隧道工程施工阶段碳排放定额计算模型研究

马俊1， 孙鹏贵1，谷立1，李航1，汤树弯1

摘要：隧道工程的建设过程中涉及到大量的能源消耗，产生的温室气体体量不可忽略。为解决隧道工程碳排放所需计算参数清单获取困难、数据可靠新性较差的问题，对隧道工程的碳排放进行了长期的研究工作，总结了当前国内隧道工程的碳排放定额计算方法和清单数据。着重探讨隧道工程在施工阶段的碳排放定额计算模型建立，将施工阶段的碳排放组成分为建材生产、建材运输现场施工3个部分。分别建立了各自的碳排放计算边界，并采用过程分析法分别建立了各自的碳排放定额计算模型，并以喷射混凝土为例对模型的使用和计算步骤做出了详细的说明。提出的隧道工程碳排放定额计算方法可供后续研究作为参考。

关键词：交通运输，隧道工程施工阶段，碳排放，定额，计算模型

* 中国建筑第八工程局科技研发项目（2022-4-06）

0引言

随着化石能源使用所带来的全球变暖等环境问题越来越严重，人们开始逐渐开始注重节能减排。图1来自欧盟委员会发布的2023年世界各国温室气体排放报告[1]，我国的“双碳”政策于2020 年9月 15 日第届联合国大会上由国家主席习近平提出，即中国二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060年前达成碳中和。基于此，节能减排的实施十分迫切且意义深远。

交通运输工程的大规模建设在拉动国民经济的同时，也产生了大量的温室气体，有研究表明交通工程在修建和使用中消耗了全球约三分之一的能源[2]。在交通运输工程中，隧道工程所用材料密度要高于其他的交通类设施[3]，因此，对隧道工程碳排放定额计算很有必要。目前已经有部分学者对隧道工程的碳排放定额计算进行了研究，例如，冯旭杰[4]通过对高铁的桥涵、隧道、路基、轨道和电气化5个部分的碳排放进行了统计分析，结果表明隧道是单位里程中碳排放量最大的单体；陈建容[5]基于盾构施工工程建立了盾构施工的碳排放定额。

1隧道工程施工阶段碳排放定额编制说明

1.1碳排放定额定义

在工程的生产建设中，为了完成符合国家规定的质量合格的分部工程或分部分项工程，就需要消耗能源和机械。而将当前社会生产力条件下，将生产过程中所产生的二氧化碳排放量，与各个生产施工阶段工序中产生的消耗简历固定的数量关系就是碳排放定额。需要说明的是，碳排放并不是单纯的统计二氧化碳本身，而是包含二氧化碳在内的温室气体，但是二氧化碳是排放量最高且最常见的气体，因此通常用当量二氧化碳排放量作为温室气体排放量的标准。

1.2 隧道工程施工阶段碳排放定额计算边界

目前主要采用生命周期评价理论体系（LCA），用于分析一个工程设施从最开始到完全丧失功能的全过程中对环境产生的影响。基于此，可以根据隧道工程的特点将其全生命周期划分为隧道前期规划与设计阶段、隧道施工阶段、隧道运行维护阶段、隧道的报废与回收阶段。而前期的规划和设计不涉及生产，所产生的二氧化碳微乎其微，可以忽略不计。隧道的运营维护阶段主要是通风照明等设备的用电消耗，但类似隧道工程这种大型基础设施，其设计使用年限往往超过50年甚至达到上百年，服务使用的年限较久，未来资源利用率将发生较大变化。而目前尽管已经不是基础设施大干特干的时期，但隧道报废回收的实际案例较少，对该阶段进行碳排放数据收集和分析难度较大，可靠性也有待商榷。因此，本文仅对隧道施工阶段的碳排放进行定额分析。

本文主要考虑隧道施工阶段的碳排放定额分析，主要包含建筑材料的生产、材料运输、和隧道现场施工三个部分。对隧道施工阶段的二氧化碳排放量计算边界进行如下界定：1.建材生产过程中，不考虑建筑材料原材料开采加工和运输过程的碳排放量，仅考虑现场建材在生产过程中所产生的碳排放，如生产混凝土、钢筋、拱架时机械消耗柴油、汽油、电力等所产生的二氧化碳排放；2.材料运输过程中，仅考虑隧道施工过程中所消耗材料的运输，运输距离为单程，返程不予考虑；3. 隧道现场施工过程中，仅考虑施工机械消耗柴油、汽油、电力等所产生的二氧化碳排放，而由材料自身化学反应所产生的二氧化碳不予计算。

