在全路推广应用后将产生巨大的减碳环保效应。
图6 新八达岭隧道洞口格宾挡墙设计
3.6 隧道节地减碳设计
八达岭长城站位于世界文化遗产保护区内,如何既能实现车站功能、方便游客出行,又能避免对景区环境造成影响,从而与自然人文景观相融合是设计思考的重点。为了尽量缩短游客行进距离,同时减少对景区地表植被的破坏,采用隧道方式穿越景区。八达岭长城站采取在地下设站的方案,仅有的地表出入口顶部也覆盖了绿色植被,从而减少占地面积4.05万m2,年增加碳汇量约1500t。八达岭长城站节地减碳设计见图7。
图7 八达岭长城站节地减碳设计
3.7 隧道运营减碳设计
3.7.1 无空调车站活塞通风系统
八达岭长城站埋深达102m,这一深埋的位置具有冬暖夏凉的特性。车站充分利用这一特性,通过列车活塞风带来的热量和冷量,取消了夏季空调和冬季供暖。在地下深埋岩体环境,列车活塞风中含有温度差异很大的空气。夏季时,这些列车活塞风的温度通常较低,而在冬季则相反。八达岭长城站巧妙地利用了这一特性,在夏季温度较低的活塞风被引导用来降低站内温度,达到冷却的效果,从而不需要额外的空调系统;而在冬季,温度较高的活塞风被用来供暖,取代传统的暖气系统。在我国100m2的住房采暖就要消耗2t煤炭,车站面积约40500m2,我国标煤的碳排放系数为0.67t碳/t标煤,仅此一项每年就减少碳排放约540t,大大降低了能源消耗。
3.7.2 光源智能管理及光纤照明系统
八达岭长城站采用光源智能管理系统,不仅实现了能源节约,还为环境保护贡献了积极力量。这个系统的设计原则是简单而有效的:人来灯亮,人去灯灭,进而减少地下车站照明能耗。此外,采用光纤照明系统进一步提高能源效益。光纤照明系统通过将地面的自然光引入地下,减少对人工照明的依赖。这种照明系统充分利用了自然光,为乘客提供自然的照明体验,不仅降低了电能消耗,而且还提高了站内的舒适度,使地下空间更加宜人。
八达岭长城站的智能照明系统是绿色建设的亮点,其能源节约效果显著。光源智能管理系统和光纤照明系统的结合使得地下车站每年能减少50%的照明能耗,每年减少碳排放430t,这对于应对气候变化和降低碳足迹有着积极的影响,也体现了可持续城市建设的理念。
3.7.3 电梯等大型设备智能管理系统
电梯智能管理系统是现代城市建筑中的一项创新技术,它在提高电梯运行效率的同时,也为能源节约和减少碳排放做出了重要贡献[17]。八达岭长城站的电梯系统就采用了这一智能管理系统,其核心思想是根据客流特征智能控制电梯的运行,从而实现有人运行、无人暂停的目标。这项技术的应用不仅改善了乘客的出行体验,而且还在能源消耗和环境保护方面起到了积极的作用。采用电梯智能管理系统后,每年能够减少66t的碳排放。
此外,八达岭长城站还采用了无能源通风,进一步降低了能源消耗和碳排放。无能源通风系统可以有效地提高站内的空气流通,降低对传统空调系统的依赖,减少电力消耗。假设用电通风,电量的风机功率为690kW,每天工作12h,每年365d,单位碳排放0.272kg/(kW·h),每年将产生约82t的碳排放,而无能源通风技术的应用使八达岭长城站每年减少碳排放82t。
4 未来铁路绿色建造技术展望
4.1 绿色结构物建造
未来的铁路建设将越来越注重可持续性和环保,其中,绿色植生结构物将成为令人关注的领域。在结构物上增设植物生长条件是一个很好的发展方向,包括在铁路墙壁、桥梁柱子等结构中设计植物培植孔,以便植物可以在这些结构上生长。让植物与铁路基础设施共生,不仅为周围环境提供绿色景观,而且还有助于改善空气质量,提升碳汇量。
另一个未来的绿色植生结构物的发展方向是研制生物材料,例如生物混凝土和新型植生砌体[18]。生物混凝土是一种具有自愈合能力的混凝土,可以通过微生物或特殊材料来修复裂缝和损伤,延长结构寿命,减少维护成本。这种材料的应用可以降低铁路建设和维护的资源消耗,并减少碳排放。此外,新型植生砌体是一种结构材料,它具有内置的植物种植槽,可以容纳各种植物,不仅能绿化建筑外观,而且还能有效提升绿化覆盖率。这些生物材料有助于美化铁路基础设施,让铁路与绿色共生。
4.2 全预制精巧化结构研发
预制拼装是现代铁路工程建设的发展方向,它具有巨大的潜力,不仅能够提高建设效率,而且还能够显著降低碳排放,从而为可持续发展做出重要贡献。
预制拼装技术的发展将为建筑行业带来更高效、更环保的建设方式。传统的铁路工程通常需要在现场进行大量的浇筑、砌筑和焊接等施工工作,不仅耗时耗力,而且还容易受到天气和环境条件的限制;而采用预制拼装技术可以节省大量的施工时间,加快工程进度,降低建设成本。同时,由于预制拼装过程更加工厂化和标准化,可提高施工质量和安全性。
