地下工程低碳理論與應(yīng)用 課件 -第1章 緒論

西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院地下工程系《地下工程低碳理論與應(yīng)用》2025年1月2日西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院地下工程系第1

章緒論本章內(nèi)容提要本章教學(xué)目標(biāo)：

了解地下工程的概念及發(fā)展明確碳排放的基本概念了解專業(yè)領(lǐng)域碳排放發(fā)展歷程及研究相關(guān)進(jìn)展

了解國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)碳排放標(biāo)準(zhǔn)地下工程的概念及發(fā)展1土木工程行業(yè)碳排放現(xiàn)狀碳排放的基本概念本章內(nèi)容提要234地下工程行業(yè)碳排放現(xiàn)狀5國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)碳排放的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范地下工程的概念及發(fā)展1地下工程的概念及發(fā)展一1.1地下工程的概念地下工程通常有兩方面的含義：一方面是指建在地下的各種工程設(shè)施。另一方面是指從事建造和研究各種地下工程的規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)的一門綜合性應(yīng)用科學(xué)與工程技術(shù)，是土木工程的一個(gè)分支。地下工程的概念及發(fā)展一1.1地下工程的概念隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地下工程的應(yīng)用越來越廣泛，城市地鐵、公路、水電站、倉庫、商場(chǎng)、體育館、工廠等許多工程都安排在地下，某種場(chǎng)合下還必須安排在地下。地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.1地下空間開發(fā)歷史早期（遠(yuǎn)古時(shí)期）：人類出現(xiàn)到公元前3000年的新石器時(shí)代，以居住洞穴為主，利用天然地下洞穴或人工開挖洞穴遮風(fēng)避雨、防寒防暑、防御自然災(zāi)害等原始人居住天然洞穴新石器時(shí)代半穴居建筑復(fù)原圖地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.1地下空間開發(fā)歷史早期（古代時(shí)期）：隨著社會(huì)文明和原始建設(shè)技術(shù)的初步發(fā)展，人類對(duì)于地下空間利用也從初步的簡(jiǎn)單借用演變?yōu)閷?duì)空間的設(shè)計(jì)和改造萌芽行為，進(jìn)入地下空間初步利用階段秦始皇陵洛陽龍門石窟地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.1地下空間開發(fā)歷史近代：16世紀(jì)以后的第一次工業(yè)革命開始至20世紀(jì)早期，城市化水平不斷提高，在城市建設(shè)中開始了近代城市的地下空間開發(fā)利用倫敦地鐵大都會(huì)線（1863年1月正式運(yùn)營）倫敦下水道改造工程(1859～1865年）地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.1地下空間開發(fā)歷史現(xiàn)代：二次大戰(zhàn)以后，隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的高速發(fā)展，地下空間的開發(fā)利用也掀開了嶄新的篇章，以市政、城市軌道交通、人防及商業(yè)設(shè)施等為主北京地鐵復(fù)興門折返線(1986年）城市綜合管廊地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.2隧道工程開發(fā)歷史原始時(shí)代遠(yuǎn)古時(shí)代中世紀(jì)時(shí)代近代現(xiàn)代地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.2隧道工程開發(fā)歷史古代隧道案例我國最早采用“火燒水澆”開鑿的穿山通車隧道為“石門”隧道，位于今陜西省漢中縣褒谷口內(nèi)，內(nèi)壁寬度、高度皆在4米以上，建于東漢明帝永平九年（公元66年）。采用“火燒水激”而成的石門隧洞，是世界上最早的人工通車隧道地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.3隧道工程發(fā)展近代隧道的發(fā)展近代隧道興起于運(yùn)河時(shí)代：馬爾派司（Malpas）運(yùn)河隧道（法國）——建于1666~1681年，長(zhǎng)157m，可能是最早用火藥開鑿的隧道。1830年前后，鐵路隧道也越來越多，先從經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的歐洲各國開始，然后是美國和明治維新后的日本。炸藥的利用，大大提高了挖掘效率，代表著近代隧道工程的開端地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.3隧道工程發(fā)展鉆爆法——20世紀(jì)采用該法，發(fā)明了鑿巖機(jī)，爆破技術(shù)也由傳統(tǒng)的導(dǎo)火索、火雷管引爆發(fā)展到電雷管毫秒引爆，實(shí)現(xiàn)了光面爆破和預(yù)裂爆破。

