铁路路基工程施工阶段碳排放评估及分析

Assessment and Analysis of Carbon Emissions in Construction Phase of Railway Roadbed Engineering

摘要

在“双碳”目标的驱动下，铁路运输行业低碳转型势在必行。针对铁路路基工程施工阶段碳排放问题，采用生命周期评价方法，建立铁路路基工程施工阶段碳排放核算模型。通过实际案例，量化分析材料生产、材料运输及现场作业3个部分的碳排放。运用帕累托法则识别主要碳排放源，并进行敏感性分析，研究其减碳路径及减碳效果。结果表明，材料生产贡献72.7%的碳排放，是最大的碳排放源；水泥、熟石灰、柴油及钢材的累计碳排放达到84.5%，是影响铁路路基工程施工阶段碳排放的关键因素，且研究发现铁路路基工程施工阶段碳排放符合帕累托法则。针对材料生产部分，提出使用可再生材料取代部分原生材料的减碳路径，减碳效果可达到20.1%~26.8%，为铁路路基工程施工阶段碳排放研究提供参考。

Abstract

Driven by the goals of "carbon peaking and carbon neutrality", the low-carbon transformation of the railway transportation industry is imperative. In view of the problem of carbon emissions in the construction phase of railway roadbed engineering, a life cycle assessment (LCA) method was adopted to establish an accounting model for carbon emissions in the construction phase of railway roadbed engineering. The carbon emissions of material production, material transportation, and on-site operation were quantified through actual cases. The Pareto principle was applied to identify the main sources of carbon emissions, and sensitivity analysis was adopted to study the carbon reduction path and effect. The results show that material production contributes 72.7% of carbon emissions, which is the largest source of carbon emissions; the cumulative carbon emissions of cement, lime, diesel fuel, and steel amount to 84.5%, which are the key factors affecting the carbon emissions in the construction phase of the railway roadbed engineering, and the study finds that the carbon emissions in the construction phase of the railway roadbed engineering comply with the Pareto principle. In terms of material production, the carbon reduction path of using renewable materials to replace some virgin materials is proposed, and the carbon reduction effect can reach 20.1%~26.8%, providing a reference for the research on carbon emissions in the construction phase of railway roadbed engineering.

Graphical abstract

关键词

铁路 / 路基工程 / 生命周期理论 / 碳排放 / 减碳路径

Key words

Railway / Roadbed Engineering / Life Cycle Theory / Carbon Emission / Carbon Reduction Pathway

0　引言

铁路运输由于其安全、环保、稳定的优势，在运输行业的地位举足轻重。但随着铁路运输网络的不断扩大与发展，基础设施建设带来的碳排放问题不断凸显出来。因此，铁路运输行业对标国家“双碳”战略目标，进行低碳转型势在必行^[1]。作为铁路交通运输的基础设施之一，路基工程施工带来的碳排放问题不可忽视。因此，评估铁路路基工程施工阶段的碳排放，寻求有效的减碳路径，有助于推动铁路运输行业低碳转型。

在碳排放研究方面，王勇等^[2]针对我国各铁路局进行分析，研究2006—2017年铁路运营对二氧化碳排放量的影响。陈进杰等^[3]建立高速铁路全生命周期碳排放数学模型，定量分析京沪高速铁路(北京南—上海虹桥)全生命周期碳排放，结果表明运营维护阶段是控制重点。薛志佳等^[4]采用能源和碳排放评估模型，评估水泥搅拌桩、预应力混凝土管桩、EPS轻质路堤3种湿软黄土路基施工方法的能耗和碳排放。王海涛等^[5]以德余高速公路(德江—余庆)工程为研究对象，提出隧道洞渣填方路基代替桥梁的建设方案，分析得出施工机械运行是路基施工阶段的主要碳排放源，且路基方案的总碳排放量较桥梁方案降低90%。杨洋等^[6]建立生命周期视角下的碳排放模型，以碳回收期为量化指标，测算不同情景下石家庄地铁3号线二期的碳回收期，结果表明大规模客运和能效提升是碳减排的重要因素。Zhang等^[7]采用测量道路交通碳排放的方法，归纳出道路交通碳排放的主要来源，并针对主要源头研究碳减排方法。Jiang等^[8]基于生命周期评估方法，从公路工程使用、维护和修复阶段计算西澳大利亚州公路网的碳排放。Lee等^[9]评估韩国五松—光州(Osong—Gwangju)高速铁路基础设施建设阶段产生的温室气体排放，得出材料的使用是减少温室气体排放的关键。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)在《2006 IPCC国家温室气体清单指南》^[10]中提供了较为全面的碳排放计算方法。

综上所述，虽然在碳排放方面的研究取得了一定成果，但集中在铁路、公路全生命周期及运营阶段的碳排放分析，对铁路路基施工碳排放进行量化分析的研究较少。因此，基于全寿命周期理论，建立铁路路基工程施工阶段碳排放核算模型。量化分析铁路路基工程施工阶段的碳排放，并提出可行的减碳路径。

