王幼松， 黃旭輝， 閆 輝

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

碳排放指溫室氣體排放的總稱。全球氣候變暖，在全球減排的背景下，2014年國(guó)務(wù)院要求，到2020年單位國(guó)內(nèi)GDP二氧化碳排放強(qiáng)度應(yīng)比2005年降低40%～45%[1]。我國(guó)正處于地鐵建設(shè)高峰期，二三線城市相繼開(kāi)始建設(shè)城市地鐵，預(yù)計(jì)到2020年，地鐵交通里程數(shù)將達(dá)到近6000 km[2]。地鐵盾構(gòu)區(qū)間土建工程碳排放量大，其碳排放不能忽視。

國(guó)內(nèi)外對(duì)建筑領(lǐng)域的碳排放集中在研究住宅和辦公樓的碳排放，對(duì)市政工程的碳排放研究較少。針對(duì)隧道土建工程碳排放計(jì)量的研究更少，而在這少數(shù)碳排放研究中對(duì)公路隧道物化階段碳排放研究較集中，但存在計(jì)量邊界和假設(shè)不統(tǒng)一、計(jì)量?jī)?nèi)容不夠全面的問(wèn)題。其中Chang和Kendall[3]采用生命周期評(píng)價(jià)理論對(duì)加利福尼亞高速鐵路舊金山到阿納海姆段的建設(shè)階段進(jìn)行了碳排放測(cè)算，發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)等雖然只占全線長(zhǎng)度的15%，但其建設(shè)過(guò)程碳排放約占60%。李喬松等[4]以虹橋南路盾構(gòu)隧道為研究對(duì)象，考慮建材生產(chǎn)、預(yù)制加工、場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸和隧道施工四個(gè)階段的碳排放，但未計(jì)量場(chǎng)外運(yùn)輸和非能源消耗產(chǎn)生的碳排放。LI等[5]以天然氣、瀝青、石油、煤炭和柴油的消耗為指標(biāo)評(píng)估了公路隧道施工的內(nèi)源性碳排放量，但并未對(duì)隧道碳排放模型進(jìn)行系統(tǒng)研究。徐建峰等[6]借鑒建筑全生命周期碳排放計(jì)算模型，結(jié)合隧道工程的自身特點(diǎn)，提出了隧道物化階段分解為計(jì)量材料消耗、運(yùn)輸工具燃料消耗、施工機(jī)械電力和燃料消耗所產(chǎn)生的碳排放的計(jì)量模型。但未計(jì)量周轉(zhuǎn)材料使用和勞動(dòng)力等產(chǎn)生的碳排放。

為計(jì)量地鐵盾構(gòu)區(qū)間土建工程物化階段碳排放，發(fā)現(xiàn)其碳排放特征，有必要建立計(jì)量模型對(duì)其碳排放進(jìn)行量化測(cè)算。本文采用碳排放系數(shù)法進(jìn)行更為全面的計(jì)量，借鑒建筑和公路隧道碳排放計(jì)算模型，在已有研究基礎(chǔ)上定義和選取碳排放因子及確定碳排放計(jì)量邊界，構(gòu)建計(jì)量模型并以廣州市典型的某地鐵盾構(gòu)區(qū)間土建工程為案例進(jìn)行分析。

1 地鐵盾構(gòu)區(qū)間土建工程物化階段碳排放計(jì)量方法與內(nèi)容

1.1 碳排放計(jì)量方法

碳排放系數(shù)法是依照碳排放清單，將碳排放來(lái)源單元排放數(shù)據(jù)和所對(duì)應(yīng)的排放因子相乘得到碳排放量估算值。其中，排放因子是應(yīng)用基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外許多國(guó)家研究機(jī)構(gòu)和專家學(xué)者個(gè)人對(duì)碳排放因子做了較詳細(xì)的監(jiān)測(cè)、調(diào)查和統(tǒng)計(jì)[7]。碳排放計(jì)量方法還有物料平衡法、實(shí)地勘測(cè)法，但綜合考慮數(shù)據(jù)獲取的難易程度和準(zhǔn)確性，本文采用碳排放系數(shù)法。

1.2 碳排放計(jì)量氣體

溫室氣體不只有1種，《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約的京都議定書(shū)》中規(guī)定CO2，CH4，N2O，HFCS，PFCS，SF6共6種為需要重點(diǎn)控制的溫室氣體。囿于數(shù)據(jù)采集難度，本文只考慮CO2，不計(jì)量其他溫室氣體。

