郭 春， 徐建峰， 張佳鵬

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031)

0 引言

截至2018年底，中國(guó)公路隧道的運(yùn)營(yíng)里程超過17 000 km，較上一年新增里程1 100 km以上[1]。大規(guī)模的隧道建設(shè)拉動(dòng)了經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，同時(shí)增加了原材料和能源的消耗，產(chǎn)生了大量溫室氣體。相關(guān)研究表明，隧道的能量和材料密度高于其他交通設(shè)施[2]。相比于建筑碳排放，隧道施工產(chǎn)生的溫室氣體排放強(qiáng)度更為巨大[3]。

當(dāng)前并無隧道碳排放計(jì)算的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有研究采用的隧道碳排放計(jì)算方法可分為直接碳排放法和完全碳排放法。直接碳排放法考慮隧道施工中消耗化石燃料產(chǎn)生的碳排放。例如，Ahn等[3]在計(jì)算隧道碳排放時(shí)僅考慮了現(xiàn)場(chǎng)施工的燃料和電力消耗，沒有考慮建材生產(chǎn)、使用和維護(hù)過程中的碳排放。完全碳排放法考慮隧道施工中的直接碳排放和間接碳排放。對(duì)隧道施工而言，間接碳排放包含施工中電能和上游建材消耗帶來的碳排放。李喬松等[4]計(jì)算了某盾構(gòu)隧道每環(huán)管片消耗電能產(chǎn)生的實(shí)際碳排放； 肖時(shí)輝等[5]使用排放系數(shù)法研究了盾構(gòu)隧道電能消耗的碳排放水平； 陳靈均[6]計(jì)算了重慶某公路隧道在施工、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)期的碳排放。

隧道碳排放計(jì)算的突出問題還體現(xiàn)在缺乏一致的系統(tǒng)邊界，不同研究的碳排放計(jì)算范圍大相徑庭，降低了不同研究的對(duì)比性。有學(xué)者在公路隧道運(yùn)營(yíng)期碳排放計(jì)算中考慮了車輛運(yùn)行產(chǎn)生的碳排放[6]。Huang等[7]分析了隧道鉆爆開挖過程的環(huán)境影響，沒有考慮圍巖支護(hù)與襯砌的碳排放。徐建峰等[8]分析了隧道物化階段的碳排放途徑，強(qiáng)調(diào)了上游建材生產(chǎn)是隧道整體碳排放的重要來源。

部分學(xué)者對(duì)隧道施工碳排放影響機(jī)制做了有意義的探索。Guo等[9]分析了圍巖條件和路面類型對(duì)隧道碳排放的影響，發(fā)現(xiàn)不同圍巖級(jí)別隧道的碳排放水平差異巨大。Xu等[10-11]探明了不同圍巖條件下隧道施工碳排放的躍遷路徑，發(fā)現(xiàn)圍巖支護(hù)和二次襯砌的碳排放量隨著圍巖條件變差有了顯著增長(zhǎng)；并發(fā)現(xiàn)了隧道施工碳排放的影響參數(shù)，建立了隧道施工碳排放的預(yù)測(cè)公式。考慮到隧道施工工序復(fù)雜，地質(zhì)條件變化多樣，圍巖質(zhì)量對(duì)隧道工程量影響巨大，現(xiàn)有研究不足以明確隧道修建的碳排放影響機(jī)制。此外，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外隧道碳排放研究數(shù)量有限，隧道碳排放使用的清單數(shù)據(jù)難以獲取，客觀上增加了隧道碳排放評(píng)估的難度。本文通過總結(jié)隧道施工碳排放的計(jì)算方法、影響因素和預(yù)測(cè)方法，并針對(duì)隧道碳排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取提出建議，以期為隧道行業(yè)節(jié)能減排工作提供參考。

1 隧道建設(shè)碳排放計(jì)算方法

本節(jié)主要研究如何計(jì)算隧道碳排放的問題。首先明確隧道碳排放的計(jì)算邊界，進(jìn)而獲得隧道碳排放的清單數(shù)據(jù)，最終通過排放系數(shù)法計(jì)算各類碳排放數(shù)值，疊加得到碳排放總值[8]。

1.1 碳排放計(jì)算邊界

碳排放是溫室氣體排放的簡(jiǎn)稱，包含二氧化碳(CO2)、氧化亞氮(N2O)、甲烷(CH4)、六氟化硫(SF6)、氫氟碳化物(HFCs)和全氟化碳(PFCs)等。根據(jù)不同氣體對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)，所有溫室氣體的排放單位歸一為二氧化碳當(dāng)量(CO2 eq)。

