地下工程低碳理論與應用 課件 -第1章 緒論

西南交通大學土木工程學院地下工程系《地下工程低碳理論與應用》2025年1月2日西南交通大學土木工程學院地下工程系第3章地下工程施工期碳排放計算方法本章內(nèi)容提要本章教學目標：掌握地下工程模塊化計算方法及預測方法掌握隧道襯砌設計參數(shù)對施工碳排放影響規(guī)律地下工程施工碳排放模塊化計算方法1隧道襯砌設計參數(shù)對施工碳排放影響規(guī)律地下工程施工碳排放預測方法本章內(nèi)容提要23地下工程施工碳排放模塊化計算方法1地下工程施工碳排放模塊化計算方法一1.模塊化概念：當前模塊化已經(jīng)成為一種廣泛應用的設計方法，但并沒有統(tǒng)一的定義。模塊化是對產(chǎn)品或系統(tǒng)的一種規(guī)劃和組織。而這一過程往往按照某種目的和規(guī)則進行。由于模塊化的目的不同，對應的結果也有差異，因而通用的模塊化方法不存在。模塊的通用性、相對獨立性特點，使得模塊化LCA具有明顯的優(yōu)勢。通過數(shù)據(jù)整合，將輸入輸出數(shù)據(jù)模塊化，從而實現(xiàn)清單數(shù)據(jù)的可重復重用，減少LCA數(shù)據(jù)收集計算的工作量。3.1.1LCA模塊化概述地下工程施工碳排放模塊化計算方法一2.模塊化重用：LCA數(shù)據(jù)重用分為兩類，一類是直接引用，另一類是修改重用。直接引用是指新產(chǎn)品在做LCA評價時，不更改原模塊中投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)，直接引用原產(chǎn)品的某個模塊。而一旦模塊部分材料能源的種類或數(shù)值發(fā)生改變，則需采用修改重用方式。一般來說，直接引用適用于通用的標準模塊、同類型產(chǎn)品中標準模塊和非模塊標準件。3.1.1LCA模塊化概述地下工程施工碳排放模塊化計算方法一2.模塊化重用：為實現(xiàn)數(shù)據(jù)重用，減少LCA數(shù)據(jù)計算采集量，許多國家和組織已經(jīng)開發(fā)相關數(shù)據(jù)庫。借助模塊通用性特點，建立模塊數(shù)據(jù)庫，提高生命周期清單分析（LifeCycleInventory，簡稱LCI）數(shù)據(jù)的重用效率和層級。LCI數(shù)據(jù)庫面向過程，存儲單元過程的材料和能源消耗數(shù)據(jù)，而模塊內(nèi)含有若干個過程，數(shù)據(jù)來源于LCI數(shù)據(jù)庫，并不能替代LCI數(shù)據(jù)庫。3.1.1LCA模塊化概述地下工程施工碳排放模塊化計算方法一3.1.2方法與數(shù)據(jù)1.目標與范圍：目標：提供一種模塊化計算方法，用于分析隧道施工和上游產(chǎn)品加工運輸過程中的投入和排放。系統(tǒng)的邊界包含四個部分：上游材料生產(chǎn)、隧道現(xiàn)場施工、材料運輸、材料采集與加工。地下工程施工碳排放模塊化計算方法一3.1.2方法與數(shù)據(jù)1.目標與范圍：隧道開挖支護的能量與材料流如圖所示。地下工程施工碳排放模塊化計算方法一3.1.2方法與數(shù)據(jù)1.目標與范圍：可見，隧道施工材料和能量的流動較為復雜，現(xiàn)場施工、建材生產(chǎn)、運輸和材料加工之間聯(lián)系緊密，不便直接按照生命周期劃分投入和排放。地下工程施工碳排放模塊化計算方法一3.1.2方法與數(shù)據(jù)1.目標與范圍：為此，提出一種隧道施工模塊化方法，其系統(tǒng)邊界如圖所示。地下工程施工碳排放模塊化計算方法一3.1.2方法與數(shù)據(jù)1.目標與范圍：將各模塊投入排放計算步驟總結如下：1）基于《公路工程預算定額》（JTG/T3832—2018）計算第n個襯砌施工工序的材料和機械臺班投入；結合《公路工程機械臺班費用定額》（JTG/T3833—2018）將機械臺班轉化為燃料消耗，得到該工序的材料和能量投入和排放。2）明確第n個工序施工所需材料的來源，將材料源劃分為市場直接購買和現(xiàn)場采集加工兩類。3）確定第n個工序所需材料現(xiàn)場采集的工序集合，計算材料采集加工中材料能源投入和排放。地下工程施工碳排放模塊化計算方法一3.1.2方法與數(shù)據(jù)1.目標與范圍：4）將材料運輸分為兩部分，即：對于從市場購買的材料，計算市場到隧道現(xiàn)場以及隧道現(xiàn)場內(nèi)部運輸?shù)哪茉赐度牒团欧?；對于現(xiàn)場采集的材料，只計算隧道現(xiàn)場內(nèi)運輸?shù)哪茉赐度牒团欧拧?）將隧道施工、材料運輸、材料采集加工和材料生產(chǎn)的投入和排放分別進行累加，即為第n個模塊的投入和排放值。6）更換施工工序，重復步驟1到5，計算第n+1個工序的投入和排放，直到完成所有模塊的投入排放計算。地下工程施工碳排放模塊化計算方法一3.1.2方法與數(shù)據(jù)2.清單分析：（1）清單數(shù)據(jù)：清單數(shù)據(jù)分為前景數(shù)據(jù)和背景數(shù)據(jù)。前景數(shù)據(jù)包含施工活動材料及能源的消耗量，來源于勘察設計資料、設計數(shù)據(jù)、技術手冊或相關機構的統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。隧道工程量是前景數(shù)據(jù)的重要來源，一般從勘察設計資料中獲得。背景數(shù)據(jù)則各類建材和能源的排放因子，可從IPCC、生命周期數(shù)據(jù)庫、現(xiàn)有文獻和規(guī)范中獲取。地下工程施工碳排放模塊化計算方法一3.1.2方法與數(shù)據(jù)2.清單分析：（1）模塊投入排放計算方法：對于某個模塊，工程量為u，施工和材料生產(chǎn)中能源投入和碳排放計算：

