打开文本图片集

[摘要] 研究旨在解决我国隧道方面碳排放研究不足的问题，基于109高速工程，以隧道为碳排放计算案例，提出隧道施工阶段碳排放分析计算框架。文章将隧道全生命周期划分为三个阶段，确定每个阶段的碳排放来源并给出计算模型。研究施工阶段碳排放，并通过现场测量碳排放数据和相关文献整理，明确不同材料和机械对碳排放的贡献程度。最后，根据计算结果，提供基于碳排放评价的节能减排建议。

[关键词] 碳排放;公路隧道；全生命周期；节能减排；

0 引言

截至2021年末，我国公路总里程为528.07万公里，公路密度55.01公里/百平方公里，全国公路隧道23 268处，总长度达2 468.89万延米。我国目前公路隧道建设逐年增多，但是公路隧道建设的隐蔽工程多、施工时效性强、环境恶劣、空间狭小，从隧道的设计到管理维护阶段均会有大量温室气体排放[1]。在国家“双碳”背景下，准确计算公路隧道碳排放量和低碳建造新技术的开发应用显得尤为重要。公路隧道低碳绿色建造技术及研究是我国双碳目标实现碳达峰碳中和的重要一环。

1 国内外研究进展

1.1 国外研究进展

国外对公路隧道交通碳排放研究，主要集中于碳排放宏观测算及全生命周期评价交通基础设施建设的碳排放领域[2]。

公路隧道交通宏观碳排放研究。主要包括线性回归模型和因素分解模型。线性回归模型以Ehrlich和Holden提出的IPAT模型[3]（环境压力评估公式），以及在此基础上扩展形成的STIRPAT模型（可拓展随机性环境影响评估）为代表。

生命周期评价（Life Cycle Analysis， LCA）是环境影响评价的主要方法[4]。交通基础设施建设的全过程消耗大量原材料和能源，分析其环境影响可以借助生命周期理念。全寿命周期碳排放数据量庞大，需要专门的数据库。国外对此已经有成熟的应用，多种系统化、商业化的软件系统已经被研发。但是，不同国家和地区材料种类、机械设备以及施工工艺有很大不同，国外的计算工具不能直接应用到我国的实际当中。国内公路隧道建设的碳排放水平评估需要根据实际情况进行计算研究。

1.2 国内研究进展

国内对于交通施工特别是大跨度隧道领域碳排放的研究起步较晚，总体上处于跟踪研究阶段。我国学者的研究大多采用 LCA 理论，研究对象包括公路建设领域的高速公路、隧道、高架桥以及相关路面材料，评价指标以能源消耗、资源消耗和环境影响为主。但是没有形成成熟的交通碳排放测算模型、方法、数据库[5]。

近年来，我国学者针对隧道碳排放水平开展了相关测试模型的研究，建立了隧道碳排放计算模型，明确了影响隧道排放的关键过程和排放源。徐建峰等通过LCA分析了隧道物化阶段的碳排放途径，强调了上游建材生产是隧道整体碳排放的重要来源。但LCA方法较为复杂，数据搜集和计算工作量大，对数据质量和不确定性分析有着严格要求，普通土木工程技术人员对LCA缺乏认识和实践经验，使得该方法在土木工程领域的低碳设计施工中难以广泛使用。

1.3 小结

总体上，国内外对交通碳排放的研究，大都集中在行业与区域碳排放总量的宏观层面，在交通运输业碳排放测算、统计分析、趋势预测及仿真方法等方面，形成了较为成熟、丰富的成果。但无论国内还是国外，目前尚没有以公路隧道交通碳排放为研究对象，也没有对隧道交通碳排放机理、规律和测算模型进行研究，更没有将碳排放与实际隧道交通环境结合起来作为一个系统工程进行研究。本文将立足全生命周期视角，研究公路隧道交通碳排放影响因素及特征，分析各阶段排放特性，研究公路隧道的碳排放长期特征，提出符合我国国情的公路隧道全生命周期碳排放模型测算方法。

