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3章地下工程施工期碳排放计算方法本章内容提要本章教学目标：掌握地下工程模块化计算方法及预测方法掌握隧道衬砌设计参数对施工碳排放影响规律地下工程施工碳排放模块化计算方法1隧道衬砌设计参数对施工碳排放影响规律地下工程施工碳排放预测方法本章内容提要23地下工程施工碳排放模块化计算方法1地下工程施工碳排放模块化计算方法一1.模块化概念：当前模块化已经成为一种广泛应用的设计方法，但并没有统一的定义。模块化是对产品或系统的一种规划和组织。而这一过程往往按照某种目的和规则进行。由于模块化的目的不同，对应的结果也有差异，因而通用的模块化方法不存在。模块的通用性、相对独立性特点，使得模块化LCA具有明显的优势。通过数据整合，将输入输出数据模块化，从而实现清单数据的可重复重用，减少LCA数据收集计算的工作量。3.1.1LCA模块化概述地下工程施工碳排放模块化计算方法一2.模块化重用：LCA数据重用分为两类，一类是直接引用，另一类是修改重用。直接引用是指新产品在做LCA评价时，不更改原模块中投入产出数据，直接引用原产品的某个模块。而一旦模块部分材料能源的种类或数值发生改变，则需采用修改重用方式。一般来说，直接引用适用于通用的标准模块、同类型产品中标准模块和非模块标准件。3.1.1LCA模块化概述地下工程施工碳排放模块化计算方法一2.模块化重用：为实现数据重用，减少LCA数据计算采集量，许多国家和组织已经开发相关数据库。借助模块通用性特点，建立模块数据库，提高生命周期清单分析（LifeCycleInventory，简称LCI）数据的重用效率和层级。LCI数据库面向过程，存储单元过程的材料和能源消耗数据，而模块内含有若干个过程，数据来源于LCI数据库，并不能替代LCI数据库。3.1.1LCA模块化概述地下工程施工碳排放模块化计算方法一3.1.2方法与数据1.目标与范围：目标：提供一种模块化计算方法，用于分析隧道施工和上游产品加工运输过程中的投入和排放。系统的边界包含四个部分：上游材料生产、隧道现场施工、材料运输、材料采集与加工。地下工程施工碳排放模块化计算方法一3.1.2方法与数据1.目标与范围：隧道开挖支护的能量与材料流如图所示。地下工程施工碳排放模块化计算方法一3.1.2方法与数据1.目标与范围：可见，隧道施工材料和能量的流动较为复杂，现场施工、建材生产、运输和材料加工之间联系紧密，不便直接按照生命周期划分投入和排放。地下工程施工碳排放模块化计算方法一3.1.2方法与数据1.目标与范围：为此，提出一种隧道施工模块化方法，其系统边界如图所示。地下工程施工碳排放模块化计算方法一3.1.2方法与数据1.目标与范围：将各模块投入排放计算步骤总结如下：1）基于《公路工程预算定额》（JTG/T3832—2018）计算第n个衬砌施工工序的材料和机械台班投入；结合《公路工程机械台班费用定额》（JTG/T3833—2018）将机械台班转化为燃料消耗，得到该工序的材料和能量投入和排放。2）明确第n个工序施工所需材料的来源，将材料源划分为市场直接购买和现场采集加工两类。3）确定第n个工序所需材料现场采集的工序集合，计算材料采集加工中材料能源投入和排放。地下工程施工碳排放模块化计算方法一3.1.2方法与数据1.目标与范围：4）将材料运输分为两部分，即：对于从市场购买的材料，计算市场到隧道现场以及隧道现场内部运输的能源投入和排放；对于现场采集的材料，只计算隧道现场内运输的能源投入和排放。5）将隧道施工、材料运输、材料采集加工和材料生产的投入和排放分别进行累加，即为第n个模块的投入和排放值。6）更换施工工序，重复步骤1到5，计算第n+1个工序的投入和排放，直到完成所有模块的投入排放计算。地下工程施工碳排放模块化计算方法一3.1.2方法与数据2.清单分析：（1）清单数据：清单数据分为前景数据和背景数据。前景数据包含施工活动材料及能源的消耗量，来源于勘察设计资料、设计数据、技术手册或相关机构的统计数据等。隧道工程量是前景数据的重要来源，一般从勘察设计资料中获得。背景数据则各类建材和能源的排放因子，可从IPCC、生命周期数据库、现有文献和规范中获取。地下工程施工碳排放模块化计算方法一3.1.2方法与数据2.清单分析：（1）模块投入排放计算方法：对于某个模块，工程量为u，施工和材料生产中能源投入和碳排放计算：

