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6章地下工程施工期低碳節(jié)能技術(shù)本章內(nèi)容提要本章教學(xué)目標(biāo)：掌握不同施工方法低碳節(jié)能效果計算方法掌握不同施工方法碳排放差異比較方法掌握風(fēng)倉式通風(fēng)技術(shù)要點

掌握能風(fēng)機(jī)最佳布設(shè)方案掌握復(fù)雜地下工程通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算不同施工方法低碳節(jié)能效果對比1復(fù)雜地下工程施工網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)計算模型多區(qū)域混合式施工通風(fēng)技術(shù)本章內(nèi)容提要23隧道施工減排建議4不同施工方法低碳節(jié)能效果對比1不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1不同施工方法低碳節(jié)能效果對比地鐵碳排放研究方向各類建筑材料能源的碳排放差異各施工分部工程碳排放量的組成不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一隧道常用施工工法盾構(gòu)法鉆爆法明挖法不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.1碳排放計算方法排放系數(shù)法通過統(tǒng)計匯總地鐵隧道施工建設(shè)期內(nèi)建材和能源的工程使用量清單，將各類建材和能源消耗量分別乘上對應(yīng)的碳排放因子并由下至上累加求和，得到隧道施工碳排放的總體水平。不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.2碳排放計算公式地鐵隧道施工建設(shè)期間產(chǎn)生碳排放量是建筑材料生產(chǎn)、建材運輸和現(xiàn)場施工三個階段碳排放量的總和。不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.2碳排放計算公式（1）建材生產(chǎn)階段碳排放量建材生產(chǎn)階段碳排放量：材料采集獲取、原材料運輸和建筑材料的生產(chǎn)加工等過程中產(chǎn)生的碳排放建材的生產(chǎn)加工過程中，能源消耗和化學(xué)反應(yīng)釋放的二氧化碳貢獻(xiàn)了該階段的主要碳排放。不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.2碳排放計算公式（1）建材生產(chǎn)階段碳排放量不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.2碳排放計算公式（2）建材運輸階段碳排放量建材的運輸過程主要考慮將混凝土等建材從生產(chǎn)加工地運送至隧道施工現(xiàn)場的環(huán)節(jié)。常用運輸方式：公路運輸、鐵路運輸和水路運輸不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.2碳排放計算公式（2）建材運輸階段碳排放量不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.2碳排放計算公式（3）現(xiàn)場施工階段碳排放量地鐵隧道的施工開挖將使用諸如盾構(gòu)機(jī)、推土機(jī)和起重機(jī)等大量機(jī)械，并且這些機(jī)械主要以柴油、汽油和電力為驅(qū)動能源，在其施工作業(yè)過程中消耗燃料能源將對外界環(huán)境直接排放CO2eq。不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.2碳排放計算公式（3）現(xiàn)場施工階段碳排放量不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析案例分析——工程概況工程段落案例編號盾構(gòu)法施工鉆爆法施工深圳地鐵7號線西麗湖站-西麗站區(qū)間案例13.480km——深云站-安托山站區(qū)間案例2——6.200km石廈站-皇崗村站區(qū)間案例31.642km——福民站-皇崗口岸站區(qū)間案例41.344km——皇崗口岸站-福鄰區(qū)間案例51.784km——赤尾站-華強(qiáng)南站區(qū)間案例61.164km——華強(qiáng)南站-華強(qiáng)北站區(qū)間案例70.704km——黃木崗-八卦嶺區(qū)間案例81.782km——八卦嶺站-紅嶺北站區(qū)間案例91.614km——田貝站-太安區(qū)間案例10——1.290km深云站-安托山站車輛段出入線案例11——6.152km安托山站停車場出入線案例12——4.360km合計31.516km13.514km18.002km不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析案例分析——工程概況運輸碳排放在隧道整體施工碳排放量中的占比均在10%以內(nèi)，主要貢獻(xiàn)者是建材生產(chǎn)碳排放和施工能源碳排放。因此對材料運輸做一定工程假設(shè)：假定工程案例中，隧道施工所需的建材統(tǒng)一采用載重10t的重型柴油貨車運輸，平均運距取30km。