公路隧道斜井開挖支護碳排放特性

徐建峰, 徐忠林, 郭 春, 袁 坤, 董海疆, 楊小兵, 楊永鵬, 田 野, 陳昱圻

(1. 國網成都供電公司電纜運檢中心, 四川 成都 610041; 2. 西南交通大學土木工程學院, 四川 成都 610031)

0 引言

隨著公路隧道行業的快速發展,自2009年以來中國公路隧道里程年均增長超過1 000 km[1]。然而,大規模的基礎設施建設導致能源資源消耗巨大,大量溫室氣體排放給環境保護造成沉重負擔。有研究表明,隧道修建過程的碳排放明顯高于其他交通設施建設[2]。

很多專家、學者對隧道行業碳排放進行了計算和分析。Huang等[3-4]報道了挪威公路隧道的環境效應,首次分析了隧道長度和開挖斷面面積對鉆爆法施工隧道環境效應的影響。徐建峰等[5]建立了隧道構件生產、運輸和安裝施工階段的碳排放計算模型,明確了上游建材生產對隧道施工碳排放的影響路徑。Guo等[6]首次分析了圍巖級別對隧道碳排放的影響,并采用生命周期評價方法,計算了某公路隧道在材料生產運輸、施工和運營維護階段的碳排放。陳靈均[7]引入了交通仿真模型和機動車尾氣排放模型,分析了隧道運營期路面交通碳排放特性。文獻[8]回顧了現有隧道施工碳排放計算方法,計算了某隧道施工階段各工序的碳排放水平。Xu等[8-9]發現了圍巖條件對隧道施工碳排放的重要影響以及不同圍巖條件下隧道施工碳排放的躍遷規律,并首次明確了影響隧道施工碳排放的若干因素,包括埋深、材料質量、開挖方法和圍巖級別等。

現有研究已經對隧道主洞的碳排放特性進行了大量分析[10-12],而隧道斜井的碳排放特性卻鮮有文獻報道。隧道斜井是長隧道施工的重要輔助坑道,對縮短項目工期、加快施工進度有重要作用。本文將依托工程案例分析公路隧道斜井施工碳排放特性,明確不同工序施工的碳排放水平,探明斜井坡度和長度對開挖和出渣碳排放的影響規律。

1 工程概況

某隧道地處秦嶺山區,采用雙向6車道設計。隧道主體雙向長度為7 018 m,設計速度為80 km/h。設立2條斜井作為施工進洞通道和后期救援逃生通道,斜井采用永久性支護設計。斜井斷面面積為61.02 m2,洞寬10.0 m,坡度為9°,長1 500 m,圍巖以Ⅳ級和Ⅴ級為主,使用鉆爆法開挖。本研究中斜井施工工序包含超前支護、隧道開挖、初期支護和二次襯砌。Ⅳ級和Ⅴ級圍巖斜井每延米工程量數據如表1和表2所示。

表1 Ⅳ級圍巖斜井每延米工程量Table 1 Work quantity of inclined shaft in Grade Ⅳ surrounding rock

表2 Ⅴ級圍巖斜井每延米工程量Table 2 Work quantity of inclined shaft in Grade Ⅴ surrounding rock

2 斜井施工碳排放研究方法與數據

2.1 斜井施工碳排放研究目標與范圍

碳排放是各類溫室氣體排放的簡稱。溫室氣體包含二氧化碳、氧化亞氮、甲烷、六氟化硫、氫氟碳化物和全氟化碳等,將其造成溫室效應的能力歸一為二氧化碳當量(CO2eq)[13]。施工碳排放分為直接碳排放和間接碳排放,前者報告實體擁有或控制直接排放,涵蓋隧道施工現場各類化石燃料燃燒帶來的排放; 后者是報告實體活動的結果,但是由另一個實體完成排放過程,具體包括上游材料生產、加工、運輸和使用外購電力、熱能帶來的碳排放[14]。在施工設備生產、安裝和拆除過程中的碳排放不在研究范圍內。本文研究范圍涵蓋了直接碳排放和間接碳排放。

2.2 斜井施工碳排放清單分析

斜井施工碳排放清單數據分為2部分: 前景數據和背景數據[13]。前景數據是指直接測量或從源頭直接測算中獲得的單位過程、活動的定量值,包含各類材料和能源的消耗量。將每米斜井工程量數據代入JTG/T 3832—2018《公路工程預算定額》,獲得對應工程量的材料和機械臺班投入量。同時,JTG/T 3833—2018《公路工程機械臺班費用定額》中涵蓋了各類施工機械單位臺班的能源消耗數據,進而可獲取對應工程量的材料和能源清單。背景數據是指由間接測算得到的單位過程的量化值。排放因子是一種背景數據[15],可按照文獻[8]的碳排放因子取值。

