鐵路隧道施工期碳排放計(jì)算模型研究

摘要：鐵路隧道在建設(shè)和使用過(guò)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(píng)估鐵路隧道對(duì)于環(huán)境的影響，文章以生命周期評(píng)價(jià)理論為基礎(chǔ)，對(duì)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(gè)階段，明確了各階段碳排放量化的計(jì)算邊界；通過(guò)對(duì)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(gè)階段碳排放的計(jì)算式可供后續(xù)研究使用。關(guān)鍵詞：交通碳排放；計(jì)算模型；生命周期評(píng)價(jià)；鐵路隧道施工期0引言全球氣候變暖問(wèn)題和溫室效應(yīng)如今已是國(guó)際社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，在人類社會(huì)各項(xiàng)生產(chǎn)活動(dòng)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(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（IPCC）第五次評(píng)估報(bào)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(duì)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(duì)全球氣候變暖的貢獻(xiàn)比例來(lái)說(shuō)，IPCC第四次評(píng)估報(bào)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(guó)CO2

排放主要來(lái)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(guó)CO2

排放總量的88%左右。據(jù)此，中國(guó)提出了二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)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(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的重要成分，在其修建與使用過(guò)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(lái)，有學(xué)者針對(duì)隧道碳排放的測(cè)算展開(kāi)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(duì)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(guó)學(xué)者對(duì)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(jì)算后發(fā)現(xiàn)，隧道長(zhǎng)度在鐵路全線長(zhǎng)度的占比雖然只有15%，但其建設(shè)過(guò)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(gè)子系統(tǒng)，對(duì)每一個(gè)子系統(tǒng)在建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行測(cè)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(guò)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(cè)算了直徑為14.93m的泥水平衡盾構(gòu)施工過(guò)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(lái)源，但目前對(duì)于隧道碳排放的研究大多都集中于隧道的運(yùn)營(yíng)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(jì)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(guó)內(nèi)尚未形成針對(duì)鐵路隧道工程施工階段碳排放計(jì)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(guò)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。考慮到我國(guó)高速鐵路建設(shè)的巨大規(guī)模和潛力，對(duì)鐵路隧道施工建設(shè)階段產(chǎn)生的碳排放計(jì)算研究是十分必要且迫切的。本文將基于生命周期評(píng)價(jià)（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(guò)程產(chǎn)生碳排放的計(jì)算方法。1

鐵路隧道施工期碳排放分析1.1

生命周期評(píng)價(jià)（LCA）內(nèi)涵生命周期評(píng)價(jià)方法是分析評(píng)價(jià)一種產(chǎn)品或設(shè)施從“搖籃”到“墳?zāi)埂钡娜^(guò)程中對(duì)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(gè)階段，對(duì)每個(gè)研究階段采用各自適宜的管理方式和應(yīng)對(duì)措施。1969年美國(guó)中西部研究所首先使用了LCA方法，針對(duì)可口可樂(lè)公司飲料包裝材料對(duì)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(lè)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(píng)估和解釋四個(gè)方面。1.2

鐵路隧道施工期階段劃分基于生命周期評(píng)價(jià)理論，可將鐵路隧道工程的全生命周期劃分為五個(gè)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(yíng)維護(hù)、隧道拆解和回收。目前針對(duì)隧道工程運(yùn)營(yíng)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(jì)年限一般為100年，服務(wù)使用時(shí)間長(zhǎng)，隨著社會(huì)科技水平的不斷發(fā)展革新，對(duì)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(duì)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(duì)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(gè)階段。本文主要對(duì)鐵路隧道施工期所涉及單元過(guò)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(gè)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(jì)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(guò)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算邊界見(jiàn)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(guò)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(shí)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(jì)資料、相關(guān)機(jī)構(gòu)和部門(mén)統(tǒng)計(jì)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(kù)、相關(guān)部門(mén)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)庫(kù)和研究人員的文獻(xiàn)報(bào)告里查找得到。根據(jù)課題組對(duì)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(jiàn)表1。對(duì)鐵路隧道施工期中各單元過(guò)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(gè)分析過(guò)程所研究的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并建立清單數(shù)據(jù)庫(kù)，可供后續(xù)研究使用。2

鐵路隧道施工期碳排放計(jì)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(jiàn)表2。2.2

碳排放計(jì)算方法根據(jù)文獻(xiàn)對(duì)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(cè)法、過(guò)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(duì)隧道碳排放的計(jì)算方法主要采用過(guò)程分析法，也叫排放系數(shù)法。排放系數(shù)法是指通過(guò)構(gòu)建隧道施工過(guò)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(duì)應(yīng)的碳排放因子并累加，即可得到隧道整個(gè)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(jì)算方法稱為排放系數(shù)法，本文鐵路隧道施工期碳排放計(jì)算方法以排放系數(shù)法為基礎(chǔ)展開(kāi)。2.3

鐵路隧道施工期碳排放計(jì)算方法由排放系數(shù)法計(jì)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(jì)算原則可構(gòu)建出鐵路隧道施工期碳排放計(jì)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(jì)算模型在鐵路隧道建造期間，對(duì)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(guò)程一般在施工現(xiàn)場(chǎng)以外完成，會(huì)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(guò)程產(chǎn)生的碳排放計(jì)算公式為：（2）材料運(yùn)輸階段碳排放計(jì)算模型在建筑材料從生產(chǎn)地運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)過(guò)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(jì)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(jì)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(jì)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(guò)程中第n類機(jī)械完成的臺(tái)班總量；Fn

為第n類施工機(jī)械單位臺(tái)班能源消耗量，t/臺(tái)班、MW·h/臺(tái)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(jì)算公式可分別求出材料生產(chǎn)、運(yùn)輸和隧道施工三個(gè)階段內(nèi)產(chǎn)生的碳排放量，并將三者的計(jì)算結(jié)果作累加求和即可得出鐵路隧道施工期對(duì)外界環(huán)境輸出的碳排放總量，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。3

結(jié)論本文以生命周期評(píng)價(jià)方法為理論基礎(chǔ)，對(duì)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(gè)階段建立了碳排放計(jì)算模型，用計(jì)算簡(jiǎn)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(gè)不同階段的碳排放計(jì)算模型，可供后續(xù)相關(guān)研究使用。對(duì)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