公路隧道斜井开挖支护碳排放特性

徐建峰, 徐忠林, 郭 春, 袁 坤, 董海疆, 杨小兵, 杨永鹏, 田 野, 陈昱圻

(1. 国网成都供电公司电缆运检中心, 四川 成都 610041; 2. 西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 610031)

0 引言

随着公路隧道行业的快速发展,自2009年以来中国公路隧道里程年均增长超过1 000 km[1]。然而,大规模的基础设施建设导致能源资源消耗巨大,大量温室气体排放给环境保护造成沉重负担。有研究表明,隧道修建过程的碳排放明显高于其他交通设施建设[2]。

很多专家、学者对隧道行业碳排放进行了计算和分析。Huang等[3-4]报道了挪威公路隧道的环境效应,首次分析了隧道长度和开挖断面面积对钻爆法施工隧道环境效应的影响。徐建峰等[5]建立了隧道构件生产、运输和安装施工阶段的碳排放计算模型,明确了上游建材生产对隧道施工碳排放的影响路径。Guo等[6]首次分析了围岩级别对隧道碳排放的影响,并采用生命周期评价方法,计算了某公路隧道在材料生产运输、施工和运营维护阶段的碳排放。陈灵均[7]引入了交通仿真模型和机动车尾气排放模型,分析了隧道运营期路面交通碳排放特性。文献[8]回顾了现有隧道施工碳排放计算方法,计算了某隧道施工阶段各工序的碳排放水平。Xu等[8-9]发现了围岩条件对隧道施工碳排放的重要影响以及不同围岩条件下隧道施工碳排放的跃迁规律,并首次明确了影响隧道施工碳排放的若干因素,包括埋深、材料质量、开挖方法和围岩级别等。

现有研究已经对隧道主洞的碳排放特性进行了大量分析[10-12],而隧道斜井的碳排放特性却鲜有文献报道。隧道斜井是长隧道施工的重要辅助坑道,对缩短项目工期、加快施工进度有重要作用。本文将依托工程案例分析公路隧道斜井施工碳排放特性,明确不同工序施工的碳排放水平,探明斜井坡度和长度对开挖和出渣碳排放的影响规律。

1 工程概况

某隧道地处秦岭山区,采用双向6车道设计。隧道主体双向长度为7 018 m,设计速度为80 km/h。设立2条斜井作为施工进洞通道和后期救援逃生通道,斜井采用永久性支护设计。斜井断面面积为61.02 m2,洞宽10.0 m,坡度为9°,长1 500 m,围岩以Ⅳ级和Ⅴ级为主,使用钻爆法开挖。本研究中斜井施工工序包含超前支护、隧道开挖、初期支护和二次衬砌。Ⅳ级和Ⅴ级围岩斜井每延米工程量数据如表1和表2所示。

表1 Ⅳ级围岩斜井每延米工程量Table 1 Work quantity of inclined shaft in Grade Ⅳ surrounding rock

表2 Ⅴ级围岩斜井每延米工程量Table 2 Work quantity of inclined shaft in Grade Ⅴ surrounding rock

2 斜井施工碳排放研究方法与数据

2.1 斜井施工碳排放研究目标与范围

碳排放是各类温室气体排放的简称。温室气体包含二氧化碳、氧化亚氮、甲烷、六氟化硫、氢氟碳化物和全氟化碳等,将其造成温室效应的能力归一为二氧化碳当量(CO2eq)[13]。施工碳排放分为直接碳排放和间接碳排放,前者报告实体拥有或控制直接排放,涵盖隧道施工现场各类化石燃料燃烧带来的排放; 后者是报告实体活动的结果,但是由另一个实体完成排放过程,具体包括上游材料生产、加工、运输和使用外购电力、热能带来的碳排放[14]。在施工设备生产、安装和拆除过程中的碳排放不在研究范围内。本文研究范围涵盖了直接碳排放和间接碳排放。

2.2 斜井施工碳排放清单分析

斜井施工碳排放清单数据分为2部分: 前景数据和背景数据[13]。前景数据是指直接测量或从源头直接测算中获得的单位过程、活动的定量值,包含各类材料和能源的消耗量。将每米斜井工程量数据代入JTG/T 3832—2018《公路工程预算定额》,获得对应工程量的材料和机械台班投入量。同时,JTG/T 3833—2018《公路工程机械台班费用定额》中涵盖了各类施工机械单位台班的能源消耗数据,进而可获取对应工程量的材料和能源清单。背景数据是指由间接测算得到的单位过程的量化值。排放因子是一种背景数据[15],可按照文献[8]的碳排放因子取值。

