基于中点模型的北京地铁暗挖车站建设期环境影响评价

刘明辉,李 磐,黄晓栊,贾思毅

(北京交通大学城市轨道交通研究中心,北京,100044)



基于中点模型的北京地铁暗挖车站建设期环境影响评价

刘明辉,李 磐,黄晓栊,贾思毅

(北京交通大学城市轨道交通研究中心,北京,100044)

摘 要:以地铁暗挖车站建设期为研究对象,以生命周期评价为基本方法,基于中点模型中的环境影响科学中心方法,选取全球变暖(GWP)、酸化(AP)、水体富营养化(EP)、非生物资源消耗(ADP)、人体毒性(HTP)、光化学烟雾(POCP)六个中点环境破坏类型,根据地铁暗挖车站的特点,确定地铁车站建设期的目的与范围,建立地铁暗挖车站建设期环境影响评估模型.通过对实际工程的环境影响实例分析发现,二次衬砌在车站主体结构建设期的环境影响中占50%以上;地铁暗挖车站建设期内,各环境影响因素从大到小依次为GWP、AP、POCP、EP、ADP和HTP.研究成果为地铁车站建设期的节能减排工作提供了有力的数据支持.

关键词:暗挖地铁车站;生命周期评价;中点模型;环境影响评价;节能减排

国家“十三五规划”指出[1],要推进交通运输低碳发展,实行公共交通优先,加强轨道交通建设.然而,地铁车站的建设过程消耗了大量的材料和能源,并对环境产生了很大影响.如何量化评价这一过程中的环境影响目前尚未见相关研究.

生命周期评价(life cycle assessment,LCA)是目前被广泛应用的环境评价方法,针对不同的影响类型,国内外学者开发了不同的评价体系,主要分为面向问题(中点模型,mid-point model)的方法和面向结果(终点模型,end-point model)的方法两类[2].中点模型将清单结果转化为一系列影响类型,如气候变化、资源消耗等,它对环境影响评价终止于环境机制中的中间环节,代表方法有IMPACT2002+、CML2001、EDIP(97、2003)、Eco-indicator95等;而终点模型则是模拟由清单分析后的结果造成的环境破坏,例如对人类健康造成的损害及对生态系统的环境破坏等,是将环境影响的评价量化至环境影响机制的最末端,代表方法有Eco-indicator99、EpS2000、Eco-scarcity97、LIME2003等.例如,二氧化碳气体排放引起全球变暖属于mid-point模型研究范畴,全球变暖最终导致人类健康损伤属于endpoint模型研究范畴[3].

本文作者在综合分析国内外土木工程相关领域LCA研究的基础上,建立了城市轨道交通暗挖车站建设期环境影响计算模型,并结合北京某地铁暗挖车站的实例分析,通过计算全球变暖(GWP)、酸化(AP)、水体富营养化(EP)、非生物资源消耗(ADP)、人体毒性(HTP)、光化学烟雾(POCP)六个中点环境破坏类型的排放因子,对暗挖地铁车站建设期的环境影响进行了评价.

1 地铁建设期环境影响评价模型

1.1 LCA技术框架

国际标准化组织(ISO)对LCA进行了定义:LCA是对产品系统在整个生命周期中的(能量和物质的)输入输出及其潜在的环境影响的汇编和评价.基于ISO 14040系列标准,生命周期研究可分为4个阶段,分别为目的和范围的确定、清单分析、影响评价及结果解释[4-6].

1.2 CML模型

CML模型是荷兰莱顿大学环境研究中心在20世纪90年代所报道的一种方法[7].该方法将环境影响的类别分为三大类:材料和能源(ADP、生物资源BDP)的消耗,污染(GWP、臭氧层耗竭ODP、 POCP、HTP、生态毒性FAETP、AP等)和损害.该模型基于传统的生命周期评价中的特征化及标准化所采用的方法,减少了人工确定模型的假设的数量和不易于操作的问题.CML模型在生命周期影响评价中实践时间长、应用广泛、发展成熟,而且能够客观明确地给出产品对目前所关注的重要环境问题的影响.CML模型中各类环境影响指标所对应的环境影响因素如表1所示.

表1 指标影响因素Tab.1 Indicators influencing factors

1.3 范围界定

城市轨道交通暗挖车站土建工程施工期的环境影响主要包括以下两部分:

1)城市轨道交通暗挖车站土建工程中所用建材物化过程的环境影响;

2)城市轨道交通土建工程施工过程机械产生的直接和间接的环境影响.

