薛 志 佳，李 良 辰，晏 長 根*，蔣 超，王 雅 馨，熊 琦，羅 江

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.甘肅路橋公路投資有限公司,甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

近年來，我國公路工程建設(shè)有了長足的發(fā)展．截至2020年底，全國公路總里程達到501.25×104km，較上年增加16.60×104km．公路工程建設(shè)推動了經(jīng)濟發(fā)展，便利了人們的生活．但是，公路工程建設(shè)過程中會造成能源的消耗，并產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，對環(huán)境產(chǎn)生一定影響[1]．2020年12月25日，國家生態(tài)環(huán)境部審議通過《碳排放權(quán)交易管理辦法(試行)》[2]，促進綠色低碳發(fā)展，推動溫室氣體減排，規(guī)范全國碳排放權(quán)交易．由此可見，正確評估公路工程建設(shè)所產(chǎn)生的能耗和碳排放符合我國環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，對規(guī)范碳排放權(quán)具有重要意義．

國內(nèi)外學(xué)者針對碳排放評估展開了相應(yīng)的研究，IPCC(聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會)在《2006 IPCC國家溫室氣體清單指南》[3]中提供了較為完善的碳排放計算方法；沈鐳等[4]對水泥生產(chǎn)過程碳排放因子測算與評估進行研究，提出了較為準(zhǔn)確的水泥生產(chǎn)碳排放因子；Hammond等[5-6]提出了能耗與碳排放清單；Shillaber等[7-8]以路易斯安那州堤防建設(shè)為例，評估深層土體混合、預(yù)制垂直排水、樁支撐的鋼筋混凝土T墻3種方法的能耗和碳排放；郭春等[9]通過研究隧道建設(shè)碳排放計算方法，給出碳排放計算的預(yù)測模型；李壽偉[10]分析了瀝青路面施工能耗與碳排放的重要環(huán)節(jié)和影響因素，建立了瀝青路面施工能耗與碳排放標(biāo)準(zhǔn)；O′Born等[11]通過能耗和碳排放評估模型，對挪威當(dāng)?shù)氐缆饭こ淌┕し桨傅奶寂欧胚M行了案例研究；Cooling等[12]采用深層土壤混合法對路堤進行加固并量化其能耗和碳排放；彭波等[13]針對我國多條在建公路開展碳排放檢測，建立能耗和碳排放計算公式；Zhang等[14]基于道路交通碳排放的測量方法，總結(jié)了影響道路交通碳排放的主要因素，并進行減排研究；Jiang等[15]對西澳大利亞州的公路網(wǎng)使用生命周期評估方法，量化了公路工程使用、維護和修復(fù)階段的碳排放．

目前關(guān)于碳排放的定量評估方法包括歐洲基礎(chǔ)承包商聯(lián)合會-深基礎(chǔ)研究所的巖土碳計算器(EFFC-DFI)及簡化能耗和碳排放評估模型(SEEAM)等[16]．定量評估方法主要針對可持續(xù)性進行單一考慮，例如：生命周期成本、能源消耗和二氧化碳排放等．雖然這些方法本身并不能提供有關(guān)項目可持續(xù)性的完整信息，但它們非常適合直接說明不同方案導(dǎo)致的特定影響(如二氧化碳排放)的增加或減少．

甘肅省安臨公路濕軟黃土路基擬采用水泥攪拌樁、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁以及EPS輕質(zhì)路堤3種施工方案．因此，有必要從能耗和碳排放角度針對以上路基施工方案展開評估分析．考慮材料生產(chǎn)、運輸機械、施工機械的能耗及碳排放[7]，量化初始能源、運營能源、循環(huán)能源和拆除能源4個類別的消耗量[17]．本文采用簡化能耗和碳排放評估模型(SEEAM)，它具有模型簡單、計算簡便的優(yōu)點[7-8]．將著重分析能耗和碳排放等影響因素，量化評估安臨公路水泥攪拌樁、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁、EPS輕質(zhì)路堤3種路基施工方案產(chǎn)生的能耗及碳排放，并為安臨公路濕軟黃土路基施工方案選擇提供相應(yīng)建議．

