基于碳排放評價的節(jié)理化巖體大跨度隧道施工方法比選

陳 進(jìn)，鬲浩然，周中書，胡 濤，陽軍生

(1. 貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550008；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

隨著我國公路交通需求的不斷增加以及隧道施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，大跨度公路隧道也越來越多。目前，國內(nèi)外大跨度公路隧道的施工主要采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、臺階法、弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法等方法。許多學(xué)者在隧道施工方法的比選方面做出了大量的研究。王薇等[1]采用有限元方法對CRD法與中隔墻臺階法進(jìn)行三維動態(tài)開挖數(shù)值模擬，對比分析兩種施工方法的效果。江星宏等[2]采用三維數(shù)值模擬方法，模擬分析了CD法、臺階法、臺階法+臨時仰拱法施工時高地應(yīng)力隧道變形和受力特點。宋戰(zhàn)平等[3]基于現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方法，研究大斷面隧道CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和三臺階七步法三種施工方法的優(yōu)缺點。

本文基于技術(shù)比選，在保證安全施工的前提下，從隧道碳排放角度對九家灣隧道施工方法進(jìn)行量化評價，以期為隧道施工方法的比選提供新的思路。

1 工程概況

新建九家灣隧道為單洞四車道大跨度隧道，設(shè)計V級圍巖，全長230 m，開挖最大跨度約22.28 m。隧道按設(shè)計時速100 km/h標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，建成后與既有隧道組成3洞八車道隧道以滿足雙向八車道行車條件[7]，圖1所示為隧道進(jìn)出口情況。

隧址屬于低中山地貌區(qū)，隧道從山體中部穿過，山體高約90 m，進(jìn)口位置地形陡悄，近于直立。出口位置為斜坡，斜坡自然坡角約30～45°。隧址區(qū)地層有第四系全系統(tǒng)及二疊系下統(tǒng)棲霞組等地層，主要出露巖性為灰?guī)r及第四系全新統(tǒng)地層。地下水類型主要為巖溶水、基巖裂隙孔隙水及少量松散層孔隙水。圖2所示為隧道縱斷面圖。

圖1 九家灣隧道進(jìn)出口情況Fig.1 Sketch map of the entrance and exit of Jiujiawan Tunnel

圖2 九家灣隧道地質(zhì)縱斷面圖Fig.2 Geological longitudinal section map of jiujiawan tunnel

1.1 原設(shè)計施工方法

九家灣隧道原設(shè)計施工方法主要包括雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與CD法，兩種方法的工序圖如下所示。圖3、圖4分別為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法橫向與縱向施工工序圖。由工序圖知，先開挖左側(cè)I、II導(dǎo)坑，再開挖右側(cè)III、IV導(dǎo)坑，最后按三臺階法開挖中間V、VI、VII部分，在開挖過程中各部分要保持一定的安全距離，并及時施作初期支護(hù)、二襯、仰拱等。

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法橫向施工工序圖Fig.3 Both side heading method lateral construction procedure drawing

圖4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法縱向施工工序圖Fig.4 Both side heading method longitudinal construction process drawing

圖5、圖6所示分別為CD法橫向、縱向施工工序圖。由工序圖可知，先依次開挖左側(cè)I、II導(dǎo)坑，再開挖右側(cè)III、IV導(dǎo)坑，在施工過程中開挖部分保持一定安全距離，并及時施作初期支護(hù)與二襯、仰拱等。

圖5 CD法橫向施工工序圖Fig.5 CD method lateral construction procedure drawing

圖6 CD法縱向施工工序圖Fig.6 CD method longitudinal construction process drawing

1.2 分部臺階法的提出

查閱相關(guān)資料與工程案例，如中國水利水電地下工程施工[8]中介紹了按照“平面多工序、立體多層次”原則修建大跨度水電地下廠房的案例。楊房溝水電站、烏東德水電站、長河壩水電站以及猴子石水電站的地下廠房開挖時從上到下分為多層，每層又分序開挖。例如在第一層或者頂拱層采用先開挖中導(dǎo)洞，再擴挖兩側(cè)的施工方法[9-12]。

九家灣隧道揭露圍巖以灰?guī)r為主，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，完整性較好。根據(jù)上述調(diào)研并結(jié)合九家灣隧道具體地質(zhì)情況，提出“中導(dǎo)洞先行，后左右側(cè)導(dǎo)洞交錯開挖”的分部臺階法施工方法。圖7所示為分部臺階法施工區(qū)域的劃分。