1.4 CML地铁车站建设期环境影响评价模型

本文以工程建设单元工序为基本单位,构建单元工序的环境影响清单.利用单元工序清单组合为分部分项工程清单,再通过分部分项工程的集成来计算出建设期环境影响量.各单元过程包括材料和施工机械两部分,各单元工序环境影响计算为

自2000年以来,经济型双相不锈钢已成为双相不锈钢的发展方向.经济型双相不锈钢主要通过N,Mn代替Ni,Mo来降低成本,其中2101经济型双相不锈钢是典型代表[4].但已有的经济型双相不锈钢热加工难度大、薄板延伸率低,基于此,一种具有相变诱导塑性(transformation induced plasticity,TRIP)效应[5]的经济型双相不锈钢被开发出来,其热加工性能优于已有经济型双相不锈钢.本工作的研究对象Fe-21Cr-3Ni-1Mo-N便是上海宝钢公司设计并开发的具有TRIP效应的经济型双相不锈钢.

式中:Ci为单元工序i的环境影响;pmj为单元工序m消耗的第i种材料的用量,可以通过工程量清单获得;qvk为单元工序m第k种机械的台班,可以通过机械清单获得;Cmj为第j种材料的单位环境影响;Cvk为第k种机械的单位环境影响,通过下式确定.

式中:rvk表示第k种机械单位台班的能耗(电、柴油、汽油),Es为该种能源的环境影响.

地铁车站土建工程建设期的环境影响主要来源于两个阶段:建材物化阶段和施工阶段.地铁暗挖车站土建工程建设期环境影响公式如下.

式中:Qn表示第n项环境影响的总值.

CML模型的必选步骤为分类、特征化、标准化.分类即将清单分析中得出的污染排放、能源消耗等分成9种影响类型.之后进行特征化,将每一个环境影响类型中的影响因子采用统一单位进行换算,再用某一当量单位来表示.最后进行标准化,将上述结果转化为环境影响标准值,并进行比较.特征化所采用的公式如下:

式中:EI(t)为第t种环境影响值;Qtj该种环境影响指标的第j种影响值;Ftj为特征化因子.

标准化采用的公式如下

式中:N(t)为第t种环境影响标准化基准值; NEI(t)为第t种环境影响标准值.

1.5 施工流程

随着浅埋暗挖法的施工技术愈来愈成熟,其在城市轨道交通工程的应用愈来愈广泛.在对大量隧道施工经验进行总结的基础上,国内设计人员提出了具有自主特色的施工方法,使得暗挖法大受青睐[8-10].总体施工流程为:

围护结构施工→管井降水→竖井施工→横通道开挖和支护→主体导洞开挖→施工小导洞→在小导洞内施作洞桩(钻孔桩)、桩顶冠梁、边拱格栅和导洞回填→施工断面上部初支和二衬(扣拱)→开挖下部土体至底板→顺作底板和边墙→施工内部结构等.

车站主体结构施工流程主要有四步:超前支护、暗挖土方、锚喷支护和二次衬砌.

1.6 参数获取

在地铁暗挖车站施工阶段,施工机械消耗电能、汽油、柴油.搜集整理得到各能源的环境影响Es清单如表2.

表2 常用机械耗能的环境影响Es清单[10]Tab.2 Environmental impact list of commonly used mechanical energy dissipation

建材的环境评价主要考虑建筑材料在其开采生产加工过程中消耗的能源、资源和排放的污染物.本文研究的地铁暗挖车站建设期内建造材料包括各种强度等级的混凝土、各类钢材,水泥等.常用钢材、混凝土的环境影响C钢材、C混凝土见文献[11-12].

2 地铁暗挖车站建设期环境影响评价

以北京地铁8号线某暗挖车站为例,讨论其建设期对环境的影响.该车站为地下两层直墙三联拱岛式车站,全长225.8 m,总宽21.1 m,拱顶覆土厚度约为8.9 m,底板埋深约25 m.采用暗挖PBA工法,逆筑施工.整体施工图纸见图1.

对车站工程量清单进行数据分析可知,车站主体结构主要有:①暗挖土方,②超前支护,③锚喷支护,④二次衬砌四部分组成.车站主体结构原始工程量清单如表3所示.

表3 车站主体单元工序汇总表Tab.3 Station major structure unit process engineering quantity

以管棚为例,管棚的机械耗能环境影响部分的定额子目见表4,各机械台班费用定额见表5,将表4和表5乘以对应的管棚工程量,得到车站主体工程中管棚制作的能源能耗为电消耗27 000 km·h,钢管消耗494 t.

