公路隧道施工期碳排放计算模型.pdf

施工技术（中英文）年 月下第 卷 第 期：公路隧道施工期碳排放计算模型李世文，张玉龙，李增源，林子鑫，张 辽（广西交通投资集团，广西 南宁；中交二公局东萌工程有限公司，陕西 西安）摘要 公路隧道建设会消耗大量能源和材料，从而造成大量二氧化碳排放。为了研究公路隧道碳中和措施，细分隧道施工内容，通过开挖循环、二衬循环、材料排放、路面摊铺 部分建立了隧道施工的碳排放量计算模型，并结合西南地区某隧道工程进行了碳排放量计算，对隧道不同施工工序的碳排放量进行了定量分析。研究表明：公路隧道施工碳排放计算模型提供了一种隧道碳排放分析工具，可为减碳减排决策提供理论依据；在整个隧道施工碳排放量中材料排放和开挖循环的占比最高，分别为 ，。在开挖循环中以出渣阶段排放量最大，在材料排放中以混凝土碳排放量最大；降低化石能源使用，改善施工工艺，提升能量利用率，使用新型节能材料，是降低隧道建设碳排放量的主要途径。关键词 隧道工程；碳中和；定量计算；控制措施；绿色施工中图分类号 文献标识码 文章编号（），（，；，）：，：，：，：；国家自然科学基金（）；陕西省自然科学基础研究计划项目（）作者简介 李世文，高级工程师，：收稿日期 引言 走绿色发展道路是 世纪人类的共识。国际上法国、英国、瑞典、丹麦、新西兰、匈牙利等国家已将碳中和作为国家发展的重要目标。我国也提出在 年前碳达峰、年前碳中和的战略目标。统计数据显示，交通运输领域的碳排放占全国终端碳排放的 ，其中公路占交通领域排放的。随着我国提出碳中和的战略计划，减碳减排已日渐成为未来交通运输行业发展趋势，进行公路减碳减排研究对未来行业发展具有重要意义。李世文等：公路隧道施工期碳排放计算模型 针对这一课题，许多学者开展了不同层次的研究。从行业发展大方向出发进行研究可为推动公路领域碳中和战略布局提供依据，等通过对大量文献进行分析，探索了绿色经济与发展中国家可持续发展的关系及碳中和材料的使用对高速公路建设的影响。王靖添等以交通运输领域碳减排潜力分析为研究方向，在预测中国交通运输需求量的基础上测算了中国交通运输领域的碳减排潜力。从建设阶段出发进行研究可为公路领域碳中和对策制定提供支撑，涂圣文等从公路设计阶段的减碳减排着手，针对传统双车道高速匝道入口设计存在的问题，提出了一种能降低约 碳排放量的新型匝道入口设计方案，并运用 和 进行了交通仿真和污染物排放量计算。卢传忠等以公路运营阶段的减碳减排为研究方向，通过分析道路养护过程中的碳排放源及材料生产加工运输过程中的碳排放，建立了公路养护过程中的碳排放计算模型。从评价体系出发进行研究可作为公路领域碳中和目标导向，张南松等以公路减碳减排的评价指标为研究方向，结合公路工程特点、区域建设的条件及资源，从科技创新、经济成本、品质智慧、绿色节能、人文环境、服务管理等方面建立了减碳减排评价指标体系。贡松多吉等以公路隧道运营期间的减碳减排为研究方向，通过理论分析从基础指标、能耗指标、交通功能、能效指标、交通安全和经济效益 个维度构建了公路隧道运营期的能耗监测指标体系，可动态实现隧道能耗监测，为减碳减排提供依据。由上述文献可看出，高速公路碳中和是一个涉及多层面的系统性问题。公路领域的碳中和任务最终要落在具体工程上，公路隧道的碳排放在整个公路中占据重要分量，李乔松等研究指出，目前关于隧道碳排放量的计算还停留在完工后，对各阶段的碳排放量尚无具体分析。基于此，本文将在前人研究的基础上，以公路隧道碳平衡为研究对象，对公路隧道碳排放计算模型、碳排放设计的概念进行讨论，结合实例对公路隧道施工过程中的碳排放进行定量分析，以期为公路隧道减碳减排措施制定提供理论参考。隧道施工碳排放计算模型 所谓碳排放计算模型，就是根据隧道的工程量，如同计算造价那样将隧道施工中的碳排放定量计算出来，为后续减碳减排措施的制定提供决策参考。碳排放路径 隧道施工中碳排放都可归结于能量与材料的消耗，其中能量消耗现阶段主要为电能和化石能源，材料消耗主要为混凝土、钢材。