​长隧道全寿命碳排放帕累托分析

摘要：长隧道建设碳排放来源对于减碳和控碳十分重要，本文引入帕累托分析法，对长隧道工程全寿命排放帕累托分析方法进行了探讨，采集了肇明高速

2827.5m的某长隧道工程，分析了碳排放总量以及材料、运输和机械的来源占比；从作业内容对材料消耗、机械种类和运输工具等进行了帕累托分析，结果发现碳排放最大的是现浇混凝土衬砌，材料主要来源是水泥，机械主要来源是电动空压机，运输主要来源是自卸汽车；最后根据产生碳排放的主要材料和机械制定出相应的碳减排策略。关键词：长隧道建设碳排放；帕累托分析；全寿命；碳减排0引言气候变暖已成为全球难题，气候变化的严重性与紧迫性也已成为世界各国的共识。IPCC认为，气候已进入紧急状态。导致全球变暖最主要的原因是近百年来人类对矿物燃料（如煤炭和石油）和各种能源的大量使用，导致大量CO2

和其他各种温室气体的排放。从排放来源看，交通运输业是第三大排放来源，急需控制碳排放。隧道工程又是公路工程的重要组成部分，所以在碳减排工作中亟须重视。目前，国内外学者们正深入探索着隧道施工碳排放的关键影响因素、排放量预测方程和计算方法。隧道工程碳排放量的特征、碳排放来源及关键影响因素等具有较高的研究价值。隧道工程的碳排放包括哪些范畴，国内外已有一些研究，其中部分学者认为应包括施工材料的生产和使用、机械设备的制造和使用等在内，但该观点并未得到广泛认可。把公路隧道划分为设计、建设、运营三个阶段，分别对每个阶段的典型活动和碳排放源进行了分析，研究发现建设施工阶段的典型活动有材料生产、材料运输，机械设备使用等。根据碳排放构成和边界、清单分析与碳排放计算方法构建了隧道工程碳排放计算体系，然后对隧道施工的碳排放水平进行了界定，明确了隧道建设中关键作业的碳排放的影响因素。对中国某高速公路长隧道的建设施工碳排放进行计算时，考虑了建材生产过程的排放，运输载具的排放和施工机械的排放﹐并归纳总结出了隧道建造期碳排放的来源构成图。计算了高速铁路建设期的碳排放量后发现，其中主线长隧道施工期间产生的碳排放竟占铁路建设总体碳排放的60%。鉴于长隧道建设的工程内容复杂，施工机械众多等特点，明确主要来源对精准减碳控碳至关重要。而由著名经济学家首先提出的帕累托分析法，其核心思想是在决定事物发展的诸多要素中分主次，得出少数的但对事物起决定作用的主要因素和多数的但对事物影响较少的次要因素。并且，帕累托分析法一般把被分析的对象分成A、B、C3类，因此又被称为ABC分析法，它是按照事物在技术上的主要特点来分类排队，A类因素的累积率为0~80%；B类因素的累积率为80%~90%；C类因素累积率在90%~100%。因此，本文将基于生命周期评价（LCA）理论体系，运用帕累托数据分析方法，分析长隧道工程涉及的材料和机械的碳排放量特征和施工作业的碳排放特征，进而识别碳排放热点。1基于全寿命帕累托分析法的长隧道工程碳排放研究1.1长隧道工程的工程内容组成1.1.1隧道工程生命周期阶段划分基于生命周期评价理论，隧道工程的全生命周期可以分为五个阶段：筑路材料生产、筑路材料运输、隧道施工、运营维护阶段、隧道的拆解和回收阶段。在这一过程中，隧道工程建设阶段是影响隧道生命周期碳排放量的最重要因素之一。隧道施工建设与运营维护两阶段是隧道工程施工期碳排放中最重要的环节，但是现有研究认为，关于隧道工程的运营阶段的碳减排方面研究较多。因此本文针对材料生产运输和隧道施工进行生命周期分析和帕累托数据分析，找到影响碳排放的主要因素。1.1.2各阶段碳排放构成和边界隧道工程全生命周期建设阶段的碳排放体现为与施工活动相关的材料及机械设备使用过程中碳排放问题。大多数研究把公路工程的全生命周期划分为材料生产、材料运输、公路施工建设、运营及养护等五个阶段；一些研究把材料生产和运输或者道路施工建设阶段进行合并，考虑了材料循环这一概念，得出了全生命周期可以划分为材料物化、建设、使用、养护和最终处置五个阶段。隧道工程建设阶段的总碳排放量是指使用一定量的材料或机械后向外界环境所排放的CO2

