地下工程低碳理论与应用 课件 -第1章 绪论

西南交通大学土木工程学院地下工程系《地下工程低碳理论与应用》2025年1月2日西南交通大学土木工程学院地下工程系第1

章绪论本章内容提要本章教学目标：

了解地下工程的概念及发展明确碳排放的基本概念了解专业领域碳排放发展历程及研究相关进展

了解国内外相关行业碳排放标准地下工程的概念及发展1土木工程行业碳排放现状碳排放的基本概念本章内容提要234地下工程行业碳排放现状5国内外相关行业碳排放的标准及规范地下工程的概念及发展1地下工程的概念及发展一1.1地下工程的概念地下工程通常有两方面的含义：一方面是指建在地下的各种工程设施。另一方面是指从事建造和研究各种地下工程的规划、勘察、设计、施工和维护的一门综合性应用科学与工程技术，是土木工程的一个分支。地下工程的概念及发展一1.1地下工程的概念随着国民经济的发展，地下工程的应用越来越广泛，城市地铁、公路、水电站、仓库、商场、体育馆、工厂等许多工程都安排在地下，某种场合下还必须安排在地下。地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.1地下空间开发历史早期（远古时期）：人类出现到公元前3000年的新石器时代，以居住洞穴为主，利用天然地下洞穴或人工开挖洞穴遮风避雨、防寒防暑、防御自然灾害等原始人居住天然洞穴新石器时代半穴居建筑复原图地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.1地下空间开发历史早期（古代时期）：随着社会文明和原始建设技术的初步发展，人类对于地下空间利用也从初步的简单借用演变为对空间的设计和改造萌芽行为，进入地下空间初步利用阶段秦始皇陵洛阳龙门石窟地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.1地下空间开发历史近代：16世纪以后的第一次工业革命开始至20世纪早期，城市化水平不断提高，在城市建设中开始了近代城市的地下空间开发利用伦敦地铁大都会线（1863年1月正式运营）伦敦下水道改造工程(1859～1865年）地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.1地下空间开发历史现代：二次大战以后，随着经济和技术的高速发展，地下空间的开发利用也掀开了崭新的篇章，以市政、城市轨道交通、人防及商业设施等为主北京地铁复兴门折返线(1986年）城市综合管廊地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.2隧道工程开发历史原始时代远古时代中世纪时代近代现代地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.2隧道工程开发历史古代隧道案例我国最早采用“火烧水浇”开凿的穿山通车隧道为“石门”隧道，位于今陕西省汉中县褒谷口内，内壁宽度、高度皆在4米以上，建于东汉明帝永平九年（公元66年）。采用“火烧水激”而成的石门隧洞，是世界上最早的人工通车隧道地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.3隧道工程发展近代隧道的发展近代隧道兴起于运河时代：马尔派司（Malpas）运河隧道（法国）——建于1666~1681年，长157m，可能是最早用火药开凿的隧道。1830年前后，铁路隧道也越来越多，先从经济比较发达的欧洲各国开始，然后是美国和明治维新后的日本。炸药的利用，大大提高了挖掘效率，代表着近代隧道工程的开端地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.3隧道工程发展钻爆法——20世纪采用该法，发明了凿岩机，爆破技术也由传统的导火索、火雷管引爆发展到电雷管毫秒引爆，实现了光面爆破和预裂爆破。

随着人们对隧道工程认识的不断深入和工程经验的不断积累，形成了许多成熟的施工工艺和方法，如新奥法、新意法、挪威法等。地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.3隧道工程发展②盾构法起源与发展——盾构机于1847年发明，它是一种带有护罩的专用设备。利用尾部已装好的衬砌块作为支点向前推进，用刀盘切割土体，同时排土和拼装后面的预制混凝土衬砌块。地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.3隧道工程发展1869年，英国人格瑞海德首次开发了圆形盾构；1886年，在伦敦地下施工中首次将压缩空气方法与盾构掘进相结合使用。1964年英国人摩特、安德森等申请了泥水加压平衡盾构的专利；1963年，日本SatoKogyo公司首先开发出土压平衡盾构。盾构法地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.3隧道工程发展③TBM法起源与发展——TBM(TunnelBoringMachine)，又称全断面岩石掘进机，用于中等和坚硬岩石地层的，1883年首次试掘成功。

硬岩TBM是利用旋转刀盘上的滚刀挤压剪切破岩，通过旋转刀盘上的铲斗齿拾起石渣，落入主机皮带机上向后输送，再通过牵引矿渣车或隧洞连续皮带机运渣到洞外。地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.3隧道工程发展④沉管法起源与发展——是在水底建筑隧道的一种施工方法。沉管隧道就是将若干个预制段分别浮运到海面（河面）现场，并一个接一个地沉放安装在已疏浚好的基槽内，以此方法修建的水下隧道。地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.3隧道工程发展1894年第一条用沉管法施工成功的是美国波士顿的雪莉排水管隧洞，于1894年建成，直径2.6米，长96米。1910年美国建成了第一条底特律河铁路隧道，水下段由10节长80米的钢壳管段组成。1928年，建成的美国波西隧道为第一条水底道路隧道，水下段长744米。1941年，荷兰建成的马斯河道路隧道，为钢筋混凝土制成矩形结构。20世纪50年代以后，由于水下连接技术的突破──采用水力压接法，并应用橡胶垫圈作止水接头，沉管法被广泛采用，并随之较快地发展。地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.4地下工程发展利用基本动因1）拓展城市功能：