隧道建設(shè)的碳排放包括施工機(jī)械耗能產(chǎn)生的直接排放，還考慮了建材和能源在生產(chǎn)和運(yùn)輸期間的排放。隧道施工工序包括超前支護(hù)、開挖、圍巖支護(hù)、二次襯砌、防排水工程、路面工程、裝飾工程和施工通風(fēng)照明。各工序中均有材料或能量的投入，并向環(huán)境中排放溫室氣體。這種考慮產(chǎn)品生命周期環(huán)境影響的方法稱為生命周期評(píng)價(jià)(LCA)方法[6]。隧道建設(shè)碳排放計(jì)算邊界如圖1所示。

圖1 隧道建設(shè)碳排放計(jì)算邊界

1.2 清單數(shù)據(jù)

清單數(shù)據(jù)分為前景數(shù)據(jù)和背景數(shù)據(jù)。前景數(shù)據(jù)是材料及能源的消耗量，來源于勘察設(shè)計(jì)資料、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、技術(shù)手冊(cè)或相關(guān)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。背景數(shù)據(jù)包含各類材料和能源的排放因子。當(dāng)前獲得前景數(shù)據(jù)的途徑有3種：

1) 從勘察設(shè)計(jì)資料中獲得單位長(zhǎng)度隧道的工程量，再基于《公路工程預(yù)算定額》[12]數(shù)據(jù)獲得路面工程、隧道工程、材料采集加工和運(yùn)輸?shù)冗^程中的材料消耗和機(jī)械臺(tái)班數(shù)據(jù)?！度珖?guó)統(tǒng)一機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額》提供各類機(jī)械的單位臺(tái)班能耗數(shù)據(jù)。

2) 利用施工勘察設(shè)計(jì)資料的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)估計(jì)材料的使用量，從特定數(shù)據(jù)庫、相關(guān)研究和材料供應(yīng)商中獲得各類機(jī)械的燃油消耗量。在特定數(shù)據(jù)缺失時(shí)，數(shù)據(jù)庫提供各類施工機(jī)械的燃料消耗默認(rèn)數(shù)據(jù)[9]。

3) 基于歷史數(shù)據(jù)回歸得到預(yù)測(cè)模型，該模型定義了土方工程、隧道墻體構(gòu)件、混凝土隧道入口、隧道拱頂襯砌、鋪裝路面的默認(rèn)消耗量?；诠浪愕乃淼乐斜频玫降膸r石體積和質(zhì)量，估計(jì)隧道所需投入資源消耗量。

背景數(shù)據(jù)來源于各類數(shù)據(jù)庫、政府組織、專業(yè)機(jī)構(gòu)和相關(guān)文獻(xiàn)給出的碳排放因子。排放因子表示每消耗單位質(zhì)量或體積的材料/能源產(chǎn)生的碳排放。以柴油為例，IPCC發(fā)布的柴油的碳排放因子為4 369 kg CO2 eq/t，這意味著每消耗1 t柴油得到超過4 t CO2eq。常用的LCA數(shù)據(jù)庫包括Ecoinvent、CLCD、GaBi數(shù)據(jù)庫等?？紤]到不同地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)、排放水平和生產(chǎn)工藝的差異，同種材料在不同區(qū)域的排放因子可能存在巨大差異。在選取碳排放因子數(shù)據(jù)時(shí)，選擇本地?cái)?shù)據(jù)庫中的排放因子更能代表本區(qū)域?qū)嶋H排放水平。

1.3 排放系數(shù)法

隧道建設(shè)碳排放有3個(gè)來源：

1) 建筑材料。建筑材料的生產(chǎn)多在施工現(xiàn)場(chǎng)外完成，常用材料包括鋼鐵、水泥、炸藥、砂、碎礫石、水、瀝青、瓷磚等。

2) 運(yùn)輸機(jī)械。隧道施工使用的移動(dòng)機(jī)械包括卡車、自卸車、裝載機(jī)、混凝土攪拌車等。

3) 工程機(jī)械。例如空氣壓縮機(jī)、混凝土攪拌站、挖掘機(jī)、鑿巖臺(tái)車、混凝土噴射機(jī)、交流電焊機(jī)、隧道通風(fēng)機(jī)等。