本文采用排放系數法計算公路隧道開挖碳排放,并將碳排放源劃分為建筑材料、運輸機械與工程機械。

1)建筑材料的碳排放Em計算見式(1)。

(1)

式中:i為材料類別;efi為材料i的排放因子;mi為材料i的消耗量。

2)運輸機械的碳排放E0計算見式(2)。

(2)

式中:k為機械類別;efk為機械k所用燃料的排放因子;vk為機械k單位時間的燃料消耗量;nk為機械k的工作時間。

3)工程機械的碳排放Et計算見式(3)。

(3)

式中:j為車輛類別;efj為車輛j所用燃料的排放因子;vj為機械j單位時間的燃料消耗量;nj為車輛j的工作時間。

最終將材料生產、運輸機械和施工機械的碳排放累加,即可得到每延米斜井開挖支護的碳排放數值。表3中包含一些碳排放計算的基本參數和假設,以便獲取單元工序中的碳排放清單數據[15]。Ⅳ級和Ⅴ級圍巖斜井施工材料能源消耗數據如表4所示。

表3 材料運輸與采集加工假定Table 3 Assumption for material transportation, collection, and processing

表4 每延米Ⅳ級、Ⅴ級圍巖斜井施工的材料能源消耗Table 4 Consumption of materials and energy per meter of inclined shaft in Grades Ⅳ and Ⅴ surrounding rocks

表4(續)

3 斜井施工碳排放分析

3.1 各類材料、能源的碳排放

不同材料和能源的碳排放數值如圖1所示。Ⅳ級和Ⅴ級圍巖斜井施工碳排放分別為17.95 tCO2eq和27.00 tCO2eq。盡管Ⅳ級和Ⅴ級圍巖斜井施工碳排放總量有較大差距,但各類材料和能源的碳排放占比卻較為接近。其中,水泥碳排放占比超過40%,鋼鐵碳排放占比超過32%,電力碳排放占比超過13%,柴油碳排放占比超過7%。上述材料、能源的碳排放合計超過90%,對斜井施工碳排放具有控制性作用。

圖1 不同材料和能源的碳排放Fig. 1 Carbon emissions from different materials and energy

3.2 施工工序碳排放

斜井各個施工工序的碳排放水平如圖2所示。對于Ⅳ級圍巖,碳排放最高的3個工序分別為砂漿錨桿(3.51 tCO2eq)、二次襯砌拱墻(2.82 tCO2eq)和噴射混凝土(2.63 tCO2eq);而Ⅴ級圍巖碳排放最高的3個工序分別為噴射混凝土(4.45 tCO2eq)、型鋼(4.10 tCO2eq)和二次襯砌拱墻(3.51 tCO2eq)。金屬網和連接鋼筋的碳排放最小,小于0.45 tCO2eq。

圖2 不同工序碳排放Fig. 2 Carbon emissions from different procedures

相較于Ⅳ級圍巖,Ⅴ級圍巖施工工序的碳排放多數出現了增長。型鋼碳排放增幅最為顯著,從1.34 tCO2eq增加到4.10 tCO2eq,增幅達到206%。而噴射混凝土碳排放增量為1.82 tCO2eq。此外,二次襯砌拱墻、仰拱,連接鋼筋、開挖與出渣等工序都出現一定幅度增長。各工序碳排放變化與表1和表2中的工程量大小相對應。而Ⅳ級圍巖砂漿錨桿碳排放量較高,原因在于其包含了超前支護和初期支護2部分使用的砂漿錨桿的碳排放。

4 斜井長度和坡度對開挖、出渣碳排放的影響

4.1 影響因素與碳排放清單數據

實際斜井長度和坡度常發生變化,因此本研究將進一步分析斜井坡度和長度改變對開挖和出渣碳排放的影響。斜井坡度選取7°、9°、12°和25°,斜井長度選擇1 500、1 700、1 900、2 100、2 300、2 500 m。當斜井長度為1 500 m,不同坡度下開挖100 m3土石消耗的機械臺班數量如表5所示。根據《公路工程預算定額》,當斜井長度在1 500 m以上,長度每增加100 m,不同坡度下斜井開挖100 m3土石消耗的額外機械臺班數量如表6所示。

表5 斜井開挖機械臺班數量Table 5 Amount of machine-team for excavation of inclined shaft

表6 斜井開挖額外機械臺班數量Table 6 Amount of additional machine-team for excavation of inclined shaft

不同坡度下,斜井出渣的機械臺班和運輸方式也將發生變化。坡度為7°、9°和12°時,斜井出渣采用無軌運輸,而當12°<坡度≤25°時,采用有軌運輸,每100 m3土石斜井出渣機械臺班數量如表7所示。表8中列舉了不同施工機械的單位臺班能耗數據。

表7 每100 m3土石斜井出渣機械臺班數量Table 7 Amount of machine-team for 100 m3 stone transported from inclined shaft