地下工程施工碳排放模塊化計算方法一3.1.2方法與數(shù)據(jù)2.清單分析：（1）模塊投入排放計算方法：從市場到隧道現(xiàn)場運輸材料的能源投入和碳排放計算：

式中：載具類型m/tFc能耗類型重型柴油貨車100.037kg/(tkm)柴油重型柴油貨車180.030kg/(tkm)柴油重型柴油貨車300.018kg/(tkm)柴油重型柴油貨車460.013kg/(tkm)柴油電力機車—0.010kWh/(tkm)電力地下工程施工碳排放模塊化計算方法一3.1.2方法與數(shù)據(jù)2.清單分析：（1）模塊投入排放計算方法：在施工作業(yè)區(qū)場內(nèi)運輸?shù)哪茉赐度牒吞寂欧庞嬎悖?/p>

式中：地下工程施工碳排放模塊化計算方法一3.1.2方法與數(shù)據(jù)2.清單分析：（1）模塊投入排放計算方法：材料處理和加工的能源投入和碳排放計算：

式中：地下工程施工碳排放模塊化計算方法一3.1.2方法與數(shù)據(jù)2.清單分析：（1）模塊投入排放計算方法：將各隧道施工單元過程及其材料運輸和加工處理的投入和排放分別累加即為整體的投入和排放。