地下工程施工碳排放模块化计算方法一3.1.2方法与数据2.清单分析：（1）模块投入排放计算方法：从市场到隧道现场运输材料的能源投入和碳排放计算：

式中：载具类型m/tFc能耗类型重型柴油货车100.037kg/(tkm)柴油重型柴油货车180.030kg/(tkm)柴油重型柴油货车300.018kg/(tkm)柴油重型柴油货车460.013kg/(tkm)柴油电力机车—0.010kWh/(tkm)电力地下工程施工碳排放模块化计算方法一3.1.2方法与数据2.清单分析：（1）模块投入排放计算方法：在施工作业区场内运输的能源投入和碳排放计算：

式中：地下工程施工碳排放模块化计算方法一3.1.2方法与数据2.清单分析：（1）模块投入排放计算方法：材料处理和加工的能源投入和碳排放计算：

式中：地下工程施工碳排放模块化计算方法一3.1.2方法与数据2.清单分析：（1）模块投入排放计算方法：将各隧道施工单元过程及其材料运输和加工处理的投入和排放分别累加即为整体的投入和排放。

式中：地下工程施工碳排放模块化计算方法一3.1.2方法与数据3.面向单元工程量的计算路径：传统隧道碳排放计算由工程量、预算定额和台班能耗获得隧道前景数据，再计算排放量。即便《公路工程预算定额》与《公路工程机械台班费用定额》中数据并未发生变化，前景数据仍然需要重复计算，消耗大量时间和精力。传统碳排放计算路径地下工程施工碳排放模块化计算方法一3.1.2方法与数据3.面向单元工程量的计算路径：可转变计算思路，在计算的最后一步引入隧道工程量，重点在于建立可调用的单元工程量的模块投入与排放库，避免在计算早期引入变化量，减少重复计算，提高数据库重率利用率。面向单元工程量的碳排放计算路径地下工程施工碳排放模块化计算方法一3.1.2方法与数据3.面向单元工程量的计算路径：以喷射混凝土为例，1m3喷射混凝土的投入产出清单是个常量，可作为后续喷射混凝土清单数据计算的单位，定义这个基本单位为基元。基元表示隧道衬砌施工取单元工程量时的模块。对于第j个模块，包含基元数量为aj，则总的投入和碳排放计算：