本文采用排放系数法计算公路隧道开挖碳排放,并将碳排放源划分为建筑材料、运输机械与工程机械。

1)建筑材料的碳排放Em计算见式(1)。

(1)

式中:i为材料类别;efi为材料i的排放因子;mi为材料i的消耗量。

2)运输机械的碳排放E0计算见式(2)。

(2)

式中:k为机械类别;efk为机械k所用燃料的排放因子;vk为机械k单位时间的燃料消耗量;nk为机械k的工作时间。

3)工程机械的碳排放Et计算见式(3)。

(3)

式中:j为车辆类别;efj为车辆j所用燃料的排放因子;vj为机械j单位时间的燃料消耗量;nj为车辆j的工作时间。

最终将材料生产、运输机械和施工机械的碳排放累加,即可得到每延米斜井开挖支护的碳排放数值。表3中包含一些碳排放计算的基本参数和假设,以便获取单元工序中的碳排放清单数据[15]。Ⅳ级和Ⅴ级围岩斜井施工材料能源消耗数据如表4所示。

表3 材料运输与采集加工假定Table 3 Assumption for material transportation, collection, and processing

表4 每延米Ⅳ级、Ⅴ级围岩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(续)

3 斜井施工碳排放分析

3.1 各类材料、能源的碳排放

不同材料和能源的碳排放数值如图1所示。Ⅳ级和Ⅴ级围岩斜井施工碳排放分别为17.95 tCO2eq和27.00 tCO2eq。尽管Ⅳ级和Ⅴ级围岩斜井施工碳排放总量有较大差距,但各类材料和能源的碳排放占比却较为接近。其中,水泥碳排放占比超过40%,钢铁碳排放占比超过32%,电力碳排放占比超过13%,柴油碳排放占比超过7%。上述材料、能源的碳排放合计超过90%,对斜井施工碳排放具有控制性作用。

图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

斜井各个施工工序的碳排放水平如图2所示。对于Ⅳ级围岩,碳排放最高的3个工序分别为砂浆锚杆(3.51 tCO2eq)、二次衬砌拱墙(2.82 tCO2eq)和喷射混凝土(2.63 tCO2eq);而Ⅴ级围岩碳排放最高的3个工序分别为喷射混凝土(4.45 tCO2eq)、型钢(4.10 tCO2eq)和二次衬砌拱墙(3.51 tCO2eq)。金属网和连接钢筋的碳排放最小,小于0.45 tCO2eq。

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

相较于Ⅳ级围岩,Ⅴ级围岩施工工序的碳排放多数出现了增长。型钢碳排放增幅最为显著,从1.34 tCO2eq增加到4.10 tCO2eq,增幅达到206%。而喷射混凝土碳排放增量为1.82 tCO2eq。此外,二次衬砌拱墙、仰拱,连接钢筋、开挖与出渣等工序都出现一定幅度增长。各工序碳排放变化与表1和表2中的工程量大小相对应。而Ⅳ级围岩砂浆锚杆碳排放量较高,原因在于其包含了超前支护和初期支护2部分使用的砂浆锚杆的碳排放。

4 斜井长度和坡度对开挖、出渣碳排放的影响

4.1 影响因素与碳排放清单数据

实际斜井长度和坡度常发生变化,因此本研究将进一步分析斜井坡度和长度改变对开挖和出渣碳排放的影响。斜井坡度选取7°、9°、12°和25°,斜井长度选择1 500、1 700、1 900、2 100、2 300、2 500 m。当斜井长度为1 500 m,不同坡度下开挖100 m3土石消耗的机械台班数量如表5所示。根据《公路工程预算定额》,当斜井长度在1 500 m以上,长度每增加100 m,不同坡度下斜井开挖100 m3土石消耗的额外机械台班数量如表6所示。

表5 斜井开挖机械台班数量Table 5 Amount of machine-team for excavation of inclined shaft

表6 斜井开挖额外机械台班数量Table 6 Amount of additional machine-team for excavation of inclined shaft

不同坡度下,斜井出渣的机械台班和运输方式也将发生变化。坡度为7°、9°和12°时,斜井出渣采用无轨运输,而当12°<坡度≤25°时,采用有轨运输,每100 m3土石斜井出渣机械台班数量如表7所示。表8中列举了不同施工机械的单位台班能耗数据。

表7 每100 m3土石斜井出渣机械台班数量Table 7 Amount of machine-team for 100 m3 stone transported from inclined shaft

表8 各类施工机械单位台班能耗Table 8 Energy consumption per machine-team of different machinery