式中：地下工程施工碳排放模塊化計算方法一3.1.2方法與數(shù)據(jù)3.面向單元工程量的計算路徑：傳統(tǒng)隧道碳排放計算由工程量、預算定額和臺班能耗獲得隧道前景數(shù)據(jù)，再計算排放量。即便《公路工程預算定額》與《公路工程機械臺班費用定額》中數(shù)據(jù)并未發(fā)生變化，前景數(shù)據(jù)仍然需要重復計算，消耗大量時間和精力。傳統(tǒng)碳排放計算路徑地下工程施工碳排放模塊化計算方法一3.1.2方法與數(shù)據(jù)3.面向單元工程量的計算路徑：可轉變計算思路，在計算的最后一步引入隧道工程量，重點在于建立可調(diào)用的單元工程量的模塊投入與排放庫，避免在計算早期引入變化量，減少重復計算，提高數(shù)據(jù)庫重率利用率。面向單元工程量的碳排放計算路徑地下工程施工碳排放模塊化計算方法一3.1.2方法與數(shù)據(jù)3.面向單元工程量的計算路徑：以噴射混凝土為例，1m3噴射混凝土的投入產(chǎn)出清單是個常量，可作為后續(xù)噴射混凝土清單數(shù)據(jù)計算的單位，定義這個基本單位為基元?；硎舅淼酪r砌施工取單元工程量時的模塊。對于第j個模塊，包含基元數(shù)量為aj，則總的投入和碳排放計算：