式中：地下工程施工碳排放模块化计算方法一3.1.2方法与数据4.基元碳排放计算示例：以喷射混凝土工序为例。在不考虑运输和材料采集加工的条件下，每喷射10m3C25混凝土需要投入0.01m3木材、5.628t水泥、24m3水、7.2m3中粗砂、6.84m3碎石、1.29台班的混凝土喷射机，0.78台班的20m3/min电动空压机。而每台班混凝土喷射机消耗电能43.01kWh，而每台班20m3/min电动空压机耗电601.34kWh。通过换算，10m3C25喷射混凝土需要投入0.01m3木材、5.628t水泥、24m3水、7.2m3中粗砂、6.84m3碎石和524.53kWh电能。通过排放系数法，计算产出的排放为4.48tCO2eq。地下工程施工碳排放模块化计算方法一3.1.3基元投入排放清单隧道现场施工过程中的材料能源消耗可通过定额确定，但材料运输和采集加工仍需结合隧道现场条件确定。下表列举了各组情景下材料运输和采集加工的设定。项目基本参数与假定废土石场外运输废土石回收距离洞口10km，采用20t自卸汽车搭配轮式装载机装卸土石材料采集加工50%的砂和100%碎砾石在隧址区通过弃渣回收材料场外运输使用15t载货汽车运输木材、钢材和爆破材料，使用20t自卸汽车运输土、砂、石屑、碎砾石。材料堆积地点和混凝土搅拌站距离洞口1km。隧道长度为1km。使用混凝土运输车运输混凝土，平均运距为1.5km材料从市场运输到隧道建材运输距离为500km，采用重型柴油货车运输（载重30t）地下工程施工碳排放模块化计算方法一3.1.3基元投入排放清单基于材料运输和采集加工的设定，计算各基元的碳排放值。基元工程量碳排放/kgCO2包含运输与采集加工不包含运输与采集加工偏差/%E11m3I级围岩开挖19.31815.52519.63E21m3II级围岩开挖17.84814.06321.21E31m3III级围岩开挖13.2689.49028.47E41m3IV级围岩开挖12.6248.85829.83E51m3V级围岩开挖14.10410.35926.55E61kg型钢支撑2.6632.6191.65E71kg格栅支撑3.0543.0061.57E81kg连接钢筋2.5222.4801.67E91kg砂浆锚杆4.1184.0531.58E101kg金属网2.5362.4941.66E111m3喷射混凝土504.107449.90910.75E121m3拱墙混凝土402.342352.67412.34E131m3仰拱混凝土346.662302.75312.67E141kg钢筋2.4552.4121.75E151mΦ25中空锚杆17.27716.9581.88E161mΦ22药卷锚杆12.20112.0011.67E171mΦ42注浆小导管13.96613.8171.08E181m3水泥砂浆1054.376999.1755.52地下工程施工碳排放模块化计算方法一3.1.3基元投入排放清单模块化碳排放计算方法的创新点和优势在于以下三个方面：1）选择《公路工程预算定额》（JTG/T3832—2018）和《公路工程机械台班费用定额》（JTG/T3833—2018）作为单元工程量的前景数据来源。这两个定额规范均为中国最新的国家标准，保证了数据结果在中国范围内具有良好的适用性，能够代表当前中国隧道修建技术的发展水平。2）兼顾了不同隧道的现场实际，考虑了隧道施工中材料运输和采集加工活动水平的不同工况，明确了市场到隧道的材料运输和渣石回收对隧道施工碳排放的关键作用。3）具有较好的通用性，能够克服设定差异给研究结果调用带来的困难。同时基于敏感性研究结果，隧道内水平无轨运输的影响有限，可进一步简化隧道内运输的设定，从而提升模块修改后再调用的效率。地下工程施工碳排放预测方法2地下工程施工碳排放预测方法二碳排放预测是建筑行业和交通运输行业的热点课题，BP神经网络模型、STIRPAT模型、系统动力学模型和灰色预测模型等方法在研究中得到了广泛应用。不同于一般地上建筑，隧道是处于各种地质环境中的地下结构物。传统地面建筑的碳排放预测方法并不适用于隧道工程，必须重新分析隧道施工潜在影响因素，建立隧道施工碳排放预测模型。地下工程施工碳排放预测方法二3.2.1地下工程开挖与支护碳排放计算1.工程概况选择中国西南地区4座公路隧道作为分析对象，隧道采用双洞四车道设计，使用钻爆法开挖，衬砌设计种类共计42组。涉及的围岩地质条件包括埋深、围岩级别和围岩质量如表所示。