廣州地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)期碳排放強(qiáng)度與減排潛力研究

陳坤陽, 段華波, 張 怡, 周雯雯, 陳湘生, *

(1. 深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院未來地下城市研究院， 廣東 深圳 518061；2. 濱海城市韌性基礎(chǔ)設(shè)施教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(深圳大學(xué))， 廣東 深圳 518060；3. 深圳市地鐵地下車站綠色高效智能建造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 深圳 518060)

0 引言

應(yīng)對(duì)全球變暖是當(dāng)今全球的焦點(diǎn)問題，“十四五”規(guī)劃提出： 力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。“雙碳”目標(biāo)的實(shí)施對(duì)于促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展或全面綠色轉(zhuǎn)型、建設(shè)人與自然和諧共生的現(xiàn)代化具有重大戰(zhàn)略意義。交通領(lǐng)域是溫室氣體排放的重要領(lǐng)域，現(xiàn)已成為我國能源消費(fèi)、影響城市空氣質(zhì)量和碳排放增長的主體[1]。交通領(lǐng)域(含私人汽車)的碳排放約占全國碳排放總量的10%，約為終端排放比例的17%[2]。為應(yīng)對(duì)氣候變化，我國高度重視公共交通的發(fā)展，并規(guī)定主要城市的公共交通乘客分擔(dān)率應(yīng)達(dá)到30%[3]。

地鐵系統(tǒng)作為一種大容量、高準(zhǔn)時(shí)性的公共交通方式，在緩解城市交通擁擠和提升城市公共出行便利度中發(fā)揮著重要的作用。“十三五”期間，我國地鐵建設(shè)數(shù)量激增，全國總運(yùn)營里程從2 658 km(26個(gè)城市)增加到6 280.8 km(45個(gè)城市)[4]。同時(shí)，地鐵也被貼上了更清潔的通勤模式標(biāo)簽，低碳排放已經(jīng)成為其主要特征之一。Li等[5]通過對(duì)比乘客地鐵通勤與其他通勤模式的碳足跡，證實(shí)了地鐵在減少溫室氣體排放方面的作用； 研究表明，地鐵系統(tǒng)運(yùn)營階段的溫室氣體排放占整個(gè)生命周期的80%以上。然而，地鐵系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施在建設(shè)過程中造成了資源能源的大量消耗，其產(chǎn)生的碳排放不容忽視。地鐵系統(tǒng)現(xiàn)有相關(guān)的研究主要集中在運(yùn)營階段，Chaturvedi等[6]研究表明城市軌道交通可使交通運(yùn)輸業(yè)能耗下降5%～20%，以及碳排放下降8%～49%； 曾雪蘭等[7]基于生命周期理論，對(duì)比分析了廣佛二期地鐵與出租車、私人載客汽車、公交車、私人摩托車4種客運(yùn)交通工具的能源利用效率、能源強(qiáng)度和碳排放強(qiáng)度。

