鐵路隧道施工期碳排放計算模型研究

摘要：鐵路隧道在建設(shè)和使用過程中消耗了大量資源和能源，向外界環(huán)境排放了大量溫室氣體。為了評估鐵路隧道對于環(huán)境的影響，文章以生命周期評價理論為基礎(chǔ)，對鐵路隧道工程施工期碳排放的量化方法進(jìn)行了研究。首先依據(jù)隧道碳排放的特點(diǎn)，將鐵路隧道施工期劃分為建筑材料生產(chǎn)、運(yùn)輸和隧道施工三個階段，明確了各階段碳排放量化的計算邊界；通過對施工期內(nèi)碳排放清單的分析，整理出了在各階段中投入使用到的主要建材和能源的碳排放因子匯總表；最后建立了各個階段碳排放的計算式可供后續(xù)研究使用。關(guān)鍵詞：交通碳排放；計算模型；生命周期評價；鐵路隧道施工期0引言全球氣候變暖問題和溫室效應(yīng)如今已是國際社會關(guān)注的焦點(diǎn)，在人類社會各項(xiàng)生產(chǎn)活動中消耗自然資源和燃料能源排放出的大量溫室氣體是誘發(fā)全球氣候變暖的主要原因。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告結(jié)果顯示，在1880—2012年間由于溫室氣體的大量排放，全球地表平均溫度升高了0.85℃，這對海洋變暖及海平面上升、冰川融化、生態(tài)結(jié)構(gòu)改變等方面有著重要影響。從對全球氣候變暖的貢獻(xiàn)比例來說，IPCC第四次評估報告結(jié)果里指出CO2

所占比例高達(dá)63%，是溫室氣體中占比最大的，因此在相關(guān)研究中CO2被認(rèn)為是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要?dú)怏w，并將溫室氣體的排放統(tǒng)一為二氧化碳（CO2）的排放量即碳排放。我國CO2

排放主要來源于化石能源的消耗，目前能源消費(fèi)產(chǎn)生的CO2

排放占中國CO2

排放總量的88%左右。據(jù)此，中國提出了二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。交通運(yùn)輸工程作為人類社會生產(chǎn)活動的重要成分，在其修建與使用過程中消耗了全球約1/3的能源，而隧道作為交通運(yùn)輸工程中的重要組成部分，在施工建設(shè)和使用階段需要消耗大量資源與能源，向外界環(huán)境排放出大量CO2。近年來，有學(xué)者針對隧道碳排放的測算展開了不少研究，相關(guān)研究結(jié)果表明在交通設(shè)施里，隧道的材料和能量投入密度最大，對于環(huán)境和氣候的影響，隧道施工產(chǎn)生溫室氣體相比于普通建筑碳排放更為重要。美國學(xué)者對舊金山至阿納海姆段高速鐵路建設(shè)期間排放的二氧化碳量進(jìn)行計算后發(fā)現(xiàn)，隧道長度在鐵路全線長度的占比雖然只有15%，但其建設(shè)過程中產(chǎn)生的碳排放在鐵路建設(shè)總體碳排放中的比例卻達(dá)到了60%。將京滬高鐵基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)階段劃分為橋涵、隧道、路基、軌道、電氣化等5個子系統(tǒng)，對每一個子系統(tǒng)在建設(shè)過程中產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行測算后發(fā)現(xiàn)，隧道是單位建設(shè)里程中產(chǎn)生碳排放最多的基礎(chǔ)設(shè)施。以虹橋南路盾構(gòu)隧道施工建設(shè)為案例，通過使用排放系數(shù)法分析研究了該工程建設(shè)產(chǎn)生的碳排放，測算了直徑為14.93m的泥水平衡盾構(gòu)施工過程中，平均每環(huán)施工產(chǎn)生的碳排放量約為60000kg。可以看出，在隧道施工建設(shè)中產(chǎn)生的碳排放已經(jīng)成為CO2

的重要排放來源，但目前對于隧道碳排放的研究大多都集中于隧道的運(yùn)營階段，智能通風(fēng)照明技術(shù)、地?zé)峁┡染G色環(huán)保技術(shù)不斷發(fā)展，反觀施工階段的碳排放計算研究數(shù)量有限。尤其是在鐵路隧道施工建設(shè)方面，目前國內(nèi)尚未形成針對鐵路隧道工程施工階段碳排放計算模型的專項(xiàng)深入研究，其主要原因在于鐵路隧道施工工序繁瑣復(fù)雜，在施工過程中需要用到的資源和能源種類繁多，工程量信息獲取難度大?？紤]到我國高速鐵路建設(shè)的巨大規(guī)模和潛力，對鐵路隧道施工建設(shè)階段產(chǎn)生的碳排放計算研究是十分必要且迫切的。本文將基于生命周期評價（LCA）理論體系，提出主要面向鐵路隧道施工期間涉及的單元過程產(chǎn)生碳排放的計算方法。1

