南方低山丘陵区高速公路路基工程全寿命碳排放来源分析及减排要点

摘要：为了分析南方低山丘陵地区软基、边坡防护、排水工程量大导致的碳排放量特点，本文采用生命周期碳排放计算方法，采集预算工程量和施工方法，选用肇明高速公路SJ02施工段，从路基工程内容、材料以及机械三方面计算了碳排放的数量、占比及主要来源。发现了碳排放最大来源作业是预应力锚索钻孔，材料碳排放最大来源是水泥，机械碳排放主要来自空压机，运输工具碳排放主要来自卸汽车。因此，建议在南方低山丘陵区进行路基工程时要注意做好边坡防护、水泥、空压机以及自卸汽车的碳核算以及减排工作。关键词：交通碳排放；施工建设碳排放；生命周期理论评价；帕累托分析0引言伴随着经济的快速增长，交通运输行业已经成为我国温室气体增长排放最大的产业之一。公路建设作为交通运输行业的重点，从公路建设所需材料（沥青、水泥等）的生产，材料的运输，施工建设，运营维护以及拆除回收都会造成大量温室气体排放。但是，过去人们过多关注公路施工建设阶段而忽略了公路生命周期中其余阶段的温室气体排放，忽视了公路施工期间温室气体排放的时间或空间的转移问题，未能有效地减少碳排放。因此，生命周期理论在公路碳排放领域的应用越来越多。以生命周期理论为依据，立足于公路生命周期的整个环节，在确保效率和质量的前提下，提出了低碳公路的实现途径；则通过生命周期理论评估了水泥稳定料、石灰稳定料以及一些工业固体废料作为路面基层材料带来的环境影响，并和水泥混凝土进行对比，发现工业固体废料消耗资源少，碳排放小，是理想的绿色生态公路建材；运用生命周期评价法计算出我国公路建设和维护阶段的CO2

