公路隧道施工期碳排放計算模型*

李世文,張玉龍,李增源,林子鑫,張 遼

(1.廣西交通投資集團,廣西 南寧 530022; 2.中交二公局東萌工程有限公司,陜西 西安 710119)

0 引言

走綠色發展道路是21世紀人類的共識。國際上法國、英國、瑞典、丹麥、新西蘭、匈牙利等國家已將碳中和作為國家發展的重要目標。我國也提出在2030年前碳達峰、2060年前碳中和的戰略目標。統計數據顯示,交通運輸領域的碳排放占全國終端碳排放的10.7%,其中公路占交通領域排放的74%[1]。隨著我國提出碳中和的戰略計劃,減碳減排已日漸成為未來交通運輸行業發展趨勢,進行公路減碳減排研究對未來行業發展具有重要意義。

針對這一課題,許多學者開展了不同層次的研究。從行業發展大方向出發進行研究可為推動公路領域碳中和戰略布局提供依據,Attahiru等[2]通過對大量文獻進行分析,探索了綠色經濟與發展中國家可持續發展的關系及碳中和材料的使用對高速公路建設的影響。王靖添等[3]以交通運輸領域碳減排潛力分析為研究方向,在預測中國交通運輸需求量的基礎上測算了中國交通運輸領域的碳減排潛力。從建設階段出發進行研究可為公路領域碳中和對策制定提供支撐,涂圣文等[4]從公路設計階段的減碳減排著手,針對傳統雙車道高速匝道入口設計存在的問題,提出了一種能降低約10%碳排放量的新型匝道入口設計方案,并運用Paramics Discovery 21.0和AIRE進行了交通仿真和污染物排放量計算。盧傳忠等[5]以公路運營階段的減碳減排為研究方向,通過分析道路養護過程中的碳排放源及材料生產加工運輸過程中的碳排放,建立了公路養護過程中的碳排放計算模型。從評價體系出發進行研究可作為公路領域碳中和目標導向,張南松等[6]以公路減碳減排的評價指標為研究方向,結合公路工程特點、區域建設的條件及資源,從科技創新、經濟成本、品質智慧、綠色節能、人文環境、服務管理等方面建立了減碳減排評價指標體系。貢松多吉等[7]以公路隧道運營期間的減碳減排為研究方向,通過理論分析從基礎指標、能耗指標、交通功能、能效指標、交通安全和經濟效益6個維度構建了公路隧道運營期的能耗監測指標體系,可動態實現隧道能耗監測,為減碳減排提供依據。由上述文獻可看出,高速公路碳中和是一個涉及多層面的系統性問題。

公路領域的碳中和任務最終要落在具體工程上,公路隧道的碳排放在整個公路中占據重要分量[8],李喬松等[9]研究指出,目前關于隧道碳排放量的計算還停留在完工后,對各階段的碳排放量尚無具體分析。基于此,本文將在前人研究的基礎上,以公路隧道碳平衡為研究對象,對公路隧道碳排放計算模型、碳排放設計的概念進行討論,結合實例對公路隧道施工過程中的碳排放進行定量分析,以期為公路隧道減碳減排措施制定提供理論參考。

1 隧道施工碳排放計算模型

所謂碳排放計算模型,就是根據隧道的工程量,如同計算造價那樣將隧道施工中的碳排放定量計算出來,為后續減碳減排措施的制定提供決策參考。

1.1 碳排放路徑

隧道施工中碳排放都可歸結于能量與材料的消耗,其中能量消耗現階段主要為電能和化石能源,材料消耗主要為混凝土、鋼材。計算施工期間碳排放的思路是先算出各施工工序所需要的能量和材料,然后通過能量和材料的用量計算施工工序的碳排放量。由于隧道施工的復雜性,碳排放也具有一定隨機性,作為前期研究本文中模型只針對隧道施工的關鍵工序和關鍵耗材進行計算,具體其計算思路如圖1所示。

圖1 碳排放計算思路

1.2 隧道開挖

采用氣腿式風鉆則僅在生產壓縮空氣時消耗電能,其鉆孔的碳排放量EEzk為:

EEzk=Pky·nky·Tzk·rE

(1)

式中:Pky為空壓機的額定功率(kW);nky為鉆孔所需的空壓機數量(臺),可根據斷面面積、風損和排放量進行計算;Tzk為鉆機在一次開挖循環中的作業時間(h);rE為電碳轉化系數(kW·h/kg)。

爆破工序主要是炸藥在爆炸時產生碳排放:

Ebp=mbp·rbp

(2)