1 能耗與碳排放計算方法

當(dāng)前主要的材料生產(chǎn)方法來源于不可再生資源的開采、燃料燃燒和排放，會對環(huán)境造成不利影響．因為所有路基施工過程都消耗能源，所以在短期內(nèi)最大限度地減少能源使用和二氧化碳排放是減少不可再生資源消耗和推進可持續(xù)發(fā)展的有效方法．因此，將能耗和碳排放作為主控參量進行計算[8]．基于全過程的生命周期分析(LCA)確定所有環(huán)境影響比較復(fù)雜，因此通過簡化的LCA來確定整個濕軟黃土路基施工生命周期中能源消耗的影響．通過將分析限定于特定的影響因素(能耗或碳排放)來簡化分析，便于模型計算．

在進行能耗和碳排放計算時，首先，應(yīng)確定能耗和碳排放計算邊界條件；其次，調(diào)研國內(nèi)外的清單數(shù)據(jù)、規(guī)范定額，確定能耗系數(shù)和碳排放因子，計算各分項消耗量；最后，將各部分疊加得到總的能耗和碳排放．

值得注意的是，與能耗和二氧化碳活動的全生命周期相比，使用碳排放因子來簡化模型計算，使SEEAM分析增加了一定程度的不確定性．這種不確定性主要是因為碳排放因子代表了材料生產(chǎn)、運輸、現(xiàn)場作業(yè)等行業(yè)的平均能耗和二氧化碳排放．因此，合理地選取碳排放因子對計算結(jié)果十分重要．

1.1 確定邊界條件

現(xiàn)場施工和工程材料使用會產(chǎn)生相應(yīng)的建筑垃圾，但是本文用于濕軟黃土路基施工的水泥攪拌樁，在施工時將水泥、砂等材料拌合土用打樁機械鉆進成樁，產(chǎn)生的廢料可忽略不計．因此，不考慮廢料的產(chǎn)生與運輸．當(dāng)建成公路滿足技術(shù)性能要求時，短期內(nèi)將不需要額外的維護或改善．因此，僅考慮施工完成之前的能耗和碳排放．

不考慮施工過程中所采用的設(shè)備和車輛制造所產(chǎn)生的能耗和碳排放．假設(shè)水泥攪拌樁處理濕軟黃土路基施工所需的機械設(shè)備(打樁機、平地機、拌合機、壓路機、重型卡車)的總質(zhì)量為500 t，這些設(shè)備全部由鋼材制成，則制造500 t設(shè)備會產(chǎn)生1 150.5 t二氧化碳，假設(shè)設(shè)備在生命周期內(nèi)完成20個項目，則每個項目產(chǎn)生的碳排放為57.525 t，約占總碳排放的0.15%，因此，不考慮設(shè)備和車輛制造產(chǎn)生的能耗和碳排放．

根據(jù)Inui等[18]的研究，濕軟黃土路基生命周期能源使用有以下幾個階段：原材料的提取、材料的加工制造、運輸、現(xiàn)場作業(yè)．這些階段可以應(yīng)用于黃土路基工程的簡化LCA分析．Cole等[17]通過研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)路基和基礎(chǔ)類型工程的生命周期都不包括運營和維護、拆除以及廢物的處理，并證實了其可行性．因此，濕軟黃土路基的能耗和碳排放采用SEEAM評估是合理的．考慮到濕軟黃土路基運營和維護、拆除以及廢物處理的能源消耗很少，在計算時不考慮這部分的能源消耗，意味著生命周期能源消耗主要歸因于材料生產(chǎn)、運輸以及現(xiàn)場作業(yè)．

