广州地铁盾构隧道建设期碳排放强度与减排潜力研究

陈坤阳, 段华波, 张 怡, 周雯雯, 陈湘生, *

(1. 深圳大学土木与交通工程学院未来地下城市研究院， 广东 深圳 518061；2. 滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室(深圳大学)， 广东 深圳 518060；3. 深圳市地铁地下车站绿色高效智能建造重点实验室， 广东 深圳 518060)

0 引言

应对全球变暖是当今全球的焦点问题，“十四五”规划提出： 力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。“双碳”目标的实施对于促进我国经济社会发展或全面绿色转型、建设人与自然和谐共生的现代化具有重大战略意义。交通领域是温室气体排放的重要领域，现已成为我国能源消费、影响城市空气质量和碳排放增长的主体[1]。交通领域(含私人汽车)的碳排放约占全国碳排放总量的10%，约为终端排放比例的17%[2]。为应对气候变化，我国高度重视公共交通的发展，并规定主要城市的公共交通乘客分担率应达到30%[3]。

地铁系统作为一种大容量、高准时性的公共交通方式，在缓解城市交通拥挤和提升城市公共出行便利度中发挥着重要的作用。“十三五”期间，我国地铁建设数量激增，全国总运营里程从2 658 km(26个城市)增加到6 280.8 km(45个城市)[4]。同时，地铁也被贴上了更清洁的通勤模式标签，低碳排放已经成为其主要特征之一。Li等[5]通过对比乘客地铁通勤与其他通勤模式的碳足迹，证实了地铁在减少温室气体排放方面的作用； 研究表明，地铁系统运营阶段的温室气体排放占整个生命周期的80%以上。然而，地铁系统基础设施在建设过程中造成了资源能源的大量消耗，其产生的碳排放不容忽视。地铁系统现有相关的研究主要集中在运营阶段，Chaturvedi等[6]研究表明城市轨道交通可使交通运输业能耗下降5%～20%，以及碳排放下降8%～49%； 曾雪兰等[7]基于生命周期理论，对比分析了广佛二期地铁与出租车、私人载客汽车、公交车、私人摩托车4种客运交通工具的能源利用效率、能源强度和碳排放强度。

目前，针对地铁系统基础设施建设的研究相对较少，主要集中在以下4个方面： 1)从国家和地方层面探究地铁的环境影响。在国家层面，陈坤阳等[8]基于生命周期评价理论构建了地铁生命周期碳排放评价方法，并对全国地铁建设和运营阶段的碳排放总量进行了量化分析； 在城市层面，Del等[9]基于全生命周期理论，对罗马市区地铁从材料获取到寿命结束的能源消耗和废气排放进行了估算和评价； Liu等[10]预测了福州市地铁规划线路建设的温室气体排放，并通过计算地铁车站的温室气体排放投资回收期评估站点碳效率。2)从地铁特定项目及阶段探究环境影响[11]。Chang等[12]基于生命周期评价理论量化了轨道交通基础设施建设阶段的环境影响，研究指出其80%的碳排放源于建材生产过程； 贺晓彤[13]建立了自上而下的工作分解框架及地铁车站土建阶段碳排放清单，核算了地铁车站建设期间的碳排放量； Liu等[14-15]提出了基于定额的地铁车站建设温室气体排放量化模型，指出约69%的温室气体排放来自主体结构，随后又对地铁车站明挖与暗挖方案做出了比较。3)从减排角度探讨地铁建设阶段的碳减排潜力。郜新军[16]定性讨论了实现地铁建设碳减量化所能采取的措施； 皮膺海[17]基于案例定量分析了采用新型施工技术可实现的减排效益； 黄旭辉[18]对地铁地下空间基础设施物化阶段的环境影响进行了研究，指出建材生产阶段碳排放量占物化阶段碳排放总量的70%以上，并从使用再生建材的角度对基础设施物化阶段的减排潜力进行了分析，但并未考虑清洁新能的减碳潜力； Liu等[19]探究了地铁车站预制构件的温室气体减排潜力，指出通过优化结构和降低损耗率可使碳排放量下降约14%； Liu等[20]则从生态学视角对地铁基础设施的低碳建设进行了探讨。综上可知，针对地铁建设阶段的研究，存在系统边界不统一、数据清单不够全面等问题，同时缺乏对碳减排方面的探讨。而明确完整的系统边界，建立更为全面的数据清单，从宏观尺度探讨未来地铁建设的碳排放水平及其减排潜力与发展策略是低碳转型的前提。