式中:mbp為爆破所用炸藥量(kg),可根據爆破方量和巖石堅硬程度進行估算;rbp為無量綱炸藥碳轉化系數,即單位炸藥爆炸產生的碳排放量。

由式(1)～(2)可知,1次循環中開挖所產生的碳排放總量TEzk,j為:

TEkw,j=EEzk+Ebp

(3)

式中:j為1個施工段落中第j次循環。

1.3 隧道出渣

在隧道出渣作業中產生碳排放的途徑主要為礦渣裝載和運輸2個工序油耗。裝載機的油耗DCzz可通過式(4)進行計算:

DCzz=Tzz·Czz

(4)

式中:Tzz為1次循環的出渣裝載時間(h);Czz為裝載機油耗量(L/h)。

運渣車在出渣工序中會產生一定油耗,包括滿載出洞至棄渣場、空載回洞至掌子面2個過程,運輸過程中所消耗的燃油量DCys為:

DCys=(d+d′)·(Ckz+Cmz)·nys

(5)

式中:d為掌子面至洞口距離(m);d′為洞口至棄渣場距離(m);Ckz,Cmz分別為運輸車空載和滿載時油耗量(L/km);nys為1次循環中運渣次數(次),可根據開挖方量進行估算。

由式(4)～(5)可知,1次循環中出渣階段所產生的碳排放量TEcz,j為:

TEcz,j=(DCzz+DCys)·rD

(6)

1.4 隧道支護

1.4.1支護材料排放

隧道在開挖后需進行支護,支護這一階段消耗較多材料(主要為鋼材、混凝土)。隧道支護所消耗材料與隧道圍巖等級有關。在具體計算中,可通過隧道設計圖得到支護類型,如鋼拱架支撐間距、襯砌厚度,計算出鋼材的用量Mg和混凝土用量。因此,第i個施工段落所用材料及材料加工產生的碳排放量MEi為:

MEi=Mg·rg+(Mpt+Myg+Mec+Mlm)·

rc+Mlq·rlq

(7)

式中:i為隧道中施工段落序號;Mpt,Myg,Mec,Mlm,Mlq分別為噴射混凝土、仰拱混凝土、二襯混凝土、路面混凝土、瀝青用量(kg);rg,rc,rlq分別為鋼碳轉化系數、混凝土碳排放系數、瀝青碳轉換系數,均為無量綱量,分別表示生產每千克鋼材、混凝土、瀝青所產生的碳排放量,包括原材料加工及運輸的碳排放量。

此外,隧道支護中所用材料需經過車輛運輸這一過程,運輸車輛油耗產生的碳排放量DEi為:

DEi=dgd(Ckz+Cmz)·rD·(nyc+nyg)

(8)

式中:dgd為材料由工區運輸到工點距離(km);nyc為混凝土運輸次數(次),可按質量估算;nyg為鋼材運輸次數(次)。

因此,在支護階段1個施工段落中因材料消耗和運輸造成的碳排放量TMEi為:

TMEi=MEi+DEi

(9)

式中:i為隧道中施工段落序號,根據隧道支護類型進行劃分。

1.4.2支護耗能排放

對于隧道中的某一段落而言,既需經歷開挖循環,也需二襯循環,兩者進尺不同,分開便于計算。

初期支護屬于開挖循環,其碳排放主要是濕噴機行走和噴射狀態產生的油耗和電耗,以及電焊機焊接鋼筋網片和鋼拱架引起的電耗。因此,1次開挖循環支護引起的碳排放量TEZcz,j為:

TEZcz,j=2Cspx·d·rD+

(Psp·Tsp+Pdh·Tdh1)

(10)

式中:Cspx為濕噴機油耗量(L/km);Psp,Pdh分別為濕噴機和電焊機功率(kW);Tsp,Tdh1分別為1次開挖循環中濕噴機和電焊機使用時長(h)。

二襯支護屬于二襯循環。施作二襯時隧道內主要耗能的為模板臺車、養護臺車和電焊機。因此,1次二襯循環引起的碳排放量TEZec,k為:

TEZec,k=(Pmb·Tmb+Pys·Tys+

Pdh·Tdh2)·rE

(11)

式中:k為施工段落中二襯循環序號;Pmb,Pys分別為模板臺車、養護臺車額定功率(kW);Tmb,Tys,Tdh2分別為1次二襯循環中模板臺車、養護臺車、電焊機使用時長(h),可由統計獲得。

1.5 施工配套措施

1.5.1通風電耗

隧道的正常施工需通風、照明等配套措施支持。風機功率取決于風量和風壓,在計算時需結合具體的通風方式按JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技術規范》進行需風量和風壓計算,進而確定風機功率。隧道內施工通風的電能消耗量ECfj為:

ECfj=PV·Tfj

(12)

式中:PV為風機功率(kW);Tfj為1次開挖循環中隧道施工通風時長(h),即爆破后的排煙時間[10]。

1.5.2照明電耗

隨著隧道的不斷掘進,沿程照明燈具也許不斷增加。假定隧道施工照明分為隧道掌子面和中間段,隧道的整體照明電能消耗量ECzm為:

ECzm=(Pqd+Pzd)·Tzm

(13)

式中:Pqd為隧道掌子面照明功率總和(kW);Pzd為隧道中間區段照明功率總和(kW);Tzm為1次循環中的照明時長(h)。

考慮上述施工配套措施產生的總碳排放量TEfz,j為:

TEfz,j=(ECfj+ECzm)·rE

(14)

1.5.3路面攤鋪

隧道路面攤鋪在隧道貫通后進行,材料產生的碳排放已在1.4.1節中考慮,此處僅計算由于攤鋪產生的能量消耗。攤鋪過程中主要為瀝青運輸車油耗、攤鋪機油耗及碾壓功耗,其材料排放量TEtp,i為:

TEtp,i=[(Ckz+Cmz)·ni·(1+ni)Lz/2+Ctp,dLz+(2Cny1+3Cny2)Lz]rD

(15)

式中:ni為第i個施工段落中瀝青攤鋪所需運輸次數(次);Lz為1輛運輸車滿載瀝青所能攤鋪隧道長度(km);Ctp,d,Cny1,Cny2分別為攤鋪機、光輪壓路機和振動壓路機油耗量(L/km)。

路面攤鋪與開挖、二襯循環無關,為了計算方便可放在施工段落中。

1.6 排放總和

最終依據各施工段落所需循環次數分別對材料排放量、開挖循環排放量和二襯循環排放量進行匯總,得到隧道的施工總排放量。

如圖2所示,第i個段落的總材料碳排放量TEMi可根據式(9)進行計算。將輔助措施計入開挖循環,根據式(3)、式(6)、式(10)和式(14),第i個段落總開挖循環的碳排放量TECkw,i為:

圖2 隧道總碳排放量計算流程

(16)

式中:mi為第i個施工段落的開挖循環次數(次)。

根據式(10),第i個段落總二襯循環引起的碳排放量TECec,i為:

(17)

式中:k為二襯循環序號;pi為1個施工段落中二襯循環次數(次)。

各施工段落的開挖循環次數mi和二襯循環pi次數可由開挖進尺估算出來:

(18)

式中:akw,aec分別為每一開挖和二襯循環的進尺(m),可根據開挖方法和圍巖等級確定;Li為第i個施工段落長度(m)。

至此本文以工序加循環的方式建立了公路隧道的碳排放計算模型,后續將通過MATLAB將公式轉變為計算程序。

2 隧道施工碳排放計算

2.1 計算參數收集

為了進一步對公路隧道碳排放進行分析,本節將結合西南地區某隧道對其施工碳排放量進行計算,計算所用主要數據如表1所示。轉化系數可根據各類數據庫、政府組織、專業機構和相關文獻查詢獲得[11],機械參數可通過機械生產廠家獲得。

表1 公路隧道碳排放計算參數

2.2 現場系數統計

上述模型中還需用到大量時間系數,它們都是根據隧道實際施工情況以1次循環為周期進行統計得到,其具體時間與作業隊伍的水平和開挖方法相關,針對本文所研究的隧道取統計均值進行計算分析,具體如表2所示。

表2 工序系數

由表1和表 2可看出,計算隧道的施工碳排放量會用到大量數據。后續隨著碳中和的措施不斷推進,有必要利用MySQL,SQL Server,Oracle等軟件建立專門的數據庫便于精確計算和控制。

2.3 隧道開挖循環碳排放分析

本小節首先進行開挖循環(包括開挖、出渣、支護和輔助措施)的碳排放分析。結合實際隧道參數,將隧道按襯砌類型劃分為13個段落(按樁號順序和襯砌類型)進行計算,如表3所示,計算得到各施工段落開挖碳排放量,如圖3所示。

表3 隧道施工段落劃分

圖3 不同施工段落開挖碳排放量

由圖3可看出,隧道開挖碳排放量最大施工段落為第7段落,圍巖等級Ⅴ級,該處的隧道進尺為947m。其次是第9段落,圍巖等級Ⅳ級,隧道進尺1 182m。 可看出隧道開挖產生的碳排放量隨開挖長度增加,還與累計進尺和圍巖等級相關。

