隧道建设碳排放计算方法及预测模型

郭 春， 徐建峰， 张佳鹏

(1. 西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室, 四川 成都 610031)

0 引言

截至2018年底，中国公路隧道的运营里程超过17 000 km，较上一年新增里程1 100 km以上[1]。大规模的隧道建设拉动了经济增长，同时增加了原材料和能源的消耗，产生了大量温室气体。相关研究表明，隧道的能量和材料密度高于其他交通设施[2]。相比于建筑碳排放，隧道施工产生的温室气体排放强度更为巨大[3]。

当前并无隧道碳排放计算的行业标准，现有研究采用的隧道碳排放计算方法可分为直接碳排放法和完全碳排放法。直接碳排放法考虑隧道施工中消耗化石燃料产生的碳排放。例如，Ahn等[3]在计算隧道碳排放时仅考虑了现场施工的燃料和电力消耗，没有考虑建材生产、使用和维护过程中的碳排放。完全碳排放法考虑隧道施工中的直接碳排放和间接碳排放。对隧道施工而言，间接碳排放包含施工中电能和上游建材消耗带来的碳排放。李乔松等[4]计算了某盾构隧道每环管片消耗电能产生的实际碳排放； 肖时辉等[5]使用排放系数法研究了盾构隧道电能消耗的碳排放水平； 陈灵均[6]计算了重庆某公路隧道在施工、运营和维护期的碳排放。

隧道碳排放计算的突出问题还体现在缺乏一致的系统边界，不同研究的碳排放计算范围大相径庭，降低了不同研究的对比性。有学者在公路隧道运营期碳排放计算中考虑了车辆运行产生的碳排放[6]。Huang等[7]分析了隧道钻爆开挖过程的环境影响，没有考虑围岩支护与衬砌的碳排放。徐建峰等[8]分析了隧道物化阶段的碳排放途径，强调了上游建材生产是隧道整体碳排放的重要来源。

部分学者对隧道施工碳排放影响机制做了有意义的探索。Guo等[9]分析了围岩条件和路面类型对隧道碳排放的影响，发现不同围岩级别隧道的碳排放水平差异巨大。Xu等[10-11]探明了不同围岩条件下隧道施工碳排放的跃迁路径，发现围岩支护和二次衬砌的碳排放量随着围岩条件变差有了显著增长；并发现了隧道施工碳排放的影响参数，建立了隧道施工碳排放的预测公式。考虑到隧道施工工序复杂，地质条件变化多样，围岩质量对隧道工程量影响巨大，现有研究不足以明确隧道修建的碳排放影响机制。此外，当前国内外隧道碳排放研究数量有限，隧道碳排放使用的清单数据难以获取，客观上增加了隧道碳排放评估的难度。本文通过总结隧道施工碳排放的计算方法、影响因素和预测方法，并针对隧道碳排放基础数据获取提出建议，以期为隧道行业节能减排工作提供参考。

1 隧道建设碳排放计算方法

本节主要研究如何计算隧道碳排放的问题。首先明确隧道碳排放的计算边界，进而获得隧道碳排放的清单数据，最终通过排放系数法计算各类碳排放数值，叠加得到碳排放总值[8]。

1.1 碳排放计算边界

碳排放是温室气体排放的简称，包含二氧化碳(CO2)、氧化亚氮(N2O)、甲烷(CH4)、六氟化硫(SF6)、氢氟碳化物(HFCs)和全氟化碳(PFCs)等。根据不同气体对温室效应的贡献，所有温室气体的排放单位归一为二氧化碳当量(CO2 eq)。

隧道建设的碳排放包括施工机械耗能产生的直接排放，还考虑了建材和能源在生产和运输期间的排放。隧道施工工序包括超前支护、开挖、围岩支护、二次衬砌、防排水工程、路面工程、装饰工程和施工通风照明。各工序中均有材料或能量的投入，并向环境中排放温室气体。这种考虑产品生命周期环境影响的方法称为生命周期评价(LCA)方法[6]。隧道建设碳排放计算边界如图1所示。

图1 隧道建设碳排放计算边界

1.2 清单数据

清单数据分为前景数据和背景数据。前景数据是材料及能源的消耗量，来源于勘察设计资料、设计数据、技术手册或相关机构的统计数据等。背景数据包含各类材料和能源的排放因子。当前获得前景数据的途径有3种：

1) 从勘察设计资料中获得单位长度隧道的工程量，再基于《公路工程预算定额》[12]数据获得路面工程、隧道工程、材料采集加工和运输等过程中的材料消耗和机械台班数据。《全国统一机械台班费用定额》提供各类机械的单位台班能耗数据。

2) 利用施工勘察设计资料的经验数据估计材料的使用量，从特定数据库、相关研究和材料供应商中获得各类机械的燃油消耗量。在特定数据缺失时，数据库提供各类施工机械的燃料消耗默认数据[9]。

3) 基于历史数据回归得到预测模型，该模型定义了土方工程、隧道墙体构件、混凝土隧道入口、隧道拱顶衬砌、铺装路面的默认消耗量。基于估算的隧道中爆破得到的岩石体积和质量，估计隧道所需投入资源消耗量。