1.3 隧道工程施工阶段碳排放定额编制思路

目前，建筑结构碳排放量化的基本方法主要有4类，分别是实测法、过程分析法、投入产出分析法和混合法。其中对隧道工程进行碳排放量化主要采用过程分析法，也称排放系数法[6]。本文中隧道工程施工阶段碳排放定额计算模型在排放系数法的基础上进行建立。

在隧道施工阶段，通过将上述3个过程中从外界吸收消耗的能源总量和吸收消耗能源后排放的二氧化碳进行具体量化分析。首先应结合隧道工程的勘察设计文件和其他相关机构发布的数据，确定建筑材料的用量、运输距离等数据。然后是确定建材生产、运输、施工生产过程中所投入使用的所有材料、能源的碳排放因子。最后利用三个过程的二氧化碳排放量计算模型估算出三个过程的二氧化碳排放量，从而拟定出三个阶段碳排放的定额指标。根据笔者查阅相关资料后，整理汇总出相关碳排放因子，如表1.3-1所示。

表1.3-1 主要材料和能源的碳排放因子表

材料/能源	碳排放因子	单位
42.5级硅酸盐水泥	795[6]	kgCO2/t
柴油	2.171[7]	tCO2/t
电	1.25[7]	kg /kW·h

2隧道工程施工阶段碳排放计算模型的确定

2.1隧道施工阶段碳排放构成

隧道施工阶段碳排放主要由3部分构成，包括隧道施工所需材料的生产过程、运输过程以及隧道现场施工建设过程中的碳排放。各部分具体的碳排放构成如下：

（1）隧道施工所需材料的生产过程：在生产加工隧道施工所需的材料时产生的碳排放，如混凝土等；

（2）隧道施工所需材料的运输过程：将材料从加工厂运送至施工现场过程中，载具所产生的碳排放；

（3）隧道施工现场施工建设过程：在隧道施工时各工序所用机械设备施工时消耗能源产生的碳排放，如初支湿喷、二衬仰拱以及施工配套的通风照明等。

2.2建材生产碳排放计算模型

建材生产碳排放定额是指在隧道施工阶段，所需材料量极大，且种类繁多，生产过程中必然会产生能源消耗，释放温室气体，将各个类别的材料生产过程中产生的碳排放进行累加所得到的建材生产碳排放。计算式如下：

     （1）

式中：为隧道工程建材生产过程产生的碳排放量，；为隧道工程第i类材料的消耗量，、；为隧道工程第i类材料的碳排放因子，、。

2.3建材运输碳排放计算模型

建材运输定额是指，在加工厂节约合理的生产加工完成后，将这些材料和现场所需的零配件等运送至施工现场所产生的温室气体量。不同运输设备消耗的能源类型和消耗量不同，所产生的温室气体也必然是不同的。具体计算式如下：

 （2）

式中：为隧道工程建材运输过程产生的碳排放量，；为隧道工程第类运输设备的材料运输量，、；为隧道工程第类运输设备运输单位材料每公里消耗的能源量，；为隧道工程第类运输设备运输完成后的运行距离，；为隧道工程第类运输设备所消耗能源的碳排放因子，、。

2.4现场施工碳排放计算模型

施工现场碳排放定额是指，在现场施工的各个工序中，施工机械和设备消耗碳源所产生的碳排放量。计算式如下：

   （3）

式中：为隧道工程现场施工过程产生的碳排放量，；为隧道工程现场施工过程第类施工机械的台班总量；为隧道工程现场施工过程第类施工机械单位台班的能源消耗量，台班、台班；为隧道工程现场施工过程第类施工机械所消耗能源的碳排放因子，、。

2.5隧道工程施工阶段碳排放计算模型

隧道工程施工阶段包含建材生产、建材运输和现场施工3部分，可得隧道工程施工阶段碳排放计算式如下：

      （4）

式中：为隧道工程施工阶段产生的碳排放总量，；为隧道工程建材生产过程产生的碳排放量，；为隧道工程建材运输过程产生的碳排放量，； 为隧道工程现场施工过程产生的碳排放量，。