隨著人們對(duì)隧道工程認(rèn)識(shí)的不斷深入和工程經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，形成了許多成熟的施工工藝和方法，如新奧法、新意法、挪威法等。地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.3隧道工程發(fā)展②盾構(gòu)法起源與發(fā)展——盾構(gòu)機(jī)于1847年發(fā)明，它是一種帶有護(hù)罩的專用設(shè)備。利用尾部已裝好的襯砌塊作為支點(diǎn)向前推進(jìn)，用刀盤切割土體，同時(shí)排土和拼裝后面的預(yù)制混凝土襯砌塊。地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.3隧道工程發(fā)展1869年，英國人格瑞海德首次開發(fā)了圓形盾構(gòu)；1886年，在倫敦地下施工中首次將壓縮空氣方法與盾構(gòu)掘進(jìn)相結(jié)合使用。1964年英國人摩特、安德森等申請(qǐng)了泥水加壓平衡盾構(gòu)的專利；1963年，日本SatoKogyo公司首先開發(fā)出土壓平衡盾構(gòu)。盾構(gòu)法地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.3隧道工程發(fā)展③TBM法起源與發(fā)展——TBM(TunnelBoringMachine)，又稱全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)，用于中等和堅(jiān)硬巖石地層的，1883年首次試掘成功。

硬巖TBM是利用旋轉(zhuǎn)刀盤上的滾刀擠壓剪切破巖，通過旋轉(zhuǎn)刀盤上的鏟斗齒拾起石渣，落入主機(jī)皮帶機(jī)上向后輸送，再通過牽引礦渣車或隧洞連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)渣到洞外。地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.3隧道工程發(fā)展④沉管法起源與發(fā)展——是在水底建筑隧道的一種施工方法。沉管隧道就是將若干個(gè)預(yù)制段分別浮運(yùn)到海面（河面）現(xiàn)場(chǎng)，并一個(gè)接一個(gè)地沉放安裝在已疏浚好的基槽內(nèi)，以此方法修建的水下隧道。地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.3隧道工程發(fā)展1894年第一條用沉管法施工成功的是美國波士頓的雪莉排水管隧洞，于1894年建成，直徑2.6米，長(zhǎng)96米。1910年美國建成了第一條底特律河鐵路隧道，水下段由10節(jié)長(zhǎng)80米的鋼殼管段組成。1928年，建成的美國波西隧道為第一條水底道路隧道，水下段長(zhǎng)744米。1941年，荷蘭建成的馬斯河道路隧道，為鋼筋混凝土制成矩形結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)50年代以后，由于水下連接技術(shù)的突破──采用水力壓接法，并應(yīng)用橡膠墊圈作止水接頭，沉管法被廣泛采用，并隨之較快地發(fā)展。地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.4地下工程發(fā)展利用基本動(dòng)因1）拓展城市功能：

城市土地利用的密度不斷上升，促使地下空間的利用不斷發(fā)展。

地下空間設(shè)施為現(xiàn)代城市的發(fā)展提供生存和發(fā)展的條件。地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.4地下工程發(fā)展利用基本動(dòng)因2）城市和諧發(fā)展的需求推動(dòng)：

緩解城市交通矛盾

改善城市生態(tài)環(huán)境

提高城市綜合防災(zāi)能力交通擁堵災(zāi)害破壞環(huán)境污染地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.4地下工程發(fā)展利用基本動(dòng)因3）高度城市化進(jìn)程的推動(dòng)：

