公路隧道斜井開挖支護(hù)碳排放特性

徐建峰, 徐忠林, 郭 春, 袁 坤, 董海疆, 楊小兵, 楊永鵬, 田 野, 陳昱圻

(1. 國(guó)網(wǎng)成都供電公司電纜運(yùn)檢中心, 四川 成都 610041; 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031)

0 引言

隨著公路隧道行業(yè)的快速發(fā)展,自2009年以來(lái)中國(guó)公路隧道里程年均增長(zhǎng)超過(guò)1 000 km[1]。然而,大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)導(dǎo)致能源資源消耗巨大,大量溫室氣體排放給環(huán)境保護(hù)造成沉重負(fù)擔(dān)。有研究表明,隧道修建過(guò)程的碳排放明顯高于其他交通設(shè)施建設(shè)[2]。

很多專家、學(xué)者對(duì)隧道行業(yè)碳排放進(jìn)行了計(jì)算和分析。Huang等[3-4]報(bào)道了挪威公路隧道的環(huán)境效應(yīng),首次分析了隧道長(zhǎng)度和開挖斷面面積對(duì)鉆爆法施工隧道環(huán)境效應(yīng)的影響。徐建峰等[5]建立了隧道構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝施工階段的碳排放計(jì)算模型,明確了上游建材生產(chǎn)對(duì)隧道施工碳排放的影響路徑。Guo等[6]首次分析了圍巖級(jí)別對(duì)隧道碳排放的影響,并采用生命周期評(píng)價(jià)方法,計(jì)算了某公路隧道在材料生產(chǎn)運(yùn)輸、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的碳排放。陳靈均[7]引入了交通仿真模型和機(jī)動(dòng)車尾氣排放模型,分析了隧道運(yùn)營(yíng)期路面交通碳排放特性。文獻(xiàn)[8]回顧了現(xiàn)有隧道施工碳排放計(jì)算方法,計(jì)算了某隧道施工階段各工序的碳排放水平。Xu等[8-9]發(fā)現(xiàn)了圍巖條件對(duì)隧道施工碳排放的重要影響以及不同圍巖條件下隧道施工碳排放的躍遷規(guī)律,并首次明確了影響隧道施工碳排放的若干因素,包括埋深、材料質(zhì)量、開挖方法和圍巖級(jí)別等。

現(xiàn)有研究已經(jīng)對(duì)隧道主洞的碳排放特性進(jìn)行了大量分析[10-12],而隧道斜井的碳排放特性卻鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。隧道斜井是長(zhǎng)隧道施工的重要輔助坑道,對(duì)縮短項(xiàng)目工期、加快施工進(jìn)度有重要作用。本文將依托工程案例分析公路隧道斜井施工碳排放特性,明確不同工序施工的碳排放水平,探明斜井坡度和長(zhǎng)度對(duì)開挖和出渣碳排放的影響規(guī)律。

1 工程概況

某隧道地處秦嶺山區(qū),采用雙向6車道設(shè)計(jì)。隧道主體雙向長(zhǎng)度為7 018 m,設(shè)計(jì)速度為80 km/h。設(shè)立2條斜井作為施工進(jìn)洞通道和后期救援逃生通道,斜井采用永久性支護(hù)設(shè)計(jì)。斜井?dāng)嗝婷娣e為61.02 m2,洞寬10.0 m,坡度為9°,長(zhǎng)1 500 m,圍巖以Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)為主,使用鉆爆法開挖。本研究中斜井施工工序包含超前支護(hù)、隧道開挖、初期支護(hù)和二次襯砌。Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖斜井每延米工程量數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 Ⅳ級(jí)圍巖斜井每延米工程量Table 1 Work quantity of inclined shaft in Grade Ⅳ surrounding rock

表2 Ⅴ級(jí)圍巖斜井每延米工程量Table 2 Work quantity of inclined shaft in Grade Ⅴ surrounding rock

2 斜井施工碳排放研究方法與數(shù)據(jù)