3 隧道工程施工阶段碳排放定额案例分析

用隧道工程中喷射混凝土作为研究对象来演示隧道工程施工阶段碳排放定额的编制步骤。

湿喷属于隧道工程施工中初支循环中的一环，本案例只计算喷射混凝土的生产、运输、湿喷上墙过程中产生的碳排放，不包含立拱架等其他工作产生的碳排放。湿喷台车等机械的单位台班量及能源消耗量通过查询《市政工程消耗量定额》[8]确定，选取喷射混凝土定额如表3-1所示。

表3-1 喷射混凝土工程消耗台班定额表

（单位10m3）

名称	项目	单位	数量
材料	喷射混凝土（拱部）	m3	13.65
	喷射混凝土（边墙）	m3	12.65
机械	混凝土湿喷机	台班	0.55

3.1喷射混凝土生产碳排放定额编制分析

选取广西某隧道喷射混凝土作为案例，其喷射混凝土强度等级为C25，配合比如表3.1-1所示。

表3.1-1 C25喷射混凝土施工配合比

水泥 （kg/ m3）	砂 （kg/ m3）	碎石 （kg/ m3）	水 （kg/ m3）	水胶比
440	950	760	175	0.4

则可得每m3喷射混凝土的碳排放因子 kgCO2/m3。

按照单位循环喷射混凝土拱部和边墙喷射混凝土用量比为1：1，则可得每10 m3所消耗得混凝土用量 m3。

根据式（1）可得生产喷射混凝土碳排放：kg，约合4.7t。

3.2喷射混凝土运输碳排放定额编制分析

上一小节已经算出10 m3喷射混凝土需消耗13.15 m3混凝土材料，根据表3.1-1 C25喷射混凝土施工配合比可以得到混凝土理论容重为2325kg/ m3，但根据现场实际过磅数据得到此隧道喷射混凝土容重为2.36t/ m3。由此可得喷射10m3消耗喷射混凝土为。

经查阅文献得运输耗能量如表3.2-1所示。

表3.2-1  不同运输方式的碳排放系数参考值

消耗能源	满载 消耗量	柴油密度	碳排放因子
柴油	0.35 L/km	0.85 kg/L	2.171 tCO2/t

由此可得每公里运输的柴油消耗量为。现场拌合站到隧道洞口的距离为18km，即。柴油的碳排放因子。

根据式（2）可得喷射混凝土运输过程碳排放：。

3.3喷射混凝土现场施工碳排放定额编制分析

喷射混凝土现场施工的主要机械消耗包括湿喷机喷射混凝土合湿喷机行走2部分，相关机械参数见表3.3-1

表3.3-1 现场施工碳排放计算参数[7]

名称	项目	单位	数量
机械	湿喷机喷射功率	kW	50
	湿喷机行走功率	kW	0.32

根据表3-1可得每10m3喷射混凝土消耗台班总量；湿喷机每台班为8小时，消耗能源总量kWh；。

根据式（3）可得现场施工过程碳排放：t。

综上可得，在隧道工程施工阶段，每完成10m3喷射混凝土喷射工作的碳排放量t。

4结语

本文主要介绍了隧道工程施工阶段碳排放定额的计算模型合编制方法，将隧道工程施工阶段分成了建材生产，建材运输合现场施工3个部分，并分别建立了各自碳排放的定额的计算模型。以隧道工程中喷射混凝土为案例，详细说明了本文所建立模型的计算方法和步骤，为隧道工程的碳排放定额提供了一套切实可行的方法。

参考文献

[1] JRC Science for policy report. GHG emissions of all world countries. 2023.

[2] 王晋，吉光，马军．绿色低碳公路评价指标体系与评价方法研究[J]．公路，2014，（7）：356-361．

[3] 冯旭杰．基于生命周期的高速铁路能源消耗和碳排放建模方法[D]．北京：北京交通大学，2014．

[4] 陈建容. 盾构施工碳排放定额编制实例[J]. 建筑节能，2017，44（）：142-149.

[5] 张孝存. 建筑碳排放量化分析计算与低碳建筑结构评价方法研究[D]. 哈尔滨工业大学，2018.