地下交通基礎設施施工周期內的碳排放核算分析

樊 婧

同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804

1 概況

日趨嚴峻的能源短缺、環境惡化問題，使“低碳”成為全球發展的目標。在國家做出減排承諾下，道路交通行業承擔起減排重任，而在“低碳目標倒逼與交通需求保障”雙重約束下，仍面臨嚴峻的挑戰。從供給側的角度思考減排策略成為挖掘道路交通減排潛力的突破口。為了分析比較不同施工技術或策略所帶來的減排效益，我們需要一套科學的測算方法為決策者提供依據。

自2012年，發達國家相繼發布對基礎設施全生命周期能耗排放的研究成果。隧道是公路交通低碳與安全的“咽喉”，據已有研究，在高速公路建設期中，隧道工程產生了較大的碳排放量[1]。

交通碳排放測算方法有“自上而下”和“自下而上”兩大類。“自上而下”的測算方法，以總體能源消耗量為測算依據，結合能源排放因子，綜合得出交通領域的碳排放量。“自下而上”的測算方法，即過程分析法，通過生命周期清單進行分析，得到研究對象的輸入和輸出數據清單，匯總得出總的交通行業碳排放量[2]。

近年來，部分學者[3]采用生命周期分析方法，測算各項工程的碳排放量。Abolhasani[4]根據施工現場監測數據研究施工機械的碳排放；Frey[5]對使用石化柴油與生物柴油的碳排放差異做了比較；Chang和Kendall[6]對一條高速鐵路進行生命周期碳排放的評估。Ahn[7]在隧道前期規劃階段，對盾構隧道施工設備能源消耗造成的碳排放進行了估算。李興華等[8]對中國西部某礦山法施工的公路隧道施工時每延米碳排放進行了計算與對比，僅考慮施工時由于含碳能源消耗造成的直接碳排放。

2 地下基礎設施施工碳排放計算模型

本文提出以地下基礎設施施工為主體的施工周期碳排放分析框架（圖1），將隧道施工周期劃分為材料生產、材料運輸、機械設備運行、施工廢棄物拆除回收4個階段，將碳排放源分為內源性和外源性，采用定額法和排放因子法，搜集施工周期各階段的數據清單，建立適應各階段的碳排放量化模型，以上海北橫通道工程某標段為案例，對各階段進行碳排放核算（圖2）。

圖1 生命周期碳排放分析框架

2.1 隧道外源性的碳排放

隧道外源性的碳排放可以分為原材料生產加工階段及原材料運輸階段。

原材料生產加工階段的碳排放，可通過概算表列出的原材料清單，統計各類原材料使用量及對應的碳排放系數，將各原材料使用量與碳排放系數相乘得出該項碳排放，此時使用考慮回收率的碳排放系數。計算公式如下：

圖2 隧道施工周期CO2排放量計算流程

式中：Qc1——隧道施工期所需的原材料加工生產的總碳排放量；

Qc1i——生產原材料i的碳排放量，其中i表示原材料的編號，n表示所有使用的原材料總種類數；

mi——i類原材料的使用量；

在曲的文化定位方面，朱權、賈仲明也均承襲元人理念。賈仲明尊稱元代作家為“前輩諸賢大夫名公士”[13](P98)，朱權則稱之為“元之老儒”[11](P11)，反映出他們接續了元代文人曲家的自我身份認同傾向。此外，朱權還更多強調“雜劇者，太平之勝事”[11](P43)，是“太平之盛，人心之和”被“諸賢形諸樂府”的文學呈現[11](P11)，明顯承接了元人雜劇風教一脈的文化認同構筑。并在列舉“知音善歌者，三十六人”時，明確標注“娼夫不取”[11](P45)，完全繼承了元人對良家子弟與倡優樂工的身份分野。