2.1 斜井施工碳排放研究目標(biāo)與范圍

碳排放是各類溫室氣體排放的簡(jiǎn)稱。溫室氣體包含二氧化碳、氧化亞氮、甲烷、六氟化硫、氫氟碳化物和全氟化碳等,將其造成溫室效應(yīng)的能力歸一為二氧化碳當(dāng)量(CO2eq)[13]。施工碳排放分為直接碳排放和間接碳排放,前者報(bào)告實(shí)體擁有或控制直接排放,涵蓋隧道施工現(xiàn)場(chǎng)各類化石燃料燃燒帶來(lái)的排放; 后者是報(bào)告實(shí)體活動(dòng)的結(jié)果,但是由另一個(gè)實(shí)體完成排放過(guò)程,具體包括上游材料生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸和使用外購(gòu)電力、熱能帶來(lái)的碳排放[14]。在施工設(shè)備生產(chǎn)、安裝和拆除過(guò)程中的碳排放不在研究范圍內(nèi)。本文研究范圍涵蓋了直接碳排放和間接碳排放。

2.2 斜井施工碳排放清單分析

斜井施工碳排放清單數(shù)據(jù)分為2部分: 前景數(shù)據(jù)和背景數(shù)據(jù)[13]。前景數(shù)據(jù)是指直接測(cè)量或從源頭直接測(cè)算中獲得的單位過(guò)程、活動(dòng)的定量值,包含各類材料和能源的消耗量。將每米斜井工程量數(shù)據(jù)代入JTG/T 3832—2018《公路工程預(yù)算定額》,獲得對(duì)應(yīng)工程量的材料和機(jī)械臺(tái)班投入量。同時(shí),JTG/T 3833—2018《公路工程機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額》中涵蓋了各類施工機(jī)械單位臺(tái)班的能源消耗數(shù)據(jù),進(jìn)而可獲取對(duì)應(yīng)工程量的材料和能源清單。背景數(shù)據(jù)是指由間接測(cè)算得到的單位過(guò)程的量化值。排放因子是一種背景數(shù)據(jù)[15],可按照文獻(xiàn)[8]的碳排放因子取值。

本文采用排放系數(shù)法計(jì)算公路隧道開挖碳排放,并將碳排放源劃分為建筑材料、運(yùn)輸機(jī)械與工程機(jī)械。

1)建筑材料的碳排放Em計(jì)算見式(1)。

(1)

式中:i為材料類別;efi為材料i的排放因子;mi為材料i的消耗量。

2)運(yùn)輸機(jī)械的碳排放E0計(jì)算見式(2)。

(2)

式中:k為機(jī)械類別;efk為機(jī)械k所用燃料的排放因子;vk為機(jī)械k單位時(shí)間的燃料消耗量;nk為機(jī)械k的工作時(shí)間。

3)工程機(jī)械的碳排放Et計(jì)算見式(3)。

(3)

式中:j為車輛類別;efj為車輛j所用燃料的排放因子;vj為機(jī)械j單位時(shí)間的燃料消耗量;nj為車輛j的工作時(shí)間。

最終將材料生產(chǎn)、運(yùn)輸機(jī)械和施工機(jī)械的碳排放累加,即可得到每延米斜井開挖支護(hù)的碳排放數(shù)值。表3中包含一些碳排放計(jì)算的基本參數(shù)和假設(shè),以便獲取單元工序中的碳排放清單數(shù)據(jù)[15]。Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖斜井施工材料能源消耗數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 材料運(yùn)輸與采集加工假定Table 3 Assumption for material transportation, collection, and processing

表4 每延米Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖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(續(xù))

3 斜井施工碳排放分析

3.1 各類材料、能源的碳排放

不同材料和能源的碳排放數(shù)值如圖1所示。Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖斜井施工碳排放分別為17.95 tCO2eq和27.00 tCO2eq。盡管Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖斜井施工碳排放總量有較大差距,但各類材料和能源的碳排放占比卻較為接近。其中,水泥碳排放占比超過(guò)40%,鋼鐵碳排放占比超過(guò)32%,電力碳排放占比超過(guò)13%,柴油碳排放占比超過(guò)7%。上述材料、能源的碳排放合計(jì)超過(guò)90%,對(duì)斜井施工碳排放具有控制性作用。

圖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

斜井各個(gè)施工工序的碳排放水平如圖2所示。對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖,碳排放最高的3個(gè)工序分別為砂漿錨桿(3.51 tCO2eq)、二次襯砌拱墻(2.82 tCO2eq)和噴射混凝土(2.63 tCO2eq);而Ⅴ級(jí)圍巖碳排放最高的3個(gè)工序分別為噴射混凝土(4.45 tCO2eq)、型鋼(4.10 tCO2eq)和二次襯砌拱墻(3.51 tCO2eq)。金屬網(wǎng)和連接鋼筋的碳排放最小,小于0.45 tCO2eq。

