地铁盾构区间物化阶段碳排放计量分析

王幼松， 黄旭辉， 闫 辉

(华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510640)

碳排放指温室气体排放的总称。全球气候变暖，在全球减排的背景下，2014年国务院要求，到2020年单位国内GDP二氧化碳排放强度应比2005年降低40%～45%[1]。我国正处于地铁建设高峰期，二三线城市相继开始建设城市地铁，预计到2020年，地铁交通里程数将达到近6000 km[2]。地铁盾构区间土建工程碳排放量大，其碳排放不能忽视。

国内外对建筑领域的碳排放集中在研究住宅和办公楼的碳排放，对市政工程的碳排放研究较少。针对隧道土建工程碳排放计量的研究更少，而在这少数碳排放研究中对公路隧道物化阶段碳排放研究较集中，但存在计量边界和假设不统一、计量内容不够全面的问题。其中Chang和Kendall[3]采用生命周期评价理论对加利福尼亚高速铁路旧金山到阿纳海姆段的建设阶段进行了碳排放测算，发现隧道结构等虽然只占全线长度的15%，但其建设过程碳排放约占60%。李乔松等[4]以虹桥南路盾构隧道为研究对象，考虑建材生产、预制加工、场内运输和隧道施工四个阶段的碳排放，但未计量场外运输和非能源消耗产生的碳排放。LI等[5]以天然气、沥青、石油、煤炭和柴油的消耗为指标评估了公路隧道施工的内源性碳排放量，但并未对隧道碳排放模型进行系统研究。徐建峰等[6]借鉴建筑全生命周期碳排放计算模型，结合隧道工程的自身特点，提出了隧道物化阶段分解为计量材料消耗、运输工具燃料消耗、施工机械电力和燃料消耗所产生的碳排放的计量模型。但未计量周转材料使用和劳动力等产生的碳排放。

为计量地铁盾构区间土建工程物化阶段碳排放，发现其碳排放特征，有必要建立计量模型对其碳排放进行量化测算。本文采用碳排放系数法进行更为全面的计量，借鉴建筑和公路隧道碳排放计算模型，在已有研究基础上定义和选取碳排放因子及确定碳排放计量边界，构建计量模型并以广州市典型的某地铁盾构区间土建工程为案例进行分析。

1 地铁盾构区间土建工程物化阶段碳排放计量方法与内容

1.1 碳排放计量方法

碳排放系数法是依照碳排放清单，将碳排放来源单元排放数据和所对应的排放因子相乘得到碳排放量估算值。其中，排放因子是应用基础。国内外许多国家研究机构和专家学者个人对碳排放因子做了较详细的监测、调查和统计[7]。碳排放计量方法还有物料平衡法、实地勘测法，但综合考虑数据获取的难易程度和准确性，本文采用碳排放系数法。

1.2 碳排放计量气体

温室气体不只有1种，《联合国气候变化框架公约的京都议定书》中规定CO2，CH4，N2O，HFCS，PFCS，SF6共6种为需要重点控制的温室气体。囿于数据采集难度，本文只考虑CO2，不计量其他温室气体。

1.3 碳排放计量单位

广州市地铁盾构区间隧道典型尺寸为盾构管片外直径6 m、厚0.3 m、环宽1.5 m。即使横截面尺寸相同，但不同长度的地铁盾构区间在物化阶段碳排放总量存在较大差异。为使典型地铁盾构区间的不同案例间有可比性，使用碳排放强度即每米碳排放量(t/m)作为计量单位，消除区间长度的影响。

1.4 碳排放计量系统边界

地铁盾构区间体量大，系统复杂，囿于研究深度和数据样本采集难度，难以全面计量。为便于分析碳排放来源，系统边界被简化和限定，包括空间边界和时间边界，如图1所示。

图1 碳排放计量边界

公路隧道的典型碳排放计量将预制构件的建材生产阶段和预制加工阶段分开计量，而本文将预制构件当做“建材”，将预制构件生产和建材生产阶段合在一起计量。将建材运输阶段单独考虑，并计量运输机械设备、土石方等产生的碳排放，统称为运输阶段。场内运输阶段产生的碳排放难以单独计量，将其含在施工安装阶段中。本文碳排放阶段划分与已有研究的对比如表1所示。