鐵路隧道施工期碳排放分析1.1

生命周期評價（LCA）內(nèi)涵生命周期評價方法是分析評價一種產(chǎn)品或設(shè)施從“搖籃”到“墳?zāi)埂钡娜^程中對于外界環(huán)境造成的影響。根據(jù)產(chǎn)品在生命周期前后階段的不同特征將其劃分為幾個階段，對每個研究階段采用各自適宜的管理方式和應(yīng)對措施。1969年美國中西部研究所首先使用了LCA方法，針對可口可樂公司飲料包裝材料對于環(huán)境的影響進(jìn)行了分析研究，為了增強(qiáng)飲料包裝材料的可回收性和環(huán)境友好性，可口可樂公司采用了塑料包裝方案并沿用至今。LCA分析法主要內(nèi)容包括：目標(biāo)定義和范圍、清單分析、影響評估和解釋四個方面。1.2

鐵路隧道施工期階段劃分基于生命周期評價理論，可將鐵路隧道工程的全生命周期劃分為五個階段進(jìn)行研究：建筑材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸、隧道施工建設(shè)、隧道運(yùn)營維護(hù)、隧道拆解和回收。目前針對隧道工程運(yùn)營階段的節(jié)能減排研究量較施工建設(shè)階段更多；并且由于隧道設(shè)計年限一般為100年，服務(wù)使用時間長，隨著社會科技水平的不斷發(fā)展革新，對于資源和能源的利用效率和使用類型可能發(fā)生改變；加上目前隧道拆解和回收的實(shí)際工程案例少，對該階段的碳排放分析難度大，數(shù)據(jù)可靠性弱。因此在本文中對于鐵路隧道碳排放的生命周期分析僅包括建筑材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸和隧道施工建設(shè)三個階段。本文主要對鐵路隧道施工期所涉及單元過程產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行量化分析，建材生產(chǎn)可視為隧道施工期的上游階段，材料運(yùn)輸可視為隧道施工期內(nèi)的一個階段，隧道施工建設(shè)為隧道施工期的主要階段。1.3

鐵路隧道施工期碳排放計算邊界鐵路隧道施工期碳排放是指在鐵路隧道施工建設(shè)期間所涉及的各單元過程由于消耗了資源和能源而向外界環(huán)境排放產(chǎn)生的CO2

量，為了計算鐵路隧道施工期內(nèi)產(chǎn)生的碳排放總量，首先需要確定鐵路隧道施工期碳排放計算邊界。由于在本文中主要是量化鐵路隧道施工期的碳排放，包括了建材生產(chǎn)階段、材料運(yùn)輸階段和隧道施工階段。因此將本文鐵路隧道施工期碳排放計算邊界劃分為：鐵路隧道建設(shè)所需材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸和隧道結(jié)構(gòu)的施工建設(shè)，碳排放計算邊界見圖1。1.4

鐵路隧道施工期碳排放清單分析鐵路隧道施工期碳排放清單分析是指將隧道工程在施工期各單元過程中從外界輸入資源及能源消耗的工程量進(jìn)行具體量化，同時量化分析隧道在施工期內(nèi)消耗資源及能源后向外界環(huán)境排放出的CO2

總量。清單分析所需要的數(shù)據(jù)分為兩類：前景數(shù)據(jù)和背景數(shù)據(jù)。前景數(shù)據(jù)是指隧道施工期內(nèi)所需投入資源和能源的消耗量，即各類建筑材料和能源消耗使用的工程量，一般可從勘察設(shè)計資料、相關(guān)機(jī)構(gòu)和部門統(tǒng)計數(shù)據(jù)中獲得；背景數(shù)據(jù)是指在隧道施工期范圍內(nèi)投入使用的各類建筑材料和能源的碳排放因子，可從IPCC數(shù)據(jù)庫、相關(guān)部門數(shù)據(jù)統(tǒng)計庫和研究人員的文獻(xiàn)報告里查找得到。根據(jù)課題組對于建材與能源碳排放因子的研究成果，整理匯總出在鐵路隧道施工期內(nèi)所使用到的主要建筑材料與能源的碳排放因子，見表1。對鐵路隧道施工期中各單元過程投入的建筑材料和能源消耗量以及排放出的CO2

總量進(jìn)行量化分析，并加入具有區(qū)域特性的碳排放因子數(shù)據(jù)，將整個分析過程所研究的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并建立清單數(shù)據(jù)庫，可供后續(xù)研究使用。2

鐵路隧道施工期碳排放計算模型2.1

鐵路隧道施工期碳排放構(gòu)成鐵路隧道施工期碳排放的構(gòu)成包括鐵路隧道施工建設(shè)所需材料的生產(chǎn)階段、各類建筑材料的運(yùn)輸階段以及隧道工程的施工建設(shè)階段產(chǎn)生碳排放。鐵路隧道施工期碳排放構(gòu)成見表2。2.2