2 隧道碳排放分析计算

2.1 隧道全生命期分析

全生命周期评价[6] （Life Cycle Assessment，LCA） 是量化评价产品生产消费全过程的资源效率与环境影响的国际标准方法 （ISO14040、ISO14044，对 应我国国标 GB/T 24040、GB/T 24044），基于标准化的工作方法和严格的定义量化分析生产、服务等活动对大气、土壤、水体等生物圈造成的影响，因其科学严谨、系统化的分析模式，被各行业、各种产品和服务认可，成为环境影响分析的通用标准工具，亦在全球温室气体分析和评价中发挥基础性的作用，是ISO14064、ISO14067等标准编制和实施的依据。

全生命周期评价过程既能实现评价目标的系统性分析，又能达到量化分析的目的。基于 LCA 方法所获得的评价结果，能够帮助生产单位识别关键环境问题以及造成环境影响的主要工艺环节，从而避免环境问题从某一个生命周期阶段转移到另一个生命周期阶段，或者从某一类环境影响转化成其他类型的环境影响。

在分析指标方面，温室气体均可转化为全球变暖潜能（Global warming potential，GWP），以二氧化碳当量表示。此外臭氧消耗、酸化、富营养化和烟雾也可作为环境分析内容的补充。

2.2 系统边界

本报告的系统边界为“从原料开采到拆除回收”（from Cradle to Grave） ，生命周期阶段如图1，该图的绘制依据是 ISO21930： 2017

各阶段的系统边界及对环境影响的原因见下表1所示：

建筑全生命周期的环境影响指标结果 LCAW 等于各阶段指标结果汇总：

2.3 建筑材料运输

在材料运输阶段，和材料生产阶段一样，也是采用过程分析的方法评价该阶段的碳排放量[7]。运输成本分析时经常以 tkm 作为单价定额，但目前还没有以该单价定额分地区建立的碳排放清单。而在本研究中已建立的清单是基于能源消耗的碳排放量，所以根据该排放系数来计算运输阶段的碳排放量，在这个过程中关键需要确定机械设备的工作时间。在调研过程中可以得到各类原材料运输到工程现场的距离，运输设备的载重量、速度，以及运输材料的重量，利用这些参数即可计算确定运输设备的台时；然后通过查找《水电工程施工机械台时费定额》中单位台时的耗油量[8]，计算运输设备的耗油量，从而根据已确定的相应的能源排放系数，评价运输阶段的碳排放。计算方法如下：

其中Wi是运输i类材料重量；Li是运输距离；Wtruck是运输设备载重量； Vtruck代表运输设备的速度；Coil代表单位台时的耗油量；EFoil是柴油、汽油的碳排放系数。

本研究主要考虑机械设备的使用所产生的碳排放。根据工程概预算定额，确定工程项目机械台班数，并与单位台班能耗结合，可计算出石油类和电力类能耗总量，与对应碳排放因子相乘并汇总，可以得到整体碳排放表现。

2.4 取舍原则

本报告采用的取舍规则以各项材料投入占产品重量或过程总投入的重量比为依据。具体规则如下：

（1）普通物料重量＜1 %产品重量时，以及含稀贵或高纯成分的物料重量＜0.1 %产品重量时，可忽略该物料的上游生产数据；总共忽略的物料重量不超过5 %；

（2）低价值废物作为原料，如粉煤灰、矿渣、秸秆、生活垃圾，可忽略其上游生产数据；

（3）大多数情况下，生产设备、厂房、生活设施等可以忽略；

（4）在选定环境影响类型范围内的已知排放数据不应忽略。

3 隧道施工碳排放实例

3.1 工程概况

本项目依托工程为国道109新线高速公路工程黄岩沟1#隧道、黄岩沟2#隧道、青白口隧道。其中桥梁工程黄岩沟桥全长左线99m/右线99m，杏树台桥全长左线14m/右线35m，雁翅互通立交桥主线全长左线1057m/右线1025m，隧道工程黄岩沟1#隧道全长左线898m/右线851m，黄岩沟2#隧道全长左线1 081m/右线1 043m，青白口隧道全长左线843.62m/右线861m。2022年12月31日完成主体施工，2023年5月完成附属施工，2023年6月达到试通车条件。主要技术指标如下：