綜上所述，本文主要考慮材料生產(chǎn)及運輸進場、現(xiàn)場作業(yè)的能耗和碳排放等．其流程如圖1所示．

1.2 能耗計算

Shillaber等[8]提出SEEAM分析包括路基工程施工的4個主要階段：材料生產(chǎn)、運輸?shù)浆F(xiàn)場、現(xiàn)場作業(yè)、場外廢物運輸．這4個階段涉及3種類型的計算：材料生產(chǎn)、運輸、現(xiàn)場運營(與燃料相關(guān)的能耗和碳排放)，且這3種類型的計算相互獨立，不考慮溫度等外界環(huán)境因素的影響．

將每種材料消耗的數(shù)量乘以施工中涉及的n種材料的能耗系數(shù)，疊加得到輸入材料的總能耗Em[18-21]：

圖1 能耗及碳排放流程圖Fig.1 Flow chart of energy consumption and carbon emissions

式中：Q為每種材料消耗的數(shù)量；em為單位材料生產(chǎn)中的能耗系數(shù)．

材料的進場運輸，本例主要采用重型卡車運輸，主要考慮卡車運輸所消耗的燃料，疊加得到運輸?shù)目偰芎腅t：

式中：D為材料從供應(yīng)地到現(xiàn)場的運輸距離；F為燃油經(jīng)濟性，重型卡車的平均燃油經(jīng)濟性數(shù)據(jù)參考文獻[22]；N為運輸單程數(shù)量；m為重型卡車數(shù)量；et為運輸車輛的能耗系數(shù)．

現(xiàn)場作業(yè)主要包括水泥攪拌樁、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的施工，本例主要考慮PH-5D型打樁機、柴油錘打樁機的燃油消耗Es：

式中：P為發(fā)動機最大額定功率；L為發(fā)動機負載系數(shù)；B為有效燃油消耗率，柴油和汽油發(fā)動機一般推薦值分別為0.275 L/(kW·h)和0.445 L/(kW·h)[23]；f為施工機械數(shù)量；T為機械在現(xiàn)場的總運行時間；es為施工機械的能耗系數(shù)．

濕軟黃土路基施工總的能耗E由材料生產(chǎn)、運輸和現(xiàn)場作業(yè)3部分組成：

E=Em+Et+Es

1.3 碳排放計算

本文評估水泥攪拌樁、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁、EPS輕質(zhì)路堤3種濕軟黃土路基施工方案的能耗和碳排放，材料生產(chǎn)和運輸、施工機械產(chǎn)生的碳排放計算公式如下[9]．

材料生產(chǎn)的碳排放Cm根據(jù)Inui等[18]提出的計算方法，將每種材料的碳排放因子乘消耗量并相加：

其中cm,i為材料i的碳排放因子．

運輸產(chǎn)生的碳排放Ct根據(jù)Soga等[21]提出的計算方法，并考慮車輛型號、運輸距離、運輸行程數(shù)以及燃油經(jīng)濟性等指標(biāo)：

式中：ct,j為車輛j所用燃料的碳排放因子；vt,j為車輛j單位時間的燃油消耗；tt,j為車輛j的工作時間．

現(xiàn)場作業(yè)產(chǎn)生的碳排放Cs根據(jù)Shillaber等[23]提出的計算方法，考慮施工機械型號、輸出功率、單位時間燃油消耗量以及運行時間等指標(biāo)：

式中：cs,k為機械k所用燃料的碳排放因子；vs,k為機械k單位時間的燃油消耗；ts,k為機械k的工作時間．

總碳排放為

C=Cm+Ct+Cs

2 公路建設(shè)碳排放計算案例

2.1 工程背景

安臨公路途經(jīng)濕軟飽和黃土路段，該段路線整體工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，為封閉洼地，排水條件差，地下水位高，濕軟飽和黃土分布廣，厚度大、含水量高，多呈軟塑，承載力低、壓縮性高，力學(xué)性質(zhì)差，具有路基填筑后面臨工后過量沉降、橫向高填路堤穩(wěn)定性不足以及不均勻沉降等主要工程地質(zhì)問題，需要對該段濕軟黃土路基加固處理以滿足設(shè)計要求．