式中：地下工程施工碳排放模塊化計算方法一3.1.2方法與數(shù)據(jù)4.基元碳排放計算示例：以噴射混凝土工序為例。在不考慮運輸和材料采集加工的條件下，每噴射10m3C25混凝土需要投入0.01m3木材、5.628t水泥、24m3水、7.2m3中粗砂、6.84m3碎石、1.29臺班的混凝土噴射機，0.78臺班的20m3/min電動空壓機。而每臺班混凝土噴射機消耗電能43.01kWh，而每臺班20m3/min電動空壓機耗電601.34kWh。通過換算，10m3C25噴射混凝土需要投入0.01m3木材、5.628t水泥、24m3水、7.2m3中粗砂、6.84m3碎石和524.53kWh電能。通過排放系數(shù)法，計算產(chǎn)出的排放為4.48tCO2eq。地下工程施工碳排放模塊化計算方法一3.1.3基元投入排放清單隧道現(xiàn)場施工過程中的材料能源消耗可通過定額確定，但材料運輸和采集加工仍需結合隧道現(xiàn)場條件確定。下表列舉了各組情景下材料運輸和采集加工的設定。項目基本參數(shù)與假定廢土石場外運輸廢土石回收距離洞口10km，采用20t自卸汽車搭配輪式裝載機裝卸土石材料采集加工50%的砂和100%碎礫石在隧址區(qū)通過棄渣回收材料場外運輸使用15t載貨汽車運輸木材、鋼材和爆破材料，使用20t自卸汽車運輸土、砂、石屑、碎礫石。材料堆積地點和混凝土攪拌站距離洞口1km。隧道長度為1km。使用混凝土運輸車運輸混凝土，平均運距為1.5km材料從市場運輸?shù)剿淼澜ú倪\輸距離為500km，采用重型柴油貨車運輸（載重30t）地下工程施工碳排放模塊化計算方法一3.1.3基元投入排放清單基于材料運輸和采集加工的設定，計算各基元的碳排放值。基元工程量碳排放/kgCO2包含運輸與采集加工不包含運輸與采集加工偏差/%E11m3I級圍巖開挖19.31815.52519.63E21m3II級圍巖開挖17.84814.06321.21E31m3III級圍巖開挖13.2689.49028.47E41m3IV級圍巖開挖12.6248.85829.83E51m3V級圍巖開挖14.10410.35926.55E61kg型鋼支撐2.6632.6191.65E71kg格柵支撐3.0543.0061.57E81kg連接鋼筋2.5222.4801.67E91kg砂漿錨桿4.1184.0531.58E101kg金屬網(wǎng)2.5362.4941.66E111m3噴射混凝土504.107449.90910.75E121m3拱墻混凝土402.342352.67412.34E131m3仰拱混凝土346.662302.75312.67E141kg鋼筋2.4552.4121.75E151mΦ25中空錨桿17.27716.9581.88E161mΦ22藥卷錨桿12.20112.0011.67E171mΦ42注漿小導管13.96613.8171.08E181m3水泥砂漿1054.376999.1755.52地下工程施工碳排放模塊化計算方法一3.1.3基元投入排放清單模塊化碳排放計算方法的創(chuàng)新點和優(yōu)勢在于以下三個方面：1）選擇《公路工程預算定額》（JTG/T3832—2018）和《公路工程機械臺班費用定額》（JTG/T3833—2018）作為單元工程量的前景數(shù)據(jù)來源。這兩個定額規(guī)范均為中國最新的國家標準，保證了數(shù)據(jù)結果在中國范圍內(nèi)具有良好的適用性，能夠代表當前中國隧道修建技術的發(fā)展水平。2）兼顧了不同隧道的現(xiàn)場實際，考慮了隧道施工中材料運輸和采集加工活動水平的不同工況，明確了市場到隧道的材料運輸和渣石回收對隧道施工碳排放的關鍵作用。3）具有較好的通用性，能夠克服設定差異給研究結果調(diào)用帶來的困難。同時基于敏感性研究結果，隧道內(nèi)水平無軌運輸?shù)挠绊懹邢蓿蛇M一步簡化隧道內(nèi)運輸?shù)脑O定，從而提升模塊修改后再調(diào)用的效率。地下工程施工碳排放預測方法2地下工程施工碳排放預測方法二碳排放預測是建筑行業(yè)和交通運輸行業(yè)的熱點課題，BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型、STIRPAT模型、系統(tǒng)動力學模型和灰色預測模型等方法在研究中得到了廣泛應用。不同于一般地上建筑，隧道是處于各種地質(zhì)環(huán)境中的地下結構物。傳統(tǒng)地面建筑的碳排放預測方法并不適用于隧道工程，必須重新分析隧道施工潛在影響因素，建立隧道施工碳排放預測模型。地下工程施工碳排放預測方法二3.2.1地下工程開挖與支護碳排放計算1.工程概況選擇中國西南地區(qū)4座公路隧道作為分析對象，隧道采用雙洞四車道設計，使用鉆爆法開挖，襯砌設計種類共計42組。涉及的圍巖地質(zhì)條件包括埋深、圍巖級別和圍巖質(zhì)量如表所示。