目前，針對(duì)地鐵系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的研究相對(duì)較少，主要集中在以下4個(gè)方面： 1)從國家和地方層面探究地鐵的環(huán)境影響。在國家層面，陳坤陽等[8]基于生命周期評(píng)價(jià)理論構(gòu)建了地鐵生命周期碳排放評(píng)價(jià)方法，并對(duì)全國地鐵建設(shè)和運(yùn)營階段的碳排放總量進(jìn)行了量化分析； 在城市層面，Del等[9]基于全生命周期理論，對(duì)羅馬市區(qū)地鐵從材料獲取到壽命結(jié)束的能源消耗和廢氣排放進(jìn)行了估算和評(píng)價(jià)； Liu等[10]預(yù)測了福州市地鐵規(guī)劃線路建設(shè)的溫室氣體排放，并通過計(jì)算地鐵車站的溫室氣體排放投資回收期評(píng)估站點(diǎn)碳效率。2)從地鐵特定項(xiàng)目及階段探究環(huán)境影響[11]。Chang等[12]基于生命周期評(píng)價(jià)理論量化了軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)階段的環(huán)境影響，研究指出其80%的碳排放源于建材生產(chǎn)過程； 賀曉彤[13]建立了自上而下的工作分解框架及地鐵車站土建階段碳排放清單，核算了地鐵車站建設(shè)期間的碳排放量； Liu等[14-15]提出了基于定額的地鐵車站建設(shè)溫室氣體排放量化模型，指出約69%的溫室氣體排放來自主體結(jié)構(gòu)，隨后又對(duì)地鐵車站明挖與暗挖方案做出了比較。3)從減排角度探討地鐵建設(shè)階段的碳減排潛力。郜新軍[16]定性討論了實(shí)現(xiàn)地鐵建設(shè)碳減量化所能采取的措施； 皮膺海[17]基于案例定量分析了采用新型施工技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的減排效益； 黃旭輝[18]對(duì)地鐵地下空間基礎(chǔ)設(shè)施物化階段的環(huán)境影響進(jìn)行了研究，指出建材生產(chǎn)階段碳排放量占物化階段碳排放總量的70%以上，并從使用再生建材的角度對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施物化階段的減排潛力進(jìn)行了分析，但并未考慮清潔新能的減碳潛力； Liu等[19]探究了地鐵車站預(yù)制構(gòu)件的溫室氣體減排潛力，指出通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)和降低損耗率可使碳排放量下降約14%； Liu等[20]則從生態(tài)學(xué)視角對(duì)地鐵基礎(chǔ)設(shè)施的低碳建設(shè)進(jìn)行了探討。綜上可知，針對(duì)地鐵建設(shè)階段的研究，存在系統(tǒng)邊界不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)清單不夠全面等問題，同時(shí)缺乏對(duì)碳減排方面的探討。而明確完整的系統(tǒng)邊界，建立更為全面的數(shù)據(jù)清單，從宏觀尺度探討未來地鐵建設(shè)的碳排放水平及其減排潛力與發(fā)展策略是低碳轉(zhuǎn)型的前提。

為此，本研究首先采用LCA方法開展地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)期碳排放評(píng)價(jià)工作； 其次，以廣州市典型地鐵盾構(gòu)為例，對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)階段進(jìn)行量化分析； 最后，采用情景分析法，基于宏觀尺度預(yù)測未來地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)的碳排放水平并探究其碳減排潛力。研究結(jié)果以期為制定地鐵系統(tǒng)低碳發(fā)展策略、促進(jìn)交通領(lǐng)域綠色低碳轉(zhuǎn)型特別是“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 盾構(gòu)隧道碳排放評(píng)價(jià)方法

生命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment, LCA)用以評(píng)估整個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)從原材料開采到最終處理全過程相關(guān)環(huán)境影響的定量化分析方法[21]。該方法可用于評(píng)估交通領(lǐng)域管理過程的資源能源消耗、環(huán)境影響及效益。開展生命周期評(píng)價(jià)研究主要包含4個(gè)階段： 1)目標(biāo)和范圍的確定； 2)清單分析； 3)影響評(píng)估； 4)結(jié)果解釋。本研究采用LCA方法，選取二氧化碳排放當(dāng)量(CO2equivalent，CO2e)作為環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)，以地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)階段土建工程為研究對(duì)象，采用LCA方法開展地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)階段碳排放評(píng)價(jià)工作，對(duì)其生命周期碳排放進(jìn)行定量化分析，并對(duì)估算過程中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行持續(xù)修正，以及對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性和合理性進(jìn)行解釋。