將材料生產(chǎn)、運(yùn)輸和施工機(jī)械消耗燃料排放的溫室氣體累加即為隧道施工總排放，如表1所示。

表1 溫室氣體計(jì)算公式[10]

2 隧道建設(shè)碳排放計(jì)算案例

為了讓讀者深入了解隧道碳排放計(jì)算方法，提供了隧道施工碳排放計(jì)算案例[9]。某隧道位于我國(guó)四川省內(nèi)，總體為北西走向，坡度為2%或0.5%。該隧道長(zhǎng)4 km，凈空面積為78.23 m2，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km，是一條雙洞4車道高速公路隧道。表2示出該隧道施工階段的前景數(shù)據(jù)和基本假設(shè)，數(shù)據(jù)主要來源于勘察設(shè)計(jì)資料、《公路工程預(yù)算定額》、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、廠家數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。表3示出背景數(shù)據(jù)的來源和假設(shè)說明，表4示出隧道建設(shè)中各類材料和能源排放清單。

表2 施工階段的前景數(shù)據(jù)和假設(shè)說明

表2(續(xù))

表3 背景數(shù)據(jù)來源和假設(shè)說明

表4 各類材料與能源的排放清單

隧道施工階段碳排放為11.94×104t CO2 eq。圖2示出各施工工序的碳排放占比。其中二次襯砌、圍巖支護(hù)和路面工程對(duì)隧道碳排放的貢獻(xiàn)最大，合計(jì)占比超過70%。

圖3示出該隧道各類建材和能源的碳排放占比。其中水泥占隧道碳排放量的60.49%，電能占比為14.49%，鋼鐵占比為17.46%。部分材料和能源的占比小于0.2%，對(duì)隧道施工影響微弱，例如： 炸藥(0.13%)、礦粉(0.02%)、聚丙烯(0.21%)、汽油(0.03%)、瀝青(0.05%)。

圖2 施工階段的隧道碳排放占比

圖3 各類建材與能源的碳排放占比

3 隧道施工關(guān)鍵工序碳排放預(yù)測(cè)模型

隧道支護(hù)體系是決定隧道結(jié)構(gòu)安全的重要因素。本文將評(píng)估隧道超前支護(hù)、隧道開挖、圍巖支護(hù)、二次襯砌和通風(fēng)照明工序的碳排放水平，這些施工的材料投入與隧道圍巖條件息息相關(guān)，有利于挖掘隧道施工碳排放與圍巖條件的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。通過回歸分析方法建立隧道碳排放計(jì)算模型，便于研究者快速估算不同公路隧道的碳排放水平。

3.1 隧道施工關(guān)鍵工序碳排放

選擇中國(guó)西南地區(qū)8條公路隧道作為研究對(duì)象，各隧道均為雙洞隧道，位于中國(guó)四川省、貴州省、云南省和重慶直轄市。各隧道襯砌設(shè)計(jì)共49種。同一座隧道中包含了多種襯砌設(shè)計(jì)，各類地質(zhì)條件并存于同一座隧道，不利于分析單一影響因素對(duì)隧道碳排放的影響。將不同襯砌斷面的地質(zhì)條件和施工參數(shù)進(jìn)行分離，假定了49條隧道，每條隧道內(nèi)采用單一的襯砌設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度均為1 km。

計(jì)算49條隧道(單洞)施工帶來的碳排放，關(guān)鍵的施工過程包括超前支護(hù)、隧道開挖、圍巖支護(hù)、二次襯砌和通風(fēng)照明[11]。各隧道的施工碳排放范圍為5.08×103～ 5.26×104t CO2eq，平均值為2.04×104t CO2eq。不同隧道施工碳排放如圖4所示。各隧道碳排放數(shù)據(jù)較為分散，隨著開挖面積增大，隧道碳排放有增大的趨勢(shì)。較差圍巖隧道的碳排放均值更高：Ⅴ級(jí)圍巖、Ⅳ級(jí)圍巖和Ⅲ級(jí)圍巖的碳排放均值分別為2.64×104、1.63×104、7.43×103t CO2eq[11]。