表8 各類施工機械單位臺班能耗Table 8 Energy consumption per machine-team of different machinery

4.2 斜井坡度對施工機械開挖碳排放的影響

設定斜井長度為1 500 m,計算不同斜井坡度洞內開挖的機械碳排放,如圖3所示。當坡度為7°、9°和12°時,機械開挖工序中機械碳排放隨坡度增加上升。而當坡度從12°變為25°時,斜井施工機械碳排放強度下降。這一變化趨勢與電動空壓機機械臺班數量變化規律一致。當坡度小于12°時,開挖土石所消耗的電動空壓機臺班數量隨著坡度增大而增加,在坡度達到25°后,開挖土石所消耗的電動空壓機臺班數量下降。根據表5、表6中機械臺班數量和表8中機械臺班能耗水平,20 m3/min電動空壓機機械臺班數量的升降對斜井開挖的碳排放水平具有重要影響。

圖3 不同坡度斜井開挖機械碳排放Fig. 3 Carbon emissions from excavation of inclined shaft with ditlerent slopes

4.3 斜井坡度對洞內出渣碳排放的影響

圖4中展示了每延米斜井洞內出渣碳排放情況。由圖可知,洞內出渣碳排放值介于0.37～0.69 tCO2eq,其中Ⅴ級圍巖洞內運渣的碳排放數值略高于Ⅳ級圍巖。與斜井開挖工序碳排放類似,隨著坡度從7°增加到12°,斜井出渣采用輪胎式裝載機和自卸汽車的無軌運輸組合,出渣碳排放隨坡度增加呈現上升趨勢; 而當斜井坡度超過12°時,運輸方式轉變為有軌運輸,運輸機械采用梭式礦車和絞車,斜井坡度為25°時的出渣碳排放較坡度為12°時大幅下降。總的來看,斜井洞內出渣碳排放水平較低,對施工碳排放影響有限。

圖4 不同坡度斜井洞內出渣碳排放Fig. 4 Carbon emissions from mucking in inclined shaft with different slopes

4.4 斜井長度對開挖、出渣碳排放的影響

計算不同斜井長度的開挖和出渣碳排放,結果如圖5所示。斜井開挖及出渣的碳排放與斜井長度成正比關系。斜井長度每增加100 m,開挖和出渣的碳排放增加0.15～ 0.2 tCO2eq。

(a) Ⅳ級圍巖

(b) Ⅴ級圍巖圖5 不同斜井長度的開挖與出渣碳排放Fig. 5 Carbon emissions from excavation and mucking of inclined shaft with different length

5 結論與建議

1)圍巖級別是影響斜井施工碳排放的關鍵因素。對于開挖面積分別為80.5 m2和87.8 m2的Ⅳ級和Ⅴ級圍巖,斜井施工碳排放分別為17.95 tCO2eq和27.00 tCO2eq。

2)對于Ⅳ級圍巖,碳排放最高的3個工序分別為砂漿錨桿(3.51 tCO2eq)、二次襯砌拱墻(2.82 tCO2eq)和噴射混凝土(2.63 tCO2eq),而Ⅴ級圍巖排放最高的3個工序分別為噴射混凝土(4.45 tCO2eq)、型鋼(4.10 tCO2eq)和二次襯砌拱墻(3.51 tCO2eq)。

3)在各類材料及能源中,水泥碳排放占比超過40%,鋼鐵碳排放占比超過32%,電力碳排放占比超過13%, 柴油碳排放占比超過7%。上述材料、能源對斜井施工碳排放具有控制作用。

4)當斜井長度超過1 500 m,開挖及出渣工序的碳排放呈線性增長; 斜井長度每增加100 m,斜井開挖、出渣工序碳排放增加0.15～0.2 tCO2e。每延米斜井洞內出渣碳排放數值較小,介于0.37～0.69 tCO2eq;在斜井坡度超過12°時,采用有軌運輸方式出渣較汽車運輸更加低碳。

5)隨著圍巖級別上升,鋼架和噴射混凝土的碳排放增加尤為明顯。可通過優化鋼架斷面設計、采用高性能噴射混凝土、核減噴射混凝土厚度等措施減少材料投入。斜井施工中,部分機械單位臺班能耗數值較大,以電動空壓機為例,其機械臺班數量變化對斜井開挖碳排放具有較大影響,建議完善大功率施工機械管理制度,縮短非必要的機械運轉時間。

實際機械臺班消耗量與定額值的差異、超挖回填增加的噴射混凝土消耗量對斜井施工碳排放產生的影響不可避免。因此,采用定額計算施工碳排放的方法雖具有代表性,但其得到的碳排放與實際結果存在一定誤差。在后續研究中將繼續完善計算方法,根據施工組織機械配置、進度指標、超挖預留變形等信息調整機械臺班消耗量,使得施工碳排放計算結果更加可靠。