編號圍巖級別埋深圍巖質(zhì)量開挖面積/m2編號圍巖級別埋深圍巖質(zhì)量開挖面積/m21V淺埋一般113.4722III深埋一般83.792V淺埋一般109.8423V淺埋一般106.23V深埋較差10824V深埋一般106.24IV深埋較好105.1125V深埋一般104.345IV深埋一般105.0826V淺埋較好106.26IV深埋較差95.4227V深埋一般101.667III深埋一般91.5328IV淺埋一般101.718V淺埋一般113.4729IV深埋較好96.759V淺埋一般109.8430IV深埋較差85.5710V深埋較差10831IV深埋一般101.7111IV淺埋較好105.1132III深埋一般83.6512IV深埋一般105.0833III深埋較好85.5213V深埋較好106.234V淺埋較好11214V淺埋一般106.235V淺埋較差114.4615V深埋一般104.3436V淺埋一般107.1616V淺埋較好106.237V深埋一般101.7217V深埋一般104.3438IV深埋較差82.6618V淺埋一般110.7539IV深埋較好98.9419IV淺埋一般101.7140IV深埋一般97.4820IV深埋較好96.7541III深埋一般80.4921IV深埋較好85.942III深埋一般78.83地下工程施工碳排放預測方法二3.2.1地下工程開挖與支護碳排放計算2.隧道開挖支護整體排放計算得到每延米碳排放區(qū)間為6.202-30.669tCO2eq，平均值為17.826tCO2eq。根據(jù)前期成果，圍巖級別是隧道施工碳排放的關鍵影響因素，將不同圍巖級別和開挖面積的隧道施工碳排放列舉如圖所示。地下工程施工碳排放預測方法二3.2.2地下工程開挖與支護碳排放總量預測方法1.隧道施工碳排放潛在影響因素選取圍巖級別、埋深、圍巖質(zhì)量和開挖面積作為影響隧道碳排放的潛在因素，因素與分類如表所示。影響因素各因素解釋參數(shù)分類圍巖級別根據(jù)隧道周圍巖體或土體的穩(wěn)定特性進行圍巖分級。選擇圍巖分為III-V三個級別III級圍巖IV級圍巖V級圍巖埋深根據(jù)作用在支護結構上的土壓力對隧道埋置深度、地形條件及地表環(huán)境有無影響，將隧道劃分為淺埋隧道和深埋隧道淺埋深埋圍巖質(zhì)量在劃分圍巖的基本級別后，往往會在施工階段對III、IV和V級圍巖進行質(zhì)量劃分。對于同一級別的圍巖，在設計階段根據(jù)隧道圍巖質(zhì)量好壞將隧道圍巖劃分為偏弱、一般和較好三種偏弱一般較好地下工程施工碳排放預測方法二3.2.2地下工程開挖與支護碳排放總量預測方法2.數(shù)據(jù)分析方法使用相關分析方法篩選隧道施工碳排放的影響因素，使用回歸分析方法獲得隧道襯砌施工排放的預測模型。首先使用雙變量相關分析方法，分析碳排放與各個潛在影響因素之間的相關關系。然后采用偏相關分析方法分析多個影響因素之間的關系。最終通過線性回歸分析對兩種或兩種以上變量相互依賴性，并驗證回歸方程的擬合優(yōu)度、自變量共線性和殘差序列相關性。地下工程施工碳排放預測方法二3.2.2地下工程開挖與支護碳排放總量預測方法3.影響因素相關性分析分析各影響因素與碳排放的相關性見表。開挖面積、圍巖級別、埋深類型和材料總質(zhì)量與碳排放顯著相關。其中材料總質(zhì)量的相關系數(shù)最高，為0.989；埋深類型的相關系數(shù)最低，為0.637。潛在因素相關系數(shù)類型相關系數(shù)Sig.(雙側)圍巖級別Spearman0.8940.000**埋深類型Spearman0.6370.000**開挖面積Spearman0.8580.000**材料總質(zhì)量Spearman0.9890.000**圍巖質(zhì)量Spearman0.0340.830地下工程施工碳排放預測方法二3.2.2地下工程開挖與支護碳排放總量預測方法3.影響因素相關性分析不同因素下隧道襯砌施工碳排放如圖。地下工程施工碳排放預測方法二3.2.2地下工程開挖與支護碳排放總量預測方法4.隧道開挖支護碳排放預測模型在不同地質(zhì)條件和設計參數(shù)下，隧道開挖與支護施工排放的數(shù)值差異巨大。與隧道襯砌施工排放顯著相關的變量包括埋深、開挖方法、開挖面積、圍巖級別和材料總質(zhì)量。在同樣施工條件下，更大的開挖面積，意味著更高的材料消耗和機械使用量。材料投入越多，隧道的排放也會更多。埋深是分類指標，深埋和淺埋的隧道施工排放存在顯著差異。淺埋隧道可只計入圍巖松散壓力，而深埋隧道還需考慮圍巖的形變壓力，使得不同埋深隧道的支護結構產(chǎn)生差異。隧道襯砌設計參數(shù)對施工碳排放影響規(guī)律3隧道襯砌設計參數(shù)對施工碳排放影響規(guī)律三3.3.1隧道襯砌設計參數(shù)內(nèi)容隧道設計是隧道施工投入的決定性因素之一，《公路隧道設計規(guī)范》給出的設計參數(shù)見下表。圍巖級別初期支護二次襯砌/cm