为此，本研究首先采用LCA方法开展地铁盾构隧道建设期碳排放评价工作； 其次，以广州市典型地铁盾构为例，对地铁盾构隧道建设阶段进行量化分析； 最后，采用情景分析法，基于宏观尺度预测未来地铁盾构隧道建设的碳排放水平并探究其碳减排潜力。研究结果以期为制定地铁系统低碳发展策略、促进交通领域绿色低碳转型特别是“双碳”战略目标的实现提供科学依据。

1 盾构隧道碳排放评价方法

生命周期评价(life cycle assessment, LCA)用以评估整个产品系统从原材料开采到最终处理全过程相关环境影响的定量化分析方法[21]。该方法可用于评估交通领域管理过程的资源能源消耗、环境影响及效益。开展生命周期评价研究主要包含4个阶段： 1)目标和范围的确定； 2)清单分析； 3)影响评估； 4)结果解释。本研究采用LCA方法，选取二氧化碳排放当量(CO2equivalent，CO2e)作为环境影响评价指标，以地铁盾构隧道建设阶段土建工程为研究对象，采用LCA方法开展地铁盾构隧道建设阶段碳排放评价工作，对其生命周期碳排放进行定量化分析，并对估算过程中的基础数据和指标参数进行持续修正，以及对评价结果的科学性和合理性进行解释。

1.1 目标与范围确定

本研究遵循ISO 14040[22]和ISO 14044[23]的规定，选取碳排放作为环境影响指标，旨在采用LCA方法评估地铁盾构隧道在建设阶段土建工程的环境影响。地铁盾构隧道建设阶段的系统边界包括以下3个子阶段(如图1所示)： 1)建材及预制管片生产阶段，包括建材或预制管片的隐含碳排放，即从原材料开采、运输、生产到形成最终建材制品或预制管片整个过程中因资源、能源消耗和污染物排放所产生的直接或间接碳排放； 2)运输阶段，包括将建材或预制管片从生产地或预制厂运送到施工现场的过程，交通运输工具因燃料消耗而产生的直接或间接碳排放； 3)施工和安装阶段，包括施工机械设备使用过程中能源(如汽油、柴油、电力)消耗所产生的碳排放(化石能源使用的直接排放、电力上游生产产生的间接排放)。地铁盾构隧道的物化边界主要包括主体工程(隧道主体、中间风井)和附属工程(联络通道、端头加固工程)。此外，为了消除区间长度的影响，使典型地铁盾构隧道的不同案例具有可比性，选取单位盾构隧道建设里程(1 km)为功能单位。

图1 地铁盾构隧道建设阶段系统边界Fig. 1 System boundary of metro shield tunnel construction phase

1.2 碳排放核算方法

地铁盾构隧道建设阶段的碳排放总量(Cetotal)为建材及预制管片生产、运输及施工和安装阶段的总和，如式(1)所示：

Cetotal=CeM+CeP+CeT+CeC。

(1)

式中：Cetotal为地铁盾构隧道建设阶段的碳排放总量，kgCO2e；CeM为建材生产阶段的碳排放量，kgCO2e；CeP为预制管片加工成型阶段的碳排放量，kgCO2e；CeT为运输阶段的碳排放量，kgCO2e；CeC为施工和安装阶段的碳排放量，kgCO2e。

1.2.1 建材及预制管片生产阶段

交通基础设施如地铁盾构隧道建设过程需要消耗大量建材及预制管片，该阶段的碳排放可以分为2类： 1)施工现场所有投入建材的碳排放，即各类建材的消耗量乘以相对应的碳排放因子之和，计算方法如式(2)所示； 2)施工现场投入预制管片的碳排放，即建材生产、运输及预制管片加工成型过程的碳排放之和，计算方法如式(3)所示。

(2)

式中：Mi为第i种主要建材消耗量(单位为kg、m3、m2、m)；Ei为第i种主要建材的碳排放因子(kgCO2e/单位，单位指建材或能源消耗标准量的名称)；φi为第i种主要建材损耗率；n为建材类型。

值得注意的是，所选主要建材的总质量不得低于设施中所耗建材总质量的95%，质量比小于0.1%的建材可不计算。

(3)

式中：Uj,i为第j型管片的第i种建材消耗量；m为管片的类型；Qj,k为加工第j型管片时第k种能源的消耗量；Ek为第k种能源的碳排放因子；c为能源类别。

1.2.2 运输阶段

运输阶段的碳排放可以分为2类： 主要建材运输和预制管片运输过程的碳排放，如式(4)所示。

(4)