圖4 不同開挖面積和圍巖級(jí)別下的施工碳排放

3.2 施工碳排放影響因素

選取圍巖級(jí)別、埋深、偏壓、圍巖質(zhì)量、凈距、開挖方法、開挖面積和材料質(zhì)量投入作為影響隧道碳排放的可能因素。表5列舉了6種分類指標(biāo)，這些指標(biāo)數(shù)據(jù)與隧道設(shè)計(jì)聯(lián)系密切。圍巖質(zhì)量是圍巖級(jí)別的次級(jí)指標(biāo)，分為較好、一般和偏差3類，表示相同圍巖級(jí)別下圍巖質(zhì)量的相對(duì)好壞。

使用SPSS 軟件分析各影響因素與碳排放的相關(guān)性，結(jié)果如表6所示。與碳排放存在顯著性相關(guān)的因素包括開挖方法、開挖面積、圍巖級(jí)別、埋深、投入材料總質(zhì)量。其中，材料總質(zhì)量的相關(guān)系數(shù)最高，超過了0.9； 第2高的是開挖面積，相關(guān)系數(shù)為0.833。各組的差值統(tǒng)計(jì)見表7，深埋隧道的碳排放均值小于淺埋隧道。分部開挖法的碳排放均值最高，臺(tái)階法次之，全斷面法最低。

表5 隧道碳排放潛在影響因素與分類

表6 潛在影響因素與碳排放相關(guān)分析

表7 不同圍巖級(jí)別、埋深和開挖方法下隧道施工碳排放均值

3.3 碳排放預(yù)測(cè)模型

通過線性回歸分析碳排放與各變量之間的相互依賴性。在回歸方程存在多個(gè)自變量的情況下，SPSS軟件提供t檢驗(yàn)幫助識(shí)別一些對(duì)碳排放影響微小的自變量。此外，使用修正判定系數(shù)、調(diào)整R方、多重共線性和殘差序列相關(guān)等因素評(píng)估回歸模型的有效性，得到2組碳排放預(yù)測(cè)方程，如表8所示。值得說明的是，表8中隧道施工碳排放的預(yù)測(cè)公式僅適用于中國(guó)西南地區(qū)[11]。研究者可根據(jù)特定地區(qū)的碳排放水平，建立符合區(qū)域特性的碳排放預(yù)測(cè)公式。

表8 隧道關(guān)鍵施工工序碳排放預(yù)測(cè)公式

4 隧道碳排放計(jì)算體系發(fā)展展望

我國(guó)隧道行業(yè)能源資源計(jì)量工作存在不足，尚未形成與國(guó)際接軌的能源資源計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，用能單位缺乏切實(shí)可行的能源計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，使得隧道行業(yè)碳排放計(jì)算缺乏準(zhǔn)確的一手?jǐn)?shù)據(jù)，碳排放計(jì)算數(shù)據(jù)缺少時(shí)效性和可靠性。隧道建材和能源擁有不同供應(yīng)商，而不同機(jī)構(gòu)間的碳排放數(shù)據(jù)不可流通溯源，使得隧道節(jié)能減排的生命周期設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)。

4.1 隧道建設(shè)能源資源計(jì)量

能源資源計(jì)量是指在能源資源消費(fèi)和轉(zhuǎn)化過程中，對(duì)處于各環(huán)節(jié)能源資源的數(shù)量、質(zhì)量、性能等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算[21]。能源資源計(jì)量將為碳排放計(jì)算提供準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定建材生產(chǎn)單位、運(yùn)輸單位和施工單位節(jié)能管理的標(biāo)準(zhǔn)，為不同產(chǎn)品或技術(shù)減排效果評(píng)估提供量化依據(jù)?！队?jì)量發(fā)展規(guī)劃(2013—2020年)》提出構(gòu)建重點(diǎn)領(lǐng)域的長(zhǎng)效監(jiān)管體制，明確要求推動(dòng)重點(diǎn)耗能領(lǐng)域計(jì)量平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量數(shù)據(jù)的在線采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，建立健全能源資源計(jì)量監(jiān)管。

無論是基于以往工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)還是預(yù)算定額，當(dāng)前隧道碳排放計(jì)算數(shù)據(jù)的可靠性和完整性難以得到保證。隧道行業(yè)的節(jié)能減排需要充分發(fā)揮計(jì)量監(jiān)測(cè)在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和能源利用等方面的作用，通過配備智能化的電、氣、燃?xì)夂凸嵊?jì)量器具，獲得主要生產(chǎn)工藝過程中的能源消耗，對(duì)重點(diǎn)耗能設(shè)備進(jìn)行有效測(cè)試，為耗能工序的技術(shù)升級(jí)、節(jié)能管理評(píng)估提供科學(xué)支撐。