1.5 碳排放因子定义与选取

只考虑二氧化碳，故本研究中的碳排放因子指消耗单位物质伴随的二氧化碳排放量，用到的碳排放因子有如下4类。

表1 阶段划分对比

1.5.1 化石能源碳排放因子

参考《2006年IPCC国家温室气体清单编制指南》[9]，结合我国GB/T25 89-2008《综合能源计算通则》[10]中常用高能源热值标准，选定本文采用的化石能源碳排放因子，如表2所示。

表2 化石能源碳排放因子

1.5.2 电力碳排放因子

选取国家发改委气候变化司发布的《中国区域电网基准线排放因子》中案例施工期间该区域电网OM均值作为电力碳排放因子，即2016年南方区域电力碳排放因子0.8676 kg/kWh[11]。

1.5.3 建筑材料碳排放因子

建材碳排放因子细分为原生和再生建材碳排放因子，原生建材碳排放因子考虑原材料开采、原材料运输和建材加工生产过程中产生的碳排放。为统一计量口径，再生建筑材料的获取以及循环再加工过程中排放的二氧化碳也计入再生建材生产阶段中。综合考虑被引用量、期刊级别、建材分类程度等，本文采用国内权威机构或当地科研机构、专家学者的测定数据[12～21]，如表3所示。

表3 建材碳排放因子

(续表)

注：[18]换：PVC碳排放因子8.69 kg/kg[18]，密度1400 kg/m3；[20]换：橡胶碳排放因子0.5 kg/kg[20]，橡胶止水带重度4.2 kg/m，加工耗电2 kWh/m

1.5.4 运输碳排放因子

运输碳排放因子可通过查询《中国交通年鉴》中相应运输方式的施工期间运输能耗均值，再乘以相应的能源碳排放因子换算得到，其中公路柴油运输碳排放因子可用综合定额数据换算得到。

2 地铁盾构区间土建工程物化阶段碳排放计量模型

对地铁盾构区间土建工程建材和预制构件生产阶段、运输阶段和施工安装阶段分别构建模型计量其碳排放，汇总得到物化阶段的碳排放。

E=EP+ET+EC

(1)

式中：E为物化阶段碳排放总量(t)；EP，ET，EC分别为建材和预制构件生产阶段、运输阶段和施工安装阶段碳排放量(t)。

2.1 建材和预制构件生产阶段碳排放计量模型

建材和预制构件生产阶段碳排放包括建筑原材料或再生材料在获取、运输和制造加工过程中所产生的碳排放。为和现浇混凝土结构有可比性，预制构件生产阶段的碳排放还包括用水、使用周转材料和劳动力产生的碳排放。因建材和预制构件种类繁多，为便于计量，可取工程量清单中材料累计重量占总重量80%以上，或累计造价占总造价80%以上的建材和预制构件作为主要材料进行分析，其余忽略不计[22]。建造损耗和所用再生材料比例分别体现在式中的损耗率和再生率。预制构件生产阶段碳排放因子，可先按照本文式(2)～(4)计算。建材和预制构件的工程量和其损耗率可取自工程量清单。计算公式如下：

(2)

2.2 运输阶段碳排放计量模型

建材和预制构件、施工机械设备和周转材料需要运输至施工现场，建筑垃圾和土石方需从工地外运至收纳场。运输过程中运输工具消耗燃料产生碳排放。运输重量可取自工程量清单或再乘以重度换算得到，运输方式从施工方得知，运输距离用百度地图量测得到。计算公式如下：

(3)

式中：Qi为货物的重量(t)；Vij为第i种货物第j种运输方式的比例；Dij为第i种货物第j种运输方式的运距；Fj为第j种运输方式每百吨公里的运输碳排放因子；m为货物的种类数；k为运输方式种类数。