1.1 目標(biāo)與范圍確定

本研究遵循ISO 14040[22]和ISO 14044[23]的規(guī)定，選取碳排放作為環(huán)境影響指標(biāo)，旨在采用LCA方法評(píng)估地鐵盾構(gòu)隧道在建設(shè)階段土建工程的環(huán)境影響。地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)階段的系統(tǒng)邊界包括以下3個(gè)子階段(如圖1所示)： 1)建材及預(yù)制管片生產(chǎn)階段，包括建材或預(yù)制管片的隱含碳排放，即從原材料開采、運(yùn)輸、生產(chǎn)到形成最終建材制品或預(yù)制管片整個(gè)過程中因資源、能源消耗和污染物排放所產(chǎn)生的直接或間接碳排放； 2)運(yùn)輸階段，包括將建材或預(yù)制管片從生產(chǎn)地或預(yù)制廠運(yùn)送到施工現(xiàn)場的過程，交通運(yùn)輸工具因燃料消耗而產(chǎn)生的直接或間接碳排放； 3)施工和安裝階段，包括施工機(jī)械設(shè)備使用過程中能源(如汽油、柴油、電力)消耗所產(chǎn)生的碳排放(化石能源使用的直接排放、電力上游生產(chǎn)產(chǎn)生的間接排放)。地鐵盾構(gòu)隧道的物化邊界主要包括主體工程(隧道主體、中間風(fēng)井)和附屬工程(聯(lián)絡(luò)通道、端頭加固工程)。此外，為了消除區(qū)間長度的影響，使典型地鐵盾構(gòu)隧道的不同案例具有可比性，選取單位盾構(gòu)隧道建設(shè)里程(1 km)為功能單位。

圖1 地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)階段系統(tǒng)邊界Fig. 1 System boundary of metro shield tunnel construction phase

1.2 碳排放核算方法

地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)階段的碳排放總量(Cetotal)為建材及預(yù)制管片生產(chǎn)、運(yùn)輸及施工和安裝階段的總和，如式(1)所示：

Cetotal=CeM+CeP+CeT+CeC。

(1)

式中：Cetotal為地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)階段的碳排放總量，kgCO2e；CeM為建材生產(chǎn)階段的碳排放量，kgCO2e；CeP為預(yù)制管片加工成型階段的碳排放量，kgCO2e；CeT為運(yùn)輸階段的碳排放量，kgCO2e；CeC為施工和安裝階段的碳排放量，kgCO2e。

1.2.1 建材及預(yù)制管片生產(chǎn)階段

交通基礎(chǔ)設(shè)施如地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)過程需要消耗大量建材及預(yù)制管片，該階段的碳排放可以分為2類： 1)施工現(xiàn)場所有投入建材的碳排放，即各類建材的消耗量乘以相對(duì)應(yīng)的碳排放因子之和，計(jì)算方法如式(2)所示； 2)施工現(xiàn)場投入預(yù)制管片的碳排放，即建材生產(chǎn)、運(yùn)輸及預(yù)制管片加工成型過程的碳排放之和，計(jì)算方法如式(3)所示。

(2)

式中：Mi為第i種主要建材消耗量(單位為kg、m3、m2、m)；Ei為第i種主要建材的碳排放因子(kgCO2e/單位，單位指建材或能源消耗標(biāo)準(zhǔn)量的名稱)；φi為第i種主要建材損耗率；n為建材類型。

值得注意的是，所選主要建材的總質(zhì)量不得低于設(shè)施中所耗建材總質(zhì)量的95%，質(zhì)量比小于0.1%的建材可不計(jì)算。

(3)

式中：Uj,i為第j型管片的第i種建材消耗量；m為管片的類型；Qj,k為加工第j型管片時(shí)第k種能源的消耗量；Ek為第k種能源的碳排放因子；c為能源類別。

1.2.2 運(yùn)輸階段

運(yùn)輸階段的碳排放可以分為2類： 主要建材運(yùn)輸和預(yù)制管片運(yùn)輸過程的碳排放，如式(4)所示。

(4)

式中：Di,l或Dj,l為第i種建材或第j種預(yù)制管片采用第l種方式運(yùn)輸?shù)钠骄\(yùn)距，km；El為第l種方式運(yùn)輸下，單位質(zhì)量運(yùn)距的碳排放因子，kgCO2e/(t·km)；b為運(yùn)輸方式(交通工具)的種類，包括貨車運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸、貨船運(yùn)輸?shù)取?/p>

1.2.3 施工和安裝階段

地鐵盾構(gòu)隧道施工和安裝階段根據(jù)工程部位分為主體工程(隧道、風(fēng)井)和附屬工程(聯(lián)絡(luò)通道、洞門、端頭加固)2部分，其碳排放量可以表示為各類施工機(jī)械在使用過程種所消耗的能源(如汽油、柴油、電力)與相對(duì)應(yīng)能源碳排放因子的乘積，如式(5)所示。

