隧道与地下工程节能减排低碳环保的研究和实践

中国科学院院士 孙钧

0 前 言

世界盛赞中国减排新承诺：联合国全球气候变化条约巴黎会议（2015/11/30～12/11日）召开。前夕，李克强总理访欧在会见法国总统奥朗德时，庄严宣布：在2030年之前，中国将停止碳排放量增长，2030年单位国内生产总值的CO2排放量比2005年下降60%～65%；届时低碳与可再生能源在全部能源消费中所占比重将提高到20%。这一文件并已正式提交给联合国。该项重大承诺，反映了中国应对全球气候变暖、深度参与全球环境治理、推动全人类共同发展的责任担当。

1 中国实现低碳减排目标

大力减少对煤、油等化石燃料的依赖；增加对太阳能、风能和地热能等可再生能源的开发和利用；多方面提高能源利用效率；改进城市规划和进一步发展公共交通，等等。为了贯彻落实总理的上述承诺，我们要为政府的决心和魄力大声叫好!同时，业界人仕要做到“各行各业努力以赴，尽自己的一份绵薄之力，加强宣传、呼吁，尽到我们不容推卸的责任”。对此，以下想阐明一点自己的浅识：在当前低碳经济条件下，构建资源节约、环境友好型的各类隧道与地下空间，对减少环境污染、促进地下工程建设事业全面协调地可持续发展、降低施工和运营管理成本，具有重大而积极的推动作用。

1.1 对地下空间节能环保的理解

就发展城市地铁和地下道路而言，主要体现在：在相当程度上由于可大范围地疏解地面人流和车流，使地面道路汽车尾气排放导致的城市空气污染、人车噪声污染和入夜后的光污染等，均可得到大幅度改善而起到巨大的环保效应；此外，由于地下冬暖夏凉、相对地面而言的温、湿度变化幅度都比较小而起到显著的节能效应等两大方面。这方面的节能环保效益十分可观，但目前的有效发挥却还远远不够，亟待进一步开展和完善。

1.2 对隧道照明方面的节能

主要是采用具有高功率因数的照明灯具，有如：智能LED（配置高效电子镇流器）、在隧道两侧铺设反射率高的装修材料、尽量缩短供电电缆长度以减少线路损耗、合理布置配电房的位置、集中自动化调光控制、减少洞内外亮度差等等方法；为了进一步节能，将长大隧道内的灯具分为全日灯、黄昏灯、白日灯和应急灯等几个回路进行人工或自动控制，等等。但在实际运营中进一步做好节约电能的同时，还要研究如何解决好照明节能与行车安全以及与隧道监控三者之间的矛盾统一等问题。如上所述，地下空间具有天然赋给的低碳属性，它在建筑节能、交通节能和新能源利用等各方面都具有地面建（构）筑物无可比拟的优势。可以认为，城市低碳化水平的提高，与进一步开发与利用城市地下空间的节能减排、低碳环保的发展水平关系密切，不可分割；有文章认为，城市地下空间的低碳效应是实际可定量测读得到的。其量化衡量指标在于：各类地下空间的开发利用将带来城市碳排放量的几多减少，据此可建立地下空间节能减排的量化体系和量化方法；进一步加快建立城市轨道交通能耗评价指标体系，推动低碳技术的创新和应用推广，深化节能设计的改进与完善，实现技术节能；此外，还要加强节能管理落实节能管理措施，充分发挥轨道交通节能环保的天赋优势，实现城市轨道交通可持续发展，这是一项当务之急。

2 我国工程建设节能减排工作中的若干问题（以公路隧道为例）

我国公路隧道在洞内照明、机械通风、供配电和给排水等几大项节能减排方面，诸如：降低照明能耗、节约标准煤、油等化石燃料以及减少碳排放与环境污染等领域，成绩巨大，收益卓著。但当前存在的主要问题，反映在：在节能方案实施中，成本投入往往高出产出效益“节能不节钱”矛盾突出，因而出现是否值得投资的困惑；市场上充斥打着节能旗号的伪劣产品，不少节能技术/产品未经权威机构论证，巨额投资得不到投资回报的切实保证；节能统计指标体系尚未规范化，节能减排专项资金投入缺失，相关政策法规支持不落实，节能减排工作仍停留在政府一般号召和企业自发行为的低层面，严格贯彻执行力度不足，等等。

2.1 影响节能减排的主要因素

公路隧道根据其功能定位、安全等级，所配备的通风、照明、消防、供配电、监控等机电设施，是公路隧道最主要的运营能耗；而其中，尤以通风、照明设施的能源消耗最多。在交通特点方面，包括交通流量、行车速度、交通组成、运输管理等，其对公路隧道机电设施的近、远期配置也有着重要影响，而且与运营安全密切相关。我国不同区域的经济发展水平差异比较大，对交通运输节能减排的认识程度也不尽相同、统一，这在相当程度上对公路隧道的节能减排也产生不利影响；自然条件在一定程度上影响公路隧道的节能减排，包括日照强度、海拔高度、自然风等等，其对公路隧道节能减排的影响分析，可请另见有关专门论述；此外，隧道土建结构，包括平纵线形、断面尺寸、洞门特征，甚至洞内装饰、路面材料等等，其不仅直接决定了土建工程总量，也会在一定程度上影响机电设施配置，从而对公路隧道节能减排产生影响。