编号围岩级别埋深围岩质量开挖面积/m2编号围岩级别埋深围岩质量开挖面积/m21V浅埋一般113.4722III深埋一般83.792V浅埋一般109.8423V浅埋一般106.23V深埋较差10824V深埋一般106.24IV深埋较好105.1125V深埋一般104.345IV深埋一般105.0826V浅埋较好106.26IV深埋较差95.4227V深埋一般101.667III深埋一般91.5328IV浅埋一般101.718V浅埋一般113.4729IV深埋较好96.759V浅埋一般109.8430IV深埋较差85.5710V深埋较差10831IV深埋一般101.7111IV浅埋较好105.1132III深埋一般83.6512IV深埋一般105.0833III深埋较好85.5213V深埋较好106.234V浅埋较好11214V浅埋一般106.235V浅埋较差114.4615V深埋一般104.3436V浅埋一般107.1616V浅埋较好106.237V深埋一般101.7217V深埋一般104.3438IV深埋较差82.6618V浅埋一般110.7539IV深埋较好98.9419IV浅埋一般101.7140IV深埋一般97.4820IV深埋较好96.7541III深埋一般80.4921IV深埋较好85.942III深埋一般78.83地下工程施工碳排放预测方法二3.2.1地下工程开挖与支护碳排放计算2.隧道开挖支护整体排放计算得到每延米碳排放区间为6.202-30.669tCO2eq，平均值为17.826tCO2eq。根据前期成果，围岩级别是隧道施工碳排放的关键影响因素，将不同围岩级别和开挖面积的隧道施工碳排放列举如图所示。地下工程施工碳排放预测方法二3.2.2地下工程开挖与支护碳排放总量预测方法1.隧道施工碳排放潜在影响因素选取围岩级别、埋深、围岩质量和开挖面积作为影响隧道碳排放的潜在因素，因素与分类如表所示。影响因素各因素解释参数分类围岩级别根据隧道周围岩体或土体的稳定特性进行围岩分级。选择围岩分为III-V三个级别III级围岩IV级围岩V级围岩埋深根据作用在支护结构上的土压力对隧道埋置深度、地形条件及地表环境有无影响，将隧道划分为浅埋隧道和深埋隧道浅埋深埋围岩质量在划分围岩的基本级别后，往往会在施工阶段对III、IV和V级围岩进行质量划分。对于同一级别的围岩，在设计阶段根据隧道围岩质量好坏将隧道围岩划分为偏弱、一般和较好三种偏弱一般较好地下工程施工碳排放预测方法二3.2.2地下工程开挖与支护碳排放总量预测方法2.数据分析方法使用相关分析方法筛选隧道施工碳排放的影响因素，使用回归分析方法获得隧道衬砌施工排放的预测模型。首先使用双变量相关分析方法，分析碳排放与各个潜在影响因素之间的相关关系。然后采用偏相关分析方法分析多个影响因素之间的关系。最终通过线性回归分析对两种或两种以上变量相互依赖性，并验证回归方程的拟合优度、自变量共线性和残差序列相关性。地下工程施工碳排放预测方法二3.2.2地下工程开挖与支护碳排放总量预测方法3.影响因素相关性分析分析各影响因素与碳排放的相关性见表。开挖面积、围岩级别、埋深类型和材料总质量与碳排放显著相关。其中材料总质量的相关系数最高，为0.989；埋深类型的相关系数最低，为0.637。潜在因素相关系数类型相关系数Sig.(双侧)围岩级别Spearman0.8940.000**埋深类型Spearman0.6370.000**开挖面积Spearman0.8580.000**材料总质量Spearman0.9890.000**围岩质量Spearman0.0340.830地下工程施工碳排放预测方法二3.2.2地下工程开挖与支护碳排放总量预测方法3.影响因素相关性分析不同因素下隧道衬砌施工碳排放如图。地下工程施工碳排放预测方法二3.2.2地下工程开挖与支护碳排放总量预测方法4.隧道开挖支护碳排放预测模型在不同地质条件和设计参数下，隧道开挖与支护施工排放的数值差异巨大。与隧道衬砌施工排放显著相关的变量包括埋深、开挖方法、开挖面积、围岩级别和材料总质量。在同样施工条件下，更大的开挖面积，意味着更高的材料消耗和机械使用量。材料投入越多，隧道的排放也会更多。埋深是分类指标，深埋和浅埋的隧道施工排放存在显著差异。浅埋隧道可只计入围岩松散压力，而深埋隧道还需考虑围岩的形变压力，使得不同埋深隧道的支护结构产生差异。隧道衬砌设计参数对施工碳排放影响规律3隧道衬砌设计参数对施工碳排放影响规律三3.3.1隧道衬砌设计参数内容隧道设计是隧道施工投入的决定性因素之一，《公路隧道设计规范》给出的设计参数见下表。围岩级别初期支护二次衬砌/cm