排放量，通过多元线性回归模型，结合数据质量评价和敏感性分析，揭示了影响公路CO2

排放量的显著性因素；对连续钢筋混凝土路面和沥青路面的寿命周期清单进行了简要评估，评估了每一种路面类型在巷道施工中所消耗的能量；发现在相同设计路面的初始施工阶段，沥青对能源和肥料的需求更大，对矿石需求更少，产生的碳排放更少，但与钢筋混凝土相比，它会产生更多危险废物，对管理水平要求更高。路基工程作为公路施工期间的重要组成部分，在生命周期也会造成大量的温室气体排放，可是有关路基工程碳排放的研究并不是很多，因此本文采用生命周期碳排放计算方法，收集肇明高速SJ02分段，计算出肇明高速SJ02各分项工程的作业、材料、机械设备以及运输工具，在路基施工过程中材料生产、材料运输以及施工阶段所产生的碳排放量，并分析识别作业、材料、机械设备以及运输工具的排放热点，针对对应的排放热点提出相应的措施，为南方低山丘陵区的施工提供合理化的建议。1生命周期碳排放计算方法1.1生命周期理论的内涵生命周期评价（LifeCycleAssessment，LCA）起源于1999年美国西部研究所分析可口可乐包装对环境的影响。根据《环境管理生命周期评价原则与框架》（GBT24044—2008）的定义：LCA是分析评价工艺或产品从获取原材料、生产、使用生命末期的处理、循环和最终处置的生命周期的环境因素和潜在的环境影响，可为各种建筑材料以及机械设备的使用提供准备有效的环境影响评估结果。该方法立足于工艺或产品整个系统的各个阶段，通过量化完整的生命周期内能量的转移、资源的消耗以及对环境的排放情况，从而更为有效地识别出该工艺或产品对于外部环境的影响情况，避免对外部环境的影响是过程之间的转移。1.2路基工程施工期的阶段划分基于生命周期理论，公路建设可以大致分为材料生产、材料运输、道路施工阶段、运营阶段、维护阶段以及拆除和回收这六个阶段。类似地，将路基工程分为六阶段：路基工程的材料生产、材料的运输、路基工程的施工建设阶段、运营阶段、维护阶段以及拆除和回收阶段，由于路基工程施工期产生的温室气体主要来自材料生产、材料运输以及施工建设阶段，运营、维护阶段以及拆除和回收阶段的排放相对较少，随着科技技术的不断升级，对资源和能源的利用效率以及使用形式会发生一定程度上的改变，而路基运营和维护阶段的时间跨度大且过程复杂，路基的拆除和回收则案例较少，数据不够充足且可靠性较低。因此本文研究的重点是路基施工期的材料生产、材料运输以及施工建设阶段。1.3路基工程施工期碳排放的边界确定对路基工程的碳排放核算需要依靠碳排放边界的确定。路基工程施工期的碳排放主要来源于施工期材料、运输车辆以及机械设备所造成的碳排放，由于本文是对材料生产、材料运输以及施工建设阶段的碳排放的量化，因此本文将计算边界的划分定为：材料生产、材料运输以及施工建设。对于材料而言，主要是指从原材料的提取、生产、加工、工厂运输至施工场所及材料的物化等过程，对于旧路改造的公路还包括材料的回收以及再利用的过程，肇明高速SJ02分段为新建公路，因此考虑材料的碳排放边界时定义为前者。对于运输工具以及机械设备则根据使用类型与场地的不同大致分为以下三类：场外拌和、材料运输以及施工现场的排放。场外拌和的排放主要由拌和厂的机械设备运转时产生；材料运输碳排放则包括运输工具将材料运输到拌和厂、从拌和厂运输到施工场地以及直接将材料运输到施工场地产生的排放；施工现场的排放主要来自施工设备运作时产生的排放以及现场内部材料运输产生的排放。运输工具以及机械设备的碳排放则是由汽油、柴油、重油、电力等能源消耗所导致，从生命周期的角度来分析能源的排放，不仅包括传统意义上能源的消耗所导致的碳排放，还包括能源在开采、生产加工等制作过程所产生的碳排放。1.4路基施工期的碳排放清单分析路基施工期的碳排放清单分析则是对施工期各单元碳排放的量化过程。路基施工期的碳排放清单分为两类：输入数据和产出数据。输入数据指资源的使用量以及能源的消耗量，也可以理解成各单元材料的消耗以及机械设备的工程量的大小，可以通过查阅相应的施工数据来获取，本文输入数据来自肇明高速SJ02分段的工程量数据；产出数据则对应相关单元所造成的碳排放，重点关注所消耗材料以及使用机械设备所消耗的能源所对应的碳排放因子，可以通过典型权威数据库和文献获取排放因子，或通过自主研究排放边界和特征获取排放因子。本次研究参考的国际典型数据库包括英国碳排放与能源数据清单、美国NREL生命周期清单数据库、英国公共可获取规范和欧洲生命周期基础数据库ELCD等，国内典型数据库包括中国生命周期基础数据库CLCD、中国建筑碳排放通用计算方法导则、中国碳核算数据库、中国产品全生命周期温室气体排放系数集等。1.5路基工程施工期碳排放模型1.5.1路基施工期碳排放量计量结构化公路建设阶段碳排放量和公路建设工程计价相似，一方面都有单价性特点，另一方面材料和机械是工程计价与碳排放量的共同主要来源。因此为了克服计算碳排放量时面临的单价计价难、准确性低的问题，可以引入工程计价中分单位、分部、分项工程划分标准，实现公路建设阶段碳排放量计量结构化。类似地，为了避免作为单位工程的路基工程在计算建设期碳排放量时所面临的单价计价难、准确性低、计算难度大等问题，本文引入作业作为路基工程的基本单元，作业即按照分项工程的划分原则，进一步按照分项工程的各个施工环节、施工环境、设备使用型号等划分的最小材料和机械设备的计量单位。从而将路基工程按照分部工程、分项工程、作业划分标准进行划分，结果如图1所示。图1路基工程碳排放量计量结构化图Fig.1Structuralchartofcarbonemissionmeasurementofsubgradeengineering1.5.2路基施工期碳排放模型采用排放系数法对路基施工期作业的碳排放进行计算，即通过路基工程下各作业的碳排放清单，并乘以相对对应的材料，运输车辆、机械设备的碳排放因子，累计求和即可得到对应工艺的碳排放。若想要进一步量化各分项、分部以及路基工程的工程量，通过对其相包含的作业进行相应的累加计算便可得到对应的碳排放量。路基施工期间作业的碳排放计算模型如下：式中，Gl