1.3 碳排放計(jì)量單位

廣州市地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道典型尺寸為盾構(gòu)管片外直徑6 m、厚0.3 m、環(huán)寬1.5 m。即使橫截面尺寸相同，但不同長(zhǎng)度的地鐵盾構(gòu)區(qū)間在物化階段碳排放總量存在較大差異。為使典型地鐵盾構(gòu)區(qū)間的不同案例間有可比性，使用碳排放強(qiáng)度即每米碳排放量(t/m)作為計(jì)量單位，消除區(qū)間長(zhǎng)度的影響。

1.4 碳排放計(jì)量系統(tǒng)邊界

地鐵盾構(gòu)區(qū)間體量大，系統(tǒng)復(fù)雜，囿于研究深度和數(shù)據(jù)樣本采集難度，難以全面計(jì)量。為便于分析碳排放來(lái)源，系統(tǒng)邊界被簡(jiǎn)化和限定，包括空間邊界和時(shí)間邊界，如圖1所示。

圖1 碳排放計(jì)量邊界

公路隧道的典型碳排放計(jì)量將預(yù)制構(gòu)件的建材生產(chǎn)階段和預(yù)制加工階段分開(kāi)計(jì)量，而本文將預(yù)制構(gòu)件當(dāng)做“建材”，將預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)和建材生產(chǎn)階段合在一起計(jì)量。將建材運(yùn)輸階段單獨(dú)考慮，并計(jì)量運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備、土石方等產(chǎn)生的碳排放，統(tǒng)稱為運(yùn)輸階段。場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸階段產(chǎn)生的碳排放難以單獨(dú)計(jì)量，將其含在施工安裝階段中。本文碳排放階段劃分與已有研究的對(duì)比如表1所示。

1.5 碳排放因子定義與選取

只考慮二氧化碳，故本研究中的碳排放因子指消耗單位物質(zhì)伴隨的二氧化碳排放量，用到的碳排放因子有如下4類。

表1 階段劃分對(duì)比

1.5.1 化石能源碳排放因子

參考《2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單編制指南》[9]，結(jié)合我國(guó)GB/T25 89-2008《綜合能源計(jì)算通則》[10]中常用高能源熱值標(biāo)準(zhǔn)，選定本文采用的化石能源碳排放因子，如表2所示。

表2 化石能源碳排放因子

1.5.2 電力碳排放因子

選取國(guó)家發(fā)改委氣候變化司發(fā)布的《中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》中案例施工期間該區(qū)域電網(wǎng)OM均值作為電力碳排放因子，即2016年南方區(qū)域電力碳排放因子0.8676 kg/kWh[11]。

1.5.3 建筑材料碳排放因子

建材碳排放因子細(xì)分為原生和再生建材碳排放因子，原生建材碳排放因子考慮原材料開(kāi)采、原材料運(yùn)輸和建材加工生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放。為統(tǒng)一計(jì)量口徑，再生建筑材料的獲取以及循環(huán)再加工過(guò)程中排放的二氧化碳也計(jì)入再生建材生產(chǎn)階段中。綜合考慮被引用量、期刊級(jí)別、建材分類程度等，本文采用國(guó)內(nèi)權(quán)威機(jī)構(gòu)或當(dāng)?shù)乜蒲袡C(jī)構(gòu)、專家學(xué)者的測(cè)定數(shù)據(jù)[12～21]，如表3所示。

表3 建材碳排放因子

(續(xù)表)

注：[18]換：PVC碳排放因子8.69 kg/kg[18]，密度1400 kg/m3；[20]換：橡膠碳排放因子0.5 kg/kg[20]，橡膠止水帶重度4.2 kg/m，加工耗電2 kWh/m

1.5.4 運(yùn)輸碳排放因子

運(yùn)輸碳排放因子可通過(guò)查詢《中國(guó)交通年鑒》中相應(yīng)運(yùn)輸方式的施工期間運(yùn)輸能耗均值，再乘以相應(yīng)的能源碳排放因子換算得到，其中公路柴油運(yùn)輸碳排放因子可用綜合定額數(shù)據(jù)換算得到。