4.2 區(qū)塊鏈與碳排放溯源

隧道碳排放擁有眾多參與者，產(chǎn)品的加工、運(yùn)輸、使用、回收經(jīng)由不同的企業(yè)處理。在當(dāng)前碳排放計(jì)算模式下，產(chǎn)品或能源的排放數(shù)據(jù)并不能在各個(gè)單位間流動(dòng)，每個(gè)階段的材料投入數(shù)據(jù)和排放數(shù)據(jù)并沒有進(jìn)入計(jì)算體系，給隧道碳排放計(jì)算增加了巨大成本和不確定性。國(guó)內(nèi)用能單位之間的能源資源信息共享程度較低，用能單位不能與管理部門有效分享各個(gè)環(huán)節(jié)的用能數(shù)據(jù)，增加了能源資源計(jì)量管理的難度和風(fēng)險(xiǎn)。

在萬物互聯(lián)時(shí)代，區(qū)塊鏈技術(shù)為數(shù)據(jù)追溯提供了可能，該技術(shù)有望重新塑造隧道碳排放計(jì)算體系的架構(gòu)。使用區(qū)塊鏈進(jìn)行可信任的交易，查詢產(chǎn)品或能源的生產(chǎn)排放、加工處理、運(yùn)輸距離、使用壽命和回收利用等信息只用幾秒鐘[22]。與傳統(tǒng)單純記錄數(shù)據(jù)系統(tǒng)不同，區(qū)塊鏈的特性和授權(quán)數(shù)據(jù)能夠讓計(jì)算體系中的用戶獲得真實(shí)、不可篡改的排放信息，幫助產(chǎn)品和能源的排放數(shù)據(jù)在生命周期內(nèi)可溯源。在區(qū)塊鏈技術(shù)的加持下，任何產(chǎn)品使用者可查詢建材的產(chǎn)地、品牌、生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)和加工過程的排放信息，而監(jiān)管單位也可查詢產(chǎn)品的運(yùn)輸距離、建材的實(shí)時(shí)消耗量、現(xiàn)場(chǎng)施工單位信息、施工單位機(jī)械碳排放水平數(shù)據(jù)和第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)等。

隧道碳排放計(jì)算將在區(qū)塊鏈技術(shù)的支持下，以隧道所有者為主體，鏈接建材和能源的生產(chǎn)者、運(yùn)輸者、加工者、使用者和回收者，打造隧道建設(shè)的碳排放和能耗數(shù)據(jù)鏈條，建立隧道碳排放數(shù)據(jù)的采集、加工、儲(chǔ)存、傳輸、監(jiān)測(cè)和應(yīng)用的工業(yè)生態(tài)聯(lián)盟，為隧道碳排放和上游產(chǎn)品與能源的計(jì)算打造可信場(chǎng)景，提升減排效益和發(fā)展質(zhì)量。

5 結(jié)論與討論

本文基于碳排放計(jì)算邊界、清單數(shù)據(jù)和計(jì)算方法建立了隧道碳排放計(jì)算體系，進(jìn)而明確隧道施工碳排放水平，探明隧道施工關(guān)鍵工序的碳排放影響因素，建立隧道施工碳排放預(yù)測(cè)模型； 提出建立隧道能源資源計(jì)量體系獲取可靠的碳排放清單數(shù)據(jù)，通過區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)能耗和碳排放數(shù)據(jù)溯源，推動(dòng)隧道行業(yè)節(jié)能減排的深入開展。

當(dāng)前碳排放計(jì)算方法論仍在不斷發(fā)展中，筆者認(rèn)為隧道碳排放計(jì)算仍然存在計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、系統(tǒng)邊界不一致、排放因子不健全、清單數(shù)據(jù)難獲取等問題，需要相關(guān)學(xué)者共同努力，建立隧道施工碳排放的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，形成碳排放計(jì)算的共同基礎(chǔ)。此外，當(dāng)前隧道碳排放研究更多停留在計(jì)算層面，缺乏對(duì)碳排放影響機(jī)制的探索。在后續(xù)研究中應(yīng)充分考慮隧道施工中的廢物處理和材料回收利用。從圍巖條件出發(fā)，應(yīng)減少隧道施工中的建材和能源投入，建立健全隧道低碳施工管理措施，將隧道減排工作落到實(shí)處。