为该作业的第l种材料碳排放量，kgCO2

；Gt

为该作业的第t类运输车辆的碳排放量，kgCO2

；Gm

为该作业的第m类机械设备碳排放量，kgCO2。材料的碳排放计算模型如下：式中，gl为该作业的第l种材料质量转换后的消耗量，kg；El为该作业的第l种材料质量转换后的碳排放因子，kgCO2/kg。运输车辆的碳排放计算模型如下：式中，St为该作业的第t类运输车辆的运距，m；gti

为该作业的第t类运输车辆的单位运距所消耗i类能源的消耗量，kg/m或kW·h/m，（i=1时为汽油，i=2时为柴油，i=3时为重油，i=4时为煤油，i=5时为电能）；Eti为该工序第t类运输车辆消耗的第i类能源的碳排放因子，kgCO2/kg或kgCO2/kW·h。机械设备的碳排放计算模型如下：式中，Hm

为该作业的第m类机械设备的工作时长，台班（日）；gmi

为该作业的第m类机械设备单位工作时长所消耗i类能源的消耗量，kg/台班（日）或kW·h/台班（日）；Emi

为该作业的第m类机械设备所消耗的第i类能源的碳排放因子，kgCO2/kg或kgCO2/kW·h。根据上述计算模型可以分别求出不同作业材料、运输工具以及机械设备的碳排放量，并按照划分标准便可求出分项工程、分部工程以及路基工程的材料、运输工具、机械设备的碳排放总量。2肇明高速SJ02工程概况SJ02（K25+880~K45+380K51+600~K65+105），施工图路线长度为33.005km，路基长度为16468.1m；特大桥长2465.2m，共1座，大桥6696.1m，共15座，中桥454.6m，共七座，小桥15m，共一座，桥梁总长为9630.9m；长隧道共三座，总长为6906m，桥隧比为50.11%。主线全线采用六车道高速公路作为设计标准，其中K25+880~K58+228段设计速度为100km/h，K58+228~K65+105设计速度为120km/h，全线路基宽度为34m，一般填方路基路基边坡为1∶1.5，一般挖方路基一般土质（类土质）边坡坡率为1∶1~1∶1.5，石质边坡坡率为1∶0.75~1∶1.25。水泥与钢筋多来源于护坡工程的锚杆护坡以及锚索护坡工程，排水工程则来自于类似边沟、排水沟、急流槽等排水设施的建造。边坡防护工程大多来自K25+880~K26+070、ZK31+854.8~ZK32+014.8、ZK31+854.8~ZK32+014.8、K37+346~K37+565.9、K50+153.0~K50+450.0、K59+797~K60+090以及K62+240~K62+482.2处第一级边坡加固处的锚杆工程以及第二级边坡加固处的预应力锚索工程，其中K25+880~K26+070的平面如图2所示，坡立面如图3所示。图2K25+880~K26+070的平面图Fig.2TheplanofthesubgradefromK25+880toK26+070图3K25+880~K26+070的坡立面图Fig.3TheslopeelevationviewplanofthesubgradefromK25+880toK26+0703计算结果及规律分析3.1帕累托法则帕累托法则的核心思想是在决定一个事物的众多因素中分清主次，识别出少数对事物起决定作用的关键因素和多数对事物影响较少的次要因素。罗马尼亚管理学家约瑟夫朱兰采纳了该核心思想，并提出在任何情况下，事物的主要结果只取决于一小部分因素。这个思想经常应用到不同领域，也被证实在绝大多数情况下是正确的。在1993年，通过帕累托分析乳制品加工制作过程中所产生的工艺缺陷，为其提供相应的解决措施。则在2006年，依据帕累托法则分析并提出了由“关键的少数”构成的影响是实施全面质量管理的关键因素。在铸造行业，2007对造成钢铁铸造缺陷的原因进行分析，指出了最主要的原因，并在帕累托分析之后，建议该钢铁铸造企业集中资源优先解决最重要的问题，极大地提高了该企业的生产效率。国内学者发现虽然公路施工期涉及的材料、机械种类繁多，从生命周期评价角度来看，公路建设阶段路基工程碳排放的来源符合“帕累托法则”，即少量类型的材料或机械设备贡献主要的碳排放量。