2 地鐵盾構(gòu)區(qū)間土建工程物化階段碳排放計(jì)量模型

對(duì)地鐵盾構(gòu)區(qū)間土建工程建材和預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段和施工安裝階段分別構(gòu)建模型計(jì)量其碳排放，匯總得到物化階段的碳排放。

E=EP+ET+EC

(1)

式中：E為物化階段碳排放總量(t)；EP，ET，EC分別為建材和預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段和施工安裝階段碳排放量(t)。

2.1 建材和預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段碳排放計(jì)量模型

建材和預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段碳排放包括建筑原材料或再生材料在獲取、運(yùn)輸和制造加工過(guò)程中所產(chǎn)生的碳排放。為和現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)有可比性，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段的碳排放還包括用水、使用周轉(zhuǎn)材料和勞動(dòng)力產(chǎn)生的碳排放。因建材和預(yù)制構(gòu)件種類繁多，為便于計(jì)量，可取工程量清單中材料累計(jì)重量占總重量80%以上，或累計(jì)造價(jià)占總造價(jià)80%以上的建材和預(yù)制構(gòu)件作為主要材料進(jìn)行分析，其余忽略不計(jì)[22]。建造損耗和所用再生材料比例分別體現(xiàn)在式中的損耗率和再生率。預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段碳排放因子，可先按照本文式(2)～(4)計(jì)算。建材和預(yù)制構(gòu)件的工程量和其損耗率可取自工程量清單。計(jì)算公式如下：

(2)

2.2 運(yùn)輸階段碳排放計(jì)量模型

建材和預(yù)制構(gòu)件、施工機(jī)械設(shè)備和周轉(zhuǎn)材料需要運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，建筑垃圾和土石方需從工地外運(yùn)至收納場(chǎng)。運(yùn)輸過(guò)程中運(yùn)輸工具消耗燃料產(chǎn)生碳排放。運(yùn)輸重量可取自工程量清單或再乘以重度換算得到，運(yùn)輸方式從施工方得知，運(yùn)輸距離用百度地圖量測(cè)得到。計(jì)算公式如下：

(3)

式中：Qi為貨物的重量(t)；Vij為第i種貨物第j種運(yùn)輸方式的比例；Dij為第i種貨物第j種運(yùn)輸方式的運(yùn)距；Fj為第j種運(yùn)輸方式每百噸公里的運(yùn)輸碳排放因子；m為貨物的種類數(shù)；k為運(yùn)輸方式種類數(shù)。

2.3 施工安裝階段碳排放計(jì)量模型

施工安裝階段碳排放包括兩部分，其一是施工機(jī)械設(shè)備消耗能源和工地辦公生活區(qū)用電產(chǎn)生的碳排放，歸結(jié)為消耗汽油、柴油和電力產(chǎn)生的碳排放。其二是用水、周轉(zhuǎn)材料的使用和勞動(dòng)力產(chǎn)生的碳排放。

與建材和預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段類似，為便于計(jì)量，可取占總臺(tái)班80%以上的施工機(jī)械設(shè)備加以計(jì)量。已用燃料、電力和水的消耗量和勞動(dòng)力用量可取自施工現(xiàn)場(chǎng)記錄數(shù)據(jù)，后續(xù)施工的消耗數(shù)據(jù)根據(jù)以往的數(shù)據(jù)均值合理推算。周轉(zhuǎn)材料使用量可取自工程量清單。計(jì)算公式如下：

(4)

3 案例分析

3.1 案例概況

本案例為廣州市典型的某地鐵線路站A至站B的盾構(gòu)區(qū)間土建工程，包括主體工程和附屬工程。主體工程包括：兼做盾構(gòu)始發(fā)井的長(zhǎng)80 m、寬24.6 m的明挖中間風(fēng)井，其基坑開(kāi)挖深19.39～20.324 m；雙程長(zhǎng)7670.6 m、管片外直徑6 m、厚0.3 m、埋深1.2～20.3 m的盾構(gòu)隧道。附屬工程有8個(gè)聯(lián)絡(luò)通道、8個(gè)洞門(mén)、8個(gè)始發(fā)及到達(dá)端頭加固工程。施工時(shí)間為2014年5月15日～2018年4月20日。