计算施工期间碳排放的思路是先算出各施工工序所需要的能量和材料，然后通过能量和材料的用量计算施工工序的碳排放量。由于隧道施工的复杂性，碳排放也具有一定随机性，作为前期研究本文中模型只针对隧道施工的关键工序和关键耗材进行计算，具体其计算思路如图 所示。图 碳排放计算思路 隧道开挖 采用气腿式风钻则仅在生产压缩空气时消耗电能，其钻孔的碳排放量 为：（）式中：为空压机的额定功率（）；为钻孔所需的空压机数量（台），可根据断面面积、风损和排放量进行计算；为钻机在一次开挖循环中的作业时间（）；为电碳转化系数（）。爆破工序主要是炸药在爆炸时产生碳排放：（）式中：为爆破所用炸药量（），可根据爆破方量和岩石坚硬程度进行估算；为无量纲炸药碳转化系数，即单位炸药爆炸产生的碳排放量。由式（）（）可知，次循环中开挖所产生的碳排放总量，为：，（）式中：为 个施工段落中第 次循环。隧道出渣 在隧道出渣作业中产生碳排放的途径主要为矿渣装载和运输 个工序油耗。装载机的油耗 可通过式（）进行计算：（）式中：为 次循环的出渣装载时间（）；为装载机油耗量（）。施工技术（中英文）第 卷运渣车在出渣工序中会产生一定油耗，包括满载出洞至弃渣场、空载回洞至掌子面 个过程，运输过程中所消耗的燃油量 为：（）（）（）式中：为掌子面至洞口距离（）；为洞口至弃渣场距离（）；，分别为运输车空载和满载时油耗量（）；为 次循环中运渣次数（次），可根据开挖方量进行估算。由式（）（）可知，次循环中出渣阶段所产生的碳排放量，为：，（）（）隧道支护 支护材料排放 隧道在开挖后需进行支护，支护这一阶段消耗较多材料（主要为钢材、混凝土）。隧道支护所消耗材料与隧道围岩等级有关。在具体计算中，可通过隧道设计图得到支护类型，如钢拱架支撑间距、衬砌厚度，计算出钢材的用量 和混凝土用量。因此，第 个施工段落所用材料及材料加工产生的碳排放量 为：（）（）式中：为隧道中施工段落序号；，分别为喷射混凝土、仰拱混凝土、二衬混凝土、路面混凝土、沥青用量（）；，分别为钢碳转化系数、混凝土碳排放系数、沥青碳转换系数，均为无量纲量，分别表示生产每千克钢材、混凝土、沥青所产生的碳排放量，包括原材料加工及运输的碳排放量。此外，隧道支护中所用材料需经过车辆运输这一过程，运输车辆油耗产生的碳排放量 为：（）（）（）式中：为材料由工区运输到工点距离（）；为混凝土运输次数（次），可按质量估算；为钢材运输次数（次）。因此，在支护阶段 个施工段落中因材料消耗和运输造成的碳排放量 为：（）式中：为隧道中施工段落序号，根据隧道支护类型进行划分。支护耗能排放 对于隧道中的某一段落而言，既需经历开挖循环，也需二衬循环，两者进尺不同，分开便于计算。初期支护属于开挖循环，其碳排放主要是湿喷机行走和喷射状态产生的油耗和电耗，以及电焊机焊接钢筋网片和钢拱架引起的电耗。因此，次开挖循环支护引起的碳排放量，为：，（）（）式中：为湿喷机油耗量（）；，分别为湿喷机和电焊机功率（）；，分别为 次开挖循环中湿喷机和电焊机使用时长（）。二衬支护属于二衬循环。施作二衬时隧道内主要耗能的为模板台车、养护台车和电焊机。因此，次二衬循环引起的碳排放量，为：，（）（）式中：为施工段落中二衬循环序号；，分别为模板台车、养护台车额定功率（）；，分别为 次二衬循环中模板台车、养护台车、电焊机使用时长（），可由统计获得。施工配套措施 通风电耗 隧道的正常施工需通风、照明等配套措施支持。风机功率取决于风量和风压，在计算时需结合具体的通风方式按 公路隧道施工技术规范进行需风量和风压计算，进而确定风机功率。隧道内施工通风的电能消耗量 为：（）式中：为风机功率（）；为 次开挖循环中隧道施工通风时长（），即爆破后的排烟时间。照明电耗 随着隧道的不断掘进，沿程照明灯具也许不断增加。假定隧道施工照明分为隧道掌子面和中间段，隧道的整体照明电能消耗量 为：（）（）式中：为隧道掌子面照明功率总和（）；为隧道中间区段照明功率总和（）；为 次循环中的照明时长（）。