铁路隧道施工期碳排放计算模型研究

摘要：铁路隧道在建设和使用过程中消耗了大量资源和能源，向外界环境排放了大量温室气体。为了评估铁路隧道对于环境的影响，文章以生命周期评价理论为基础，对铁路隧道工程施工期碳排放的量化方法进行了研究。首先依据隧道碳排放的特点，将铁路隧道施工期划分为建筑材料生产、运输和隧道施工三个阶段，明确了各阶段碳排放量化的计算边界；通过对施工期内碳排放清单的分析，整理出了在各阶段中投入使用到的主要建材和能源的碳排放因子汇总表；最后建立了各个阶段碳排放的计算式可供后续研究使用。关键词：交通碳排放；计算模型；生命周期评价；铁路隧道施工期0引言全球气候变暖问题和温室效应如今已是国际社会关注的焦点，在人类社会各项生产活动中消耗自然资源和燃料能源排放出的大量温室气体是诱发全球气候变暖的主要原因。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告结果显示，在1880—2012年间由于温室气体的大量排放，全球地表平均温度升高了0.85℃，这对海洋变暖及海平面上升、冰川融化、生态结构改变等方面有着重要影响。从对全球气候变暖的贡献比例来说，IPCC第四次评估报告结果里指出CO2

所占比例高达63%，是温室气体中占比最大的，因此在相关研究中CO2被认为是导致全球气候变暖的主要气体，并将温室气体的排放统一为二氧化碳（CO2）的排放量即碳排放。我国CO2

排放主要来源于化石能源的消耗，目前能源消费产生的CO2

排放占中国CO2

排放总量的88%左右。据此，中国提出了二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的目标。交通运输工程作为人类社会生产活动的重要成分，在其修建与使用过程中消耗了全球约1/3的能源，而隧道作为交通运输工程中的重要组成部分，在施工建设和使用阶段需要消耗大量资源与能源，向外界环境排放出大量CO2。近年来，有学者针对隧道碳排放的测算展开了不少研究，相关研究结果表明在交通设施里，隧道的材料和能量投入密度最大，对于环境和气候的影响，隧道施工产生温室气体相比于普通建筑碳排放更为重要。美国学者对旧金山至阿纳海姆段高速铁路建设期间排放的二氧化碳量进行计算后发现，隧道长度在铁路全线长度的占比虽然只有15%，但其建设过程中产生的碳排放在铁路建设总体碳排放中的比例却达到了60%。将京沪高铁基础设施的建设阶段划分为桥涵、隧道、路基、轨道、电气化等5个子系统，对每一个子系统在建设过程中产生的碳排放进行测算后发现，隧道是单位建设里程中产生碳排放最多的基础设施。以虹桥南路盾构隧道施工建设为案例，通过使用排放系数法分析研究了该工程建设产生的碳排放，测算了直径为14.93m的泥水平衡盾构施工过程中，平均每环施工产生的碳排放量约为60000kg。可以看出，在隧道施工建设中产生的碳排放已经成为CO2

的重要排放来源，但目前对于隧道碳排放的研究大多都集中于隧道的运营阶段，智能通风照明技术、地热供暖等绿色环保技术不断发展，反观施工阶段的碳排放计算研究数量有限。尤其是在铁路隧道施工建设方面，目前国内尚未形成针对铁路隧道工程施工阶段碳排放计算模型的专项深入研究，其主要原因在于铁路隧道施工工序繁琐复杂，在施工过程中需要用到的资源和能源种类繁多，工程量信息获取难度大。考虑到我国高速铁路建设的巨大规模和潜力，对铁路隧道施工建设阶段产生的碳排放计算研究是十分必要且迫切的。本文将基于生命周期评价（LCA）理论体系，提出主要面向铁路隧道施工期间涉及的单元过程产生碳排放的计算方法。1

铁路隧道施工期碳排放分析1.1

生命周期评价（LCA）内涵生命周期评价方法是分析评价一种产品或设施从“摇篮”到“坟墓”的全过程中对于外界环境造成的影响。根据产品在生命周期前后阶段的不同特征将其划分为几个阶段，对每个研究阶段采用各自适宜的管理方式和应对措施。1969年美国中西部研究所首先使用了LCA方法，针对可口可乐公司饮料包装材料对于环境的影响进行了分析研究，为了增强饮料包装材料的可回收性和环境友好性，可口可乐公司采用了塑料包装方案并沿用至今。LCA分析法主要内容包括：目标定义和范围、清单分析、影响评估和解释四个方面。1.2

铁路隧道施工期阶段划分基于生命周期评价理论，可将铁路隧道工程的全生命周期划分为五个阶段进行研究：建筑材料生产、材料运输、隧道施工建设、隧道运营维护、隧道拆解和回收。目前针对隧道工程运营阶段的节能减排研究量较施工建设阶段更多；并且由于隧道设计年限一般为100年，服务使用时间长，随着社会科技水平的不断发展革新，对于资源和能源的利用效率和使用类型可能发生改变；加上目前隧道拆解和回收的实际工程案例少，对该阶段的碳排放分析难度大，数据可靠性弱。因此在本文中对于铁路隧道碳排放的生命周期分析仅包括建筑材料生产、材料运输和隧道施工建设三个阶段。本文主要对铁路隧道施工期所涉及单元过程产生的碳排放进行量化分析，建材生产可视为隧道施工期的上游阶段，材料运输可视为隧道施工期内的一个阶段，隧道施工建设为隧道施工期的主要阶段。1.3