3.2 案例物化階段碳排放計(jì)量

3.2.1 案例建材和預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段碳排放計(jì)量

根據(jù)前文的簡(jiǎn)化條件，通過(guò)選取該案例的如下21種主要材料和管片計(jì)量其生產(chǎn)階段碳排放?？偭繛槠涔こ塘砍艘韵鄳?yīng)的消耗系數(shù)?？紤]是否使用再生材料，共分為兩種情況，情況一是全部材料使用原生材料，情況二是所用材料中全部鋼材和鐵使用再生材料。計(jì)算過(guò)程如表4所示。

表4 案例建材和預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段碳排放計(jì)量

(續(xù)表)

注：*表示材料和能源消耗數(shù)據(jù)由調(diào)研管片供應(yīng)商所得，見(jiàn)表5，并按照式(2)～(4)計(jì)算得管片碳排放因子

表5 案例每環(huán)管片生產(chǎn)階段的建材調(diào)研數(shù)據(jù)

3.2.2 案例運(yùn)輸階段碳排放計(jì)量

本案例的建材、管片、施工機(jī)械設(shè)備、周轉(zhuǎn)材料和土石方等的公路運(yùn)輸都假設(shè)采用公路柴油運(yùn)輸。公路柴油運(yùn)輸每百噸公里能耗查詢《廣東省建筑與裝飾工程綜合定額2010》(上冊(cè))[23]和《廣東省建設(shè)施工機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用2010》[24]換算得公路柴油運(yùn)輸每百噸公里消耗6.003 kg柴油、排放18.975 kgCO2。鐵路運(yùn)輸碳排放引用楊馨的計(jì)算數(shù)值，取每百噸公里2.010 kgCO2[8]。計(jì)算過(guò)程如表6[12～16]所示。

表6 案例運(yùn)輸階段碳排放計(jì)量

3.2.3 案例施工安裝階段碳排放計(jì)量

查詢施工現(xiàn)場(chǎng)記錄資料，得知或推算出施工現(xiàn)場(chǎng)電力、柴油和水的實(shí)際消耗量以及勞動(dòng)力用量。周轉(zhuǎn)材料用量取自工程量清單。鋼支撐、鋼模板和腳手架可周轉(zhuǎn)次數(shù)取50次進(jìn)行計(jì)算[12]。計(jì)算過(guò)程如7表所示。

表7 案例施工安裝階段碳排放計(jì)量

注：[17]換：中小型材碳排放因子3000(1200)kg/t[17]，可周轉(zhuǎn)50次

3.2.4 案例物化階段碳排放匯總

匯總案例在兩種情況下建材預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段和施工安裝階段的碳排放量，情況一是全部材料使用原生材料，情況二是所用材料中全部鋼材和鐵使用再生材料。匯總結(jié)果如表8所示。

表8 案例物化階段碳排放匯總

3.3 案例結(jié)果分析

(1)總體分析

該案例所用材料全部是原生材料的情況下碳排放總量為122627.23 t，碳排放強(qiáng)度為15.66 t/m；所用材料中的全部鋼材和鐵是再生材料的情況下碳排放總量為99103.42 t，碳排放強(qiáng)度為12.66 t/m。從表8可得知，無(wú)論是否使用再生材料，該案例建材和預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段碳排放最大，占比79.2%～83.0%；其次是施工安裝階段占比12.4%～15.1%，而運(yùn)輸階段只占比4.6%～5.7%。

(2)直接碳排放和間接碳排放

建材和預(yù)制構(gòu)件到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)前產(chǎn)生的碳排放為間接碳排放，現(xiàn)場(chǎng)化石燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放為直接碳排放，現(xiàn)場(chǎng)使用水電、周轉(zhuǎn)材料和勞動(dòng)力產(chǎn)生碳排放為間接碳排放。該案例直接碳排放為694.44 t，碳排放強(qiáng)度為0.09 t/m；間接碳排放為98408.98～121932.79 t，碳排放強(qiáng)度12.57～15.57 t/m。間接碳排放是直接碳排放的141.7～175.6倍，可見(jiàn)直接碳排放占比很小，絕大部分是間接碳排放。

(3)再生減排分析

從表8可得知，該案例所用材料中全部鋼材和鐵是再生材料的情況下碳排放總量為99103.42 t，碳排放強(qiáng)度為12.66 t/m；而所用材料全部是原生材料的情況下碳排放總量為122627.23 t，碳排放強(qiáng)度為15.66 t/m。可見(jiàn)相對(duì)于全部材料使用原生材料，其中全部鋼材和鐵是再生材料可為該案例減少碳排放23523.81 t，可減少碳排放19.2%，減少碳排放強(qiáng)度3.00 t/m。