1　铁路路基工程施工碳排放计算模型构建

生命周期评价方法(LCA)是基于工艺或产品从原材料获取到最终处置的调查，定量评估工艺或产品环境负荷的系统性方法^[11]。王长波等^[12]研究清单分析、投入产出及混合生命周期评价3种方法，并分析各方法的优缺点。杨洋等^[13]将LCA运用在高速铁路节能减排效果的评价中，结果显示高速铁路的节能减排效果最好。LCA全面考虑工艺或产品的各个阶段，量化整个生命周期内的能量转移、资源消耗及环境排放，但基于全过程的生命周期分析需确定所有环境影响，数据需求量大且较为复杂^[4]。因此，不考虑其他影响因素、只分析碳排放，以此来简化LCA分析方法，便于数据收集及计算。通过简化的LCA，确定铁路路基工程施工阶段生命周期中碳排放的影响。

1.1　建设阶段划分

依据生命周期理论，将铁路建设分为设计阶段、施工阶段、运营阶段及拆除回收阶段^[3]。同理将路基工程划分为设计、施工、运营及拆除回收4个阶段。各个阶段中碳排放计算关注的重点及涉及的因素有所不同，如设计阶段侧重于材料选择、设计及施工方案等对碳排放的影响，主要评估生命周期的环境影响及选用低碳材料的可能性；运营阶段主要计算列车运营过程中的能耗和温室气体排放，注重运营效率和节能措施对减少碳排放的作用；拆除回收阶段包括拆除过程中的机械设备使用、废弃物处理和运输的碳排放，主要评估材料再利用和回收对减少碳排放的影响。对于路基工程而言，设计、运营及拆除回收3个阶段的碳排放较少，而施工阶段由于大量材料、能源的消耗，贡献了主要的碳排放^[14]。因此本研究只考虑路基工程的施工阶段。施工阶段的碳排放源包括材料生产、运输、施工机械现场作业及施工过程中的废物回收^[15]。由于路基工程施工过程不会产生太多的废物，且废物回收产生的碳排放相对较少^[16]，因此不做计算。

1.2　碳排放计算边界

基于生命周期理论，将铁路路基工程施工阶段的碳排放分为材料与机械2个方面。计算边界具体如下。①材料生产。即在材料加工厂生产、加工、制造材料时产生的碳排放，不考虑原材料开采产生的碳排放。因现场需要的材料较为复杂，且有部分材料需求量小，产生的能源消耗很少，因此只考虑主要材料，不计入消耗量小的材料。②材料运输。考虑材料从生产地运输至施工现场过程中运输车辆的碳排放，不考虑原材料运输至材料生产地的运输车辆的碳排放。③现场作业。包括施工现场作业机械产生的碳排放，不考虑废物回收及设备损耗。铁路路基工程施工阶段碳排放计算边界如图1所示。

1.3　碳排放计算功能单位

铁路路基工程施工时由于受铁路等级、修建地区等因素的影响，材料使用、运输及机械设备的使用存在差异，从而导致碳排放量产生变化。若仅给出铁路路基工程施工阶段总的碳排放量，无法与类似工程进行比较，故需建立一个横向可比较的指标。为有效消除铁路路基规模、地区不同带来的影响且便于与其他类似工程比较，以“每公里铁路路基工程施工所产生的碳排放量”为功能单位，碳排放强度即每公里路基工程施工产生的碳排放，单位为tCO₂/km^[17]。

1.4　碳排放计算公式

铁路路基工程施工阶段碳排放从材料生产、材料运输及现场作业3个阶段入手，采用碳排放因子法进行计算，具体过程如下。

（1）材料生产碳排放计算。材料生产碳排放C_sc 为每种材料的消耗量与相应的碳排放因子的乘积进行累加所得。

C_{sc}={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}(M{}_i{}^{}\times F_i)⑴

式中：n为现场施工所消耗的主要材料的种类；M_i 为第i种材料的消耗量，钢材、模板等材料消耗量单位为t，砂石、木材等材料消耗量单位为m³；F_i 为第i种主要材料的碳排放因子，钢材、模板等材料碳排放因子单位为kgCO₂/t，砂石、木材等材料碳排放因子单位为kgCO₂/m³。

（2）材料运输碳排放计算。材料运输碳排放即采用柴油货车将施工需要的材料从生产地运输至施工现场的过程中运输车辆产生的碳排放C_ys。

C_{ys}={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}(M{}_i{}^{}\times D_i\times T_i)⑵

式中：D_i 为第i种材料的平均运输距离，km；T_i 为第i种材料的运输方式下，单位质量运输距离的碳排放因子，kgCO₂/(t·km)。

（3）现场作业碳排放计算。铁路路基工程施工阶段现场作业以柴油、汽油及电能为动力的机械设备种类及数量较多^[18]。现场作业碳排放C_{jx}即每种施工机械的台班燃料消耗量(柴油、汽油、电能)与相应的燃料碳排放因子的乘积。