背景数据来源于各类数据库、政府组织、专业机构和相关文献给出的碳排放因子。排放因子表示每消耗单位质量或体积的材料/能源产生的碳排放。以柴油为例，IPCC发布的柴油的碳排放因子为4 369 kg CO2 eq/t，这意味着每消耗1 t柴油得到超过4 t CO2eq。常用的LCA数据库包括Ecoinvent、CLCD、GaBi数据库等。考虑到不同地区的能源结构、排放水平和生产工艺的差异，同种材料在不同区域的排放因子可能存在巨大差异。在选取碳排放因子数据时，选择本地数据库中的排放因子更能代表本区域实际排放水平。

1.3 排放系数法

隧道建设碳排放有3个来源：

1) 建筑材料。建筑材料的生产多在施工现场外完成，常用材料包括钢铁、水泥、炸药、砂、碎砾石、水、沥青、瓷砖等。

2) 运输机械。隧道施工使用的移动机械包括卡车、自卸车、装载机、混凝土搅拌车等。

3) 工程机械。例如空气压缩机、混凝土搅拌站、挖掘机、凿岩台车、混凝土喷射机、交流电焊机、隧道通风机等。

将材料生产、运输和施工机械消耗燃料排放的温室气体累加即为隧道施工总排放，如表1所示。

表1 温室气体计算公式[10]

2 隧道建设碳排放计算案例

为了让读者深入了解隧道碳排放计算方法，提供了隧道施工碳排放计算案例[9]。某隧道位于我国四川省内，总体为北西走向，坡度为2%或0.5%。该隧道长4 km，净空面积为78.23 m2，设计时速为80 km，是一条双洞4车道高速公路隧道。表2示出该隧道施工阶段的前景数据和基本假设，数据主要来源于勘察设计资料、《公路工程预算定额》、现场数据、厂家数据和文献数据。表3示出背景数据的来源和假设说明，表4示出隧道建设中各类材料和能源排放清单。

表2 施工阶段的前景数据和假设说明

表2(续)

表3 背景数据来源和假设说明

表4 各类材料与能源的排放清单

隧道施工阶段碳排放为11.94×104t CO2 eq。图2示出各施工工序的碳排放占比。其中二次衬砌、围岩支护和路面工程对隧道碳排放的贡献最大，合计占比超过70%。

图3示出该隧道各类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%，电能占比为14.49%，钢铁占比为17.46%。部分材料和能源的占比小于0.2%，对隧道施工影响微弱，例如： 炸药(0.13%)、矿粉(0.02%)、聚丙烯(0.21%)、汽油(0.03%)、沥青(0.05%)。

图2 施工阶段的隧道碳排放占比

图3 各类建材与能源的碳排放占比

3 隧道施工关键工序碳排放预测模型

隧道支护体系是决定隧道结构安全的重要因素。本文将评估隧道超前支护、隧道开挖、围岩支护、二次衬砌和通风照明工序的碳排放水平，这些施工的材料投入与隧道围岩条件息息相关，有利于挖掘隧道施工碳排放与围岩条件的内在关联。通过回归分析方法建立隧道碳排放计算模型，便于研究者快速估算不同公路隧道的碳排放水平。

3.1 隧道施工关键工序碳排放

选择中国西南地区8条公路隧道作为研究对象，各隧道均为双洞隧道，位于中国四川省、贵州省、云南省和重庆直辖市。各隧道衬砌设计共49种。同一座隧道中包含了多种衬砌设计，各类地质条件并存于同一座隧道，不利于分析单一影响因素对隧道碳排放的影响。将不同衬砌断面的地质条件和施工参数进行分离，假定了49条隧道，每条隧道内采用单一的衬砌设计，长度均为1 km。

计算49条隧道(单洞)施工带来的碳排放，关键的施工过程包括超前支护、隧道开挖、围岩支护、二次衬砌和通风照明[11]。各隧道的施工碳排放范围为5.08×103～ 5.26×104t CO2eq，平均值为2.04×104t CO2eq。不同隧道施工碳排放如图4所示。各隧道碳排放数据较为分散，随着开挖面积增大，隧道碳排放有增大的趋势。较差围岩隧道的碳排放均值更高：Ⅴ级围岩、Ⅳ级围岩和Ⅲ级围岩的碳排放均值分别为2.64×104、1.63×104、7.43×103t CO2eq[11]。

图4 不同开挖面积和围岩级别下的施工碳排放

3.2 施工碳排放影响因素

选取围岩级别、埋深、偏压、围岩质量、净距、开挖方法、开挖面积和材料质量投入作为影响隧道碳排放的可能因素。表5列举了6种分类指标，这些指标数据与隧道设计联系密切。围岩质量是围岩级别的次级指标，分为较好、一般和偏差3类，表示相同围岩级别下围岩质量的相对好坏。

使用SPSS 软件分析各影响因素与碳排放的相关性，结果如表6所示。与碳排放存在显著性相关的因素包括开挖方法、开挖面积、围岩级别、埋深、投入材料总质量。其中，材料总质量的相关系数最高，超过了0.9； 第2高的是开挖面积，相关系数为0.833。各组的差值统计见表7，深埋隧道的碳排放均值小于浅埋隧道。分部开挖法的碳排放均值最高，台阶法次之，全断面法最低。