(5)

式中：Ti為第i種施工機(jī)械臺(tái)班消耗量；Ri為第i種單位施工機(jī)械臺(tái)班的能源用量；n為施工機(jī)械類型。

1.3 數(shù)據(jù)清單分析

選取廣州市典型地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)為案例，該隧道雙線全長3 754 m，預(yù)制管片選用外直徑6 m、厚0.3 m、寬1.5 m的C50混凝土管片。隧道穿越的地層以可塑粉質(zhì)黏土和硬塑狀粉質(zhì)黏土為主，局部為礫巖類中風(fēng)化帶和微風(fēng)化灰?guī)r，為了滿足不同工況盾構(gòu)施工情況，采用土壓泥水雙模式平衡盾構(gòu)掘進(jìn)。工程主要包括主體工程和附屬工程，其中主體工程包括隧道主體和兼作盾構(gòu)始發(fā)井的明挖中間風(fēng)井(80 m×24.6 m×20 m)； 附屬工程有4個(gè)聯(lián)絡(luò)通道和端頭加固工程。通過實(shí)地調(diào)研、半結(jié)構(gòu)化訪談以及案頭調(diào)查法獲取清單數(shù)據(jù)。其中，建材、預(yù)制管片類型及消耗量、運(yùn)輸距離等投入產(chǎn)出清單數(shù)據(jù)通過分部分項(xiàng)工程量清單和資料文獻(xiàn)獲取，見表1—2； 施工和安裝階段的機(jī)械臺(tái)班消耗量和單位臺(tái)班能源消耗量參考《廣東省城市軌道交通工程綜合定額(2018)》和《廣東省建設(shè)工程施工機(jī)具臺(tái)班費(fèi)用編制規(guī)則(2018)》，見表3。此外，考慮到地域性特征，各類建材、交通運(yùn)輸工具和能源消耗相關(guān)的碳排放因子，主要源于中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(Chinese life cycle database，CLCD)、GB/T 51366—2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》以及部分文獻(xiàn)資料，見表1和表4—5。

表1 建材及預(yù)制管片生產(chǎn)階段物料消耗清單Table 1 List of resource consumption of building materials and prefabricated segments in production phase

表2 預(yù)制管片生產(chǎn)階段資源能耗清單Table 2 List of resource and energy consumption of prefabricated segments in production phase

表3 施工和安裝階段施工機(jī)械能耗清單Table 3 List of energy consumption of construction machinery in construction and installation phase

表5 能源碳排放因子Table 5 Carbon emission factors of energy

2 研究結(jié)果

2.1 盾構(gòu)隧道碳排放強(qiáng)度與水平

2.1.1 建材及預(yù)制管片生產(chǎn)階段

根據(jù)表1—2及式(2)—(4)，計(jì)算得到建材及預(yù)制管片生產(chǎn)階段碳排放，如圖2所示。生產(chǎn)階段碳排放總量為29 643.69 tCO2e，其中，預(yù)制管片碳排放量占59.95%，42.5#水泥和鋼鐵材是建材中隱含碳排放最大的成分，分別為28.12%和9.09%。此外，每環(huán)預(yù)制管片加工成型階段的碳排放量為7 100.57 kgCO2e，其中建材生產(chǎn)、運(yùn)輸及加工成型階段分別占比95.2%、3.11%及1.69%。從工程部分來看，地鐵盾構(gòu)隧道主體工程建材及預(yù)制管片生產(chǎn)階段碳排放占89.46%，附屬工程僅占10.54%。由于地鐵盾構(gòu)隧道碳排放量隨著區(qū)間長度存在較大差異，為了使標(biāo)準(zhǔn)尺寸地鐵盾構(gòu)隧道的不同案例具有可比性，采用碳排放強(qiáng)度(tCO2e/km)作為功能單位來消除區(qū)間長度差異對(duì)盾構(gòu)隧道碳排放的影響，得到單位盾構(gòu)隧道建材及預(yù)制管片生產(chǎn)階段碳排放強(qiáng)度為7 895.7 tCO2e/km。綜上所述，鑒于預(yù)制管片(生產(chǎn)過程使用大量水泥和鋼材)、42.5#水泥及鋼鐵材的碳排放及占比，可重點(diǎn)關(guān)注建材及預(yù)制管片生產(chǎn)工藝改良，使用綠色再生建材及提高周轉(zhuǎn)材料的周轉(zhuǎn)次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)。

