节材视角下山区铁路与材料资源协调发展研究.pdf
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1、第 20 卷 第 11 期2023 年 11 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 11November 2023节材视角下山区铁路与材料资源协调发展研究鲍学英,肖岚月,万炳彤,李亚娟,郭海东(兰州交通大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730070)摘要:建筑材料作为山区铁路工程建设的必要资源之一,对山区铁路建设存在支持与约束的双重作用。为了节约山区铁路工程建设材料,促进山区铁路工程与材料资源协调发展,基于耦合协调模型与障碍诊断模型量化分析山区铁路工程与材料资源之间的协调关系并识别其主要障碍因子。
2、首先,基于隧道、桥梁、路基和站场4个节材关键专业,分析山区铁路工程与材料资源之间的交互影响关系。其次,依据交互影响关系,构建山区铁路工程与材料资源协调发展评价指标体系。再次,引进相对熵进行组合赋权,通过耦合协调度模型量化分析山区铁路工程与材料资源之间的协调程度,并通过障碍诊断模型识别影响山区铁路工程与材料资源协调发展的主要障碍因子。最后,以某山区铁路工程某标段为例进行实例验证。结果表明,该标段山区铁路工程与材料资源处于“初级协调发展”状态,耦合协调度存在较大优化空间,可以重点从喷射混凝土类型、喷射混凝土喷射方式、围岩变形预留、隧道断面超挖、土石方挖填平衡、弃渣资源化利用、废弃混凝土资源化利用、
3、天然砂石料开采以及机制砂使用等9个方面着手,改善山区铁路工程与材料资源的协调状态。研究成果为山区铁路工程与材料资源协调发展评价提供了评判依据,也为提升山区铁路工程与材料资源协调状态明确了改进重点。关键词:山区铁路;材料资源;耦合协调;障碍度中图分类号:U29 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)11-4367-10Coordinated development of mountain railways and material resources from perspective of material savingBAO Xueyin
4、g,XIAO Lanyue,WAN Bingtong,LI Yajuan,GUO Haidong(College of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)Abstract:As one of the necessary resources for railway construction in mountainous areas,building materials play a dual role of support and restraint in mountain railway con
5、struction.In order to save materials for railway engineering construction in mountainous areas,and promote the coordinated development of railway engineering and material resources in mountainous areas.Based on the coupling coordination model and obstacle diagnosis model,the coordination relationshi
6、p between mountain railway engineering and material resources was quantitatively analyzed,and the main obstacle factors were identified.Firstly,based on the four key disciplines of tunnel,bridge,subgrade and station,the interaction between railway engineering and material resources in 收稿日期:2022-12-0
7、1基金项目:中央引导地方科技发展资金资助项目(22ZY1QA005);国家自然科学基金资助项目(51768034)通信作者:鲍学英(1974),女,宁夏中卫人,教授,博士,从事绿色铁路及工程管理方面的研究;Email:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20222290铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月mountainous areas was analyzed.Secondly,according to the interaction relationship,the evaluation index system of coordinated deve
8、lopment of mountain railway engineering and material resources was constructed.Thirdly,the relative entropy was introduced for combination weighting,and the coordination degree between mountain railway engineering and material resources was quantitatively analyzed through the coupling coordination d