表5 隧道碳排放潜在影响因素与分类

表6 潜在影响因素与碳排放相关分析

表7 不同围岩级别、埋深和开挖方法下隧道施工碳排放均值

3.3 碳排放预测模型

通过线性回归分析碳排放与各变量之间的相互依赖性。在回归方程存在多个自变量的情况下，SPSS软件提供t检验帮助识别一些对碳排放影响微小的自变量。此外，使用修正判定系数、调整R方、多重共线性和残差序列相关等因素评估回归模型的有效性，得到2组碳排放预测方程，如表8所示。值得说明的是，表8中隧道施工碳排放的预测公式仅适用于中国西南地区[11]。研究者可根据特定地区的碳排放水平，建立符合区域特性的碳排放预测公式。

表8 隧道关键施工工序碳排放预测公式

4 隧道碳排放计算体系发展展望

我国隧道行业能源资源计量工作存在不足，尚未形成与国际接轨的能源资源计量标准体系，用能单位缺乏切实可行的能源计量标准，使得隧道行业碳排放计算缺乏准确的一手数据，碳排放计算数据缺少时效性和可靠性。隧道建材和能源拥有不同供应商，而不同机构间的碳排放数据不可流通溯源，使得隧道节能减排的生命周期设计难以实现。

4.1 隧道建设能源资源计量

能源资源计量是指在能源资源消费和转化过程中，对处于各环节能源资源的数量、质量、性能等参数进行测量和计算[21]。能源资源计量将为碳排放计算提供准确的测量数据，进而确定建材生产单位、运输单位和施工单位节能管理的标准，为不同产品或技术减排效果评估提供量化依据。《计量发展规划(2013—2020年)》提出构建重点领域的长效监管体制，明确要求推动重点耗能领域计量平台，实现计量数据的在线采集、实时监测，建立健全能源资源计量监管。

无论是基于以往工程经验数据还是预算定额，当前隧道碳排放计算数据的可靠性和完整性难以得到保证。隧道行业的节能减排需要充分发挥计量监测在生产经营和能源利用等方面的作用，通过配备智能化的电、气、燃气和供热计量器具，获得主要生产工艺过程中的能源消耗，对重点耗能设备进行有效测试，为耗能工序的技术升级、节能管理评估提供科学支撑。

4.2 区块链与碳排放溯源

隧道碳排放拥有众多参与者，产品的加工、运输、使用、回收经由不同的企业处理。在当前碳排放计算模式下，产品或能源的排放数据并不能在各个单位间流动，每个阶段的材料投入数据和排放数据并没有进入计算体系，给隧道碳排放计算增加了巨大成本和不确定性。国内用能单位之间的能源资源信息共享程度较低，用能单位不能与管理部门有效分享各个环节的用能数据，增加了能源资源计量管理的难度和风险。

在万物互联时代，区块链技术为数据追溯提供了可能，该技术有望重新塑造隧道碳排放计算体系的架构。使用区块链进行可信任的交易，查询产品或能源的生产排放、加工处理、运输距离、使用寿命和回收利用等信息只用几秒钟[22]。与传统单纯记录数据系统不同，区块链的特性和授权数据能够让计算体系中的用户获得真实、不可篡改的排放信息，帮助产品和能源的排放数据在生命周期内可溯源。在区块链技术的加持下，任何产品使用者可查询建材的产地、品牌、生产厂家、生产和加工过程的排放信息，而监管单位也可查询产品的运输距离、建材的实时消耗量、现场施工单位信息、施工单位机械碳排放水平数据和第三方检测机构等。

隧道碳排放计算将在区块链技术的支持下，以隧道所有者为主体，链接建材和能源的生产者、运输者、加工者、使用者和回收者，打造隧道建设的碳排放和能耗数据链条，建立隧道碳排放数据的采集、加工、储存、传输、监测和应用的工业生态联盟，为隧道碳排放和上游产品与能源的计算打造可信场景，提升减排效益和发展质量。

5 结论与讨论

本文基于碳排放计算边界、清单数据和计算方法建立了隧道碳排放计算体系，进而明确隧道施工碳排放水平，探明隧道施工关键工序的碳排放影响因素，建立隧道施工碳排放预测模型； 提出建立隧道能源资源计量体系获取可靠的碳排放清单数据，通过区块链技术实现能耗和碳排放数据溯源，推动隧道行业节能减排的深入开展。

当前碳排放计算方法论仍在不断发展中，笔者认为隧道碳排放计算仍然存在计算标准不统一、系统边界不一致、排放因子不健全、清单数据难获取等问题，需要相关学者共同努力，建立隧道施工碳排放的相关标准，形成碳排放计算的共同基础。此外，当前隧道碳排放研究更多停留在计算层面，缺乏对碳排放影响机制的探索。在后续研究中应充分考虑隧道施工中的废物处理和材料回收利用。从围岩条件出发，应减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，将隧道减排工作落到实处。