4.2 斜井坡度对施工机械开挖碳排放的影响

设定斜井长度为1 500 m,计算不同斜井坡度洞内开挖的机械碳排放,如图3所示。当坡度为7°、9°和12°时,机械开挖工序中机械碳排放随坡度增加上升。而当坡度从12°变为25°时,斜井施工机械碳排放强度下降。这一变化趋势与电动空压机机械台班数量变化规律一致。当坡度小于12°时,开挖土石所消耗的电动空压机台班数量随着坡度增大而增加,在坡度达到25°后,开挖土石所消耗的电动空压机台班数量下降。根据表5、表6中机械台班数量和表8中机械台班能耗水平,20 m3/min电动空压机机械台班数量的升降对斜井开挖的碳排放水平具有重要影响。

图3 不同坡度斜井开挖机械碳排放Fig. 3 Carbon emissions from excavation of inclined shaft with ditlerent slopes

4.3 斜井坡度对洞内出渣碳排放的影响

图4中展示了每延米斜井洞内出渣碳排放情况。由图可知,洞内出渣碳排放值介于0.37～0.69 tCO2eq,其中Ⅴ级围岩洞内运渣的碳排放数值略高于Ⅳ级围岩。与斜井开挖工序碳排放类似,随着坡度从7°增加到12°,斜井出渣采用轮胎式装载机和自卸汽车的无轨运输组合,出渣碳排放随坡度增加呈现上升趋势; 而当斜井坡度超过12°时,运输方式转变为有轨运输,运输机械采用梭式矿车和绞车,斜井坡度为25°时的出渣碳排放较坡度为12°时大幅下降。总的来看,斜井洞内出渣碳排放水平较低,对施工碳排放影响有限。

图4 不同坡度斜井洞内出渣碳排放Fig. 4 Carbon emissions from mucking in inclined shaft with different slopes

4.4 斜井长度对开挖、出渣碳排放的影响

计算不同斜井长度的开挖和出渣碳排放,结果如图5所示。斜井开挖及出渣的碳排放与斜井长度成正比关系。斜井长度每增加100 m,开挖和出渣的碳排放增加0.15～ 0.2 tCO2eq。

(a) Ⅳ级围岩

(b) Ⅴ级围岩图5 不同斜井长度的开挖与出渣碳排放Fig. 5 Carbon emissions from excavation and mucking of inclined shaft with different length

5 结论与建议

1)围岩级别是影响斜井施工碳排放的关键因素。对于开挖面积分别为80.5 m2和87.8 m2的Ⅳ级和Ⅴ级围岩,斜井施工碳排放分别为17.95 tCO2eq和27.00 tCO2eq。

2)对于Ⅳ级围岩,碳排放最高的3个工序分别为砂浆锚杆(3.51 tCO2eq)、二次衬砌拱墙(2.82 tCO2eq)和喷射混凝土(2.63 tCO2eq),而Ⅴ级围岩排放最高的3个工序分别为喷射混凝土(4.45 tCO2eq)、型钢(4.10 tCO2eq)和二次衬砌拱墙(3.51 tCO2eq)。

3)在各类材料及能源中,水泥碳排放占比超过40%,钢铁碳排放占比超过32%,电力碳排放占比超过13%, 柴油碳排放占比超过7%。上述材料、能源对斜井施工碳排放具有控制作用。

4)当斜井长度超过1 500 m,开挖及出渣工序的碳排放呈线性增长; 斜井长度每增加100 m,斜井开挖、出渣工序碳排放增加0.15～0.2 tCO2e。每延米斜井洞内出渣碳排放数值较小,介于0.37～0.69 tCO2eq;在斜井坡度超过12°时,采用有轨运输方式出渣较汽车运输更加低碳。

5)随着围岩级别上升,钢架和喷射混凝土的碳排放增加尤为明显。可通过优化钢架断面设计、采用高性能喷射混凝土、核减喷射混凝土厚度等措施减少材料投入。斜井施工中,部分机械单位台班能耗数值较大,以电动空压机为例,其机械台班数量变化对斜井开挖碳排放具有较大影响,建议完善大功率施工机械管理制度,缩短非必要的机械运转时间。

实际机械台班消耗量与定额值的差异、超挖回填增加的喷射混凝土消耗量对斜井施工碳排放产生的影响不可避免。因此,采用定额计算施工碳排放的方法虽具有代表性,但其得到的碳排放与实际结果存在一定误差。在后续研究中将继续完善计算方法,根据施工组织机械配置、进度指标、超挖预留变形等信息调整机械台班消耗量,使得施工碳排放计算结果更加可靠。