城市過度化發(fā)展帶來的“城市病”：人口膨脹、交通擁堵、能源消耗、環(huán)境污染城市地下空間在擴(kuò)大城市空間、改善城市景觀方面具有極大優(yōu)勢(shì)，形成了城市地面空間、上部空間和地下空間協(xié)調(diào)發(fā)展的城市空間構(gòu)成的新概念。地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.5地下工程開發(fā)利用發(fā)展趨勢(shì)功能綜合化大城市各種功能的高度復(fù)合決定其地下空間利用的主要趨勢(shì)是向綜合化方向發(fā)展，這種趨勢(shì)表現(xiàn)為地下綜合體不斷出現(xiàn)上海世博軸及地下綜合體工程地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.5地下工程開發(fā)利用發(fā)展趨勢(shì)淺層（地表～地下15m）次淺層（地下15m-30m）次深層（地下30-50m）深層（地下50m以下）使用價(jià)值最高，也是目前重點(diǎn)關(guān)注和廣泛應(yīng)用的深度范圍，主要布置市政設(shè)施、地下居住設(shè)施、商業(yè)及娛樂設(shè)施、地下交通網(wǎng)絡(luò)、物流設(shè)施等布置城市公用設(shè)施的封閉再循環(huán)系統(tǒng)（地上使用，地下輸送、處理、回收、儲(chǔ)存）建立水和能源地下儲(chǔ)藏系統(tǒng)，以及危險(xiǎn)品存放系統(tǒng)豎向深層化地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.5地下工程開發(fā)利用發(fā)展趨勢(shì)交通立體化交通問題一直是國內(nèi)外大城市開發(fā)要解決的重點(diǎn)問題，通過構(gòu)建地上地下立體的交通體系才是創(chuàng)造大城市良好內(nèi)部環(huán)境，解決區(qū)域內(nèi)交通問題的根本之道。地下工程的概念及發(fā)展一1.2地下工程的發(fā)展1.2.5地下工程開發(fā)利用發(fā)展趨勢(shì)生態(tài)多樣化地下空間開發(fā)與城市內(nèi)多樣的生態(tài)環(huán)境建設(shè)應(yīng)密切結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)人與社會(huì)的良性互動(dòng)和協(xié)調(diào)發(fā)展。碳排放的基本概念2碳排放的基本概念二（1）碳排放：二氧化碳和其他溫室氣體的排放，是關(guān)于溫室氣體排放的簡(jiǎn)稱。（2）二氧化碳當(dāng)量：各種溫室氣體對(duì)溫室效應(yīng)增強(qiáng)的貢獻(xiàn)，可以按二氧化碳的排放率來計(jì)算，這種折算叫二氧化碳當(dāng)量。（3）溫室氣體二氧化碳當(dāng)量：溫室氣體二氧化碳當(dāng)量等于給定氣體的質(zhì)量乘以它的全球變暖潛勢(shì)（GlobalWarmingPotential，簡(jiǎn)稱GWP）。碳排放的基本概念二溫室氣體包括：二氧化碳(CO2)，甲烷(CH4)，氧化亞氮(N2O)，氫氟化合物(HFCs)，全氟化合物(PFCs)，六氟化硫(SF6)。這六種溫室氣體的全球變暖潛勢(shì)（GWP）見表1-1。碳排放的基本概念二溫室氣體名稱GWP（20年）GWP（100年）二氧化碳（CO2）11甲烷（CH4）8428氧化亞氮（N2O）264265全氟化碳（PFCS）CF448806630C2F6821011100六氟化硫（SF6）1750023500表2-1全球變暖潛勢(shì)（GWP）碳排放的基本概念二續(xù)