Fi——生產i類原材料的考慮拆除回收率的碳排放系數。

原材料運輸階段的碳排放，可以選用各項運輸方式的碳排放系數與運輸距離的乘積進行計算。計算公式如下：

式中：Qc2——隧道施工中所有原材料運輸階段產生的總碳排放量；

Qc2i——原材料i運輸階段所產生的碳排放量，其中i表示原材料的編號，n表示所有使用的原材料總種類數；

Mi——i類原材料的運輸量；

Fj——j類運輸方式的碳排放系數，其中j表示運輸方式的編號，z表示使用所有運輸方式的總類數；

Lij——i類原材料采用j類運輸方式的運輸距離，km；

2.2 隧道內源性的碳排放

隧道建設施工期內源性的碳排放，主要是在各項土建、機電設備運行過程中直接產生，可以通過將各種施工過程的機械所消耗的能源轉化為碳排放量來量化測量，具體公式如下：

式中：Qc3——所有機械施工產生的碳排放；

Qc3q——使用q類能源的機械施工產生的碳排放，q為能源的編號；

Uq——q類能源的消耗量，kJ；

Fq——q類能源的碳排放系數；

A——機械設備的使用效率，%。

綜上所述，隧道施工建設期間的碳排放量公式如下：

因此，隧道建設施工周期內的碳排放量，主要受各類原材料生產、原材料運輸方式、施工過程耗費的電、油等能源用量以及施工過程中原材料的使用量、消耗能源的碳排放系數等因素的影響。各原材料用量在施工詳細工程量表上有記載，計算碳排放時，本文主要使用考慮回收的碳排放系數，可以通過查詢有關資料或實際計算獲取[9-10]。

3 隧道施工生命周期碳排放測算

本文研究對象為上海北橫通道施工中某隧道施工的一標準段（長1 km）。北橫通道全長約19.10 km，其中隧道長度約10.20 km，包括7.75 km盾構段、2.45 km明挖段，是國內最長的盾構法雙層隧道。

根據隧道施工時期的工程量表（表1、表2），列出碳排放清單，對隧道建設期的碳排放進行測算分析。

根據所列出的隧道施工階段的工程量清單，確定所需主要材料的使用量，結合各典型材料的排放系數，可根據模型計算得出隧道建設施工周期各原材料生產階段的碳排放量及碳排放總量，由于該階段使用考慮回收的碳排放系數，鋼材碳排放系數取值參考文獻[11-12]，原材料生產階段碳排放計算結果明顯優于其他同類研究。

由施工方案可知材料基站位置，得出材料運輸的平均距離為15 km，運輸方式為公路運輸，根據美國國家環保署的文件規定，經過單位換算得到公路運輸的碳排放因子為0.016 kg CO2/（kg·km）。

根據工程量清單，得到單位工程量實施需要的設備及運行時間，查閱《全國統一施工機械臺班費用定額》，確定了各種常用的施工機械工作臺班所消耗的動力原料類型和用量，并分別對應于表1所確定的各能源的碳排放系數，取機械設備的平均利用率為70%，計算出隧道機械設備運行產生的碳排放量。

由計算結果（表3）可知，在隧道施工周期內，施工原材料生產制備過程中的碳排放是主要的排放源，平均占到了整個施工期碳排放的88.64%。如果使用不考慮施工建材回收率的碳排放因子，則原材料生產階段的碳排放將高達90%。現場施工階段的碳排放僅占10.04%。

表1 隧道施工涉及的典型材料用量和碳排放系數

表2 隧道施工的典型設備清單

表3 隧道施工周期內各階段CO2排放量

4 結語

本文以上海北橫通道某標段隧道施工為例，將隧道建設階段劃分為原材料生產、原材料運輸和機械施工階段，并考慮施工廢棄物拆除回收對排放因子的影響，梳理各階段CO2排放計算方法，并通過施工概算表獲取數據進行排放量估算。最后應用案例詳細計算分析考慮回收率下的單位標段隧道施工各階段CO2排放、各自構成及所占比例。結果顯示：總CO2排放中，原材料生產階段占比88.64%，原材料運輸階段占比1.32%，機械施工階段占比10.04%，原材料生產階段CO2排放量占比明顯下降，鋼模板施工可提高回收率，具有良好的減排效益[13-15]。

將本文計算結果與已有研究進行對比，李興華等[8]利用案例計算得出隧道機械施工階段CO2排放約3 t/m，王賢衛等[1]得出結果約5 t/m，本文得出結果為6.3 t/m，這是由于工程所處地質以及具體實施工藝和使用材料、機械等多方面差異造成的，盡管如此，計算結果仍在同一數量級上。