不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析案例分析——隧道施工碳排放強(qiáng)度計算分析（1）盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)隧道主要建材和能源工程量清單（教材表6-2）地鐵隧道施工建設(shè)期間產(chǎn)生碳排放量建材生產(chǎn)階段碳排放量建材運輸階段碳排放量現(xiàn)場施工階段碳排放量不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析項目案例1案例3案例4案例5案例6案例7案例8案例9平均值區(qū)間里程（km）3.481.6421.3441.7841.1640.7041.7821.6141.689碳排放總量（t）28502.47356.714879.914931.28861.58196.616352.310442.613690.4碳排放強(qiáng)度（t/km）8190.34480.311071.48369.57613.011642.99176.46470.08104.4建材生產(chǎn)碳排放量（t）23797.95237.912067.212987.38076.96088.314339.38569.711395.6占比（%）83.571.281.186.991.174.388.982.182.4建材運輸碳排放量（t）353.3796.5837.3843.8101.745.4379.7110.2433.5占比（%）1.210.85.65.71.20.51.01.03.4現(xiàn)場施工碳排放量（t）4351.31322.21975.41100.1682.92062.91633.31762.61861.4占比（%）15.318.013.37.47.725.210.016.914.2案例分析——隧道施工碳排放強(qiáng)度計算分析（1）盾構(gòu)法施工隧道建材生產(chǎn)階段對隧道施工總體碳排放的貢獻(xiàn)最大不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析案例分析——隧道施工碳排放強(qiáng)度計算分析（1）盾構(gòu)法施工隧道建材生產(chǎn)階段對隧道施工總體碳排放的貢獻(xiàn)最大。建材生產(chǎn)階段釋放的CO2eq是隧道施工期造成環(huán)境影響的最主要原因。其次是現(xiàn)場施工階段的碳排放。建材運輸碳排放的占比最小。建材生產(chǎn)階段＞現(xiàn)場施工階段＞建材運輸階段不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析案例分析——隧道施工碳排放強(qiáng)度計算分析（1）盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工案例隧道單位里程碳排放強(qiáng)度不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析案例分析——隧道施工碳排放強(qiáng)度計算分析（2）鉆爆法施工隧道項目案例2案例10案例11案例12平均值區(qū)間里程（km）6.2001.2906.1524.3601.853碳排放總量（t）65468.956493.980067.270246.568069.1碳排放強(qiáng)度（t/km）10559.543793.713014.816111.615124.8建材生產(chǎn)碳排放量（t）52290.551620.965576.557468.656739.1占比（%）79.991.481.981.883.8建材運輸碳排放量（t）1004.5422.31300.41132.8965.0占比（%）1.50.71.61.61.3現(xiàn)場施工碳排放量（t）12174.34450.713190.311645.110365.1占比（%）18.67.916.516.614.9建材生產(chǎn)階段對隧道施工總體碳排放的貢獻(xiàn)最大不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析案例分析——隧道施工碳排放強(qiáng)度計算分析（2）鉆爆法施工隧道爆法施工案例隧道單位里程碳排放強(qiáng)度不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析案例分析——隧道施工碳排放強(qiáng)度計算分析（3）兩種工法的碳排放強(qiáng)度對比分析單位里程產(chǎn)生的碳排放量：盾構(gòu)法＜鉆爆法原因：盾構(gòu)機(jī)械可對隧道區(qū)間提供一種臨時性的支撐穩(wěn)定效果，人工、建材使用量減少預(yù)制盾構(gòu)管片相較于現(xiàn)澆混凝土對于混凝土、水泥漿的能耗量和碳排放量都更少不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析案例分析——敏感性分析分析要點：明確兩類工法施工碳排放的主要貢獻(xiàn)源調(diào)整各類主要材料、能源的相關(guān)參數(shù)，分析這個改變對于隧道施工總體碳排放量帶來的變化結(jié)果最終形成高能耗、高排放隧道建設(shè)項目的控碳、減排建議多區(qū)域混合式施工通風(fēng)技術(shù)2多區(qū)域混合式施工通風(fēng)技術(shù)二風(fēng)倉式通風(fēng)：在施工現(xiàn)場布設(shè)一密閉倉體，倉體以月牙形和長方體形為主，月牙形風(fēng)倉可以更好地與隧道頂部貼合，長方體形風(fēng)倉則更容易進(jìn)行加工制作。采用風(fēng)倉式通風(fēng)方法，可將風(fēng)倉布設(shè)于隧道分岔處，僅設(shè)置一個或兩個風(fēng)倉進(jìn)風(fēng)口，便有效減少了送風(fēng)風(fēng)管數(shù)量。同時風(fēng)管不會出現(xiàn)大角度彎折的情況。