2.3 施工安装阶段碳排放计量模型

施工安装阶段碳排放包括两部分，其一是施工机械设备消耗能源和工地办公生活区用电产生的碳排放，归结为消耗汽油、柴油和电力产生的碳排放。其二是用水、周转材料的使用和劳动力产生的碳排放。

与建材和预制构件生产阶段类似，为便于计量，可取占总台班80%以上的施工机械设备加以计量。已用燃料、电力和水的消耗量和劳动力用量可取自施工现场记录数据，后续施工的消耗数据根据以往的数据均值合理推算。周转材料使用量可取自工程量清单。计算公式如下：

(4)

3 案例分析

3.1 案例概况

本案例为广州市典型的某地铁线路站A至站B的盾构区间土建工程，包括主体工程和附属工程。主体工程包括：兼做盾构始发井的长80 m、宽24.6 m的明挖中间风井，其基坑开挖深19.39～20.324 m；双程长7670.6 m、管片外直径6 m、厚0.3 m、埋深1.2～20.3 m的盾构隧道。附属工程有8个联络通道、8个洞门、8个始发及到达端头加固工程。施工时间为2014年5月15日～2018年4月20日。

3.2 案例物化阶段碳排放计量

3.2.1 案例建材和预制构件生产阶段碳排放计量

根据前文的简化条件，通过选取该案例的如下21种主要材料和管片计量其生产阶段碳排放。总量为其工程量乘以相应的消耗系数。考虑是否使用再生材料，共分为两种情况，情况一是全部材料使用原生材料，情况二是所用材料中全部钢材和铁使用再生材料。计算过程如表4所示。

表4 案例建材和预制构件生产阶段碳排放计量

(续表)

注：*表示材料和能源消耗数据由调研管片供应商所得，见表5，并按照式(2)～(4)计算得管片碳排放因子

表5 案例每环管片生产阶段的建材调研数据

3.2.2 案例运输阶段碳排放计量

本案例的建材、管片、施工机械设备、周转材料和土石方等的公路运输都假设采用公路柴油运输。公路柴油运输每百吨公里能耗查询《广东省建筑与装饰工程综合定额2010》(上册)[23]和《广东省建设施工机械台班费用2010》[24]换算得公路柴油运输每百吨公里消耗6.003 kg柴油、排放18.975 kgCO2。铁路运输碳排放引用杨馨的计算数值，取每百吨公里2.010 kgCO2[8]。计算过程如表6[12～16]所示。

表6 案例运输阶段碳排放计量

3.2.3 案例施工安装阶段碳排放计量

查询施工现场记录资料，得知或推算出施工现场电力、柴油和水的实际消耗量以及劳动力用量。周转材料用量取自工程量清单。钢支撑、钢模板和脚手架可周转次数取50次进行计算[12]。计算过程如7表所示。

表7 案例施工安装阶段碳排放计量

注：[17]换：中小型材碳排放因子3000(1200)kg/t[17]，可周转50次

3.2.4 案例物化阶段碳排放汇总

汇总案例在两种情况下建材预制构件生产阶段、运输阶段和施工安装阶段的碳排放量，情况一是全部材料使用原生材料，情况二是所用材料中全部钢材和铁使用再生材料。汇总结果如表8所示。

表8 案例物化阶段碳排放汇总

3.3 案例结果分析

(1)总体分析

该案例所用材料全部是原生材料的情况下碳排放总量为122627.23 t，碳排放强度为15.66 t/m；所用材料中的全部钢材和铁是再生材料的情况下碳排放总量为99103.42 t，碳排放强度为12.66 t/m。从表8可得知，无论是否使用再生材料，该案例建材和预制构件生产阶段碳排放最大，占比79.2%～83.0%；其次是施工安装阶段占比12.4%～15.1%，而运输阶段只占比4.6%～5.7%。