2.2 提出并实施隧道节能减排的工程措施与相关技术

提高公路隧道“绿色能源”的应用比例：烟台市利用太阳能照明，采用节能灯具修建国内首座太阳能隧道——通世路隧道，每年可节约标准煤120t以上；安徽六潜高速公路狮子尖隧道，首次采用太阳能和风能发电，设计了“风光互补”离网供电系统，既节约了电能，又降低了发电设备配置成本；公路隧道照明及供配电节能成套关键技术取得突破，有如：洞外亮度L20(S)精确测试方法及洞口减光措施、基于中间视觉理论的照明设计方法、智能化照明控制技术、高效照明方式、节能光源应用、照明及供配电系统分期实施等等，并在示范工程建设中得到了应用实践；通风节能减排手段主要有：前馈式通风控制技术、双洞互补式通风技术、污染空气静电除尘技术、污染空气土壤净化技术等，不一而足；给排水节能减排措施主要有：应用消防水泵智能控制技术、使用高效节能水泵、选用强度高和摩阻小的热镀锌钢管等等；加强并完善节能管理，对于指导公路隧道节能减排具有极其重要的引导作用。

3 近年来城市轨交地铁节能低碳成效卓著

城市地铁运营成本居高不下，在票价不容调整的制约下，入不敷出，已成为地方财政的一项长期负担。但为使其今后发展为节能环保的绿色地下交通线，前景喜人，值得期待；地铁是用电负荷巨大的一头“电老虎”，其电能耗费约占全部运营成本的20%以上。其中，牵引电耗和动力照明与冷暖空调电耗是大头，而主控中心、线损和其它各种电耗也是一笔不小的数目。以上是其节能减排的重中之重；应用新技术以引领高效节能的低碳发展模式，以更好控制用电成本，并带来新的业务拓展与整合机遇，为企业带来新的利润增长点，效益空间不容小觑，是一项亟待开展的研究方向。

3.1 各地城市轨交地铁节能减排措施取得的主要成效

在车辆系统方面车辆轻量化正在实现，减少车体重量后较老年型的约可节能50%；在全电制动停车控制系统、再生制动能量利用等方面进行探索，建立在生电能吸收系统，有效利用地铁车辆制动能量，节约的能源占线路总能耗的5%～10%或以上；减小非必要的机电设备数量并控制设备运行时间，如控制变压器容量、减少非运行时段照明数量等。采用自动优化控制，节能减排效果十分显著；大面积采用LED照明等节能产品，应用和研发新型节能通风空调系统等设备，大大降低了能耗；有条件的城市，应改用新能源替代电能和化石燃料，如以太阳能、风能为照明能源、以地热能为空调提供动力等，可有效减少碳排放，利用以上各种可再生能源节约电能（这方面，部分城市地铁视条件和可能，正在探索中）；在进、出站口设置节能坡，合理设计地铁营运线路和行车密度，可最大程度地有效节约能源。以上这些措施的应用，已使一些城市轨道交通的能耗水平有了明显提高，显示出城轨节能的可行性和有效性，为今后进一步推广应用奠定了坚实基础。

3.2 城市轨交低碳发展的创新方向

逐步建立和完善能耗评价指标体系，有针对性地推动各项低碳节能技术的创新和推广应用；在牵引系统、变频空调、动力通风、相控光源等方面深化节能设计的技术改造；加强并完善节能技术管理，落实各项节能管理具体政策、措施等等。以上各点，网上稍作搜索，均见有专文详细论述，这里限于篇幅，就不赘述了。

4 隧道和各类地下空间运营期的节能减排现状

4.1 洞内照明

隧道洞口段、棚洞和垭口部位，设计“天窗”以引入自然光，利用各种反射、折射光镜将日光引入洞内，使尽多取代白天的地下人工照明；在洞内每隔若干灯具安装“漫反射”镜片，利用之前被四周吸收的光线，利用吸光、感光材料提供在晚间车辆进出洞的流量少时或应急时的发光照明，等等；隧道中段普遍采用高智能化LED灯，已普遍取代了早前传统采用的高压钠灯和荧光灯照明；在隧洞出入口加强照明段，采用无极全自动调光技术，可以视外界亮度和车流量多少，作高智能化自动调整LED灯具的照度变化；必要时与高压钠灯构成组合光源，解决冷热光源对隧道入口段的影响；应用无极灯后，设备的使用寿命可大幅增加、耗能减小，新型照明节能灯具产品在国内近年来已呈多样化，但光衰、质量和寿命的进一步完善，仍有许多改进要做；光纤导入照明，是一种引入自然光的好手段，在不须进行能量转换的情况下，经聚光元件高效采集，由传光光纤传输，将太阳光直接引入地下（上海市虹桥交通枢纽和其它多处均已成功采用）。