3.2计算结果肇明高速SJ02分段路基工程施工期，每公里的碳排放量为3002tCO2/km，每单位面积碳排放量为2636tCO2/km2，每公里单位车道的碳排放量为500tCO2/km，总共排放105111tCO2。材料排放66377tCO2，占总排放的63.15%；机械设备排放25096tCO2，占总排放的23.88%；运输车辆排放13638tCO2，占总排放的12.97%。从图4中可以看出，此次工程材料对外部环境造成的碳排放是最多的，是路基工程碳排放最主要的来源。图4材料、机械设备、运输车辆碳排放占比图Fig.4Carbonemissionratioofmaterials，machineryandequipmentandtransportvehicles由于涉及作业繁多，本研究只截取了前10%的作业。如图5所示，成孔φ150mm、孔深30m以内软石的钻孔作业所产生的碳排放量最多为115718tCO2，占比24.09%，之后依次是作业成孔φ150mm、孔深20m以内软石的钻孔作业，碳排放量为95923tCO2，成孔φ150mm、孔深30m以内土层的钻孔作业，碳排放量为33379tCO2。由于这三道作业都属于护坡工程中的预应力锚索护坡，所以护坡工程的碳排放量也十分巨大。碳排放累计占比的拐点出现在第二道作业上，其数学意义在于拐点前变化量大，数值增长快，拐点后的数值变化量小，数值增长慢。其工程含义为拐点前作业碳排放量变化量大，对总体碳排放的影响也是最大，拐点后的变化量小，对总体碳排放影响较小。因此，我们可以认为前两道作业的碳排放量的变化对于总体的排放影响最为关键，前两道作业是减少碳排放的突破口。在路基施工期间共运用了124道作业，前26道作业产生的碳排放量占据了碳排放总量的80%，施工作业的碳排放量满足“二八定律”。图5作业碳排放量帕累托图Fig.5Paretodiagramofprocesscarbonemission根据图6，在所有材料中水泥的碳排放贡献量为22322tCO2，占总排放的33.63%；其次是预制构件，碳排放量为13565tCO2，占总排放的20.44%；铁丝碳排放量为13007tCO2，占总排放的19.60%。材料的拐点出现在钢筋的位置，因此减少碳排放的关键在于减少水泥、预制构件、铁丝以及钢筋的碳排放。总共有18种材料，其中前4种碳排放量占总材料碳排放的80%，因此肇明高速SJ02分段路基工程消耗材料所产生的碳排放满足“二八定律”。图6材料碳排放帕累托图Fig.6Paretodiagramofmaterialcarbonemission本研究选取了机械设备部分种类来做分析。由图7可知，在肇明高速公路SJ02分段中路基工程的机械设备的碳排放主要来源于空压机、压路机、挖掘机以及装载机的使用，其中空压机的碳排放量为7560tCO2，占比30.13%；压路机的碳排放量为5280tCO2，占比为21.04%；挖掘机碳排放量为4609tCO2，占比为18.37%。机械设备的拐点出现在推土机处，因此我们在关注机械设备的碳排放时，要重点关注空压机、压路机、挖掘机以及装载机的排放。共有21种机械设备，其中有4种碳排放量占据整个机械设备碳排放量的80%，满足“二八定律”。图7机械设备碳排放帕累托图Fig.7Paretodiagramofcarbonemissionofmachineryandequipmen从图8可以看出，运输工具的碳排放绝大多数来自15t以内自卸汽车的碳排放，占据了整个运输碳排放的96.4%。图8运输车辆碳排放帕累托图Fig.8Paretochartofcarbonemissionsfromtransportvehicles3.3减排建议在南方低山丘陵地区的施工期间，由于护坡工程的工程量多，碳排放量大，因此在施工过程中要特别注意护坡工程的碳排放，要做好相应过程的节能减碳措施，并且在保证安全的前提下，尽量减少护坡工程的工作量，减少碳排放。材料对外部环境的排放量是相当巨大的，也是路基施工期间最主要的碳排放来源，占据总体的63.15%，因此要减少路基施工期间的碳排放量，减少材料的碳排放量是最主要也是最关键的途径。对于材料而言，