量。所以为了计算隧道工程的总碳排放量，需要确定隧道工程建设阶段的碳排放边界。本文将隧道工程建设阶段的边界划分为：材料生产、运输和现场施工。1.2全寿命生命周期评价1.2.1生命周期评价（LCA）生命周期评价（LifeCycleAssessment，LCA）起源于分析可口可乐的包装及其原材料的使用对环境造成的影响。根据国际标准化组织（ISO）将其定义为：LCA是指“对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价，具体包括四个步骤：目的与范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释。生命周期评价就是用来对产品全生命周期进行评价的方法，也就是从原料的取得、从产品生产到使用后处理，评估对环境影响的技术与方法”。1.2.2隧道工程建设阶段清单分析清单分析是对服务系统全寿命周期资源、能源输入与环境排放输出进行量化的过程，它包括了数据收集与数据计算。所以本文的隧道工程建设阶段碳排放的清单分析主要是对材料的消耗量和机械的使用量进行具体的量化。清单分析所需要的数据分两部分：一部分数据是材料及能源的使用量，来自施工图纸、设计数据、或相关机构的统计数据等；另一部分数据包括各种材料和能源的碳排放因子，可从规范、IPCC数据库和文献中获得。1.2.3碳排放计算方法碳排放的计算方法主要有实测法、过程分析法、投入产出分析法和混合法四种。研究发现，当前，隧道工程碳排放的计算方法多使用过程分析法，亦称为排放系数法。排放系数法就是通过构建隧道施工建设时各种筑路材料和能源的投入清单，并将各种材料和能源的消耗量分别乘以相应的碳排放因子，并累加，即可以获得隧道工程碳排放总量。本文隧道工程碳排放量的计算采用的是排放系数法。1.3帕累托分析法应用1.3.1帕累托分析法的应用帕累托分析法作为问题识别工具，在许多领域得到了广泛应用，人们将其用于确定最主要的问题，以及造成这类问题的重要因素。采用帕累托分析法对北京市蔬菜市场供应风险进行了分析研究，精准确定了每个月需要优先监控的蔬菜的种类及货源地，迅速厘清风险类别。依据福利经济学中帕累托改善的思想，认为良好的社会经济行为应能够使社会整体福利得到改善，在居家养老经济行为中，即是以老年人的需求为核心，在使老年人需求得到满足的同时，保证其他参与方，包括家庭成员、社会机构、邻里社区的利益需求不受到损害。本文将其应用于长隧道工程的材料和机械的排放热点分析，寻找碳减排的突破口。1.3.2排放系数法计算施工作业碳排放量依据全寿命周期评价理论及模型，计算施工作业碳排放量。施工作业碳排放量计算公式如下。长隧道工程施工作业的碳排放量，是由施工过程中材料的碳排放量和机械的碳排放量组成。并运用帕累托分析法对施工作业碳排放的A、B、C类要素进行分析。施工作业Ev：式中，Ev

为施工作业的总碳排放量；Em

为材料碳排放总量；Eo

为使用施工机械的总碳排放量。1.3.3排放系数法计算材料碳排放量筑路材料制作大多是在施工现场以外进行，常用的材料有水泥、钢筋、碎石、砂、砾石、沥青等。依据全寿命周期评价理论及模型，计算材料碳排放量。材料碳排放量计算公式如下。并运用帕累托分析法分析材料的碳排放的A、B、C类要素。材料Em

：式中，Em

为材料碳排放总量；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。1.3.4排放系数法计算机械碳排放量施工机械设备有很多类型，例如电动空压机、轴流式通风机、轮胎式装载机、混凝土搅拌站、凿岩台车、履带式推土机、交流电焊机等。依据全寿命周期评价理论及模型，计算机械碳排放量。机械碳排放量计算公式如下。并运用帕累托分析法分析机械的碳排放的A、B、C类要素。施工机械Eo

：式中，Eo

为使用施工机械的总碳排放量；i

为车辆类别；efi

为机械

i

所用燃料的排放因子；vi

为机械

i

在单位时间内的燃料消耗量。1.3.5排放系数法计算运输碳排放量隧道施工中所用移动机械主要有自卸汽车，载货汽车和洒水汽车等。依据全寿命周期评价理论及模型，计算运输碳排放量。运输碳排放量计算公式如下。并运用帕累托分析法分析运输的碳排放的A、B、C类要素。运输机械Et

