基于碳排放评价的节理化岩体大跨度隧道施工方法比选

2020-01-10鬲浩然周中书阳军生

贵州大学学报(自然科学版) 2020年1期

陈进，鬲浩然，周中书，胡涛，阳军生

(1. 贵州省公路工程集团有限公司，贵州贵阳 550008；2. 中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

随着我国公路交通需求的不断增加以及隧道施工技术的不断进步，大跨度公路隧道也越来越多。目前，国内外大跨度公路隧道的施工主要采用双侧壁导坑法、CD法、台阶法、弧形导坑预留核心土法等方法。许多学者在隧道施工方法的比选方面做出了大量的研究。王薇等[1]采用有限元方法对CRD法与中隔墙台阶法进行三维动态开挖数值模拟，对比分析两种施工方法的效果。江星宏等[2]采用三维数值模拟方法，模拟分析了CD法、台阶法、台阶法+临时仰拱法施工时高地应力隧道变形和受力特点。宋战平等[3]基于现场监测和数值模拟分析相结合的方法，研究大断面隧道CRD法、双侧壁导坑法和三台阶七步法三种施工方法的优缺点。

本文基于技术比选，在保证安全施工的前提下，从隧道碳排放角度对九家湾隧道施工方法进行量化评价，以期为隧道施工方法的比选提供新的思路。

1 工程概况

新建九家湾隧道为单洞四车道大跨度隧道，设计V级围岩，全长230 m，开挖最大跨度约22.28 m。隧道按设计时速100 km/h标准设计，建成后与既有隧道组成3洞八车道隧道以满足双向八车道行车条件[7]，图1所示为隧道进出口情况。

隧址属于低中山地貌区，隧道从山体中部穿过，山体高约90 m，进口位置地形陡悄，近于直立。出口位置为斜坡，斜坡自然坡角约30～45°。隧址区地层有第四系全系统及二叠系下统栖霞组等地层，主要出露岩性为灰岩及第四系全新统地层。地下水类型主要为岩溶水、基岩裂隙孔隙水及少量松散层孔隙水。图2所示为隧道纵断面图。

图1 九家湾隧道进出口情况Fig.1 Sketch map of the entrance and exit of Jiujiawan Tunnel

图2 九家湾隧道地质纵断面图Fig.2 Geological longitudinal section map of jiujiawan tunnel

1.1 原设计施工方法

九家湾隧道原设计施工方法主要包括双侧壁导坑法与CD法，两种方法的工序图如下所示。图3、图4分别为双侧壁导坑法横向与纵向施工工序图。由工序图知，先开挖左侧I、II导坑，再开挖右侧III、IV导坑，最后按三台阶法开挖中间V、VI、VII部分，在开挖过程中各部分要保持一定的安全距离，并及时施作初期支护、二衬、仰拱等。

图3 双侧壁导坑法横向施工工序图Fig.3 Both side heading method lateral construction procedure drawing

图4 双侧壁导坑法纵向施工工序图Fig.4 Both side heading method longitudinal construction process drawing

图5、图6所示分别为CD法横向、纵向施工工序图。由工序图可知，先依次开挖左侧I、II导坑，再开挖右侧III、IV导坑，在施工过程中开挖部分保持一定安全距离，并及时施作初期支护与二衬、仰拱等。

图5 CD法横向施工工序图Fig.5 CD method lateral construction procedure drawing

图6 CD法纵向施工工序图Fig.6 CD method longitudinal construction process drawing

1.2 分部台阶法的提出

查阅相关资料与工程案例，如中国水利水电地下工程施工[8]中介绍了按照“平面多工序、立体多层次”原则修建大跨度水电地下厂房的案例。杨房沟水电站、乌东德水电站、长河坝水电站以及猴子石水电站的地下厂房开挖时从上到下分为多层，每层又分序开挖。例如在第一层或者顶拱层采用先开挖中导洞，再扩挖两侧的施工方法[9-12]。

九家湾隧道揭露围岩以灰岩为主，岩体节理裂隙较发育，完整性较好。根据上述调研并结合九家湾隧道具体地质情况，提出“中导洞先行，后左右侧导洞交错开挖”的分部台阶法施工方法。图7所示为分部台阶法施工区域的划分。

年轻刑警听到这儿，猛地拧了下眉头，一拍桌子说，喂喂喂，想玩滑头不是？给我交代仔细点儿，说，你到底是怎样跑出来的？到底为什么要跑出来？

图7 九家湾隧道施工区域划分三维示意图Fig.7 Three-dimensional sketch map of construction area division by step-by-step method

图8、图9所示分别为分部台阶法横向与纵向施工工序图。根据现场情况，施工时中导洞I开挖采用全断面法开挖，并及时施作初期支护，待中导洞开挖一段距离后，交错开挖上台阶左右侧II、III导洞并施作相应的初期支护，随后交错开挖下台阶左右侧IV、V导洞并施作初期支护。同时根据围岩和监测情况，严格控制掌子面与仰拱、掌子面与二次衬砌的安全步距，保证隧道施工的安全。

图8 分部台阶法横向施工工序图Fig.8 Step-by-step method lateral construction procedure drawing

图9 分部台阶法纵向施工工序图Fig.9 Step-by-step method longitudinal construction process drawing