2.2 實例計算

2.2.1 水泥攪拌樁施工 水泥攪拌樁具有適用范圍廣、加固深度大以及施工時間短等優(yōu)點，是處理軟弱地基非常有效的方法．施工時，應(yīng)先清除表土，然后進行水泥攪拌樁施工．除土完成后進行場地的平整工作，然后確定水泥攪拌樁的準(zhǔn)確位置；調(diào)試鉆機并對準(zhǔn)樁位；制作漿液并嚴格控制水灰比；最后噴漿鉆進并提升攪拌達到設(shè)計標(biāo)高以上30 cm，重復(fù)上述過程進行下根樁的施工．水泥攪拌樁加固的地基，其承載力應(yīng)達到250 kPa以上，樁施工完成后應(yīng)進行樁身質(zhì)量及承載力檢驗，檢驗合格后，在其上鋪設(shè)30 cm厚砂礫墊層，砂礫墊層頂部再鋪設(shè)30 cm厚5%灰土墊層，然后再回填素土，用壓路機壓實平整．水泥攪拌樁處理濕軟黃土路基的橫斷面布置如圖2所示．

圖2 水泥攪拌樁布置Fig.2 Layout of cement mixing piles

(1)能耗計算

方案設(shè)計中擬采用41 700余根孔口半徑0.25 m的水泥攪拌樁，根據(jù)現(xiàn)場濕軟黃土厚度，采用設(shè)計長度15 m的樁進行加固，樁間距1.5 m，采用正三角形布置，漿液的水灰比嚴格控制為0.55．鋪設(shè)砂礫墊層和灰土墊層的材料來自較近的沙場及取土場，通過重型卡車運輸?shù)浆F(xiàn)場．由于水泥攪拌樁施工最大限度地利用了原狀土，通過打樁機械將水泥漿液與濕軟飽和黃土拌和成樁而不需要外加砂石等材料，因此僅消耗2 322 t砂以及1 863 t土來鋪設(shè)墊層．

打樁機、壓路機等的燃油消耗，水泥、砂等材料進場運輸?shù)娜加拖膮⒖肌豆饭こ虣C械臺班費用定額》[24]．燃油消耗量統(tǒng)計見表1．

(2)碳排放計算

碳排放計算按照先前介紹的計算方法，通過排放系數(shù)法計算材料生產(chǎn)、運輸和現(xiàn)場作業(yè)的碳排放，材料的消耗量、運輸和施工機械的燃油消耗量來自于現(xiàn)場的數(shù)據(jù)以及《公路工程預(yù)算定額》[25]等，各種材料的碳排放因子來自《2006 IPCC國家溫室氣體清單指南》等數(shù)據(jù)庫以及國內(nèi)相關(guān)文獻[26-27]．其中水泥的碳排放因子參考文獻[4]，砂的碳排放因子參考文獻[28]，碳排放數(shù)據(jù)見表2．

表1 水泥攪拌樁施工燃油消耗量統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of fuel consumption for cement mixing pile construction

表2 水泥攪拌樁施工碳排放數(shù)據(jù)Tab.2 Carbon emission data of cement mixing pile construction

圖3給出了水泥攪拌樁處理濕軟黃土路基中各類材料與能源的碳排放占比，其中水泥占總碳排放的96.76%，柴油占比為3.02%．砂土及水等材料對水泥攪拌樁施工碳排放的影響較小，僅占比0.22%．因此，在保證施工質(zhì)量前提下，減少水泥攪拌樁施工的水泥用量是減少碳排放的有效方法．

圖3 水泥攪拌樁施工各類材料與能源的碳排放占比Fig.3 Percentage of carbon emissions from various materials and energy in cement mixing pile construction