：式中，Et

为使用运输机械的总碳排放量；i

为车辆类别；efi

为机械

i

所用燃料的排放因子；vi为机械i

在单位时间内的燃料消耗量；di

为运距。按照上述公式即可算出隧道工程建设阶段对外界环境输出的碳排放总量。2肇明高速某长隧道该隧道工程是肇明高速项目TJ02-02施工段中一条长为2827.5m的隧道，设计断面图见图1。该长隧道位于肇庆市高要区活道镇境内低山山区，通过隧道进口没有道路通往，交通不便；现有道路通往出口附近，交通较为便利。为路线穿越区内低山长亘状山脊而建设。隧道走向131°~191°。隧道采用分离式，其中：右洞起讫桩号K40+098~K42+898，总长2800m，净空为（宽×高）14.5m×5.0m；左洞起讫桩号ZK40+082~ZK42+937，总长2855m。净空为（宽×高）14.5m×5.0m。设计速度100km/h，采用的是机械通风，隧道最大埋深约315m，属长隧道。该隧道所属区域是亚热带季风湿润气候，全年气温偏高，降水多，所以隧道进出口断面地表水十分发育，为隧道进出口冲沟水，山间沟谷为区内地表水汇集、排泄通道。隧道进口位于朝向南北的陡坡地带，施工难度增加；出口为西江冲积平原，地形平缓，施工难度小。该隧道的掘进采用铣挖机、悬臂式掘进机、三臂凿岩台车取代了常规的人工开挖工艺，掌子面可采用三臂凿岩台车进行双机联合作业的方法。隧道建设将产生弃土，除了一部分可以用作路基填筑料以外，另需修建标准场地堆置。图1长隧道断面设计图Fig.1Designdrawingoflongtunnelsection3某长隧道工程碳排放量计算结果3.1总体碳排放该隧道工程建设阶段的总碳排放量等于材料碳排放量、机械碳排放量和运输碳排放量之和。材料碳排放量占总碳排放量比重高达87%，具体排放占比如图2。该隧道的碳排放量汇总如表1。表1碳排放量汇总表Tab.1Summarytableofcarbonemissions

图2材料、运输、机械碳排放量占比图Fig.2Carbonemissionratioofmaterials,transportationand

machinery3.2施工作业碳排放以肇明高速项目中某长隧道工程为例，对所有施工作业的碳排放量数据进行整理，对数据进行帕累托分析，得出施工工艺的碳排放量帕累托分析图（图3），根据对结果的分析得出长隧道工程中的排放热点作业。图3隧道工程施工作业的碳排放量帕累托分析图Fig.3Paretoanalysisdiagramofcarbonemissionoftunnelengineeringconstruction按照帕累托分析定义，占碳排放总比0~80%的材料称作A类要素，占碳排放总比80%~90%的材料称作B类要素，占碳排放总比90%~100%的材料称作C类要素。则隧道工程中现浇混凝土衬砌模板台车、制作安装型钢钢架、集中加工衬砌钢筋、喷射混凝土和现浇混凝土仰拱回填等10个施工工艺的总碳排放量占所有施工工艺总碳排放量的80%。属于A类要素。由此可见这些施工作业是长隧道工程的主要碳排放来源。3.3材料碳排放首先确定材料的排放热点，以肇明高速项目中的某长隧道工程数据为例，隧道工程中材料的总碳排放量为117936吨，包括水泥、钢筋、碎石和型钢等39种材料。应用帕累托分析，其中水泥、钢筋和碎石三种材料的总碳排放量占所有材料碳排放的80%，属于隧道工程中的主要材料，称之为A类材料。而型钢的碳排放量占材料总碳排放量的11%，比重较大，累计占比达到了91%，依据帕累托分析法定义，型钢属于C类材料，所以就没有B类材料。在A类材料中，水泥的碳排放量占材料总碳排放量的45%，钢筋的碳排放量占材料总碳排放量的22%，碎石的碳排放量占材料总碳排放量的13%，三种材料应作为重点研究对象。材料碳排放量的帕累托分析图如图4所示。图4材料碳排放量帕累托分析图Fig.4Paretoanalysischartofmaterialcarbonemission3.4机械碳排放首先确定机械的排放热点，以肇明高速项目中的某长隧道工程数据为例，隧道工程中机械的总碳排放量为13847.6吨，包括轴流式通风机、20m3/min内电动空压机、轮胎式装载机和汽车式起重机等24种机械。应用帕累托分析，其中轴流式通风机、20m3/min内电动空压机和轮胎式装载机三种机械的总碳排放量占所有机械的总碳排放量的78%，属于隧道工程中的主要机械，称之为A类机械。在A类机械中，使用20m3/min内电动空压机的碳排放量占机械总碳排放量的59%，使用轴流式通风机的碳排放量占机械总碳排放量的12%，使用轮胎式装载机的碳排放量占机械总碳排放量的7%，三种机械应作为重点研究对象。机械碳排放量的帕累托图如图5。图5机械碳排放量帕累托分析图Fig.5Paretoanalysisofmaterialcarbonemission3.5运输碳排放以肇明高速项目中的某长隧道工程数据为例，建设隧道工程所需运输机械的碳排放来源主要是20t以内自卸汽车，其碳排放量占运输总碳排放量的61%，是碳减排工作的重点。15t以内自卸汽车的碳排放量占运输总碳排放量的14%，累计占比91%，属于C类材料，所以就没有B类材料。详细运输碳排放帕累托分析如图6所示。

图6运输碳排放量帕累托分析图Fig.6Paretoanalysisoftransportcarbonemissions4碳减排建议在隧道工程施工作业的碳排放中，碳排放量最多的是现浇混凝土衬砌（模板台车）、集中加工衬砌钢筋和喷射混凝土，由此可见，碳减排可以从混凝土入手，关注沥青混疑土的再生利用。施工作业时可采用新能源施工机械，多台机械设备同时