铁路隧道施工期碳排放计算边界铁路隧道施工期碳排放是指在铁路隧道施工建设期间所涉及的各单元过程由于消耗了资源和能源而向外界环境排放产生的CO2

量，为了计算铁路隧道施工期内产生的碳排放总量，首先需要确定铁路隧道施工期碳排放计算边界。由于在本文中主要是量化铁路隧道施工期的碳排放，包括了建材生产阶段、材料运输阶段和隧道施工阶段。因此将本文铁路隧道施工期碳排放计算边界划分为：铁路隧道建设所需材料的生产、运输和隧道结构的施工建设，碳排放计算边界见图1。1.4

铁路隧道施工期碳排放清单分析铁路隧道施工期碳排放清单分析是指将隧道工程在施工期各单元过程中从外界输入资源及能源消耗的工程量进行具体量化，同时量化分析隧道在施工期内消耗资源及能源后向外界环境排放出的CO2

总量。清单分析所需要的数据分为两类：前景数据和背景数据。前景数据是指隧道施工期内所需投入资源和能源的消耗量，即各类建筑材料和能源消耗使用的工程量，一般可从勘察设计资料、相关机构和部门统计数据中获得；背景数据是指在隧道施工期范围内投入使用的各类建筑材料和能源的碳排放因子，可从IPCC数据库、相关部门数据统计库和研究人员的文献报告里查找得到。根据课题组对于建材与能源碳排放因子的研究成果，整理汇总出在铁路隧道施工期内所使用到的主要建筑材料与能源的碳排放因子，见表1。对铁路隧道施工期中各单元过程投入的建筑材料和能源消耗量以及排放出的CO2

总量进行量化分析，并加入具有区域特性的碳排放因子数据，将整个分析过程所研究的数据进行汇总并建立清单数据库，可供后续研究使用。2

铁路隧道施工期碳排放计算模型2.1

铁路隧道施工期碳排放构成铁路隧道施工期碳排放的构成包括铁路隧道施工建设所需材料的生产阶段、各类建筑材料的运输阶段以及隧道工程的施工建设阶段产生碳排放。铁路隧道施工期碳排放构成见表2。2.2

碳排放计算方法根据文献对建筑结构碳排放量化分析的研究，可将碳排放量化的基本方法分为实测法、过程分析法、投入产出分析法和混合法四类。结合隧道工程相关研究发现，目前针对隧道碳排放的计算方法主要采用过程分析法，也叫排放系数法。排放系数法是指通过构建隧道施工过程中各类建筑材料和能源的投入清单，将各类建材和能源的工程使用量分别乘上对应的碳排放因子并累加，即可得到隧道整个施工期产生碳排放的总体水平。这种基于材料能源投入工程量清单和碳排放因子数据的计算方法称为排放系数法，本文铁路隧道施工期碳排放计算方法以排放系数法为基础展开。2.3

铁路隧道施工期碳排放计算方法由排放系数法计算原则得知，若要量化分析铁路隧道施工期内产生的碳排放总量，则需要得到各阶段中投入使用的材料和能源消耗工程量以及各类建材和能源的碳排放因子，按阶段分别将二者数值相乘并做累加即可得到铁路隧道施工期内碳排放的总量。根据表2以及排放系数法计算原则可构建出铁路隧道施工期碳排放计算模型为：式中：G为铁路隧道施工期碳排放总量，tCO2

；G1

为建材生产阶段产生的碳排放量，tCO2

；G2

为建材运输阶段车辆消耗能源产生的碳排放量，tCO2

；G3

为隧道施工阶段施工机械消耗能源产生的碳排放量，tCO2。（1）建筑材料生产阶段碳排放计算模型在铁路隧道建造期间，对建筑材料的需求种类繁多复杂，投入使用消耗量大，各类建材的生产加工过程一般在施工现场以外完成，会产生大量碳排放。铁路隧道施工期间所使用的建材生产过程产生的碳排放计算公式为：（2）材料运输阶段碳排放计算模型在建筑材料从生产地运输至施工现场过程中因运输载具消耗燃料能源而产生的碳排放量的计算公式为：式中：G2

为建材运输阶段车辆消耗能源产生的碳排放量，tCO2

；gm

为第m类运输载具完成的材料运输量，t；Lm

为第m类运输载具行进完成的运输公里数，km；Fm

为第m类运输载具运输每吨材料每公里消耗的燃料能源量，t/（t·km）；Em

为第m类运输载具所消耗燃料能源的碳排放因子，tCO2/t。（3）隧道施工建设阶段碳排放计算模型在隧道施工阶段由于施工机械和设备消耗电力和柴油等能源产生的碳排放量计算公式为：式中：G3

为隧道施工阶段施工机械消耗能源产生的碳排放量，tCO2

；gn

为施工过程中第n类机械完成的台班总量；Fn

为第n类施工机械单位台班能源消耗量，t/台班、MW·h/台班；En

为第n类施工机械所消耗能源的碳排放因子，tCO2/t、tCO2/MW·h。按上述三种计算公式可分别求出材料生产、运输和隧道施工三个阶段内产生的碳排放量，并将三者的计算结果作累加求和即可得出铁路隧道施工期对外界环境输出的碳排放总量，计算过程简图见图2。3

结论本文以生命周期评价方法为理论基础，对铁路隧道工程施工期向外界环境产生的碳排放进行了全面的分析，分别从建筑材料生产、材料运输和隧道施工建设三个阶段建立了碳排放计算模型，用计算简图揭示了各阶段碳排放的分布情况以及它们各自与施工期碳排放的联系，并且给出了使用的主要建材和能源的碳排放因子基础数据，最后建立了三个不同阶段的碳排放计算模型，可供后续相关研究使用。对铁路隧道施工期内产生的碳排放总量进行量化分析涉及的建筑材料、运输载具、施工机械和燃料能源种类繁多复杂