龔 靜

(重慶高速公路集團(tuán)有限公司，重慶 401120)

0 引言

2020年，我國(guó)提出2030年前達(dá)到CO2排放峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。當(dāng)前交通運(yùn)輸CO2排放量約占中國(guó)CO2總排放量的10%，是社會(huì)CO2控制的關(guān)鍵領(lǐng)域之一[1]，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的主要著力點(diǎn)。公路交通是交通領(lǐng)域的主要碳排放來(lái)源，近十年我國(guó)公路交通碳排放增速在5%以上，是交通運(yùn)輸領(lǐng)域節(jié)能減排的重點(diǎn)。研究表明，隧道建設(shè)期間消耗的能源、材料高于其他公路交通設(shè)施，施工期間排放的溫室氣體強(qiáng)度更大[2]。大量的隧道建設(shè)刺激了我國(guó)交通、經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時(shí)也增加了大量材料、能源消耗，產(chǎn)生了大量溫室氣體。因此，為實(shí)現(xiàn)公路乃至交通行業(yè)的碳達(dá)峰、碳中和，作為公路交通“咽喉”的隧道應(yīng)首當(dāng)其沖，其低碳化水平直接決定著公路交通的綠色程度。

近年來(lái)，學(xué)者們針對(duì)公路隧道溫室氣體排放進(jìn)行了相關(guān)研究。陳靈均[2]基于全生命周期視角，分析了隧道施工各個(gè)階段碳排放來(lái)源，探究了隧道建設(shè)碳排放機(jī)理。黃旭輝[3]采用LCA理論對(duì)盾構(gòu)隧道施工設(shè)備溫室氣體排放進(jìn)行了估算。郭春等[4]總結(jié)了目前隧道施工建設(shè)碳排放計(jì)算方法，并使用統(tǒng)計(jì)分析方法探明了碳排放關(guān)鍵影響因素。這些研究主要基于全壽命周期的綜合分析，著眼于公路隧道建設(shè)階段的碳排放情況尚不清楚，且缺乏具有針對(duì)性的公路隧道碳排放預(yù)測(cè)模型。本文基于碳排放因子法建立了碳排放模型，結(jié)合實(shí)際案例分析了公路隧道建設(shè)期間碳排放情況，厘清碳排放主要貢獻(xiàn)者；并運(yùn)用eviews軟件建立了碳排放預(yù)測(cè)模型，為實(shí)際隧道建設(shè)減碳減排工作提供參考。

1 隧道建設(shè)碳排放邊界與計(jì)量模型

1.1 系統(tǒng)邊界

1.1.1 研究范圍

公路隧道建設(shè)期施工工序一般包括超前支護(hù)、隧道開挖、圍巖支護(hù)、二次襯砌、路面工程、裝飾工程、通風(fēng)與照明等工序環(huán)節(jié)，各施工工序均有材料與能源的投入。為使研究結(jié)果更加準(zhǔn)確合理，本文研究范圍包括整個(gè)公路隧道建設(shè)階段全部工序。

1.1.2 碳排放邊界

IPCC國(guó)家溫室氣體指南主要認(rèn)定的溫室氣體包括二氧化碳(CO2)、氧化亞氮(N2O)、甲烷(CH4)、六氟化硫(SF6)，本文基于IPCC溫室氣體的定義，主要研究廣義的溫室氣體排放，并將這些溫室氣體根據(jù)其溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量。

1.1.3 功能單位

由于不同隧道之間長(zhǎng)度差異顯著，為了能更好的反映公路隧道建設(shè)期間能耗情況與碳排放量，本文取1 m公路隧道作為1個(gè)基本單元，產(chǎn)生的碳排放量形式為公路隧道建設(shè)期內(nèi)每1 m CO2排放量，具體排放表示為t/m。