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

相較于Ⅳ級(jí)圍巖,Ⅴ級(jí)圍巖施工工序的碳排放多數(shù)出現(xiàn)了增長(zhǎng)。型鋼碳排放增幅最為顯著,從1.34 tCO2eq增加到4.10 tCO2eq,增幅達(dá)到206%。而噴射混凝土碳排放增量為1.82 tCO2eq。此外,二次襯砌拱墻、仰拱,連接鋼筋、開挖與出渣等工序都出現(xiàn)一定幅度增長(zhǎng)。各工序碳排放變化與表1和表2中的工程量大小相對(duì)應(yīng)。而Ⅳ級(jí)圍巖砂漿錨桿碳排放量較高,原因在于其包含了超前支護(hù)和初期支護(hù)2部分使用的砂漿錨桿的碳排放。

4 斜井長(zhǎng)度和坡度對(duì)開挖、出渣碳排放的影響

4.1 影響因素與碳排放清單數(shù)據(jù)

實(shí)際斜井長(zhǎng)度和坡度常發(fā)生變化,因此本研究將進(jìn)一步分析斜井坡度和長(zhǎng)度改變對(duì)開挖和出渣碳排放的影響。斜井坡度選取7°、9°、12°和25°,斜井長(zhǎng)度選擇1 500、1 700、1 900、2 100、2 300、2 500 m。當(dāng)斜井長(zhǎng)度為1 500 m,不同坡度下開挖100 m3土石消耗的機(jī)械臺(tái)班數(shù)量如表5所示。根據(jù)《公路工程預(yù)算定額》,當(dāng)斜井長(zhǎng)度在1 500 m以上,長(zhǎng)度每增加100 m,不同坡度下斜井開挖100 m3土石消耗的額外機(jī)械臺(tái)班數(shù)量如表6所示。

表5 斜井開挖機(jī)械臺(tái)班數(shù)量Table 5 Amount of machine-team for excavation of inclined shaft

表6 斜井開挖額外機(jī)械臺(tái)班數(shù)量Table 6 Amount of additional machine-team for excavation of inclined shaft

不同坡度下,斜井出渣的機(jī)械臺(tái)班和運(yùn)輸方式也將發(fā)生變化。坡度為7°、9°和12°時(shí),斜井出渣采用無(wú)軌運(yùn)輸,而當(dāng)12°<坡度≤25°時(shí),采用有軌運(yùn)輸,每100 m3土石斜井出渣機(jī)械臺(tái)班數(shù)量如表7所示。表8中列舉了不同施工機(jī)械的單位臺(tái)班能耗數(shù)據(jù)。

表7 每100 m3土石斜井出渣機(jī)械臺(tái)班數(shù)量Table 7 Amount of machine-team for 100 m3 stone transported from inclined shaft

表8 各類施工機(jī)械單位臺(tái)班能耗Table 8 Energy consumption per machine-team of different machinery

4.2 斜井坡度對(duì)施工機(jī)械開挖碳排放的影響

設(shè)定斜井長(zhǎng)度為1 500 m,計(jì)算不同斜井坡度洞內(nèi)開挖的機(jī)械碳排放,如圖3所示。當(dāng)坡度為7°、9°和12°時(shí),機(jī)械開挖工序中機(jī)械碳排放隨坡度增加上升。而當(dāng)坡度從12°變?yōu)?5°時(shí),斜井施工機(jī)械碳排放強(qiáng)度下降。這一變化趨勢(shì)與電動(dòng)空壓機(jī)機(jī)械臺(tái)班數(shù)量變化規(guī)律一致。當(dāng)坡度小于12°時(shí),開挖土石所消耗的電動(dòng)空壓機(jī)臺(tái)班數(shù)量隨著坡度增大而增加,在坡度達(dá)到25°后,開挖土石所消耗的電動(dòng)空壓機(jī)臺(tái)班數(shù)量下降。根據(jù)表5、表6中機(jī)械臺(tái)班數(shù)量和表8中機(jī)械臺(tái)班能耗水平,20 m3/min電動(dòng)空壓機(jī)機(jī)械臺(tái)班數(shù)量的升降對(duì)斜井開挖的碳排放水平具有重要影響。

圖3 不同坡度斜井開挖機(jī)械碳排放Fig. 3 Carbon emissions from excavation of inclined shaft with ditlerent slopes

