公路隧道建設碳排放計量與預測研究

龔 靜

(重慶高速公路集團有限公司，重慶 401120)

0 引言

2020年，我國提出2030年前達到CO2排放峰值，2060年前實現碳中和。當前交通運輸CO2排放量約占中國CO2總排放量的10%，是社會CO2控制的關鍵領域之一[1]，是我國實現碳中和目標的主要著力點。公路交通是交通領域的主要碳排放來源，近十年我國公路交通碳排放增速在5%以上，是交通運輸領域節能減排的重點。研究表明，隧道建設期間消耗的能源、材料高于其他公路交通設施，施工期間排放的溫室氣體強度更大[2]。大量的隧道建設刺激了我國交通、經濟發展，同時也增加了大量材料、能源消耗，產生了大量溫室氣體。因此，為實現公路乃至交通行業的碳達峰、碳中和，作為公路交通“咽喉”的隧道應首當其沖，其低碳化水平直接決定著公路交通的綠色程度。

近年來，學者們針對公路隧道溫室氣體排放進行了相關研究。陳靈均[2]基于全生命周期視角，分析了隧道施工各個階段碳排放來源，探究了隧道建設碳排放機理。黃旭輝[3]采用LCA理論對盾構隧道施工設備溫室氣體排放進行了估算。郭春等[4]總結了目前隧道施工建設碳排放計算方法，并使用統計分析方法探明了碳排放關鍵影響因素。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階段的碳排放情況尚不清楚，且缺乏具有針對性的公路隧道碳排放預測模型。本文基于碳排放因子法建立了碳排放模型，結合實際案例分析了公路隧道建設期間碳排放情況，厘清碳排放主要貢獻者；并運用eviews軟件建立了碳排放預測模型，為實際隧道建設減碳減排工作提供參考。

1 隧道建設碳排放邊界與計量模型

1.1 系統邊界

1.1.1 研究范圍

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

1.1.2 碳排放邊界

IPCC國家溫室氣體指南主要認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其溫室效應貢獻轉化為CO2當量。

1.1.3 功能單位

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

1.2 碳排放計量模型

本文參考全壽命周期理論，根據隧道建設期間碳排放產生方式，將隧道建設期碳排放分為材料物化、車輛運輸、現場施工3個階段。

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

2)車輛運輸階段：包含原材料從生產地到施工現場以及施工過程中使用的移動車輛消耗能源所產生的碳排放，包含卡車、自卸汽車、裝載機等。

3)現場施工階段：隧道建設過程中各項施工機械與人員活動現場施工所產生的碳排放，包含挖掘機、鑿巖車、混凝土噴射機、通風機等。

在明確隧道碳排放產生來源基礎上根據《公路工程預算定額》《全國統一機械臺班費用定額》獲得隧道工程、材料采集加工和運輸等過程中的材料消耗和機械臺班數據。結合碳排放因子法，將每消耗單位質量或體積的材料與能源乘以對應的碳排放因子系數，便可得到對應的碳排放量，由于人員生理活動產生碳排放數量極少，在此忽略不計。以此原理得到公路隧道建設材料物化階段、車輛運輸階段、現場施工階段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類材料對應的碳排放因子;C2為車輛運輸階段碳排放量，j為車輛種類，Dj為j類車輛單位時間能源消耗，Ej為能源對應的碳排放因子，Fj為運輸時間;C3為現場施工階段碳排放量，k為機械種類，Dk為k類機械單位時間能源消耗，Ek為能源對應的碳排放因子，Fk為工作時間;C4為碳排放總量。

2 隧道建設案例碳排放計算分析

2.1 公路隧道建設碳排放案例計算

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隧道，總長13 574 m，設計時速80 km/h。

根據項目勘察設計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，得到該隧道建設碳排放(見表2)。碳排放因子來源于IPCC及其他文獻。

表1 DBS隧道建設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

經過計算，該隧道建設期間碳排放量為26.341 t/m，其中材料物化階段占比最大，碳排放占比82.1%，車輛運輸階段最少為4.1%，現場施工階段為13.8%。

2.2 結果分析

1)機械施工階段碳排放占比為13.8%，可通過機械配置優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期間碳排放主要來源，超過85%碳排放未在施工現場直接產生，因此，想要減少公路隧道建設期間碳排放，應整頓施工上游產業鏈，從源頭出發，在各類材料、能源生產地作采取減碳減排措施。

2)根據隧道建設期間各個工序碳排放情況，路面工程、圍巖支護、二次襯砌為碳排放重點工序，合計占比超過70%，其中路面工程最高為26.11%，圍巖支護與二次襯砌碳排放占比分別為22.78%、25.93%，其余工序均超過10%。因此，想實現公路隧道建設期間的減碳工作，應把重心放在該3個工序，從路面施工與支護施工尋找減碳潛力空間，從而較大程度實現隧道碳減排。

3 高速公路建設碳排放預測模型

為方便從業者快速估算公路隧道建設期間碳排放量，本文通過調查研究，收集了大量案例，選擇了西部地區27條公路隧道作為研究對象，隧道主要分布于重慶、四川、陜西。根據前文碳排放計量模型，計算出各個公路隧道建設期間碳排放量(見表3)。

表3 公路隧道建設期碳排放匯總表

對數據進行擬合，運用eviews軟件進行回歸分析，得到隧道建設期間碳排放與隧道長度的一元回歸模型，其碳排放預測模型如下：

Y=26.761 9X+24 558.42

式中：X為自變量隧道長度，單位為m，Y為因變量隧道建設期間碳排放，單位為t。

修正后的相關系數(R2)為0.959 943，表明該公式具有非常強的可信度，隨后對該預測方程進行顯著性檢查，P值(sig)小于0.01，表明該預測模型有顯著的線性關系，因此本預測公式可用于實際生活，方便從業者對不同公路隧道建設期間碳排放進行快速估算。

4 結語

1)本文統一公路隧道建設期碳排放系統邊界，基于生命周期評價理論，將隧道建設期碳排放劃分為材料物化階段、車輛運輸階段、現場施工階段，結合碳排放系數法建立了隧道建設期碳排放計量模型。以DBS隧道為案例，進行了施工碳排放計量分析，計算得到其建設期碳排放為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、二次襯砌是碳排放重點工序，水泥與鋼材是碳排放主要貢獻材料，是隧道建碳減排的重點。

2)本文通過調查研究，收集了大量數據并篩選了其中27條隧道進行了碳排放計算，通過eviews軟件對其進行線性擬合，得到了以隧道長度為自變量，隧道建設期碳排放為因變量的一元回歸方程，通過技術經濟學方法驗證了其可行性，為公路交通行業隧道建設期碳排放計算提供了依據。