城市土地利用的密度不断上升，促使地下空间的利用不断发展。

地下空间设施为现代城市的发展提供生存和发展的条件。地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.4地下工程发展利用基本动因2）城市和谐发展的需求推动：

缓解城市交通矛盾

改善城市生态环境

提高城市综合防灾能力交通拥堵灾害破坏环境污染地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.4地下工程发展利用基本动因3）高度城市化进程的推动：

城市过度化发展带来的“城市病”：人口膨胀、交通拥堵、能源消耗、环境污染城市地下空间在扩大城市空间、改善城市景观方面具有极大优势，形成了城市地面空间、上部空间和地下空间协调发展的城市空间构成的新概念。地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.5地下工程开发利用发展趋势功能综合化大城市各种功能的高度复合决定其地下空间利用的主要趋势是向综合化方向发展，这种趋势表现为地下综合体不断出现上海世博轴及地下综合体工程地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.5地下工程开发利用发展趋势浅层（地表～地下15m）次浅层（地下15m-30m）次深层（地下30-50m）深层（地下50m以下）使用价值最高，也是目前重点关注和广泛应用的深度范围，主要布置市政设施、地下居住设施、商业及娱乐设施、地下交通网络、物流设施等布置城市公用设施的封闭再循环系统（地上使用，地下输送、处理、回收、储存）建立水和能源地下储藏系统，以及危险品存放系统竖向深层化地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.5地下工程开发利用发展趋势交通立体化交通问题一直是国内外大城市开发要解决的重点问题，通过构建地上地下立体的交通体系才是创造大城市良好内部环境，解决区域内交通问题的根本之道。地下工程的概念及发展一1.2地下工程的发展1.2.5地下工程开发利用发展趋势生态多样化地下空间开发与城市内多样的生态环境建设应密切结合，才能实现区域内人与社会的良性互动和协调发展。碳排放的基本概念2碳排放的基本概念二（1）碳排放：二氧化碳和其他温室气体的排放，是关于温室气体排放的简称。（2）二氧化碳当量：各种温室气体对温室效应增强的贡献，可以按二氧化碳的排放率来计算，这种折算叫二氧化碳当量。（3）温室气体二氧化碳当量：温室气体二氧化碳当量等于给定气体的质量乘以它的全球变暖潜势（GlobalWarmingPotential，简称GWP）。碳排放的基本概念二温室气体包括：二氧化碳(CO2)，甲烷(CH4)，氧化亚氮(N2O)，氢氟化合物(HFCs)，全氟化合物(PFCs)，六氟化硫(SF6)。这六种温室气体的全球变暖潜势（GWP）见表1-1。碳排放的基本概念二温室气体名称GWP（20年）GWP（100年）二氧化碳（CO2）11甲烷（CH4）8428氧化亚氮（N2O）264265全氟化碳（PFCS）CF448806630C2F6821011100六氟化硫（SF6）1750023500表2-1全球变暖潜势（GWP）碳排放的基本概念二续

表2-1全球变暖潜势（GWP）温室气体名称GWP（20年）GWP（100年）氢氟碳化物（HFCS）HFC-231080012400HFC-322430677HFC-12560903170HFC-134a69404800HFC-143a506138HFC-152a53603350HFC-227ea69408060HFC-245fa2920858土木工程行业碳排放现状3土木工程行业碳排放现状三3.1国外土木工程领域碳排放研究现状由于各国学者研究内容、侧重点有所不同，一般认为建材生产、现场建造、运行、拆除处置这4个阶段构成建筑的全生命周期。土木工程行业碳排放现状三3.1国外土木工程领域碳排放研究现状部分学者认为可以将原材料生产阶段忽略，而将使用阶段拆分为运行和维护2个阶段，以及将土建工程施工和装饰装修工程安装划分到不同的阶段，并将土建工程施工阶段细分为人材机运输、现场施工机具消耗和施工辅助措施。土木工程行业碳排放现状三3.1国外土木工程领域碳排放研究现状使用计量模型的差别及依托建筑物不同导致最终计量结果也有明显差别。美国建筑碳排放的统计分析发现建筑能耗占总能耗的41%，碳排放占总碳排放量的39%，而其中大部分是由于老化建筑导致的。土木工程行业碳排放现状三3.1国外土木工程领域碳排放研究现状比利时相关研究表明，对于5类住宅的全生命周期碳排放，全生命周期的碳排放都会因围护结构不同而有较大差异。土木工程行业碳排放现状三3.1国外土木工程领域碳排放研究现状瑞士的碳排放研究得出了生命周期评价（LifeCycleAssessment，简称LCA）法适用于评价产品以及建筑单体的碳排放，投入产出法适用于评价行业以及建筑群体的碳排放的结论。土木工程行业碳排放现状三3.1国外土木工程领域碳排放研究现状日本学者计算了大量建筑物的生命周期碳排放，建立了数据量大的数据库，并且规定建筑环境影响评价的一项重要指标是生命周期碳减排量。总之，建筑碳排放量与气候、科技、文化、经济等多种因素均相关。土木工程行业碳排放现状三3.2国内土木工程领域碳排放研究现状