表2-1全球變暖潛勢(shì)（GWP）溫室氣體名稱GWP（20年）GWP（100年）氫氟碳化物（HFCS）HFC-231080012400HFC-322430677HFC-12560903170HFC-134a69404800HFC-143a506138HFC-152a53603350HFC-227ea69408060HFC-245fa2920858土木工程行業(yè)碳排放現(xiàn)狀3土木工程行業(yè)碳排放現(xiàn)狀三3.1國外土木工程領(lǐng)域碳排放研究現(xiàn)狀由于各國學(xué)者研究?jī)?nèi)容、側(cè)重點(diǎn)有所不同，一般認(rèn)為建材生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)建造、運(yùn)行、拆除處置這4個(gè)階段構(gòu)成建筑的全生命周期。土木工程行業(yè)碳排放現(xiàn)狀三3.1國外土木工程領(lǐng)域碳排放研究現(xiàn)狀部分學(xué)者認(rèn)為可以將原材料生產(chǎn)階段忽略，而將使用階段拆分為運(yùn)行和維護(hù)2個(gè)階段，以及將土建工程施工和裝飾裝修工程安裝劃分到不同的階段，并將土建工程施工階段細(xì)分為人材機(jī)運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)具消耗和施工輔助措施。土木工程行業(yè)碳排放現(xiàn)狀三3.1國外土木工程領(lǐng)域碳排放研究現(xiàn)狀使用計(jì)量模型的差別及依托建筑物不同導(dǎo)致最終計(jì)量結(jié)果也有明顯差別。美國建筑碳排放的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)建筑能耗占總能耗的41%，碳排放占總碳排放量的39%，而其中大部分是由于老化建筑導(dǎo)致的。土木工程行業(yè)碳排放現(xiàn)狀三3.1國外土木工程領(lǐng)域碳排放研究現(xiàn)狀比利時(shí)相關(guān)研究表明，對(duì)于5類住宅的全生命周期碳排放，全生命周期的碳排放都會(huì)因圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同而有較大差異。土木工程行業(yè)碳排放現(xiàn)狀三3.1國外土木工程領(lǐng)域碳排放研究現(xiàn)狀瑞士的碳排放研究得出了生命周期評(píng)價(jià)（LifeCycleAssessment，簡(jiǎn)稱LCA）法適用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品以及建筑單體的碳排放，投入產(chǎn)出法適用于評(píng)價(jià)行業(yè)以及建筑群體的碳排放的結(jié)論。土木工程行業(yè)碳排放現(xiàn)狀三3.1國外土木工程領(lǐng)域碳排放研究現(xiàn)狀日本學(xué)者計(jì)算了大量建筑物的生命周期碳排放，建立了數(shù)據(jù)量大的數(shù)據(jù)庫，并且規(guī)定建筑環(huán)境影響評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)是生命周期碳減排量?？傊ㄖ寂欧帕颗c氣候、科技、文化、經(jīng)濟(jì)等多種因素均相關(guān)。土木工程行業(yè)碳排放現(xiàn)狀三3.2國內(nèi)土木工程領(lǐng)域碳排放研究現(xiàn)狀

國內(nèi)部分學(xué)者提出了我國低碳建筑管理模式的基本內(nèi)容，從生命周期的角度對(duì)建筑碳排放測(cè)評(píng)方法進(jìn)行研究，構(gòu)建了完整的低碳建筑物碳排放測(cè)算指南。部分學(xué)者將建筑全生命周期劃分為建材物化、建造、建筑運(yùn)營、建筑維護(hù)、建筑破除處理5階段。同時(shí)也有學(xué)者為了方便核算，將運(yùn)營及維護(hù)合為1個(gè)階段。隨后基于上述劃分的生命周期階段，對(duì)每個(gè)階段統(tǒng)計(jì)匯總材料消耗和施工機(jī)械使用的投入使用清單，從而對(duì)建筑生命周期全過程進(jìn)行碳排放系統(tǒng)量化。土木工程行業(yè)碳排放現(xiàn)狀三3.2國內(nèi)土木工程領(lǐng)域碳排放研究現(xiàn)狀部分學(xué)者提出：（1）合理控制建筑使用期間的碳排放量是建筑物節(jié)能減排的最有效方式。（2）建筑碳排放與大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合可以分析采用不同節(jié)能減排措施后的減排效果。（3）建筑結(jié)構(gòu)形式對(duì)于碳排放量具有較大影響，在滿足同樣使用功能的前提下，應(yīng)盡可能選擇碳排放量較小的結(jié)構(gòu)形式。地下工程行業(yè)碳排放現(xiàn)狀4地下工程行業(yè)碳排放現(xiàn)狀四4.1國外地下工程領(lǐng)域碳排放研究現(xiàn)狀

目前針對(duì)地下工程碳排放的研究主要圍繞二氧化碳排放源、計(jì)算邊界劃分、碳排放量化結(jié)果分析以及節(jié)能減排技術(shù)研究等內(nèi)容展開。英國日本研究結(jié)果表明在所有交通方式中，地鐵出行的碳排放強(qiáng)度最低，且發(fā)現(xiàn)使用階段能耗最大，該階段消耗了占總量約98%的電力，其次是材料采掘階段。（1）地鐵領(lǐng)域