考虑上述施工配套措施产生的总碳排放量，为：，（）（）路面摊铺 隧道路面摊铺在隧道贯通后进行，材料产生的碳排放已在 节中考虑，此处仅计算由于摊铺产生的能量消耗。摊铺过程中主要为沥青运输车油耗、摊铺机油耗及碾压功耗，其材料排放量，为：，（）（），（）（）式中：为第 个施工段落中沥青摊铺所需运输次 李世文等：公路隧道施工期碳排放计算模型 数（次）；为 辆运输车满载沥青所能摊铺隧道长度（）；，分别为摊铺机、光轮压路机和振动压路机油耗量（）。路面摊铺与开挖、二衬循环无关，为了计算方便可放在施工段落中。排放总和 最终依据各施工段落所需循环次数分别对材料排放量、开挖循环排放量和二衬循环排放量进行汇总，得到隧道的施工总排放量。如图 所示，第 个段落的总材料碳排放量可根据式（）进行计算。将辅助措施计入开挖循环，根据式（）、式（）、式（）和式（），第 个段落总开挖循环的碳排放量，为：，（，）（）式中：为第 个施工段落的开挖循环次数（次）。图 隧道总碳排放量计算流程 根据式（），第 个段落总二衬循环引起的碳排放量，为：，（）式中：为二衬循环序号；为 个施工段落中二衬循环次数（次）。各施工段落的开挖循环次数 和二衬循环 次数可由开挖进尺估算出来：（）式中：，分别为每一开挖和二衬循环的进尺（），可根据开挖方法和围岩等级确定；为第 个施工段落长度（）。至此本文以工序加循环的方式建立了公路隧道的碳排放计算模型，后续将通过 将公式转变为计算程序。隧道施工碳排放计算 计算参数收集 为了进一步对公路隧道碳排放进行分析，本节将结合西南地区某隧道对其施工碳排放量进行计算，计算所用主要数据如表 所示。转化系数可根据各类数据库、政府组织、专业机构和相关文献查询获得，机械参数可通过机械生产厂家获得。表 公路隧道碳排放计算参数 类型参数数值隧道参数隧道长度 断面面积 级围岩长度 级围岩长度 级围岩长度 洞外运渣距离 转换参数（排放因子）电碳转化系数 （）油碳转化系数 （）炸药碳转化系数 钢碳排放系数 混凝土碳排放系数 沥青碳排放系数 机械参数空压机额定功率 模板台车额定功率 电焊机额定功率 湿喷机喷射额定功率 湿喷机行走功率 （）轴流风机功率 隧道养护台车功率 运输车满载油耗 （）运输车空载油耗 （）装载机油耗 （）沥青摊铺机油耗，（）光轮压路机油耗 （）振动压路机油耗 （）现场系数统计 上述模型中还需用到大量时间系数，它们都是根据隧道实际施工情况以 次循环为周期进行统计得到，其具体时间与作业队伍的水平和开挖方法相关，针对本文所研究的隧道取统计均值进行计算分析，具体如表 所示。由表 和表 可看出，计算隧道的施工碳排放量会用到大量数据。后续随着碳中和的措施不断推进，有必要利用，等软件建立专门的数据库便于精确计算和控制。施工技术（中英文）第 卷表 工序系数 工序类型系数循环类型统计均值 隧道开挖开挖 隧道出渣开挖 隧道支护二衬 开挖 二衬 二衬 开挖 配套措施开挖 开挖 隧道开挖循环碳排放分析 本小节首先进行开挖循环（包括开挖、出渣、支护和辅助措施）的碳排放分析。结合实际隧道参数，将隧道按衬砌类型划分为 个段落（按桩号顺序和衬砌类型）进行计算，如表 所示，计算得到各施工段落开挖碳排放量，如图 所示。表 隧道施工段落划分 项目序号衬砌类型长度项目序号衬砌类型长度图 不同施工段落开挖碳排放量 由图 可看出，隧道开挖碳排放量最大施工段落为第 段落，围岩等级级，该处的隧道进尺为。其次是第 段落，围岩等级级，隧道进尺。可看出隧道开挖产生的碳排放量随开挖长度增加，还与累计进尺和围岩等级相关。第 和第 段落均为 衬砌类型，两者段落长度非常接近，将两者的段落总排放量与段落长度相除得到每延米的开挖平距碳排放量，分别为，。该指标可用于衡量单位隧道施工的能量消耗量。由此可见，隧道长度越大 次开挖循环产生的碳排量越大。而围岩越差导致的碳排放量增加显然是因为开挖循环次数的增加。进一步，选择第 和第 段落对单一段落中的施工工序进行分析，得到图。由图 可见，开挖和出渣产生的碳排放量远大于支护和辅助措施产生的碳排放量。继续分析可知，开挖工序产生的碳排放主要是空压机用电所致，出渣工序产生的碳排放主要是装载机和运渣车用油所致。