年輕刑警聽到這兒，猛地擰了下眉頭，一拍桌子說，喂喂喂，想玩滑頭不是？給我交代仔細(xì)點兒，說，你到底是怎樣跑出來的？到底為什么要跑出來？

圖7 九家灣隧道施工區(qū)域劃分三維示意圖Fig.7 Three-dimensional sketch map of construction area division by step-by-step method

圖8、圖9所示分別為分部臺階法橫向與縱向施工工序圖。根據(jù)現(xiàn)場情況，施工時中導(dǎo)洞I開挖采用全斷面法開挖，并及時施作初期支護(hù)，待中導(dǎo)洞開挖一段距離后，交錯開挖上臺階左右側(cè)II、III導(dǎo)洞并施作相應(yīng)的初期支護(hù)，隨后交錯開挖下臺階左右側(cè)IV、V導(dǎo)洞并施作初期支護(hù)。同時根據(jù)圍巖和監(jiān)測情況，嚴(yán)格控制掌子面與仰拱、掌子面與二次襯砌的安全步距，保證隧道施工的安全。

圖8 分部臺階法橫向施工工序圖Fig.8 Step-by-step method lateral construction procedure drawing

圖9 分部臺階法縱向施工工序圖Fig.9 Step-by-step method longitudinal construction process drawing

1.3 施工方法技術(shù)指標(biāo)及工程量分析

為選擇出更合理的施工方法，從技術(shù)指標(biāo)與適用性方面對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法與分部臺階法進(jìn)行分析。不同施工方法的技術(shù)指標(biāo)分析結(jié)果如表1。

表1 施工方法主要技術(shù)指標(biāo)分析Tab.1 Analysis of main technical indexes of construction method

由表1可知，分部臺階法相比于其余兩種方法，施工簡單、進(jìn)度快，工期短，成本與技術(shù)條件低，且適用性靈活。

根據(jù)貴州省都勻至安順公路第T20合同段兩階段施工圖設(shè)計[7]與相關(guān)資料，整理出雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法和分部臺階法開挖每延米主要工程量如表2所示。從工程量統(tǒng)計結(jié)果看，分部臺階法所需的各種原材料使用量均最少，CD法次之，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最多。

表2 三種施工方法每延米工程數(shù)量Tab.2 Bill of quantities per linear meter of three construction methods

2 碳排放測算

“碳排放”是關(guān)于溫室氣體排放的總稱。隧道工程作為大型的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在施工過程中會消耗大量的原材料、能源等，同時會排放大量的溫室氣體，對環(huán)境造成破壞。故為了踐行節(jié)能減排，綠色施工的環(huán)保理念，選擇合適的施工方法以減少九家灣隧道施工過程中的碳排放量。

2.1 碳排放測算依據(jù)

目前，碳排放測算方法主要有碳排放系數(shù)法、物料衡算法、表觀能源消耗量估算法以及部門法等。然而，碳排放系數(shù)法應(yīng)用最為廣泛。該方法來源于聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)制定的《IPCC國家溫室氣體排放清單指南》[13]。具體測算采用公式(1)計算。

(1)

式中，ADEi：隧道施工階段i類能源的消耗量(單位：kg或kWh)，其中E代表能源，i為能源的編號；

ADMj：隧道施工階段j類原材料的使用量(單位：kg或m3)，其中M表示原材料，j為原材料的編號；

EFEi：i類能源的碳排放系數(shù)(單位：kgCO2e/kg或kgCO2e/kWh)；

EFMj：j種原材料碳排放系數(shù)(單位：kgCO2e/kg或kgCO2e/m3)。

2.2 獲取碳排放量測算參數(shù)

采用碳排放系數(shù)法測算隧道施工階段碳排放量，需要獲取公式(1)中的計算參數(shù)，即確定各類原材料使用量ADMj及相對應(yīng)的碳排放系數(shù)EFMj，各類能源消耗量ADEi與其對應(yīng)的碳排放系數(shù)EFEi。

根據(jù)表2統(tǒng)計結(jié)果可將隧道施工階段所需原材料歸納為混凝土、水泥、鋼筋、鋼管、鋼板、錨桿，各類原材料使用量可通過每延米主要工程量確定。根據(jù)隧道施工階段所采用的施工設(shè)備以及設(shè)備運行時間估算出各類能源消耗量。表3分析了三種施工方法開挖每延米各類原材料使用量與能源消耗量情況。

確定了各類原材料使用量與能源消耗量后，需要獲取原材料與能源的碳排放系數(shù)。由于隧道工程屬于終端消費產(chǎn)業(yè)，原材料與能源碳排放系數(shù)主要通過查閱參考相關(guān)文獻(xiàn)[4,5,14-15]確定。表4所示為各原材料與能源碳排放系數(shù)。