地下工程行業(yè)碳排放現(xiàn)狀四4.1國外地下工程領(lǐng)域碳排放研究現(xiàn)狀

國外學(xué)者將隧道全生命周期分為建設(shè)、維護(hù)和使用3個(gè)階段進(jìn)行碳排放研究。

研究認(rèn)為建設(shè)階段碳排放主要來源于混凝土、瀝青和爆炸物和材料運(yùn)輸，而使用階段則主要來源于用電力消耗。

（2）隧道領(lǐng)域地下工程行業(yè)碳排放現(xiàn)狀四4.1國外地下工程領(lǐng)域碳排放研究現(xiàn)狀有些學(xué)者通過實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)溫室氣體排放濃度與通行車輛的數(shù)量和速度有很大關(guān)系。部分學(xué)者得出結(jié)論：對(duì)于中、低強(qiáng)度巖體的隧道，隧道的支撐和襯砌混凝土的制造對(duì)二氧化碳排放提供了最多的貢獻(xiàn)，平均約占總排放量的80%。地下工程行業(yè)碳排放現(xiàn)狀四4.2國內(nèi)地下工程領(lǐng)域碳排放研究現(xiàn)狀

在地鐵領(lǐng)域，國內(nèi)部分學(xué)者將生命周期劃分為建材生產(chǎn)、建材運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)施工、運(yùn)營和維護(hù)5個(gè)階段。針對(duì)地鐵隧道建設(shè)過程中碳排放計(jì)算，有學(xué)者計(jì)量了各分部分項(xiàng)工程以及建材生產(chǎn)階段和施工階段的碳排放，指出建材生產(chǎn)階段產(chǎn)生的碳排放量占施工土建碳排放總量的70%~80%。（1）地鐵領(lǐng)域

地下工程行業(yè)碳排放現(xiàn)狀四4.2國內(nèi)地下工程領(lǐng)域碳排放研究現(xiàn)狀

國內(nèi)部分學(xué)者借鑒建筑全生命周期碳排放計(jì)算模型給出了單個(gè)隧道工程及其上游產(chǎn)品的碳排放路徑和直接排放源，分為消耗施工材料、施工機(jī)械消耗電力、施工機(jī)械消耗燃料和運(yùn)輸工具消耗燃料所產(chǎn)生的碳排放4部分，并且提出了計(jì)量隧道物化階段排放溫室氣體的方法。（2）隧道領(lǐng)域

地下工程行業(yè)碳排放現(xiàn)狀四4.2國內(nèi)地下工程領(lǐng)域碳排放研究現(xiàn)狀

結(jié)合案例發(fā)現(xiàn)能耗貢獻(xiàn)階段由大到小為材料生產(chǎn)階段、運(yùn)營階段和建設(shè)階段。在建設(shè)階段，隧道工程的單位能耗最高，在運(yùn)營階段，隧道通風(fēng)和照明用電占該階段用電總量的85%。同時(shí)現(xiàn)有研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)不同圍巖級(jí)別隧道的排放水平差異巨大。地下工程行業(yè)碳排放現(xiàn)狀四4.2國內(nèi)地下工程領(lǐng)域碳排放研究現(xiàn)狀

通過對(duì)比不同圍巖條件的相同施工工序，發(fā)現(xiàn)隨著圍巖等級(jí)上升，隧道施工產(chǎn)生的溫室氣體排放的增加速度非常驚人，案例研究表明：V級(jí)圍巖和IV級(jí)圍巖的隧道施工排放相當(dāng)于III級(jí)圍巖的283%與188%。而在同一圍巖等級(jí)下較差圍巖質(zhì)量的隧道施工產(chǎn)生的溫室氣體排放增量依然非?？捎^。

國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)碳排放標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范5國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)碳排放標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范五5.1國外相關(guān)行業(yè)碳排放標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范英國：（1）從2003年到2019年，英國陸續(xù)頒布了《我們能源的未來：創(chuàng)建低碳經(jīng)濟(jì)》白皮書等一系列法律法規(guī)。（2）加強(qiáng)制度約