6.2.1風(fēng)倉式通風(fēng)技術(shù)多區(qū)域混合式施工通風(fēng)技術(shù)二本案例為一地下儲油洞室工程，主要內(nèi)容包含：5條儲油洞室、5條水幕巷道、1條施工巷道、3條連接巷道、1座通風(fēng)豎井、2座進(jìn)出油豎井、2個泵坑、2條通風(fēng)連接巷道、6個密封塞以及其他相關(guān)配套工作。6.2.2工程案例多區(qū)域混合式施工通風(fēng)技術(shù)二本工程施工階段：2#施工巷道對上部連接巷道和儲油洞室上層進(jìn)行施工對中部連接巷道、下部連接巷道、儲油洞室中層和儲油洞室下層進(jìn)行施工作業(yè)6.2.2工程案例多區(qū)域混合式施工通風(fēng)技術(shù)二風(fēng)管壓入式通風(fēng)方式：管路進(jìn)風(fēng)口設(shè)在洞外，出風(fēng)口設(shè)在掌子面附近，在風(fēng)機(jī)的作用下，新鮮空氣從洞外經(jīng)管路送到掌子面，稀釋污染物，污濁空氣則由隧洞排至洞外。在本案例工程中，風(fēng)管壓入式通風(fēng)方式的具體布置方法為：在2#施工巷道洞口外布設(shè)軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)連接風(fēng)管并延伸至各個施工掌子面附近。6.2.3通風(fēng)方式多區(qū)域混合式施工通風(fēng)技術(shù)二風(fēng)管壓入式通風(fēng)方式：管路進(jìn)風(fēng)口設(shè)在洞外，出風(fēng)口設(shè)在掌子面附近，在風(fēng)機(jī)的作用下，新鮮空氣從洞外經(jīng)管路送到掌子面，稀釋污染物，污濁空氣則由隧洞排至洞外。6.2.3通風(fēng)方式在本案例工程中，風(fēng)管壓入式通風(fēng)方式的具體布置方法為：在2#施工巷道洞口外布設(shè)軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)連接風(fēng)管并延伸至各個施工掌子面附近。缺點：隧洞內(nèi)會存在大量風(fēng)管風(fēng)管之間還需要上下穿插，壓縮施工空間管道彎折，增加風(fēng)機(jī)負(fù)擔(dān)多區(qū)域混合式施工通風(fēng)技術(shù)二風(fēng)倉式通風(fēng)的布置方法：在2#施工巷道外布置軸流風(fēng)機(jī)，用于將新鮮空氣運送至各個施工掌子面。在2#施工巷道內(nèi)，使用隔板風(fēng)道代替?zhèn)鹘y(tǒng)的風(fēng)管風(fēng)道。6.2.3通風(fēng)方式在上層連接巷道內(nèi)布設(shè)一個大型風(fēng)倉在施工上較為困難，考慮布設(shè)五個小型風(fēng)倉，風(fēng)倉之間通過風(fēng)管連接，風(fēng)倉內(nèi)部布設(shè)變頻軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)倉外連接風(fēng)管并延伸至施工掌子面處。多區(qū)域混合式施工通風(fēng)技術(shù)二采用風(fēng)倉式通風(fēng)方法后，隧洞內(nèi)的風(fēng)管數(shù)量大幅度降低，而且風(fēng)管不再存在大角度彎折的情況，這意味著通風(fēng)系統(tǒng)的阻力更小。6.2.3通風(fēng)方式多區(qū)域混合式施工通風(fēng)技術(shù)二在實際工程中，風(fēng)倉的具體參數(shù)會對通風(fēng)效率產(chǎn)生極大的影響。軸流風(fēng)機(jī)的軸功率和電機(jī)功率計算公式：6.2.3通風(fēng)方式多區(qū)域混合式施工通風(fēng)技術(shù)二風(fēng)機(jī)環(huán)境壓力會影響軸流風(fēng)機(jī)的功率。風(fēng)機(jī)的環(huán)境大氣壓越大，則軸流風(fēng)機(jī)效率越高。對于風(fēng)倉而言，風(fēng)倉的形狀、長度、寬度、高度、風(fēng)倉內(nèi)隔板的布設(shè)方式和長度、風(fēng)倉內(nèi)風(fēng)機(jī)的距離等因素均會影響風(fēng)倉內(nèi)環(huán)境壓力。6.2.3通風(fēng)方式復(fù)雜地下工程施工網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)計算模型3復(fù)雜地下工程施工網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)計算模型三6.3復(fù)雜地下工程施工網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)計算模型常用計算模型：回路風(fēng)量法節(jié)點風(fēng)壓法復(fù)雜地下工程施工網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)計算模型三6.3.1通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)基本定律及簡單風(fēng)網(wǎng)介紹計算基礎(chǔ)（三大定律）：風(fēng)量平衡定律回路風(fēng)壓平衡定律通風(fēng)阻力定律復(fù)雜地下工程施工網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)計算模型三6.3.1通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)基本定律及簡單風(fēng)網(wǎng)介紹（1）風(fēng)量平衡定律在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，流入某節(jié)點的風(fēng)量必然等于流出某節(jié)點的風(fēng)量，即是通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中流入與流出任一節(jié)點的風(fēng)量代數(shù)和為零。