(4)關(guān)鍵材料影響分析

從表4得知，無(wú)論是否使用再生材料，該案例建材和預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段碳排放量排前4的材料依次是管片、42.5#水泥、鋼材和混凝土，占比分別是42.1%～45.9%，26.7%～34.6%，8.2%～15.8%，9.1～11.8%，四者總占比96.7%～97.5%。該案例建材與預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段中水泥的碳排放量占比相對(duì)其在地上建筑物土建工程建材生產(chǎn)階段的高很多，是因?yàn)槎軜?gòu)管片壁后注漿需消耗大量的水泥。

(5)工藝改進(jìn)分析

通過(guò)加強(qiáng)施工機(jī)械設(shè)備保養(yǎng)維護(hù)及采用可行的新技術(shù)新工藝施工、盾構(gòu)機(jī)以最佳推行速度推進(jìn)等改進(jìn)施工工藝，若能減少施工用電10%，則該案例可減少碳排放1357.33 t。

(6)周轉(zhuǎn)材料敏感性分析

鋼質(zhì)周轉(zhuǎn)材料可周轉(zhuǎn)50～200 次[12]，該案例鋼質(zhì)周轉(zhuǎn)材料可周轉(zhuǎn)次數(shù)由50 次提升到100 次和200 次，可分別減少碳排放量235.33，352.99 t，碳排放強(qiáng)度可減少30.05，45.08 kg/m。提高可周轉(zhuǎn)次數(shù)至100次和200次同時(shí)又全部使用再生材料，則可分別減少碳排放量376.52，423.59 t，碳排放強(qiáng)度可減少48.08，54.09 kg/m。加強(qiáng)對(duì)周轉(zhuǎn)材料的管理，可顯著減少周轉(zhuǎn)材料的碳排放量。

4 結(jié)論與建議

本文首先構(gòu)建了地鐵盾構(gòu)區(qū)間土建工程物化階段碳排放計(jì)量模型，分建材和預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段和施工安裝階段共3個(gè)階段進(jìn)行計(jì)量，計(jì)量?jī)?nèi)容包括建材和預(yù)制構(gòu)件、運(yùn)輸工具能耗、施工機(jī)械設(shè)備能耗、施工用水、周轉(zhuǎn)材料使用、勞動(dòng)力和生活辦公用水用電，在已有研究基礎(chǔ)上增加了運(yùn)輸施工機(jī)械設(shè)備工具能耗、周轉(zhuǎn)材料、勞動(dòng)力和生活辦公用水用電，計(jì)量?jī)?nèi)容較全面，適用于對(duì)地鐵盾構(gòu)區(qū)間土建工程物化階段進(jìn)行碳排放計(jì)量。

其次，選取廣州市具有代表性的某雙程長(zhǎng)7830.6 m、管片外直徑6 m及厚0.3 m的地鐵盾構(gòu)區(qū)間土建工程作為案例。按照構(gòu)建的碳排放計(jì)量模型，考慮鋼材和鐵是否使用再生材料，該案例碳排放強(qiáng)度為12.66～15.66 t/m，可用于快速估算該類橫截面尺寸其他區(qū)間段的碳排放量。該案例物化階段碳排放量最大的階段都是建材和預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段，占比79.2%～83.0%；其次依次為施工安裝階段和運(yùn)輸階段，占比分別為12.4%～15.1%，4.6%～5.7%。應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注建材和預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段，施工安裝階段的碳排放量雖然不大，但可從多方面優(yōu)化，也應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

建材和預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段碳排放量占物化階段碳排放量的79.2%～83.0%，其中管片、水泥、鋼材和混凝土產(chǎn)生最大的碳排放量，而管片的主要成分是鋼材和混凝土。相對(duì)于完全不使用再生材料，其中全部鋼材和鐵使用再生材料，該案例碳排放強(qiáng)度可減少3.00 t/m，減少19.2%的碳排放?？梢?jiàn)，使用再生鋼材和鐵可較顯著減少地鐵土建工程物化階段碳排放。綜上，在滿足結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的前提下，盡量減少高能耗高污染的水泥、鋼材和混凝土的使用，同時(shí)應(yīng)改進(jìn)工藝降低他們的生產(chǎn)碳排放因子。