1.3 施工方法技术指标及工程量分析

为选择出更合理的施工方法，从技术指标与适用性方面对双侧壁导坑法、CD法与分部台阶法进行分析。不同施工方法的技术指标分析结果如表1。

表1 施工方法主要技术指标分析Tab.1 Analysis of main technical indexes of construction method

由表1可知，分部台阶法相比于其余两种方法，施工简单、进度快，工期短，成本与技术条件低，且适用性灵活。

根据贵州省都匀至安顺公路第T20合同段两阶段施工图设计[7]与相关资料，整理出双侧壁导坑法、CD法和分部台阶法开挖每延米主要工程量如表2所示。从工程量统计结果看，分部台阶法所需的各种原材料使用量均最少，CD法次之，双侧壁导坑法最多。

表2 三种施工方法每延米工程数量Tab.2 Bill of quantities per linear meter of three construction methods

2 碳排放测算

“碳排放”是关于温室气体排放的总称。隧道工程作为大型的基础设施建设，在施工过程中会消耗大量的原材料、能源等，同时会排放大量的温室气体，对环境造成破坏。故为了践行节能减排，绿色施工的环保理念，选择合适的施工方法以减少九家湾隧道施工过程中的碳排放量。

2.1 碳排放测算依据

目前，碳排放测算方法主要有碳排放系数法、物料衡算法、表观能源消耗量估算法以及部门法等。然而，碳排放系数法应用最为广泛。该方法来源于联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)制定的《IPCC国家温室气体排放清单指南》[13]。具体测算采用公式(1)计算。

(1)

式中，ADEi：隧道施工阶段i类能源的消耗量(单位：kg或kWh)，其中E代表能源，i为能源的编号；

ADMj：隧道施工阶段j类原材料的使用量(单位：kg或m3)，其中M表示原材料，j为原材料的编号；

EFEi：i类能源的碳排放系数(单位：kgCO2e/kg或kgCO2e/kWh)；

EFMj：j种原材料碳排放系数(单位：kgCO2e/kg或kgCO2e/m3)。

2.2 获取碳排放量测算参数

采用碳排放系数法测算隧道施工阶段碳排放量，需要获取公式(1)中的计算参数，即确定各类原材料使用量ADMj及相对应的碳排放系数EFMj，各类能源消耗量ADEi与其对应的碳排放系数EFEi。

根据表2统计结果可将隧道施工阶段所需原材料归纳为混凝土、水泥、钢筋、钢管、钢板、锚杆，各类原材料使用量可通过每延米主要工程量确定。根据隧道施工阶段所采用的施工设备以及设备运行时间估算出各类能源消耗量。表3分析了三种施工方法开挖每延米各类原材料使用量与能源消耗量情况。

确定了各类原材料使用量与能源消耗量后，需要获取原材料与能源的碳排放系数。由于隧道工程属于终端消费产业，原材料与能源碳排放系数主要通过查阅参考相关文献[4,5,14-15]确定。表4所示为各原材料与能源碳排放系数。

表3 各类原材料使用量与能源消耗量统计表Tab.3 Statistics of consumption of raw materials and energy

表4 隧道主要原材料与能源碳排放系数Tab.4 Main raw materials and energy carbon emission coefficient of tunnel

2.3 测算碳排放量

2.2小节中已确定了双侧壁导坑法、CD法及分部台阶法开挖每延米各种原材料使用量与各种能源消耗量，并借鉴已有成果[4,5,14-15]确定了原材料与能源的碳排放系数。

根据公式(1)，将各类原材料使用量、能源消耗量与其对应的碳排放系数相乘，最终相加便得到各施工方法开挖每延米的碳排放量。具体量化结果如表5所示。

由表5可得双侧壁导坑法、CD法与分部台阶法开挖每延米时的碳排放量分别为66 047.57 kgCO2e、40436.55kgCO2e、30398.70kgCO2e。由于双侧壁导坑法、CD法施工工序繁琐，施工效率较低，导致原材料使用量与能源消耗量较大。然而分部台阶法施工工序简单，所需原材料和能源少。其中双侧壁导坑法施工产生的碳排放量最大，CD法次之，分部台阶法最小，且分部台阶法仅为双侧壁导坑法的46%。

表5 隧道开挖每延米碳排放总量Tab.5 Total carbon emission per linear meter of tunnel excavation

因此，为了响应土木工程行业节能减排、绿色施工的环保理念，在保证隧道安全施工的前提下，应优先考虑施工工序简单且碳排放量最少的分部台阶法。

3 九家湾隧道施工效果

基于上述碳排放量测算结果并考虑九家湾隧道具体地质情况，选择分部台阶法进行隧道施工。施工时，中导洞尺寸为宽×高(8.5 m×8.33 m)，导洞开挖面积67.86 m2，上台阶左右侧导洞扩挖面积为33.32 m2，下台阶高度为5.38 m，分左右侧开挖，开挖面积为49.45 m2。

现场典型施工过程主要节点如图10-13所示。从现场施工照片可以看出隧道围岩稳定性良好，施工效果佳，组织有序。

图10 上台阶中导洞开挖Fig.10 Excavation of pilot tunnel in upper step

图11 中导洞贯通后交错开挖上台阶左右侧Fig.11 The left and right sides of the upper step are excavated staggeringly after the middle pilot tunnel is through

图12 下台阶开挖Fig.12 Excavation of lower steps

图13 施作二次衬砌Fig.13 Construction of secondary lining

现场施工效果表明，采用“中导洞先行，后左右侧导洞交错开挖”的分部台阶法施工，施工工序较少，对围岩的扰动少，通风效果好，符合硬岩隧道开挖、支护的实际条件。该施工方法在保证隧道施工安全的前提下，减少了工程量与碳排放量，降低了施工成本，提高了施工进度，符合节能减排、绿色施工的环保理念，取得了良好的技术经济效益。