表4 车站管棚定额子目表[13]Tab.4 Station of pipe shed quota items table

表5 车站主体管棚建材与机械能源能耗消耗清单Tab.5 Major structure pipe shed building materials and mechanical energy consumption list

分部分项工程均可以通过上述步骤的整理得到对应的清单,乘以工程量因子则可得到各单位工序的能源消耗和材料消耗见表6.

表6 车站主体单元工序工程量清单Tab.6 Station major structure unit process engineering quantity list

由工程量清单和环境影响清单,可分别对车站主体的暗挖土方、超前支护、喷锚支护、二次衬砌的环境影响进行计算,标准化后得到如表7和图2的环境影响结果.

表7 车站主体建设期环境影响Tab.7 Environmental impact of the construction period of the major structure 人-1a-1

从表7可看出,二次衬砌的六类环境影响指标均较大,占该项影响指标的50%以上,这是由二次衬砌的工程量所决定的,暗挖土方的工程量虽然较大,但工程主要是综合工日的环境影响,材料环境影响较小,目前尚无对综合工日的环境影响清单分析,因此暗挖土方的环境影响是四项单位工序最小的.

超前支护的工程量清单均涉及材料和机械两方面的环境影响,两个单位工序的机械能耗基本相同,且从数量级来看均大于材料,但超前支护的材料清单以钢管为主,喷锚支护则以钢筋和混凝土为主,从图2六类环境影响指标来看,喷锚支护的环境影响均大于超前支护,可见材料在车站主体工程的环境影响占了很大比重,且材料中钢筋和混凝土的比重大于钢管.

同一单位工序,不同环境影响指标下的比重不同:二次衬砌对全球变暖GWP环境影响比重最大,而对水体富营养化EP的影响比重相对较小.暗挖土方工序中全球变暖GWP的环境影响虽然极小,但对非生物资源消耗ADP和水体富营养化EP的影响较大,分析工程量清单可知柴油消耗最直接的环境影响是ADP与EP.

3 结论与展望

1)结合生命周期评价理论,建立了地铁暗挖车站土建工程建设环境影响计算模型,并根据模型需要建立了城市轨道交通土建工程建设相关的材料、机械、能源输入输出清单数据库;借鉴工程造价概预算定额思想,建立了地铁暗挖车站土建工程环境定额清单,用以计算各分部分项工程的定额环境影响.

2)在CML模型中的环境影响类型中,地铁车站建设期车站主体结构施工对环境影响的大小依次为:GWP最大,AP次之,之后是POCP、EP、ADP,HTP为影响最小的环境类型.

本文计算中所涉及的能源、建材、机械输入输出清单系数等基础数据多来源于其他学者的相关研究,研究时间、地域条件等不完全相同.鉴于生命周期评价环境影响具有鲜明的地域性和时效性,目前迫切需要建立一套适用于中国特点的统一公认基础数据库.

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Environmental impact assessment based on mid-point model of excavated metro station in Beijing

LIU Minghui,LI Pan,HUANG Xiaolong,JIA Siyi
(Urban Rail Transit Research Center,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

Abstract:Based on the theory of(life Cycle Assessment,LCA)and the mid-point model,the method of centre of environmental science(CML)is chose to evaluate the environmental impacts of construction in urban rail transit by considering global warming(GWP),acidification(AP),eutrophication(EP),non-living resources consumption(ADP),human toxicity(HTP),photochemical smog(POCP)as the evaluation index.Therefore,a new model for assessing the environmental influences of construction in urban transit station by introducing the construction characteristics of urban rail transit station which is built by undercutting method.Finally,an urban rail transit station in Beijing is evaluated by the model and the results show the proportion of the environmental impacts of secondary structure in the major structure is more than 50%in the total impacts.The environmental impacts of the evaluation index from large to small are as follows:GWP,AP,POCP,EP,ADP and HTP,which provide support for energy saving and emission reduction in the construction period of urban rail transit station.

Key words:excavated subway station;life cycle assessment;environmental impact assessment; mid-point model;energy-saving and emission reduction

作者简介:刘明辉(1979-),男,天津市人,讲师,博士.研究方向为城市轨道交通环境影响评价.email:mhliu09@bjtu.edu.cn.

基金项目:中国科学技术协会基金项目(2015XSFWHD)

收稿日期:2015-10-12

DOI:10.11860/j.issn.1673-0291.2016.01.019

文章编号:1673-0291(2016)01-0118-06

中图分类号:TU528.2

文献标志码:A