第3和第9段落均為S4B襯砌類型,兩者段落長度非常接近,將兩者的段落總排放量與段落長度相除得到每延米的開挖平距碳排放量,分別為2.37,7.12t。該指標可用于衡量單位隧道施工的能量消耗量。由此可見,隧道長度越大1次開挖循環產生的碳排量越大。而圍巖越差導致的碳排放量增加顯然是因為開挖循環次數的增加。

進一步,選擇第1和第11段落對單一段落中的施工工序進行分析,得到圖4。由圖4a可見,開挖和出渣產生的碳排放量遠大于支護和輔助措施產生的碳排放量。繼續分析可知,開挖工序產生的碳排放主要是空壓機用電所致,出渣工序產生的碳排放主要是裝載機和運渣車用油所致。

圖4 第1,11施工段落下不同工序碳排放量

由圖4b可見,當隧道持續掘進至深處時,出渣所產生的碳排放量顯著增大約54倍,而開挖工序產生的碳排放量僅增加3.71倍。支護工序和輔助措施也增大28.72倍和7.56倍。由此可知,化石能源帶來的碳排放量顯著,在條件成熟的工區有必要推廣如電動運渣車等方式高效出渣。在支護工序中,也可將相關機械停放在洞內合適區域,避免反復進出洞造成能量損耗。

2.4 隧道二襯循環碳排放分析

相對于開挖循環,二襯循環主要包括鋼筋焊接、二襯混凝土澆筑養護等步驟。為了計算方便,因材料加工及運輸造成的碳排放將單獨在后面進行分析。由圖5可見,二襯循環產生最大碳排放量的仍為第7段落,為68.8t,且圖形與段落長度相似基本呈對稱分布。由分析可知,二襯工序產生的碳排放與掘進進尺關系不大,每一循環都是按固定措施開展。

圖5 不同施工段落二襯碳排放量

選擇其中第1段落僅設備碳排放作進一步分析如圖6所示,可看出養護臺車和電焊機造成的碳排放量都很小,這是因為兩者都不是持續耗電設備。碳排放量最大的是養護臺車,主要是因為養護臺車要不斷給二襯提供高溫和高濕環境。因此,在保證養護效果的前提下選擇高效節能的養護臺車是控制該階段碳排放的主要措施。第1段落開挖循環產生的總計碳排放量是襯砌循環的10.85倍。總的說來,二襯施工造成的碳排放量不大。

圖6 第1施工段落設備碳排放

2.5 隧道材料碳排放量分析

如圖7所示,隧道材料產生的碳排放量占整個隧道碳排放量的54.39%。一種思路是部分生產材料如鋼鐵、瀝青在出廠時已造成碳排放的事實,不應放在隧道施工中考慮。另一種思路是既然隧道施工需耗費這樣一種資源作為代價,就應計入隧道施工碳排放中。本文在計算模型中將其分離出來,既可考慮材料碳排放量也可不考慮。

圖7 隧道施工各類碳排放量占比

不同施工段落的材料碳排放量如圖8所示,主要考慮了使用量最大的混凝土、鋼材和瀝青產生的碳排放量,其余裝飾及機電產品安裝產生的暫時予以忽略。可看出產生最大材料碳排放量的施工段落仍為第7段落,為3 361.11t,是相同段落開挖循環碳排放量的2.45倍,二襯循環碳排放量的48.85倍。材料用量與段落長度和圍巖等級相關,想要控制材料用量需在優化結構設計、改善施工工藝上持續改進。第7施工段落材料碳排放量構成如圖9所示,可看出占比最大的是混凝土。作為一種人造石材,混凝土的制備工藝已十分成熟,降低碳排放量需在材料重復利用、研發新型節能材料上持續進行研究。

圖8 不同施工段落材料碳排放量

圖9 第7施工段落材料碳排放量

3 結語

1)公路隧道施工碳排放計算模型提供了一種隧道碳排放分析工具,可為減碳減排決策提供理論依據。

2)在整個隧道施工碳排放量中材料排放和開挖循環的占比最高,分別為54.39%,43.25%。在開挖循環中以出渣階段排放量最大,在材料排放中以混凝土碳排放量最大。

3)降低化石能源使用,提升能量利用率,重復利用或使用新型節能材料是降低隧道施工碳排放量的主要途徑。

4)本文在計算中需用到大量建設指標、機械參數及工序統計數據,后續可利用數據庫技術優化數據收集和分析過程,便于大量開展碳排放量計算。