2.2.2 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在工廠制作完成，運輸?shù)浆F(xiàn)場堆放在沉樁位置附近；之后進行現(xiàn)場“三通一平”，試樁并選擇合理的施工方法和吊裝機具；準(zhǔn)備就緒后，安裝打樁設(shè)備，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁提升就位后進行打樁作業(yè)．待打樁完成后，需檢驗樁的完整性和成樁質(zhì)量．樁施工完成后，樁頭高出地面的部分應(yīng)小心保護，嚴禁施工機械碰撞或?qū)额^作為拉錨點，送樁遺留的孔洞應(yīng)立即回填或做好覆蓋．截樁頭宜采用鋸樁器截割，嚴禁采用大錘橫向敲擊截樁或強行扳位截樁．完成后設(shè)置土工格柵以增強路基穩(wěn)定性，然后在上部鋪設(shè)砂礫墊層，壓實平整完成施工．預(yù)應(yīng)力混凝土管樁處理濕軟黃土路基的橫斷面布置如圖4所示．

圖4 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁布置Fig.4 Layout of prestressed concrete pipe piles

(1)能耗計算

安臨公路濕軟黃土路基地段如采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁進行處理，需要27 100余根樁，采用先張法設(shè)計的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁外徑為40 cm，壁厚為95 mm，按樁間距2 m梅花形布置，樁帽采用C30混凝土并與管樁連接，樁尖采用Q235鋼做成錐形，樁制作完成后上部鋪設(shè)50 cm天然砂礫，砂礫取自就近的砂廠，通過重型卡車運輸?shù)浆F(xiàn)場．使用土工格柵增強路基承載能力，減小沉降，上部再鋪設(shè)一層高密度聚乙烯復(fù)合土工膜．將消耗151 026 t C30混凝土，6 772.32 t鋼材，67.56 t高密度聚乙烯材料．預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在陜西西安的工廠生產(chǎn)，由重型卡車運輸至甘肅安臨公路現(xiàn)場，其他材料從就近的產(chǎn)地運輸至現(xiàn)場．運輸及機械設(shè)備的燃油消耗量統(tǒng)計見表3．

(2)碳排放計算

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的碳排放同樣考慮材料生產(chǎn)、運輸和現(xiàn)場作業(yè)3個部分．其中鋼材的碳排放因子參考文獻[29]，高密度聚乙烯的碳排放因子參考文獻[30]，其余材料的碳排放因子選取同前．碳排放數(shù)據(jù)見表4．

表3 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工燃油消耗量統(tǒng)計表Tab.3 Statistical table of fuel consumption for prestressed concrete pipe pile construction

表4 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工碳排放數(shù)據(jù)Tab.4 Carbon emission data of prestressed concrete pipe pile construction

圖5給出了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁處理濕軟黃土路基中各類材料與能源的碳排放占比，其中水泥占預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工總碳排放的50.33%，鋼材占比38.54%，柴油占比9.29%．砂土、高密度聚乙烯、水等材料的碳排放占比較小，對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工的影響微弱．預(yù)應(yīng)力混凝土管樁從工廠運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場距離較遠，需要安排較多的機械臺班完成運輸，對柴油的消耗量較大，在方案優(yōu)化時，可以考慮就近的材料供應(yīng)廠家．

2.2.3 EPS輕質(zhì)路堤施工 安臨公路濕軟黃土路基地基承載力很低，為大幅減輕路堤重量，減小路基的不均勻沉降，采用土工泡沫塑料(EPS)進行填筑也是一種有效的處理方法．在施工時，首先進行場地的平整、壓實，然后自下而上回填100 cm 厚素土、10 cm厚水泥穩(wěn)定碎石、10 cm厚砂礫墊層；壓實完成后進行EPS包邊土施工且包邊土的水平寬度不應(yīng)小于1 m；然后于每層包邊土橫向設(shè)置一道塑料盲材，縱向做通長塑料盲材，確保將橫向排水通道連通，盲材外包一層無紡?fù)杆凉げ?，以防堵塞；接著現(xiàn)澆10 cm厚鋼筋混凝土板，在其上鋪設(shè)EPS輕質(zhì)塑料泡沫板，塊體之間采用雙面爪形聯(lián)結(jié)件聯(lián)結(jié)牢固；鋪筑完成后在最頂面現(xiàn)澆15 cm厚鋼筋混凝土板并向填土部分延伸2 m，調(diào)整塊體鋪設(shè)的平整度，使EPS塊體形成一個良好的整體[31]．EPS輕質(zhì)路堤橫斷面如圖6所示．