（2）風(fēng)壓平衡定律在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中任一網(wǎng)孔中各分支風(fēng)道通風(fēng)阻力代數(shù)和為零。當(dāng)網(wǎng)孔中不存在自然風(fēng)壓、交通風(fēng)、風(fēng)機(jī)等作用時：當(dāng)網(wǎng)孔中存在風(fēng)機(jī)、自然風(fēng)壓以及交通風(fēng)壓時：復(fù)雜地下工程施工網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)計算模型三6.3.1通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)基本定律及簡單風(fēng)網(wǎng)介紹（3）通風(fēng)阻力定律在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中各分支風(fēng)道的阻力與風(fēng)量的平方成正比。復(fù)雜的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中兩種基礎(chǔ)風(fēng)網(wǎng)：串聯(lián)風(fēng)網(wǎng)和并聯(lián)風(fēng)網(wǎng)，其遵循風(fēng)網(wǎng)流動的基本規(guī)律，具有以下特點：（1）串聯(lián)風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量分布特點。在串聯(lián)風(fēng)網(wǎng)中，通過各分支風(fēng)道的風(fēng)量相等。（2）串聯(lián)風(fēng)網(wǎng)風(fēng)壓分布特點。在串聯(lián)風(fēng)網(wǎng)中，通過各分支風(fēng)道的風(fēng)壓之和等于串聯(lián)風(fēng)網(wǎng)的總風(fēng)壓。復(fù)雜地下工程施工網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)計算模型三6.3.1通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)基本定律及簡單風(fēng)網(wǎng)介紹（3）串聯(lián)風(fēng)網(wǎng)風(fēng)阻分布特點。在串聯(lián)風(fēng)網(wǎng)中，各分支風(fēng)道的風(fēng)阻之和等于串聯(lián)風(fēng)網(wǎng)的總風(fēng)阻。（4）并聯(lián)風(fēng)網(wǎng)風(fēng)量分布特點。（5）并聯(lián)風(fēng)網(wǎng)風(fēng)壓分布特點。（6）并聯(lián)風(fēng)網(wǎng)風(fēng)阻分布特點。復(fù)雜地下工程施工網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)計算模型三6.3.2復(fù)雜地下工程通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)建立對于存在多洞室的復(fù)雜地下結(jié)構(gòu)的通風(fēng)系統(tǒng)，可將其整體抽象為一個復(fù)雜的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。對于任一復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，不妨設(shè)其存在條分支和個節(jié)點，基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)三大平衡定律可建立如下方程組。復(fù)雜地下工程施工網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)計算模型三6.3.3復(fù)雜地下工程通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算進(jìn)行泰勒級數(shù)展開：采用矩陣表示：復(fù)雜地下工程施工網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)計算模型三6.3.3復(fù)雜地下工程通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算此時即為牛頓法，也即是通過矩陣J和矩陣H來確定余支增量，再確定出余支風(fēng)量，再由QLC來確定出其他分支的風(fēng)量。在這種情況下即為采用一階導(dǎo)來逼近牛頓法的迭代法，也稱作擬牛頓法。在此情況下需要求一階導(dǎo)數(shù)的逆矩陣。復(fù)雜地下工程施工網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)計算模型三6.3.3復(fù)雜地下工程通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算此時即為斯考得——恒斯雷法。該方法先將J矩陣變形為J0矩陣，之后再完成迭代。以上方法中C表示回路矩陣，Q=(QL,QT)，其中QL表示余支風(fēng)量，QT表示樹枝風(fēng)量。當(dāng)令此時有：隧道施工減排建議4隧道施工減