(2)直接碳排放和间接碳排放

建材和预制构件到达施工现场前产生的碳排放为间接碳排放，现场化石燃料燃烧产生的碳排放为直接碳排放，现场使用水电、周转材料和劳动力产生碳排放为间接碳排放。该案例直接碳排放为694.44 t，碳排放强度为0.09 t/m；间接碳排放为98408.98～121932.79 t，碳排放强度12.57～15.57 t/m。间接碳排放是直接碳排放的141.7～175.6倍，可见直接碳排放占比很小，绝大部分是间接碳排放。

(3)再生减排分析

从表8可得知，该案例所用材料中全部钢材和铁是再生材料的情况下碳排放总量为99103.42 t，碳排放强度为12.66 t/m；而所用材料全部是原生材料的情况下碳排放总量为122627.23 t，碳排放强度为15.66 t/m。可见相对于全部材料使用原生材料，其中全部钢材和铁是再生材料可为该案例减少碳排放23523.81 t，可减少碳排放19.2%，减少碳排放强度3.00 t/m。

(4)关键材料影响分析

从表4得知，无论是否使用再生材料，该案例建材和预制构件生产阶段碳排放量排前4的材料依次是管片、42.5#水泥、钢材和混凝土，占比分别是42.1%～45.9%，26.7%～34.6%，8.2%～15.8%，9.1～11.8%，四者总占比96.7%～97.5%。该案例建材与预制构件生产阶段中水泥的碳排放量占比相对其在地上建筑物土建工程建材生产阶段的高很多，是因为盾构管片壁后注浆需消耗大量的水泥。

(5)工艺改进分析

通过加强施工机械设备保养维护及采用可行的新技术新工艺施工、盾构机以最佳推行速度推进等改进施工工艺，若能减少施工用电10%，则该案例可减少碳排放1357.33 t。

(6)周转材料敏感性分析

钢质周转材料可周转50～200 次[12]，该案例钢质周转材料可周转次数由50 次提升到100 次和200 次，可分别减少碳排放量235.33，352.99 t，碳排放强度可减少30.05，45.08 kg/m。提高可周转次数至100次和200次同时又全部使用再生材料，则可分别减少碳排放量376.52，423.59 t，碳排放强度可减少48.08，54.09 kg/m。加强对周转材料的管理，可显著减少周转材料的碳排放量。

4 结论与建议

本文首先构建了地铁盾构区间土建工程物化阶段碳排放计量模型，分建材和预制构件生产阶段、运输阶段和施工安装阶段共3个阶段进行计量，计量内容包括建材和预制构件、运输工具能耗、施工机械设备能耗、施工用水、周转材料使用、劳动力和生活办公用水用电，在已有研究基础上增加了运输施工机械设备工具能耗、周转材料、劳动力和生活办公用水用电，计量内容较全面，适用于对地铁盾构区间土建工程物化阶段进行碳排放计量。

其次，选取广州市具有代表性的某双程长7830.6 m、管片外直径6 m及厚0.3 m的地铁盾构区间土建工程作为案例。按照构建的碳排放计量模型，考虑钢材和铁是否使用再生材料，该案例碳排放强度为12.66～15.66 t/m，可用于快速估算该类横截面尺寸其他区间段的碳排放量。该案例物化阶段碳排放量最大的阶段都是建材和预制构件生产阶段，占比79.2%～83.0%；其次依次为施工安装阶段和运输阶段，占比分别为12.4%～15.1%，4.6%～5.7%。应重点关注建材和预制构件生产阶段，施工安装阶段的碳排放量虽然不大，但可从多方面优化，也应重点关注。

建材和预制构件生产阶段碳排放量占物化阶段碳排放量的79.2%～83.0%，其中管片、水泥、钢材和混凝土产生最大的碳排放量，而管片的主要成分是钢材和混凝土。相对于完全不使用再生材料，其中全部钢材和铁使用再生材料，该案例碳排放强度可减少3.00 t/m，减少19.2%的碳排放。可见，使用再生钢材和铁可较显著减少地铁土建工程物化阶段碳排放。综上，在满足结构安全性和耐久性的前提下，尽量减少高能耗高污染的水泥、钢材和混凝土的使用，同时应改进工艺降低他们的生产碳排放因子。