预制拼装技术可以显著减少材料的消耗量。在传统的工程中,由于需要现场浇筑混凝土或砌砖,会浪费一定数量的材料;而预制拼装技术可以精确地控制构件的尺寸和形状,以最大程度地减少材料浪费。此外,预制构件的生产过程也更加节能,因为工厂通常能够更高效地利用能源。
预制拼装技术有望减少碳排放。相对于传统的现场施工方式,预制拼装技术将制造过程转移到工厂中进行,使得生产更加快速、资源利用更加充分。因此,采用预制构件的建筑方式不仅提升了建设效率,还有助于减少建筑行业对环境造成的负面影响,为推动绿色、低碳发展作出积极贡献。此外,预制构件的生产通常会采用更加环保的生产工艺,例如使用可再生能源和减少有害废物排放,进一步降低碳排放。
随着预制拼装技术的发展,铁路工程的结构将向小型化和精致化方向发展[19],这意味着工程中使用的构件和材料将更加精细和节省,不仅有助于减少材料消耗,而且还可以降低运输成本和能源消耗,进一步减少碳排放。
4.3 设备智能管控技术
铁路施工及运维中的智能化设备和设施将成为未来铁路系统的重要发展方向,其应用将为旅客提供更加舒适的候车环境,同时,也有助于减少能源消耗和碳排放。这一技术将涵盖通风、电梯、照明和空调等多个系统。
通风系统的智能化将带来更好的室内空气质量和舒适度。传统的通风系统通常不管室内的空气质量如何,都是以固定的方式运行,而智能化通风系统可以根据室内二氧化碳浓度、湿度和温度等参数自动调整通风强度。这种智能通风系统不仅提高了室内的空气质量,而且还减少了电力消耗,降低了碳排放。
智能照明系统将在节能和舒适性方面发挥作用。智能照明系统可以根据光线强度、时间和人流等因素自动调节照明强度[20],不仅有助于降低电力消耗,而且还能提高照明系统的可维护性和可持续性。
智能化的空调系统可以更好地满足乘客的舒适度需求,同时减少能源消耗。传统的空调系统通常以固定的温度和湿度运行,不考虑室内外环境的变化;而智能空调系统可以根据室内温度、湿度和外部气象条件来自动调整运行模式。这使得系统可以更加智能地控制室内环境,提供更舒适的空调体验,同时减少不必要的电力消耗。
铁路施工及运维中的智能化设备和设施将进一步提升旅客在候车时的舒适度,同时,减少能源消耗和碳排放。
4.4 铁路带状光伏发电场
铁路沿线有大量的路侧用地、边坡和防护结构物,通常情况下,这些土地资源仅用于铁路基础设施。而在西北、华北等地区有丰富的光伏资源,可以将沿线的土地资源和光能结合起来,研究光伏板和铁路结构的复合结构物,充分利用铁路沿线土地资源,建设带状光伏发电场为铁路电网供电,将这些地区转化为可再生能源的生产场所。
建设带状光伏发电场将产生巨大的减碳效应。铁路系统的能源消耗一直是碳排放的主要来源之一,通过引入清洁能源,特别是太阳能光伏,有助于应对气候变化和降低碳足迹。
4.5 压缩空气储能电站
压缩空气储能技术是一种具有巨大潜力的能源储存方法,它在利用电力系统剩余电力、提高电网负荷平衡以及减少碳排放等方面发挥着重要作用[21]。压缩空气储能技术的核心概念是在电网负荷低谷时将多余的电力用于压缩空气,并将其储存在高压密封设施内,该过程可以在电力供应充足和成本较低的情况下进行,以避免浪费。随后,在用电高峰时释放储存的压缩空气,通过燃气轮机发电,将电能重新注入电网。这种储能方法可以有效平衡电力系统的供需关系,提高电网的稳定性,减少因负荷波动而引发的电力故障。该技术利用了空气的弹性特性,实现了能量的高效转换和储存,同时也有助于减少碳排放,特别是在铁路隧道等地下设施内设置储能电站,可以带来一系列显著的经济和减碳效益。
5 结论与讨论
文章主要介绍了京张高铁建设过程中清华园隧道、新八达岭隧道及八达岭长城站使用的绿色建造技术。其中:清华园隧道建设过程中全预制建造比现浇建造减少碳排放9.53万t,碳减排效果显著;八达岭长城站选址正确,可减少建设期碳排放约1.7万t。同时,清华园隧道和新八达岭隧道在建造过程中都注重环境保护,通过增加地表绿化面积,有效增加了年碳汇量。八达岭长城站在绿色运营方面碳减排效果也十分出色,如利用无空调车站活塞通风系统每年可减少碳排放约540t,光源智能管理及光纤照明和电梯等大型设备智能管理技术值得其他车站借鉴。最后,提出多种减少铁路建设碳排放的思路,以期为未来铁路行业的碳减排工作提供借鉴。
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