隧道工程碳排放研究多从具体案例出发，选取隧道建材生产、运输、施工、运营和维护中若干阶段或若干材料能源，对单个隧道或每延米碳排放进行评估。由于不同研究采用的功能单位和系统边界不同，LCA 研究的研究结果难以进行对比、转换或者移植。隧道是一种非标准化地下结构，即便采用每延米衬砌施工活动作为功能单位，但不同地质条件下每延米工程量仍不相同，使得功能单位的投入产出计算数据无法重新使用，大幅增加了数据搜集和处理的工作量。针对现有公路隧道碳排放研究的不足，围绕公路隧道具体工序，对公路隧道施工碳排放的计算和测定方法及相关的影响规律开展了研究。主要内容分为以下两个方面：

（1）隧道开挖与支护碳排放模块化计算方法

根据 LCA 模块化理论，提出了一种隧道开挖与支护碳排放模块化计算方法，阐明了隧道施工碳排放计算的模块化系统边界，以及面向单元工程量的碳排放计算路径。以工程定额为基础，考虑建材生产、运输、现场施工、材料采集加工等生命周期，给出了各模块投入和排放计算公式。使用敏感性分析方法挖掘施工阶段材料运输和采集加工碳排放的关键影响因素。

（2）隧道开挖与支护碳排放预测方法

依据实际隧道设计案例，分析了不同模块或模块集合的碳排放特性。使用相关分析方法挖掘了隧道开挖支护碳排放的关键影响因素，通过回归拟合得到了隧道碳排放的理论预测公式。

3.2 碳排放清单

通过调查问卷和访谈方式将活动研究结果与定额研究结果进行融合、整理和完善，建立完整的施工过程碳源清单数据库。其中对比国外的数据库，修正了喷射混凝土、钢材、防火涂层、发光涂料等的碳排放因子。

根据隧道过程实际特点，吸取当前各种计量模型的设定经验，按工程定额模式，以建设工程概预算定额和相关的资源消耗量定额为依据，建立适合我国公路隧道建设工程项目特点的施工过程碳排放计量规则，构建本项目的理论模型。

4 结论

隧道建设是公路建设过程中的主要碳排放源，本文立足全生命周期视角，研究公路隧道交通碳排放影响因素及特征，分析各阶段排放特性，研究公路隧道的碳排放长期特征，提出符合我国国情的公路隧道全生命周期碳排放模型测算方法。主要结论如下：

（1）原材料的消耗是计算碳排放最主要的参数，对此要建立完整的数据库，并结合多方结果对数据进行修正，实现精准的计算。

（2）对实际隧道碳排放进行计算，可以看出公路隧道生命周期中，施工阶段碳排放量较大，原材料生产占比超过80%，起到碳排放控制性作用。

（3）钢铁、水泥和柴油的碳排放因子是隧道特大构造物的公路建设阶段碳排放的敏感性因素。

参考文献

[1]魏作标，夏立爽，刘志强等.山区高速公路隧道建设期碳排放计算方法探讨[J].交通节能与环保，2022，18（06）：120-123.

[2]刘圆圆. 基于ALCA的公路生命周期二氧化碳计量理论与方法研究[D].长安大学，2019.

[3]席细平，谢运生，王贺礼等.基于IPAT模型的江西省碳排放峰值预测研究[J].江西科学，2014，32（06）：768-772.

[4]陆嘉麒，廖文杰，张楠等.事前生命周期评价方法研究进展及其应用于低碳技术研发的潜力[J/OL].洁净煤技术：1-9.

[5]徐建峰. 公路隧道施工碳排放计算方法及预测模型研究[D].西南交通大学，2021.

[6]Xu Jianfeng et al. Influence of Lining Design Parameters on the Greenhouse Gas Emissions of Chinese Highway Tunnel Construction[J]. Transportation Research Record， 2021， 2675（11） ： 685-698.

[7]苏征宇，张帆，韦逸清等.公路隧道建设碳排放量化分析计算及数字化[J].现代隧道技术，2022，59（S1）：115-120.

[8]郭春，郭亚林，陈政.交通隧道工程碳排放核算及研究进展分析[J/OL].现代隧道技术：1-10.