式中：Di,l或Dj,l为第i种建材或第j种预制管片采用第l种方式运输的平均运距，km；El为第l种方式运输下，单位质量运距的碳排放因子，kgCO2e/(t·km)；b为运输方式(交通工具)的种类，包括货车运输、铁路运输、货船运输等。

1.2.3 施工和安装阶段

地铁盾构隧道施工和安装阶段根据工程部位分为主体工程(隧道、风井)和附属工程(联络通道、洞门、端头加固)2部分，其碳排放量可以表示为各类施工机械在使用过程种所消耗的能源(如汽油、柴油、电力)与相对应能源碳排放因子的乘积，如式(5)所示。

(5)

式中：Ti为第i种施工机械台班消耗量；Ri为第i种单位施工机械台班的能源用量；n为施工机械类型。

1.3 数据清单分析

选取广州市典型地铁盾构隧道建设为案例，该隧道双线全长3 754 m，预制管片选用外直径6 m、厚0.3 m、宽1.5 m的C50混凝土管片。隧道穿越的地层以可塑粉质黏土和硬塑状粉质黏土为主，局部为砾岩类中风化带和微风化灰岩，为了满足不同工况盾构施工情况，采用土压泥水双模式平衡盾构掘进。工程主要包括主体工程和附属工程，其中主体工程包括隧道主体和兼作盾构始发井的明挖中间风井(80 m×24.6 m×20 m)； 附属工程有4个联络通道和端头加固工程。通过实地调研、半结构化访谈以及案头调查法获取清单数据。其中，建材、预制管片类型及消耗量、运输距离等投入产出清单数据通过分部分项工程量清单和资料文献获取，见表1—2； 施工和安装阶段的机械台班消耗量和单位台班能源消耗量参考《广东省城市轨道交通工程综合定额(2018)》和《广东省建设工程施工机具台班费用编制规则(2018)》，见表3。此外，考虑到地域性特征，各类建材、交通运输工具和能源消耗相关的碳排放因子，主要源于中国生命周期基础数据库(Chinese life cycle database，CLCD)、GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》以及部分文献资料，见表1和表4—5。

表1 建材及预制管片生产阶段物料消耗清单Table 1 List of resource consumption of building materials and prefabricated segments in production phase

表2 预制管片生产阶段资源能耗清单Table 2 List of resource and energy consumption of prefabricated segments in production phase

表3 施工和安装阶段施工机械能耗清单Table 3 List of energy consumption of construction machinery in construction and installation phase

表5 能源碳排放因子Table 5 Carbon emission factors of energy

2 研究结果

2.1 盾构隧道碳排放强度与水平

2.1.1 建材及预制管片生产阶段

根据表1—2及式(2)—(4)，计算得到建材及预制管片生产阶段碳排放，如图2所示。生产阶段碳排放总量为29 643.69 tCO2e，其中，预制管片碳排放量占59.95%，42.5#水泥和钢铁材是建材中隐含碳排放最大的成分，分别为28.12%和9.09%。此外，每环预制管片加工成型阶段的碳排放量为7 100.57 kgCO2e，其中建材生产、运输及加工成型阶段分别占比95.2%、3.11%及1.69%。从工程部分来看，地铁盾构隧道主体工程建材及预制管片生产阶段碳排放占89.46%，附属工程仅占10.54%。由于地铁盾构隧道碳排放量随着区间长度存在较大差异，为了使标准尺寸地铁盾构隧道的不同案例具有可比性，采用碳排放强度(tCO2e/km)作为功能单位来消除区间长度差异对盾构隧道碳排放的影响，得到单位盾构隧道建材及预制管片生产阶段碳排放强度为7 895.7 tCO2e/km。综上所述，鉴于预制管片(生产过程使用大量水泥和钢材)、42.5#水泥及钢铁材的碳排放及占比，可重点关注建材及预制管片生产工艺改良，使用绿色再生建材及提高周转材料的周转次数，从而实现减排目标。

(a) 条形图

(b) 饼状图图2 建材及预制管片生产阶段碳排放Fig. 2 Carbon emission of building materials and prefabricated segments in production phase