喷砼厚度/cm锚杆/m金属网间距/cm钢架纵距/m拱墙仰拱

长度间距

III级8-122-31-1.2局部@25*25—30-35—IV级12-202.5-30.8-1.2拱墙@25*250.8-1.235-400或35-40V级18-283-3.50.6-1拱墙@20*20拱墙仰拱0.6-135-500或35-50隧道衬砌设计参数对施工碳排放影响规律三3.3.2典型双车道公路隧道支护模型的建立由于我国公路隧道没有设计标准图，对于不同地质条件而言，隧道设计参数差别巨大。为便于研究和计算，需要建立支护模型，包括以下两部分。（1）模型参数的确定（2）模型工程量的计算隧道衬砌设计参数对施工碳排放影响规律三3.3.2典型双车道公路隧道支护模型的建立（1）模型参数的确定：根据规范以及总结工程案例得到隧道设计参数如下表。符号变量单位参数取值

III级围岩IV级围岩V级围岩n二衬厚度m0.30-0.350.35-0.400.35-0.50k喷射混凝土厚度m0.08-0.120.12-0.20.18-0.28Lh锚杆横向间距m0.60.60.6Lz锚杆纵向间距m1.20.8-1.20.6-1Lb单根系统锚杆长度m2.52.5-33-3.5a相邻两榀钢架纵向间距m—0.8-1.20.6-1w钢架连接钢筋环向间距m—0.6-10.6-1wt金属网间距m0.250.250.2mtΦ8钢筋单位长度重量kg/m0.395Ss隧道内轮廓面积m273.95隧道衬砌设计参数对施工碳排放影响规律三3.3.2典型双车道公路隧道支护模型的建立（1）模型参数的确定：参考隧道衬砌设计图和《公路隧道设计规范》（JTG3370.1—2018）内轮廓图，得到典型高速公路隧道衬砌图如下。无仰拱有仰拱隧道衬砌设计参数对施工碳排放影响规律三3.3.2典型双车道公路隧道支护模型的建立（2）模型工程量的计算：计算过程：1.根据得到的隧道衬砌图建立各截面方程

2.根据方程计算每延米各材料用量无仰拱截面种类方程夹角二衬内截面90°—二衬外截面90°—喷射混凝土内截面90°—喷射混凝土外截面90°—隧道衬砌设计参数对施工碳排放影响规律三3.3.2典型双车道公路隧道支护模型的建立2.根据方程计算每延米各材料用量（以三级围岩为例）二衬拱墙体积：每延米隧道喷射混凝土体积：金属网或系统锚杆布设区域的环向长度：统锚杆总长度：隧道衬砌设计参数对施工碳排放影响规律三3.3.2典型双车道公路隧道支护模型的建立2.根据方程计算每延米各材料用量（以三级围岩为例）金属网质量：钢架环向长度：钢架总质量：

连接钢筋总质量：锁脚锚杆总长度：隧道衬砌设计参数对施工碳排放影响规律三3.3.2典型双车道公路隧道支护模型的建立根据隧道衬砌模型和上述设定，建立高速公路隧道工程量计算模型，各级围岩隧道工程量区间如下表。工序单位III级围岩IV级围岩V级围岩二衬拱墙m36.735-7.8858.323-9.5699.820-12.103二衬仰拱m3—3.321-3.8023.321--4.768喷射混凝土m31.857-2.8112.811-4.7424.234-6.762金属网kg58.865-59.75