圖5 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工各類材料與能源的碳排放占比Fig.5 Percentage of carbon emissions from various materials and energy in prestressed concrete pipe pile construction

圖6 EPS輕質(zhì)路堤橫斷面圖Fig.6 Cross-sectional view of EPS lightweight embankment

(1)能耗計算

安臨公路濕軟黃土路基長1 815 m，如全部采用EPS輕質(zhì)路堤處理，需要在原地面線往上依次采用100 cm厚素土，回填消耗素土10 219.2 t，其上鋪設(shè)10 cm水泥穩(wěn)定碎石2 452.6 t，然后鋪設(shè)10 cm厚砂礫墊層1 645.3 t；澆筑15 cm厚C30鋼筋混凝土板，其上采用600 cm×120 cm×63 cm規(guī)格的EPS塊體填充，消耗2 722塊土工泡沫塑料，在EPS泡沫板頂部再現(xiàn)澆一層C30鋼筋混凝土板，共需5 709 t混凝土以及10 648 t鋼材；此外，還需鋪設(shè)320 t包邊土等．相關(guān)燃油的消耗量統(tǒng)計見表5．

表5 EPS輕質(zhì)路堤施工燃油消耗量統(tǒng)計表Tab.5 Statistical table of fuel consumption for EPS lightweight embankment construction

(2)碳排放計算

聚苯乙烯的碳排放因子參考文獻[6]，其他材料碳排放因子的選取同前，碳排放數(shù)據(jù)見表6．

表6 EPS輕質(zhì)路堤施工碳排放數(shù)據(jù)Tab.6 Carbon emission data of EPS lightweight embankment construction

圖7給出了EPS輕質(zhì)路堤施工各類材料與能源的碳排放占比，其中鋼材的碳排放占比最大，達到85.25%，柴油占比7.22%，水泥和高密度聚乙烯占比分別為2.72%、2.69%，砂土、聚苯乙烯等材料的碳排放占比不大．EPS輕質(zhì)泡沫塑料板質(zhì)量輕，但是體積較大，在運輸時要考慮運輸機械的容積，因此需要較多的機械臺班來運輸EPS板，消耗的柴油量較大．

圖7 EPS輕質(zhì)路堤施工各類材料與能源的碳排放占比Fig.7 Percentage of carbon emissions from various materials and energy in EPS lightweight embankment construction

3 結(jié) 論

(1)水泥攪拌樁處理甘肅省安臨公路濕軟黃土路基的機械化程度高，對復(fù)雜的工程地質(zhì)情況適用性好，并且能夠最大限度地利用原狀土的力學(xué)性能．采用水泥攪拌樁處理該段濕軟黃土路基共排放37 029.13 t二氧化碳，且水泥、砂等原材料可就近選取，極大地便利了施工．

(2)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁處理該段濕軟黃土路基具有單樁承載力高的優(yōu)點，但管樁從陜西西安工廠制作，完成后運輸?shù)浆F(xiàn)場，對運輸及堆放要求極高，且消耗大量燃油．預(yù)應(yīng)力混凝土管樁方法共排放40 428.95 t二氧化碳，排放量在3種方法中最高．

(3)EPS輕質(zhì)路堤采用輕質(zhì)土工泡沫塑料填充，施工簡便快捷．該方法共排放28 740.80 t二氧化碳，排放量在3種方法中最少，但EPS塊材體積大，增加了運輸往返次數(shù)．此外，EPS在長期荷載作用下的性能研究較為缺乏，需要豐富的理論研究和先進的施工技術(shù)來指導(dǎo)實踐．