4.2 地铁和隧道的运营通风

分别早晚高峰期、夜间和正常运行3个时间段，采用BAS方式对地铁通风空调进行监控，并设定不同的通风方式；通过计算机设定程序作隧道通风智能控制，在突发事故和洞内塞车等特殊路段，用人工干预启动应急预案，以调节洞内通风，执行不同的通风运行模式；不只限于铁路隧道，公路纵向通风模式也可以有效利用活塞风使洞内空气（进、排风）得到更经济合理、有效地自动交换，达到节能风量的最大效果。

5 减少地下工程施工和运营期碳废与其它污染物排放对环境的影响

5.1 隧道盾构泥水处理系统节能减排和环保新技术的应用

以上海市人民路盾构掘进例，盾构泥浆废弃物的回收利用，以减少环境污染；改用天然土造浆，作泥浆处理；设备系统的可移植技术；计算机智能化浆液管理；泥浆回收综合治理；泥水处理系统的隔音防噪、全封闭取水排泥，等等。

5.2 矿山法隧道施工开挖节能环保新技术的采用

以歌乐山、大河湾等越岭隧道例，节能环保的“水压爆破”工法——在装药结构内增设了“水袋”，它与“炸药”和“炮泥”三者构成了复合装药堵塞结构，除增大爆破效率、节约炸药量外，并可减少粉尘和噪声。

5.3 隧道施工期减小对水环境的不利影响

隧道口设有蓄水、沉淀和过滤用小池子，施工废水经处理后再用；施工中的渗、涌水严禁排放到地表和下水道；如洞内渗涌水和突泥，影响当地生产、生活，要采取注浆封堵和二衬封闭，减少水土流失。

5.4 城市隧道施工的噪声控制（≤90db）和外部环境保护

轴流风机前后设置消声器和减震器；在洞内运营用射流风机的前后设置消声筒；对洞内污染、汽车尾气作集中式高空排放，洞口和风井周边的CO、CO2、NO2等废气浓度要满足环境空气质量相关标准，风塔内加装静电除尘设备；侧线隧道内加装除尘器和换气与补充新风装置，等等。

6 对隧道与地下空间照明节能技术的再认识

6.1 国内当前在地下空间运营照明中存在的一些主要问题

照明节能理念存在一定误区：隧道照明节能并非简单地选用和定时开关某些灯具，所要求的是建立在行车安全基础上的最大限度节能，决不能以牺牲交通安全为代价。如片面追求节电、省钱致一些隧道照明控制方案的随意性、主观性很大，节能与安全间矛盾突出；现有的一些隧道照明控制，使营运中节能与隧道日常交通监控间矛盾增大（如：后半夜关闭全部洞内灯具）；诸多照明设计参数有待改进和完善；照明控制方式仍较西方落后；要求有更经济合理、功效高、耐久性又好的新型节能光源——最近，经国家科学技术奖励办公室专家委员会初评：硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管项目，获国家技术发明一等奖！

6.2 在隧道照明节能技术的应用方面

6.2.1 使用照明节能控制器以开发照明节能控制系统

根据交通参数（车流量、车速）和洞外环境参数（洞外亮度），自适应调节灯具亮度；特别将进出口加强照明段的自动调光系统与洞外光照强度及车流量多少相对应，设置信号反馈装置，在保证行车安全条件下实现灯具照明度的最优控制。

6.2.2 设置洞内灯光分区（出入口段、过渡段、中间段）控制系统

特别当节假日和夜间车流量增多或减少时，作自动数据采集并能以跟踪筛选，分时段自动调整照明灯具亮度及开关灯盏数，以减少照明能耗。

6.2.3 选择合适灯具及合理的安装角度

优化处理增大顶棚和墙壁的光反射比，使隧道顶棚、墙壁和路面之间能产生多次反折射作用，可使隧道照明反射光增量系数比之未处理的约增大20%，达到节电20%以上。

6.2.4 管理维护操作规程应制定长效机制

对光源和附件进行检修尤其是检查气体放电光源的无功补偿电容有无击穿；此外，还需对照明控制装置进行调整，提高照明灯具维护系数，使照明系统始终处于良好工作状态。

7 总 结

现今，将多种相变材料掺加入建筑材料中，已在地面建筑物中制成具有一定相变功能的墙体、地板、天花板等，其蓄热性能佳好。借用这种相变储能材料于地下建筑物的围护结构，可有效增强其隔热和储热功能，提高能源利用率。其特色是：有利于减弱地下结构与岩土介质间的热流波动幅度，延迟作用时间，从而降低向地下空间内供暖、供冷等空调系统的设计负荷，节约能源成本；合理采用光纤导入照明，使密闭地下空间可获得自然光的补充；对设计有“下广场”的地下空间，通过阳光直接照射产生温室效应和热压作用，并有利于废气排泄，可设计为兼作辅助排风风井使用。提高围护墙体蓄热能力，减少地下空间的热负荷和年、月温差变化波动，改善室内环境舒适度，有利于节约地下能耗。

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[2]中国科学院学部办公室.中国科学家思想录（收录近10年来中国科学院“院士建议”文稿）[M].北京：科学出版社，2014.

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