9、egree model.The main obstacle factors affecting the coordinated development of mountain railway engineering and material resources were identified by the obstacle diagnosis model.Taking a certain section of a mountain railway project as an example to verify,the results show that the mountain railway
10、 project and material resources in this section are in the“primary coordinated development”state,and there is a large optimization space for the coupling coordination degree.It can focus on 9 aspects such as type of shotcrete,shotcrete spraying method,surrounding rock deformation reservation,tunnel
11、section overbreak,earth and rock excavation and filling balance,waste slag recycling,waste concrete recycling,natural sand and gravel material mining and machine-made sand using,to improve the coordination between railway projects in mountainous areas and material resources.The research results prov
12、ide the evaluation basis for the coordinated development of mountain railway projects and material resources,and also clarify the improvement focus for improving the coordinated state of mountain railway engineering and material resources.Key words:mountain railways;material resources;coupling coord
13、ination;degree of obstacle 近年来,随着我国社会经济的快速发展,生态环境恶化、资源供需矛盾等问题日益凸显。在对资源环境保护和经济发展辩证关系的反思中,绿色意识逐步诞生。在国家层面明确指出,为确保我国经济实现从高速增长阶段向高质量发展阶段的顺利转型,今后一段时期内,将全面贯彻绿色新发展理念。在这一时代背景下,建筑领域率先进行了开创性研究和尝试。目前,第3版绿色建筑评价标准(GB/T 503782019)已经颁布,该标准提出的“四节一环保”理念,对其他工程领域产生了深刻影响。铁路工程作为落实国家战略、保障民生以及增强国际影响力的重要产业,建设与运营过程伴随着大量资源消耗。
14、为顺应绿色发展趋势,国家铁路局先后发布了绿色铁路客站评价标准(TB/T 104292014)、铁路工程环保设计规范(TB 105012016)、铁路工程节能设计规范(TB 100162016),从中可以发现当前铁路工程领域相关规范标准对“绿色”的考虑主要集中在能源节约和环境保护方面。材料资源作为构成铁路工程实体的基本要素,具有需求基数大、生产加工能耗大等特点。铁路建设以材料资源消耗为前提,受到材料资源支持和约束的双重作用。对于天然材料需根据资源存量计划使用,并寻求替代材料;对于生产材料需对材料使用数量加以控制,达到材料消耗与供应之间的平衡状态。关于铁路工程材料节约,国内外学者开展了一定研究。P
15、ONGIGLIONE 等1以铁路客站为研究对象,发现重复利用钢结构能实现至多30%的钢材节约。针对骨料短缺问题,IMTEAZ等2从环境适应的角度,证明了再生塑料替代原骨料的可能性;鲍学英等3指出合理利用机制砂混凝土能有效解决山区铁路天然砂资源短缺的困难。为了节约路基填料,LI等4提出用煤矸石制备路基填料;VUKIEVI等5提出可以使用粉煤灰和矿渣建造铁路工程下部结构。张健6为实现高速铁路主要建设材料的节约,从高性能材料选用、节材型工艺选用、实体性材料降耗等5个方面梳理了具体的节材措施。李雨浓等7综合考虑节材措施本身、经济成本、技术承受力3个方面的因素,对铁路工程节材措施综合效果进行评价。综上,
16、当前学界已经就铁路工程材料节约问题展开了一定程度的研究,多数研究成果着眼于铁路工程某一阶段、某一具体专业或某种具体材料的节约,对铁路工程节材与其建设所用材料资源之间的协调性关注较少。本文将铁路工程与材料资源的协调发展定义为以提升铁路工程节材能力为重点,确保铁路工程对材料资源4368第 11 期鲍学英,等:节材视角下山区铁路与材料资源协调发展研究的使用在材料资源供应能力范围之内,实现铁路工程对材料资源的可持续利用。目前,为了解决西部铁路“留白”问题,我国山区铁路路网迅速扩张,故本文以山区铁路工程为研究对象,拟通过分析山区铁路工程与材料资源之间的交互影响关系,建立山区铁路工程与材料资源系统间的耦合
17、协调模型,并通过障碍诊断模型,识别影响山区铁路工程与材料资源协调发展的主要障碍因子,提出针对性建议,从而推动山区铁路工程与材料资源由低水平协调状态向高水平协调状态发展。1 山区“铁路工程材料资源”交互影响分析1.1关键专业确定山区铁路工程站前站后共有23个专业,材料资源作为构成山区铁路工程的物质基础,与各个专业都存在密切关联。然而,为了确保山区铁路安全可靠,材料资源节约空间有限。事先明确能够实现节材与材料资源综合利用的关键专业,是研究山区铁路工程与材料资源交互影响关系的基础。为此,以某山区铁路工程项目具备5 a以上铁路工作经验的一线设计人员、施工人员为调研对象,通过发放电子调查问卷,确定山区铁