2.1.2 运输阶段

货物的运输方式有公路、铁路、水路及航空运输，不同运输方式能源类型及其消耗量有所差异，建材及预制管片因运输过程存在复杂性、多变性，既要考虑运输方式和距离，又要考虑运输工具载重等级和能源类型。因此，本研究假设短距离以柴油公路运输为主，中长距离以铁路运输为主，建材及预制管片的运输距离为距离最近的加工生产厂到施工现场的距离。建材及预制管片运输阶段碳排放如图3所示。运输阶段的碳排放总量为778.3 tCO2，单位盾构隧道运输阶段碳排放强度为207.3 tCO2e/km。其中，52.78%的碳排放由管片运输所贡献，砂、砂浆及混凝土和42.5#水泥碳排放占比分别为23.2%和20.87%，钢铁材、渣土改良材料及可周转材料的运输仅占3.15%。由此可见，应重点关注预制管片、砂、砂浆及混凝土和42.5#水泥运输阶段的环境影响。

(a) 条形图

(b) 饼状图图3 建材及预制管片运输阶段碳排放Fig. 3 Carbon emission of building materials and prefabricated segments in transportation phase

2.1.3 施工和安装阶段

本研究选取案例盾构隧道主体和附属工程在施工和安装阶段投入使用的施工机械，施工机械台班量参考《广东省城市轨道交通工程综合定额(2018)》，再通过《广东省建设工程施工机具台班费用编制规则(2018)》整理各类施工机械单位台班的能源消耗量，经过换算得到施工和安装阶段施工机械能耗清单(见表3)。再根据式(5)计算得到盾构隧道施工和安装阶段的碳排放，如图4所示。盾构隧道施工和安装阶段由施工机械能源消耗产生的碳排放总量为10 338.43 tCO2e，单位盾构隧道施工和安装阶段碳排放强度为2 753.68 tCO2e/km。其中，主体工程产生的碳排放量占96.19%，附属工程占3.81%。施工机械碳排放贡献最多的是盾构，占23.28%； 其次是通风机械，占18.75%； 再次是水平运输机械，占15.37%； 其余类型机械的碳排放量占比为42.6%。从能源类型上看，盾构隧道施工和安装阶段共消耗电力1 126.68万kW·h、柴油411.19 t以及汽油1.56 t，各类能源产生的碳排放占比分别为87.64%、12.31%及0.05%。由此可见，盾构、水平运输机械、通风机械及泵类机械具有巨大的减排潜力，其主要能耗源于电力，应重点关注能源结构调整，采用光伏、风电、地热发电等清洁能源代替火力发电。

(a) 条形图

(b) 饼状图图4 施工和安装阶段碳排放Fig. 4 Carbon emission in construction and installation phase

2.1.4 总体分析

根据式(1)得到盾构隧道建设阶段的碳排放，如图5所示。案例盾构隧道建设阶段碳排放总量为40 761.06 tCO2e，单位盾构隧道建设阶段碳排放强度为10 856.85 tCO2e/km。其中，建材及预制管片生产阶段贡献的碳排放量最大，占72.73%； 其次是施工和安装阶段，占25.36%； 运输阶段产生的碳排放虽与运距密切相关，但由于运输成本等限制，仅占1.91%。从以上研究结果可以看出，建材及预制管片生产阶段极具减排潜力，其次是施工和安装阶段。

图5 盾构隧道建设阶段碳排放Fig. 5 Carbon emission of shield tunnel in construction phase

2.2 盾构隧道碳减排潜力分析

2.2.1 情景参数设置

根据广州市轨道交通线网规划(2018—2035年)，未来广州地铁建设体量始终保持增速，预计到2035年，广州地铁总里程约为2 029 km。根据上述研究结果可知，地铁盾构隧道建设中建材及预制管片生产阶段碳排放量占比最大，具有较大的减排空间，管片本质是由混凝土、钢材等建材预制而成，该阶段的重点减排对象为混凝土和钢材。因此，本研究通过采用再生混凝土和再生钢材分析地铁盾构隧道建设阶段的碳减排潜力。再生建材生产阶段相比于原生建材少了原材料开采和运输过程，这是再生建材具有减排效益的重要原因之一。考虑到钢材的资源化利用，钢材的回收利用率取90%，回收加工能耗取原始生产能耗的40%[29]，再生建材的碳排放因子见表6。此外，地铁盾构隧道施工和安装阶段碳排放量主要来源于施工机械电力能耗，考虑到电网电力碳排放因子随清洁新能比例的增加而逐年降低，基于已有研究对南方电网电力碳排放因子进行预测[30]，见表7。