(a) 條形圖

(b) 餅狀圖圖2 建材及預(yù)制管片生產(chǎn)階段碳排放Fig. 2 Carbon emission of building materials and prefabricated segments in production phase

2.1.2 運(yùn)輸階段

貨物的運(yùn)輸方式有公路、鐵路、水路及航空運(yùn)輸，不同運(yùn)輸方式能源類型及其消耗量有所差異，建材及預(yù)制管片因運(yùn)輸過程存在復(fù)雜性、多變性，既要考慮運(yùn)輸方式和距離，又要考慮運(yùn)輸工具載重等級(jí)和能源類型。因此，本研究假設(shè)短距離以柴油公路運(yùn)輸為主，中長距離以鐵路運(yùn)輸為主，建材及預(yù)制管片的運(yùn)輸距離為距離最近的加工生產(chǎn)廠到施工現(xiàn)場的距離。建材及預(yù)制管片運(yùn)輸階段碳排放如圖3所示。運(yùn)輸階段的碳排放總量為778.3 tCO2，單位盾構(gòu)隧道運(yùn)輸階段碳排放強(qiáng)度為207.3 tCO2e/km。其中，52.78%的碳排放由管片運(yùn)輸所貢獻(xiàn)，砂、砂漿及混凝土和42.5#水泥碳排放占比分別為23.2%和20.87%，鋼鐵材、渣土改良材料及可周轉(zhuǎn)材料的運(yùn)輸僅占3.15%。由此可見，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注預(yù)制管片、砂、砂漿及混凝土和42.5#水泥運(yùn)輸階段的環(huán)境影響。

(a) 條形圖

(b) 餅狀圖圖3 建材及預(yù)制管片運(yùn)輸階段碳排放Fig. 3 Carbon emission of building materials and prefabricated segments in transportation phase

2.1.3 施工和安裝階段

本研究選取案例盾構(gòu)隧道主體和附屬工程在施工和安裝階段投入使用的施工機(jī)械，施工機(jī)械臺(tái)班量參考《廣東省城市軌道交通工程綜合定額(2018)》，再通過《廣東省建設(shè)工程施工機(jī)具臺(tái)班費(fèi)用編制規(guī)則(2018)》整理各類施工機(jī)械單位臺(tái)班的能源消耗量，經(jīng)過換算得到施工和安裝階段施工機(jī)械能耗清單(見表3)。再根據(jù)式(5)計(jì)算得到盾構(gòu)隧道施工和安裝階段的碳排放，如圖4所示。盾構(gòu)隧道施工和安裝階段由施工機(jī)械能源消耗產(chǎn)生的碳排放總量為10 338.43 tCO2e，單位盾構(gòu)隧道施工和安裝階段碳排放強(qiáng)度為2 753.68 tCO2e/km。其中，主體工程產(chǎn)生的碳排放量占96.19%，附屬工程占3.81%。施工機(jī)械碳排放貢獻(xiàn)最多的是盾構(gòu)，占23.28%； 其次是通風(fēng)機(jī)械，占18.75%； 再次是水平運(yùn)輸機(jī)械，占15.37%； 其余類型機(jī)械的碳排放量占比為42.6%。從能源類型上看，盾構(gòu)隧道施工和安裝階段共消耗電力1 126.68萬kW·h、柴油411.19 t以及汽油1.56 t，各類能源產(chǎn)生的碳排放占比分別為87.64%、12.31%及0.05%。由此可見，盾構(gòu)、水平運(yùn)輸機(jī)械、通風(fēng)機(jī)械及泵類機(jī)械具有巨大的減排潛力，其主要能耗源于電力，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，采用光伏、風(fēng)電、地?zé)岚l(fā)電等清潔能源代替火力發(fā)電。