碳排放計算方法根據(jù)文獻(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)碳排放量化分析的研究，可將碳排放量化的基本方法分為實(shí)測法、過程分析法、投入產(chǎn)出分析法和混合法四類。結(jié)合隧道工程相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，目前針對隧道碳排放的計算方法主要采用過程分析法，也叫排放系數(shù)法。排放系數(shù)法是指通過構(gòu)建隧道施工過程中各類建筑材料和能源的投入清單，將各類建材和能源的工程使用量分別乘上對應(yīng)的碳排放因子并累加，即可得到隧道整個施工期產(chǎn)生碳排放的總體水平。這種基于材料能源投入工程量清單和碳排放因子數(shù)據(jù)的計算方法稱為排放系數(shù)法，本文鐵路隧道施工期碳排放計算方法以排放系數(shù)法為基礎(chǔ)展開。2.3

鐵路隧道施工期碳排放計算方法由排放系數(shù)法計算原則得知，若要量化分析鐵路隧道施工期內(nèi)產(chǎn)生的碳排放總量，則需要得到各階段中投入使用的材料和能源消耗工程量以及各類建材和能源的碳排放因子，按階段分別將二者數(shù)值相乘并做累加即可得到鐵路隧道施工期內(nèi)碳排放的總量。根據(jù)表2以及排放系數(shù)法計算原則可構(gòu)建出鐵路隧道施工期碳排放計算模型為：式中：G為鐵路隧道施工期碳排放總量，tCO2

；G1

為建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生的碳排放量，tCO2

；G2

為建材運(yùn)輸階段車輛消耗能源產(chǎn)生的碳排放量，tCO2

；G3

為隧道施工階段施工機(jī)械消耗能源產(chǎn)生的碳排放量，tCO2。（1）建筑材料生產(chǎn)階段碳排放計算模型在鐵路隧道建造期間，對建筑材料的需求種類繁多復(fù)雜，投入使用消耗量大，各類建材的生產(chǎn)加工過程一般在施工現(xiàn)場以外完成，會產(chǎn)生大量碳排放。鐵路隧道施工期間所使用的建材生產(chǎn)過程產(chǎn)生的碳排放計算公式為：（2）材料運(yùn)輸階段碳排放計算模型在建筑材料從生產(chǎn)地運(yùn)輸至施工現(xiàn)場過程中因運(yùn)輸載具消耗燃料能源而產(chǎn)生的碳排放量的計算公式為：式中：G2

為建材運(yùn)輸階段車輛消耗能源產(chǎn)生的碳排放量，tCO2

；gm

為第m類運(yùn)輸載具完成的材料運(yùn)輸量，t；Lm

為第m類運(yùn)輸載具行進(jìn)完成的運(yùn)輸公里數(shù)，km；Fm

為第m類運(yùn)輸載具運(yùn)輸每噸材料每公里消耗的燃料能源量，t/（t·km）；Em

為第m類運(yùn)輸載具所消耗燃料能源的碳排放因子，tCO2/t。（3）隧道施工建設(shè)階段碳排放計算模型在隧道施工階段由于施工機(jī)械和設(shè)備消耗電力和柴油等能源產(chǎn)生的碳排放量計算公式為：式中：G3

為隧道施工階段施工機(jī)械消耗能源產(chǎn)生的碳排放量，tCO2

；gn

為施工過程中第n類機(jī)械完成的臺班總量；Fn

為第n類施工機(jī)械單位臺班能源消耗量，t/臺班、MW·h/臺班；En

為第n類施工機(jī)械所消耗能源的碳排放因子，tCO2/t、tCO2/MW·h。按上述三種計算公式可分別求出材料生產(chǎn)、運(yùn)輸和隧道施工三個階段內(nèi)產(chǎn)生的碳排放量，并將三者的計算結(jié)果作累加求和即可得出鐵路隧道施工期對外界環(huán)境輸出的碳排放總量，計算過程簡圖見圖2。3

結(jié)論本文以生命周期評價方法為理論基礎(chǔ)，對鐵路隧道工程施工期向外界環(huán)境產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行了全面的分析，分別從建筑材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸和隧道施工建設(shè)三個階段建立了碳排放計算模型，用計算簡圖揭示了各階段碳排放的分布情況以及它們各自與施工期碳排放的聯(lián)系，并且給出了使用的主要建材和能源的碳排放因子基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，最后建立了三個不同階段的碳排放計算模型，可供后續(xù)相關(guān)研究使用。對鐵路隧道施工期內(nèi)產(chǎn)生的碳排放總量進(jìn)行量化分析涉及的建筑材料、運(yùn)輸載具、施工機(jī)械和燃料能源種類繁多復(fù)雜