国内部分学者提出了我国低碳建筑管理模式的基本内容，从生命周期的角度对建筑碳排放测评方法进行研究，构建了完整的低碳建筑物碳排放测算指南。部分学者将建筑全生命周期划分为建材物化、建造、建筑运营、建筑维护、建筑破除处理5阶段。同时也有学者为了方便核算，将运营及维护合为1个阶段。随后基于上述划分的生命周期阶段，对每个阶段统计汇总材料消耗和施工机械使用的投入使用清单，从而对建筑生命周期全过程进行碳排放系统量化。土木工程行业碳排放现状三3.2国内土木工程领域碳排放研究现状部分学者提出：（1）合理控制建筑使用期间的碳排放量是建筑物节能减排的最有效方式。（2）建筑碳排放与大数据技术相结合可以分析采用不同节能减排措施后的减排效果。（3）建筑结构形式对于碳排放量具有较大影响，在满足同样使用功能的前提下，应尽可能选择碳排放量较小的结构形式。地下工程行业碳排放现状4地下工程行业碳排放现状四4.1国外地下工程领域碳排放研究现状

目前针对地下工程碳排放的研究主要围绕二氧化碳排放源、计算边界划分、碳排放量化结果分析以及节能减排技术研究等内容展开。英国日本研究结果表明在所有交通方式中，地铁出行的碳排放强度最低，且发现使用阶段能耗最大，该阶段消耗了占总量约98%的电力，其次是材料采掘阶段。（1）地铁领域

地下工程行业碳排放现状四4.1国外地下工程领域碳排放研究现状

国外学者将隧道全生命周期分为建设、维护和使用3个阶段进行碳排放研究。

研究认为建设阶段碳排放主要来源于混凝土、沥青和爆炸物和材料运输，而使用阶段则主要来源于用电力消耗。

（2）隧道领域地下工程行业碳排放现状四4.1国外地下工程领域碳排放研究现状有些学者通过实测发现隧道内温室气体排放浓度与通行车辆的数量和速度有很大关系。部分学者得出结论：对于中、低强度岩体的隧道，隧道的支撑和衬砌混凝土的制造对二氧化碳排放提供了最多的贡献，平均约占总排放量的80%。地下工程行业碳排放现状四4.2国内地下工程领域碳排放研究现状

在地铁领域，国内部分学者将生命周期划分为建材生产、建材运输、现场施工、运营和维护5个阶段。针对地铁隧道建设过程中碳排放计算，有学者计量了各分部分项工程以及建材生产阶段和施工阶段的碳排放，指出建材生产阶段产生的碳排放量占施工土建碳排放总量的70%~80%。（1）地铁领域

地下工程行业碳排放现状四4.2国内地下工程领域碳排放研究现状

国内部分学者借鉴建筑全生命周期碳排放计算模型给出了单个隧道工程及其上游产品的碳排放路径和直接排放源，分为消耗施工材料、施工机械消耗电力、施工机械消耗燃料和运输工具消耗燃料所产生的碳排放4部分，并且提出了计量隧道物化阶段排放温室气体的方法。（2）隧道领域

地下工程行业碳排放现状四4.2国内地下工程领域碳排放研究现状

结合案例发现能耗贡献阶段由大到小为材料生产阶段、运营阶段和建设阶段。在建设阶段，隧道工程的单位能耗最高，在运营阶段，隧道通风和照明用电占该阶段用电总量的85%。同时现有研究结果也发现不同围岩级别隧道的排放水平差异巨大。地下工程行业碳排放现状四4.2国内地下工程领域碳排放研究现状

通过对比不同围岩条件的相同施工工序，发现随着围岩等级上升，隧道施工产生的温室气体排放的增加速度非常惊人，案例研究表明：V级围岩和IV级围岩的隧道施工排放相当于III级围岩的283%与188%。而在同一围岩等级下较差围岩质量的隧道施工产生的温室气体排放增量依然非常可观。

国内外相关行业碳排放标准及规范5国内外相关行业碳排放标准及规范五5.1国外相关行业碳排放标准及规范英国：（1）从2003年到2019年，英国陆续颁布了《我们能源的未来：创建低碳经济》白皮书等一系列法律法规。（2）加强制度约