4.3 斜井坡度對(duì)洞內(nèi)出渣碳排放的影響

圖4中展示了每延米斜井洞內(nèi)出渣碳排放情況。由圖可知,洞內(nèi)出渣碳排放值介于0.37～0.69 tCO2eq,其中Ⅴ級(jí)圍巖洞內(nèi)運(yùn)渣的碳排放數(shù)值略高于Ⅳ級(jí)圍巖。與斜井開挖工序碳排放類似,隨著坡度從7°增加到12°,斜井出渣采用輪胎式裝載機(jī)和自卸汽車的無(wú)軌運(yùn)輸組合,出渣碳排放隨坡度增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì); 而當(dāng)斜井坡度超過(guò)12°時(shí),運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛熊夁\(yùn)輸,運(yùn)輸機(jī)械采用梭式礦車和絞車,斜井坡度為25°時(shí)的出渣碳排放較坡度為12°時(shí)大幅下降。總的來(lái)看,斜井洞內(nèi)出渣碳排放水平較低,對(duì)施工碳排放影響有限。

圖4 不同坡度斜井洞內(nèi)出渣碳排放Fig. 4 Carbon emissions from mucking in inclined shaft with different slopes

4.4 斜井長(zhǎng)度對(duì)開挖、出渣碳排放的影響

計(jì)算不同斜井長(zhǎng)度的開挖和出渣碳排放,結(jié)果如圖5所示。斜井開挖及出渣的碳排放與斜井長(zhǎng)度成正比關(guān)系。斜井長(zhǎng)度每增加100 m,開挖和出渣的碳排放增加0.15～ 0.2 tCO2eq。

(a) Ⅳ級(jí)圍巖

(b) Ⅴ級(jí)圍巖圖5 不同斜井長(zhǎng)度的開挖與出渣碳排放Fig. 5 Carbon emissions from excavation and mucking of inclined shaft with different length

5 結(jié)論與建議

1)圍巖級(jí)別是影響斜井施工碳排放的關(guān)鍵因素。對(duì)于開挖面積分別為80.5 m2和87.8 m2的Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖,斜井施工碳排放分別為17.95 tCO2eq和27.00 tCO2eq。

2)對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖,碳排放最高的3個(gè)工序分別為砂漿錨桿(3.51 tCO2eq)、二次襯砌拱墻(2.82 tCO2eq)和噴射混凝土(2.63 tCO2eq),而Ⅴ級(jí)圍巖排放最高的3個(gè)工序分別為噴射混凝土(4.45 tCO2eq)、型鋼(4.10 tCO2eq)和二次襯砌拱墻(3.51 tCO2eq)。

3)在各類材料及能源中,水泥碳排放占比超過(guò)40%,鋼鐵碳排放占比超過(guò)32%,電力碳排放占比超過(guò)13%, 柴油碳排放占比超過(guò)7%。上述材料、能源對(duì)斜井施工碳排放具有控制作用。

4)當(dāng)斜井長(zhǎng)度超過(guò)1 500 m,開挖及出渣工序的碳排放呈線性增長(zhǎng); 斜井長(zhǎng)度每增加100 m,斜井開挖、出渣工序碳排放增加0.15～0.2 tCO2e。每延米斜井洞內(nèi)出渣碳排放數(shù)值較小,介于0.37～0.69 tCO2eq;在斜井坡度超過(guò)12°時(shí),采用有軌運(yùn)輸方式出渣較汽車運(yùn)輸更加低碳。

5)隨著圍巖級(jí)別上升,鋼架和噴射混凝土的碳排放增加尤為明顯?？赏ㄟ^(guò)優(yōu)化鋼架斷面設(shè)計(jì)、采用高性能噴射混凝土、核減噴射混凝土厚度等措施減少材料投入。斜井施工中,部分機(jī)械單位臺(tái)班能耗數(shù)值較大,以電動(dòng)空壓機(jī)為例,其機(jī)械臺(tái)班數(shù)量變化對(duì)斜井開挖碳排放具有較大影響,建議完善大功率施工機(jī)械管理制度,縮短非必要的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。

實(shí)際機(jī)械臺(tái)班消耗量與定額值的差異、超挖回填增加的噴射混凝土消耗量對(duì)斜井施工碳排放產(chǎn)生的影響不可避免。因此,采用定額計(jì)算施工碳排放的方法雖具有代表性,但其得到的碳排放與實(shí)際結(jié)果存在一定誤差。在后續(xù)研究中將繼續(xù)完善計(jì)算方法,根據(jù)施工組織機(jī)械配置、進(jìn)度指標(biāo)、超挖預(yù)留變形等信息調(diào)整機(jī)械臺(tái)班消耗量,使得施工碳排放計(jì)算結(jié)果更加可靠。