(a) 條形圖

(b) 餅狀圖圖4 施工和安裝階段碳排放Fig. 4 Carbon emission in construction and installation phase

2.1.4 總體分析

根據(jù)式(1)得到盾構(gòu)隧道建設(shè)階段的碳排放，如圖5所示。案例盾構(gòu)隧道建設(shè)階段碳排放總量為40 761.06 tCO2e，單位盾構(gòu)隧道建設(shè)階段碳排放強(qiáng)度為10 856.85 tCO2e/km。其中，建材及預(yù)制管片生產(chǎn)階段貢獻(xiàn)的碳排放量最大，占72.73%； 其次是施工和安裝階段，占25.36%； 運(yùn)輸階段產(chǎn)生的碳排放雖與運(yùn)距密切相關(guān)，但由于運(yùn)輸成本等限制，僅占1.91%。從以上研究結(jié)果可以看出，建材及預(yù)制管片生產(chǎn)階段極具減排潛力，其次是施工和安裝階段。

圖5 盾構(gòu)隧道建設(shè)階段碳排放Fig. 5 Carbon emission of shield tunnel in construction phase

2.2 盾構(gòu)隧道碳減排潛力分析

2.2.1 情景參數(shù)設(shè)置

根據(jù)廣州市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃(2018—2035年)，未來廣州地鐵建設(shè)體量始終保持增速，預(yù)計(jì)到2035年，廣州地鐵總里程約為2 029 km。根據(jù)上述研究結(jié)果可知，地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)中建材及預(yù)制管片生產(chǎn)階段碳排放量占比最大，具有較大的減排空間，管片本質(zhì)是由混凝土、鋼材等建材預(yù)制而成，該階段的重點(diǎn)減排對(duì)象為混凝土和鋼材。因此，本研究通過采用再生混凝土和再生鋼材分析地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)階段的碳減排潛力。再生建材生產(chǎn)階段相比于原生建材少了原材料開采和運(yùn)輸過程，這是再生建材具有減排效益的重要原因之一。考慮到鋼材的資源化利用，鋼材的回收利用率取90%，回收加工能耗取原始生產(chǎn)能耗的40%[29]，再生建材的碳排放因子見表6。此外，地鐵盾構(gòu)隧道施工和安裝階段碳排放量主要來源于施工機(jī)械電力能耗，考慮到電網(wǎng)電力碳排放因子隨清潔新能比例的增加而逐年降低，基于已有研究對(duì)南方電網(wǎng)電力碳排放因子進(jìn)行預(yù)測[30]，見表7。

表6 再生材料碳排放因子Table 6 Carbon emission factors of recycled materials

表7 電力碳排放因子預(yù)測值Table 7 Electricity carbon emission factor forecast

基于此，對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)階段共設(shè)定了情景Ⅰ(基準(zhǔn)型)、情景Ⅱ(中間型)和情景Ⅲ(樂觀型)3種情景，以探討分析地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)的碳排放量及減排潛力(見表8)。建設(shè)階段情景指標(biāo)的設(shè)置借鑒了《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》[32]以及現(xiàn)有節(jié)能減排措施等。

表8 建設(shè)階段情景分析假設(shè)Table 8 Scenario analysis assumptions in construction phase %

2.2.2 碳減排潛力情景分析

基于上述情景分析可知，再生建材的使用以及能源結(jié)構(gòu)調(diào)整有助于實(shí)現(xiàn)地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)的碳減排(見圖6)。在情景Ⅰ下，不使用再生建材，廣州地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)的碳積累量從6.41 MtCO2e(2021年)增長到21.64 MtCO2e(2035年)，增幅約3.3倍。情景Ⅱ和Ⅲ是采用再生建材及優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)后的碳減排情景，在2025年的碳積累量分別為9.89 MtCO2e和9.76 MtCO2e，相較基準(zhǔn)型減排率分別為1.3%和2.6%； 2030年的碳積累量分別為15.69 MtCO2e和15.35 MtCO2e，相較基準(zhǔn)型減排率分別為2.7%和4.7%。在2035年，情景Ⅱ的碳積累量約為20.85 MtCO2e，相較基準(zhǔn)型減少3.7%； 情景Ⅲ是再生建材使用最高和能源結(jié)構(gòu)最優(yōu)的情景，其減排潛力也最為顯著，2035年碳積累量約20.32 MtCO2e，相較基準(zhǔn)型降低6%。