表3 各類原材料使用量與能源消耗量統(tǒng)計表Tab.3 Statistics of consumption of raw materials and energy

表4 隧道主要原材料與能源碳排放系數(shù)Tab.4 Main raw materials and energy carbon emission coefficient of tunnel

2.3 測算碳排放量

2.2小節(jié)中已確定了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法及分部臺階法開挖每延米各種原材料使用量與各種能源消耗量，并借鑒已有成果[4,5,14-15]確定了原材料與能源的碳排放系數(shù)。

根據(jù)公式(1)，將各類原材料使用量、能源消耗量與其對應(yīng)的碳排放系數(shù)相乘，最終相加便得到各施工方法開挖每延米的碳排放量。具體量化結(jié)果如表5所示。

由表5可得雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法與分部臺階法開挖每延米時的碳排放量分別為66 047.57 kgCO2e、40436.55kgCO2e、30398.70kgCO2e。由于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法施工工序繁瑣，施工效率較低，導(dǎo)致原材料使用量與能源消耗量較大。然而分部臺階法施工工序簡單，所需原材料和能源少。其中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工產(chǎn)生的碳排放量最大，CD法次之，分部臺階法最小，且分部臺階法僅為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的46%。

表5 隧道開挖每延米碳排放總量Tab.5 Total carbon emission per linear meter of tunnel excavation

因此，為了響應(yīng)土木工程行業(yè)節(jié)能減排、綠色施工的環(huán)保理念，在保證隧道安全施工的前提下，應(yīng)優(yōu)先考慮施工工序簡單且碳排放量最少的分部臺階法。

3 九家灣隧道施工效果

基于上述碳排放量測算結(jié)果并考慮九家灣隧道具體地質(zhì)情況，選擇分部臺階法進(jìn)行隧道施工。施工時，中導(dǎo)洞尺寸為寬×高(8.5 m×8.33 m)，導(dǎo)洞開挖面積67.86 m2，上臺階左右側(cè)導(dǎo)洞擴挖面積為33.32 m2，下臺階高度為5.38 m，分左右側(cè)開挖，開挖面積為49.45 m2。

現(xiàn)場典型施工過程主要節(jié)點如圖10-13所示。從現(xiàn)場施工照片可以看出隧道圍巖穩(wěn)定性良好，施工效果佳，組織有序。

圖10 上臺階中導(dǎo)洞開挖Fig.10 Excavation of pilot tunnel in upper step

圖11 中導(dǎo)洞貫通后交錯開挖上臺階左右側(cè)Fig.11 The left and right sides of the upper step are excavated staggeringly after the middle pilot tunnel is through

圖12 下臺階開挖Fig.12 Excavation of lower steps

圖13 施作二次襯砌Fig.13 Construction of secondary lining

現(xiàn)場施工效果表明，采用“中導(dǎo)洞先行，后左右側(cè)導(dǎo)洞交錯開挖”的分部臺階法施工，施工工序較少，對圍巖的擾動少，通風(fēng)效果好，符合硬巖隧道開挖、支護(hù)的實際條件。該施工方法在保證隧道施工安全的前提下，減少了工程量與碳排放量，降低了施工成本，提高了施工進(jìn)度，符合節(jié)能減排、綠色施工的環(huán)保理念，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

鑒于九家灣單洞四車道大跨度公路隧道原設(shè)計施工方法不適宜于現(xiàn)場地質(zhì)條件，且工序繁多、工程材料耗費較大，難以符合“節(jié)能減排，綠色施工”的環(huán)保理念，基于碳排放對節(jié)理化巖體大跨度公路隧道施工方法進(jìn)行比選，優(yōu)選了分部臺階施工方法，并分析了隧道施工效果，得出主要結(jié)論如下：

(1)基于碳排放系數(shù)法測算了各施工方法(雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、分部臺階法)每延米碳排放量，結(jié)果表明雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工產(chǎn)生的碳排放量最大，CD法次之，分部臺階法最小，且分部臺階法僅為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的46%。

(2)基于碳排放量測算結(jié)果與九家灣隧道具體地質(zhì)情況，優(yōu)選了分部臺階法進(jìn)行施工，在保證隧道安全施工的前提下，施工效果良好，取得了良好的技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)保效益。此外，以隧道碳排放指標(biāo)對施工方法的量化評價方法，可為隧道施工方法的優(yōu)選提供新的思路。