18、路工程各专业与“节材”的关联关系。调研工作总计回收电子问卷30份,经整理与识别得到有效问卷27份。为便于结果分析,将专家意见转化成关联矩阵(样表如表 1所示)。汇总所有关联矩阵的结果,最终确定山区铁路工程各专业中与节材和材料资源综合利用相关程度较高的专业主要有4个,分别是隧道工程、桥梁工程、路基工程以及站场工程。1.2山区铁路工程对材料资源的影响山区铁路工程建设消耗各种建筑材料,其节材能力主要包括材料减量化、材料再循环、材料再利用3个方面。山区铁路工程通过关键专业实现材料节约,有助于缓解材料资源供需压力以及固体废弃物处置压力,下面就各关键专业节材能力对材料资源的影响逐一进行分析。1)隧道工程节
19、材能力对材料资源的影响。山区铁路工程隧道占比高,弃渣作为隧道工程建设的必然产物,具有数量多、处置困难、环境危害大等特点。弃渣资源化是隧道节材能力的重要体现,包括弃渣作填料填筑场地、弃渣作机制砂石配置混凝土、弃渣作路面级配碎石等。混凝土减量化是隧道节材能力的另一体现,包括喷射混凝土减量化以及模筑混凝土减量化2个部分。喷射混凝土作为隧道初期支护的关键材料,理论消耗量是设计量的1.63.8倍。模筑混凝土是隧道二次衬砌的主要材料,其理论消耗量为设计量的 1.041.12倍8。2类混凝土设计量与消耗量之间的数量偏差,创造了较大的节材空间。此外,由于喷射混凝土存在回弹问题,在制备技术和施工工艺的约束下,回
20、弹率约为10%30%,故回弹喷射混凝土回收利用也是隧道节材能力的重要体现。因此,隧道工程节材能力对材料资源的影响主要包括2个方面:一方面,弃渣资源化、废弃混凝土资源化实现了材料资源再循环,提高了固体废弃物的回收利用率;另一方面,喷射混凝土、模筑混凝土的减量化,降低了隧道混凝土的需求量,缓解了砂石料、水泥等材料的供给压力。2)桥梁工程节材能力对材料资源的影响。山区铁路桥梁占比高。桥梁桩基作为桥梁工程的重要组成部分,在混凝土浇筑过程中,常出现损耗率偏大的问题,故桩基混凝土减量化是桥梁工程节材能力的一个方面。根据铁路工程预算定额,钢模板是桥梁工程下部结构建设过程中主要的周转材料,选择节材型模板体系,
21、能提高钢模表1山区铁路工程“节材”关联矩阵样表Table 1Sample table of“Material saving”correlation matrix of mountainous railway engineering专业名称该专业与材料资源节约的关联程度线路路基桥涵隧道通信信号站场电力注:“”表示该专业与材料资源节约关联性较强,“”表示该专业与材料资源节约关联性一般,“”表示该专业与材料资源关联性较弱。4369铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月板周转效率,实现模板材料节约。故桥梁工程节材能力对材料资源的影响主要包括 2个方面:其一,通过桩基混凝土减量化降低混凝
22、土消耗,缓解材料供给压力;其二,通过节材型模板的使用需求推动新型模板研发,在缓解钢模板供应压力的同时提高模板使用效率。3)路基工程节材能力对材料资源的影响。为了确保线路平稳,配合隧道桥梁高程,山区铁路路基往往存在高填深挖的需求。因此,路基土石方移挖作填是路基工程节材能力的重要体现。对于路堤而言,可以考虑通过结构设计实现路堤填料减量化。采用其他材料替代路基填料也是路基工程节材能力的重要体现。铁路废弃混凝土具备强度高、抗腐蚀能力强、清洁程度高、来源易追溯等优点,是优质的路基填料替代品。隧道弃渣进行强度筛分后,也能用于填筑路基,在节约路基填料的同时,有效缓解弃渣弃置压力。无论是通过结构设计直接减少路
23、基填料需求,还是通过土石方、废物混凝土以及弃渣对路基填料进行替代,路基工程节材能力都有利于缓解天然砂石骨料以及外购砂石料的供应压力。4)站场工程节材能力对材料资源的影响。站场工程的节材能力主要通过车站体现,合理确定车站高程,实现车站填筑材料减量化是车站主要的节材能力。同时,利用隧道弃渣以及车站挖方替代填筑材料有利于材料资源再循环。因此,车站节材能力通过对填筑材料的节约,缓解了砂石料的供应压力。1.3材料资源对山区铁路工程的影响材料资源是建设山区铁路工程的物质基础,根据材料来源,可以分为自采加工材料以及外购材料。山区由于交通不便,材料运输困难,就地取材是山区铁路建设的首要选择。然而,以天然砂石料
24、为代表的地材作为地方重要资源,存在季节性开采限制,对山区铁路建设形成约束。机制砂作为另一代表性地材,能有效缓解山区天然砂供给压力。强度大于60 MPa隧道洞渣制备成机制砂石后,可以用于生产隧道、桥梁等工程中强度等级为C40及以下的混凝土910。由于我国对建筑领域机制砂使用的严格要求,机制砂受制于自身质量的不稳定性,对天然砂的替代能力有限。外购材料则主要通过供应能力对山区铁路工程建设形成约束。因此,山区铁路工程与材料资源的交互影响关系如图1所示。2 山区铁路工程与材料资源协调发展评价指标体系基于山区铁路工程与材料资源之间的交互影响关系分析,同时参考绿色铁路客站评价标准(TB/T 10429201
25、4)、铁路工程预算定额路基工程册、桥涵工程册、隧道工程册、站场工程册,在充分考虑山区铁路用材特征的基础上,将山区图1山区铁路工程材料资源交互影响关系图Fig.1Relationship diagram of interaction between mountainous railway engineering and material resources4370第 11 期鲍学英,等:节材视角下山区铁路与材料资源协调发展研究铁路工程系统分为隧道工程子系统、桥梁工程子系统、路基工程子系统以及站场工程子系统,共4个子系统。将材料资源系统分为自采加工材料和外购材料2个子系统,构建山区铁路工程与材料资
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