表6 再生材料碳排放因子Table 6 Carbon emission factors of recycled materials

表7 电力碳排放因子预测值Table 7 Electricity carbon emission factor forecast

基于此，对地铁盾构隧道建设阶段共设定了情景Ⅰ(基准型)、情景Ⅱ(中间型)和情景Ⅲ(乐观型)3种情景，以探讨分析地铁盾构隧道建设的碳排放量及减排潜力(见表8)。建设阶段情景指标的设置借鉴了《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》[32]以及现有节能减排措施等。

表8 建设阶段情景分析假设Table 8 Scenario analysis assumptions in construction phase %

2.2.2 碳减排潜力情景分析

基于上述情景分析可知，再生建材的使用以及能源结构调整有助于实现地铁盾构隧道建设的碳减排(见图6)。在情景Ⅰ下，不使用再生建材，广州地铁盾构隧道建设的碳积累量从6.41 MtCO2e(2021年)增长到21.64 MtCO2e(2035年)，增幅约3.3倍。情景Ⅱ和Ⅲ是采用再生建材及优化能源结构后的碳减排情景，在2025年的碳积累量分别为9.89 MtCO2e和9.76 MtCO2e，相较基准型减排率分别为1.3%和2.6%； 2030年的碳积累量分别为15.69 MtCO2e和15.35 MtCO2e，相较基准型减排率分别为2.7%和4.7%。在2035年，情景Ⅱ的碳积累量约为20.85 MtCO2e，相较基准型减少3.7%； 情景Ⅲ是再生建材使用最高和能源结构最优的情景，其减排潜力也最为显著，2035年碳积累量约20.32 MtCO2e，相较基准型降低6%。

图6 历史碳积累量及碳减排潜力Fig. 6 Cumulative carbon emission and reduction potential

3 结论与建议

采用LCA方法，开展了地铁盾构隧道建设阶段碳排放评价工作，并以广州市典型地铁盾构项目为例，对建材及预制管片生产、运输及施工和安装等过程碳排放强度和水平进行了量化分析，同时结合情景分析探讨了投入使用再生建材及优化能源结构的减碳可行性。研究结论如下：

1)单环C50预制混凝土管片碳排放强度为7 100.57 kgCO2e； 单位地铁盾构隧道建设碳排放强度为10 856.85 tCO2e/km。

2)建材及预制管片生产、施工和安装阶段具有较大减排空间。在生产阶段，水泥和钢铁材消耗量最大，可通过改良生产工艺、使用绿色建材等方式减排；在施工和安装阶段，盾构、水平运输机械及通风机械能耗最高，应加强对重点排放机具的维修保养以及优化能源结构调整。

3)广州地铁盾构隧道建设的碳积累量为6.41 MtCO2e(2021年)，预计到2035年将达到21.64 MtCO2e。在优化情景下，累计节碳795.2～1 321.59万tCO2e(2021—2035年)。在情景分析中，再生建材的使用以及新能源发电比例的提高可有效缓解广州地铁盾构隧道建设碳排放的增速，且使用比率越高，可实现的碳减排效益越明显。

综合结论，提出以下3点建议：

1)加快落实绿色建材产品认证及推广应用工作，提高关键建材的资源化利用率。建材及预制管片生产阶段是盾构隧道建设碳排放占比最大的阶段，约为72.73%。其中，预制管片、水泥、钢铁材和混凝土贡献的碳排放量最大，而预制管片的主要成分是水泥和钢铁材。相较不使用再生建材，使用再生建材(情景Ⅲ)生产阶段的碳排放强度减少了8.5%。由此可见，使用再生建材可有效减少盾构隧道建设的碳排放。此外，改良建材及预制管片生产工艺也可提高碳减排潜力。

2)优化能源结构，提高清洁能源的使用，实现能源零碳转型。施工和安装阶段约占盾构隧道建设碳排放的25.36%，其中，电力能耗占比达到87.64%，相较基准情景Ⅰ，提高新能源发电比例(情景Ⅲ)可减少施工和安装阶段27%的碳排放。

3)加强施工机械维保及施工工艺改进。应加强对重点碳排放施工机械的维修保养以提升工作效率，降低损耗率，提高使用年限，进而降低施工和安装产生的碳排放。此外，如果采用可行的新技术新工艺施工，若能减少施工能耗10%，在该研究案例上就可减少碳排放约275 tCO2e/km(盾构里程)。