1.2 碳排放計(jì)量模型

本文參考全壽命周期理論，根據(jù)隧道建設(shè)期間碳排放產(chǎn)生方式，將隧道建設(shè)期碳排放分為材料物化、車輛運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)施工3個(gè)階段。

1)材料物化階段：公路隧道施工所需各類原材料在采掘、加工等生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放，包含水泥、炸藥、鋼材、鐵件、砂石等。

2)車輛運(yùn)輸階段：包含原材料從生產(chǎn)地到施工現(xiàn)場(chǎng)以及施工過(guò)程中使用的移動(dòng)車輛消耗能源所產(chǎn)生的碳排放，包含卡車、自卸汽車、裝載機(jī)等。

3)現(xiàn)場(chǎng)施工階段：隧道建設(shè)過(guò)程中各項(xiàng)施工機(jī)械與人員活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)施工所產(chǎn)生的碳排放，包含挖掘機(jī)、鑿巖車、混凝土噴射機(jī)、通風(fēng)機(jī)等。

在明確隧道碳排放產(chǎn)生來(lái)源基礎(chǔ)上根據(jù)《公路工程預(yù)算定額》《全國(guó)統(tǒng)一機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額》獲得隧道工程、材料采集加工和運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中的材料消耗和機(jī)械臺(tái)班數(shù)據(jù)。結(jié)合碳排放因子法，將每消耗單位質(zhì)量或體積的材料與能源乘以對(duì)應(yīng)的碳排放因子系數(shù)，便可得到對(duì)應(yīng)的碳排放量，由于人員生理活動(dòng)產(chǎn)生碳排放數(shù)量極少，在此忽略不計(jì)。以此原理得到公路隧道建設(shè)材料物化階段、車輛運(yùn)輸階段、現(xiàn)場(chǎng)施工階段CO2排放量模型如下。

C1=∑(Ai×Bi)

C2=∑(Dj×Ej×Fj)

C3=∑(Dk×Ek×Fk)

C4=C1+C2+C3

模型中：C1為材料物化階段碳排放量，i為材料類別，Ai為i類材料消耗量，Bi為i類材料對(duì)應(yīng)的碳排放因子;C2為車輛運(yùn)輸階段碳排放量，j為車輛種類，Dj為j類車輛單位時(shí)間能源消耗，Ej為能源對(duì)應(yīng)的碳排放因子，F(xiàn)j為運(yùn)輸時(shí)間;C3為現(xiàn)場(chǎng)施工階段碳排放量，k為機(jī)械種類，Dk為k類機(jī)械單位時(shí)間能源消耗，Ek為能源對(duì)應(yīng)的碳排放因子，F(xiàn)k為工作時(shí)間;C4為碳排放總量。

2 隧道建設(shè)案例碳排放計(jì)算分析

2.1 公路隧道建設(shè)碳排放案例計(jì)算

在此以重慶DBS隧道為例，該隧道為雙向行駛雙洞四車道高速公路特長(zhǎng)隧道，總長(zhǎng)13 574 m，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h。

根據(jù)項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)及工程量清單等資料，得到隧道各能源、材料消耗量(見表1)，將其帶入1.2碳排放模型，得到該隧道建設(shè)碳排放(見表2)。碳排放因子來(lái)源于IPCC及其他文獻(xiàn)。

表1 DBS隧道建設(shè)階段各工序及其能源、材料消耗表

表2 DBS隧道1 m功能單位材料、能源碳排放清單

經(jīng)過(guò)計(jì)算，該隧道建設(shè)期間碳排放量為26.341 t/m，其中材料物化階段占比最大，碳排放占比82.1%，車輛運(yùn)輸階段最少為4.1%，現(xiàn)場(chǎng)施工階段為13.8%。