圖6 歷史碳積累量及碳減排潛力Fig. 6 Cumulative carbon emission and reduction potential

3 結(jié)論與建議

采用LCA方法，開展了地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)階段碳排放評(píng)價(jià)工作，并以廣州市典型地鐵盾構(gòu)項(xiàng)目為例，對(duì)建材及預(yù)制管片生產(chǎn)、運(yùn)輸及施工和安裝等過程碳排放強(qiáng)度和水平進(jìn)行了量化分析，同時(shí)結(jié)合情景分析探討了投入使用再生建材及優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的減碳可行性。研究結(jié)論如下：

1)單環(huán)C50預(yù)制混凝土管片碳排放強(qiáng)度為7 100.57 kgCO2e； 單位地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)碳排放強(qiáng)度為10 856.85 tCO2e/km。

2)建材及預(yù)制管片生產(chǎn)、施工和安裝階段具有較大減排空間。在生產(chǎn)階段，水泥和鋼鐵材消耗量最大，可通過改良生產(chǎn)工藝、使用綠色建材等方式減排；在施工和安裝階段，盾構(gòu)、水平運(yùn)輸機(jī)械及通風(fēng)機(jī)械能耗最高，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)排放機(jī)具的維修保養(yǎng)以及優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。

3)廣州地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)的碳積累量為6.41 MtCO2e(2021年)，預(yù)計(jì)到2035年將達(dá)到21.64 MtCO2e。在優(yōu)化情景下，累計(jì)節(jié)碳795.2～1 321.59萬tCO2e(2021—2035年)。在情景分析中，再生建材的使用以及新能源發(fā)電比例的提高可有效緩解廣州地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)碳排放的增速，且使用比率越高，可實(shí)現(xiàn)的碳減排效益越明顯。

綜合結(jié)論，提出以下3點(diǎn)建議：

1)加快落實(shí)綠色建材產(chǎn)品認(rèn)證及推廣應(yīng)用工作，提高關(guān)鍵建材的資源化利用率。建材及預(yù)制管片生產(chǎn)階段是盾構(gòu)隧道建設(shè)碳排放占比最大的階段，約為72.73%。其中，預(yù)制管片、水泥、鋼鐵材和混凝土貢獻(xiàn)的碳排放量最大，而預(yù)制管片的主要成分是水泥和鋼鐵材。相較不使用再生建材，使用再生建材(情景Ⅲ)生產(chǎn)階段的碳排放強(qiáng)度減少了8.5%。由此可見，使用再生建材可有效減少盾構(gòu)隧道建設(shè)的碳排放。此外，改良建材及預(yù)制管片生產(chǎn)工藝也可提高碳減排潛力。

2)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高清潔能源的使用，實(shí)現(xiàn)能源零碳轉(zhuǎn)型。施工和安裝階段約占盾構(gòu)隧道建設(shè)碳排放的25.36%，其中，電力能耗占比達(dá)到87.64%，相較基準(zhǔn)情景Ⅰ，提高新能源發(fā)電比例(情景Ⅲ)可減少施工和安裝階段27%的碳排放。

3)加強(qiáng)施工機(jī)械維保及施工工藝改進(jìn)。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)碳排放施工機(jī)械的維修保養(yǎng)以提升工作效率，降低損耗率，提高使用年限，進(jìn)而降低施工和安裝產(chǎn)生的碳排放。此外，如果采用可行的新技術(shù)新工藝施工，若能減少施工能耗10%，在該研究案例上就可減少碳排放約275 tCO2e/km(盾構(gòu)里程)。