噴砼厚度/cm錨桿/m金屬網(wǎng)間距/cm鋼架縱距/m拱墻仰拱

長度間距

III級8-122-31-1.2局部@25*25—30-35—IV級12-202.5-30.8-1.2拱墻@25*250.8-1.235-400或35-40V級18-283-3.50.6-1拱墻@20*20拱墻仰拱0.6-135-500或35-50隧道襯砌設計參數(shù)對施工碳排放影響規(guī)律三3.3.2典型雙車道公路隧道支護模型的建立由于我國公路隧道沒有設計標準圖，對于不同地質(zhì)條件而言，隧道設計參數(shù)差別巨大。為便于研究和計算，需要建立支護模型，包括以下兩部分。（1）模型參數(shù)的確定（2）模型工程量的計算隧道襯砌設計參數(shù)對施工碳排放影響規(guī)律三3.3.2典型雙車道公路隧道支護模型的建立（1）模型參數(shù)的確定：根據(jù)規(guī)范以及總結工程案例得到隧道設計參數(shù)如下表。符號變量單位參數(shù)取值

III級圍巖IV級圍巖V級圍巖n二襯厚度m0.30-0.350.35-0.400.35-0.50k噴射混凝土厚度m0.08-0.120.12-0.20.18-0.28Lh錨桿橫向間距m0.60.60.6Lz錨桿縱向間距m1.20.8-1.20.6-1Lb單根系統(tǒng)錨桿長度m2.52.5-33-3.5a相鄰兩榀鋼架縱向間距m—0.8-1.20.6-1w鋼架連接鋼筋環(huán)向間距m—0.6-10.6-1wt金屬網(wǎng)間距m0.250.250.2mtΦ8鋼筋單位長度重量kg/m0.395Ss隧道內(nèi)輪廓面積m273.95隧道襯砌設計參數(shù)對施工碳排放影響規(guī)律三3.3.2典型雙車道公路隧道支護模型的建立（1）模型參數(shù)的確定：參考隧道襯砌設計圖和《公路隧道設計規(guī)范》（JTG3370.1—2018）內(nèi)輪廓圖，得到典型高速公路隧道襯砌圖如下。無仰拱有仰拱隧道襯砌設計參數(shù)對施工碳排放影響規(guī)律三3.3.2典型雙車道公路隧道支護模型的建立（2）模型工程量的計算：計算過程：1.根據(jù)得到的隧道襯砌圖建立各截面方程

2.根據(jù)方程計算每延米各材料用量無仰拱截面種類方程夾角二襯內(nèi)截面90°—二襯外截面90°—噴射混凝土內(nèi)截面90°—噴射混凝土外截面90°—隧道襯砌設計參數(shù)對施工碳排放影響規(guī)律三3.3.2典型雙車道公路隧道支護模型的建立2.根據(jù)方程計算每延米各材料用量（以三級圍巖為例）二襯拱墻體積：每延米隧道噴射混凝土體積：金屬網(wǎng)或系統(tǒng)錨桿布設區(qū)域的環(huán)向長度：統(tǒng)錨桿總長度：隧道襯砌設計參數(shù)對施工碳排放影響規(guī)律三3.3.2典型雙車道公路隧道支護模型的建立2.根據(jù)方程計算每延米各材料用量（以三級圍巖為例）金屬網(wǎng)質(zhì)量：鋼架環(huán)向長度：鋼架總質(zhì)量：

連接鋼筋總質(zhì)量：鎖腳錨桿總長度：隧道襯砌設計參數(shù)對施工碳排放影響規(guī)律三3.3.2典型雙車道公路隧道支護模型的建立根據(jù)隧道襯砌模型和上述設定，建立高速公路隧道工程量計算模型，各級圍巖隧道工程量區(qū)間如下表。工序單位III級圍巖IV級圍巖V級圍巖二襯拱墻m36.735-7.8858.323-9.5699.820-12.103二襯仰拱m3—3.321-3.8023.321--4.768噴射混凝土m31.857-2.8112.811-4.7424.234-6.762金屬網(wǎng)kg58.865-59.75