图 第，施工段落下不同工序碳排放量 由图 可见，当隧道持续掘进至深处时，出渣所产生的碳排放量显著增大约 倍，而开挖工序产生的碳排放量仅增加 倍。支护工序和辅助措施也增大 倍和 倍。由此可知，化石能源带来的碳排放量显著，在条件成熟的工区有必要推广如电动运渣车等方式高效出渣。在支护工序中，也可将相关机械停放在洞内合适区域，避免反复进出洞造成能量损耗。隧道二衬循环碳排放分析 相对于开挖循环，二衬循环主要包括钢筋焊接、二衬混凝土浇筑养护等步骤。为了计算方便，因材料加工及运输造成的碳排放将单独在后面进行分析。由图 可见，二衬循环产生最大碳排放量的仍为第 段落，为 ，且图形与段落长度相似 李世文等：公路隧道施工期碳排放计算模型 基本呈对称分布。由分析可知，二衬工序产生的碳排放与掘进进尺关系不大，每一循环都是按固定措施开展。图 不同施工段落二衬碳排放量 选择其中第 段落仅设备碳排放作进一步分析如图 所示，可看出养护台车和电焊机造成的碳排放量都很小，这是因为两者都不是持续耗电设备。碳排放量最大的是养护台车，主要是因为养护台车要不断给二衬提供高温和高湿环境。因此，在保证养护效果的前提下选择高效节能的养护台车是控制该阶段碳排放的主要措施。第 段落开挖循环产生的总计碳排放量是衬砌循环的 倍。总的说来，二衬施工造成的碳排放量不大。图 第 施工段落设备碳排放 隧道材料碳排放量分析 如图 所示，隧道材料产生的碳排放量占整个隧道碳排放量的 。一种思路是部分生产材料如钢铁、沥青在出厂时已造成碳排放的事实，不应放在隧道施工中考虑。另一种思路是既然隧道施工需耗费这样一种资源作为代价，就应计入隧道施工碳排放中。本文在计算模型中将其分离出来，既可考虑材料碳排放量也可不考虑。图 隧道施工各类碳排放量占比 不同施工段落的材料碳排放量如图 所示，主要考虑了使用量最大的混凝土、钢材和沥青产生的碳排放量，其余装饰及机电产品安装产生的暂时予以忽略。可看出产生最大材料碳排放量的施工段落仍为第 段落，为 ，是相同段落开挖循环碳排放量的 倍，二衬循环碳排放量的 倍。材料用量与段落长度和围岩等级相关，想要控制材料用量需在优化结构设计、改善施工工艺上持续改进。第 施工段落材料碳排放量构成如图 所示，可看出占比最大的是混凝土。作为一种人造石材，混凝土的制备工艺已十分成熟，降低碳排放量需在材料重复利用、研发新型节能材料上持续进行研究。图 不同施工段落材料碳排放量 结语 ）公路隧道施工碳排放计算模型提供了一种隧道碳排放分析工具，可为减碳减排决策提供理论依据。）在整个隧道施工碳排放量中材料排放和开挖循环的占比最高，分别为 ，。在开挖循环中以出渣阶段排放量最大，在材料排放中以混凝土碳排放量最大。）降低化石能源使用，提升能量利用率，重复利用或使用新型节能材料是降低隧道施工碳排放 施工技术（中英文）第 卷图 第 施工段落材料碳排放量 量的主要途径。）本文在计算中需用到大量建设指标、机械参数及工序统计数据，后续可利用数据库技术优化数据收集和分析过程，便于大量开展碳排放量计算。参考文献：王庆一 能源数据 ，：王靖添，闫琰，黄全胜，等 中国交通运输碳减排潜力分析 科技管理研究，（）：，（）：涂圣文，赵振华，王冰，等 一种新型高速公路入口设计及其污染物减排效果分析 安全与环境学报，（）：，（）：卢传忠，华夏，解建光 公路维护养护碳减排模型研究 交通节能与环保，（）：，（）：，张南松，徐春清，蒋云昕 公路节能减排技术适宜性评价指标体系研究 绿色环保建材，（）：，（）：贡松多吉，海森，李望，等 公路隧道运营期能耗监测指标体系 地下空间与工程学报，（）：，（）：，李乔松，白云，李林 盾构隧道建造阶段低碳化影响因子与措施研究 现代隧道技术，（）：，（）：曹杨，纪洪广，周启明 掘进巷道爆破后排烟时间计算哈尔滨工业大学学报，（）：，（）：郭春，徐建峰，张佳鹏 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