2.2 結(jié)果分析

1)機(jī)械施工階段碳排放占比為13.8%，可通過(guò)機(jī)械配置優(yōu)化一定程度減少碳排放，但效果未必顯著。材料物化階段為隧道建設(shè)期間碳排放主要來(lái)源，超過(guò)85%碳排放未在施工現(xiàn)場(chǎng)直接產(chǎn)生，因此，想要減少公路隧道建設(shè)期間碳排放，應(yīng)整頓施工上游產(chǎn)業(yè)鏈，從源頭出發(fā)，在各類材料、能源生產(chǎn)地作采取減碳減排措施。

2)根據(jù)隧道建設(shè)期間各個(gè)工序碳排放情況，路面工程、圍巖支護(hù)、二次襯砌為碳排放重點(diǎn)工序，合計(jì)占比超過(guò)70%，其中路面工程最高為26.11%，圍巖支護(hù)與二次襯砌碳排放占比分別為22.78%、25.93%，其余工序均超過(guò)10%。因此，想實(shí)現(xiàn)公路隧道建設(shè)期間的減碳工作，應(yīng)把重心放在該3個(gè)工序，從路面施工與支護(hù)施工尋找減碳潛力空間，從而較大程度實(shí)現(xiàn)隧道碳減排。

3 高速公路建設(shè)碳排放預(yù)測(cè)模型

為方便從業(yè)者快速估算公路隧道建設(shè)期間碳排放量，本文通過(guò)調(diào)查研究，收集了大量案例，選擇了西部地區(qū)27條公路隧道作為研究對(duì)象，隧道主要分布于重慶、四川、陜西。根據(jù)前文碳排放計(jì)量模型，計(jì)算出各個(gè)公路隧道建設(shè)期間碳排放量(見表3)。

表3 公路隧道建設(shè)期碳排放匯總表

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，運(yùn)用eviews軟件進(jìn)行回歸分析，得到隧道建設(shè)期間碳排放與隧道長(zhǎng)度的一元回歸模型，其碳排放預(yù)測(cè)模型如下：

Y=26.761 9X+24 558.42

式中：X為自變量隧道長(zhǎng)度，單位為m，Y為因變量隧道建設(shè)期間碳排放，單位為t。

修正后的相關(guān)系數(shù)(R2)為0.959 943，表明該公式具有非常強(qiáng)的可信度，隨后對(duì)該預(yù)測(cè)方程進(jìn)行顯著性檢查，P值(sig)小于0.01，表明該預(yù)測(cè)模型有顯著的線性關(guān)系，因此本預(yù)測(cè)公式可用于實(shí)際生活，方便從業(yè)者對(duì)不同公路隧道建設(shè)期間碳排放進(jìn)行快速估算。

4 結(jié)語(yǔ)

1)本文統(tǒng)一公路隧道建設(shè)期碳排放系統(tǒng)邊界，基于生命周期評(píng)價(jià)理論，將隧道建設(shè)期碳排放劃分為材料物化階段、車輛運(yùn)輸階段、現(xiàn)場(chǎng)施工階段，結(jié)合碳排放系數(shù)法建立了隧道建設(shè)期碳排放計(jì)量模型。以DBS隧道為案例，進(jìn)行了施工碳排放計(jì)量分析，計(jì)算得到其建設(shè)期碳排放為26.341 t/m，其中材料物化階段碳排放占比最高為82.1%，路面工程、圍巖支護(hù)、二次襯砌是碳排放重點(diǎn)工序，水泥與鋼材是碳排放主要貢獻(xiàn)材料，是隧道建碳減排的重點(diǎn)。

2)本文通過(guò)調(diào)查研究，收集了大量數(shù)據(jù)并篩選了其中27條隧道進(jìn)行了碳排放計(jì)算，通過(guò)eviews軟件對(duì)其進(jìn)行線性擬合，得到了以隧道長(zhǎng)度為自變量，隧道建設(shè)期碳排放為因變量的一元回歸方程，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)方法驗(yàn)證了其可行性，為公路交通行業(yè)隧道建設(shè)期碳排放計(jì)算提供了依據(jù)。