C_{jx}={\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^m}(A_j\times E_j)⑶

式中：m为现场施工机械消耗燃料的种类；A_j 为第j种燃料的消耗量，柴油、汽油消耗量单位为t，电能消耗量单位为kW·h；E_j 为第j种燃料的碳排放因子，柴油、汽油碳排放因子单位为kgCO₂/t，电能碳排放因子为kgCO₂/(kW·h)。

2　铁路路基工程施工碳排放计算结果分析

2.1　工程背景

新建铁路柳沟—红沙梁铁路专用线主要位于甘肃省酒泉市。线路南起兰新铁路(兰州—阿拉山口)柳沟车站，向西于瓜州工业集中区南缘沿兰新铁路西行6.5 km设柳沟西站，项目位于西北地区山前冲击平原，工点范围内地层主要为第四系上更新统洪积细角砾土，二叠系下统凝灰岩等，无地下水影响。该项目路基工程主要包括站场路基(DIK0+000~ DIK1+000)、区间路基(DIK1+000~DK3+570)及柳墩铁路(柳沟—敦煌)上行疏解线改建(GSK1+227~ GSK1+900)。由于西北地区冬季持续时间长，有效施工期短，因此施工任务重，对施工组织安排要求高。且该线路临近既有线路，站改工程施工需要在既有柳沟车站内施工，站前与站后、线上与线下的关系紧密，既有线与新建线过渡工序繁琐，交叉干扰大，因此在整体施工时会与普通路基工程不同，可能会消耗更多的人员、材料及机械。

2.2　铁路路基工程施工碳排放清单分析

路基工程施工过程中所需材料包括水泥、钢材、砂石、黏土、土工格栅等。现场作业多用以柴油、汽油及电能为动力的施工机械，为保证碳排放计算的准确性，施工机械按照型号的区别进行台班能源消耗量的统计。材料及能源的具体数据来自施工组织设计、《铁路工程施工机具台班费用定额》(TZJ 3004—2017)^[19]及《铁路工程预算定额》(第一册路基工程)(TZ/J 2001—2017)^[20]。材料的碳排放因子取自《建筑碳排放计算标准》(GB/T 51366—2019)^[21]及相关文献。其中，塑料土工格栅的原料多为聚丙烯或高密度聚乙烯，规格有多种，研究选取300 g/m²的规格，以高密度聚乙烯的碳排放因子进行计算。复合土工膜是由土工布为基材、高分子材料等为膜材，由2种以上的材料复合而成的土工合成材料，研究选取500 g/m²的规格，以土工布的碳排放因子计算。钢周转材料碳排放考虑原材料开采、运输、加工生产及回收后的再生产^[22]。钢模板和钢支撑均属于中小型钢材，故以中小型钢材碳排放因子进行计算。电能的碳排放因子取自我国区域电网基准线排放因子的西北区域排放因子^[23]，铁路路基工程施工阶段材料与能源数据如表1所示。

施工材料主要采用8 t及18 t的柴油货车进行运输。材料密度取值根据文献^[26，28]，砂密度1 400 kg/m³，碎石密度1 500 kg/m³，黏土密度1 800 kg/m³。材料运输碳排放如表2所示。

3　铁路路基工程施工碳排放分析

3.1　总碳排放分析

经定量分析，铁路路基工程施工总碳排放为6 495.04 t，碳排放强度为1 605.70 tCO₂/km。其中，材料生产碳排放量为4 703.71 t，占总碳排放量的72.70%；材料运输碳排放量为459.96 t，占总碳排放量的7.10%；现场作业碳排放量为1 331.37 t，占总碳排放量的20.20%。材料生产碳排放为材料运输及现场作业碳排放的两倍多，是铁路路基工程施工阶段最主要的碳排放源，应重点关注。

3.2　材料碳排放分析

铁路路基工程施工阶段材料生产及运输的碳排放如图2所示。材料生产加工的碳排放远高于材料运输的碳排放，除砂石及黏土外，多数材料的运输碳排放不足1%。水泥的碳排放远大于其他材料，占材料总碳排放的1/2以上，是材料生产阶段最大的碳排放源。砂石及黏土贡献了材料运输阶段主要的碳排放。经统计，40 km运距的材料消耗量为17.5 t，80 km运距的材料消耗量为10.1 t，两者消耗量相比约为1.7倍，碳排放占比分别为19.6%与24.6%，40 km运距的碳排放小于80 km运距的碳排放，材料运输不同运距的碳排放占比如图3所示。由此可知，运输距离是影响该阶段碳排放的重要因素，对碳排放的控制至关重要。

3.3　现场作业碳排放分析

经计算，现场作业的施工机械消耗柴油、汽油、电能分别产生碳排放1 162.84 t、10.63 t及157.89 t。铁路路基工程施工阶段机械碳排放如图4所示。其中，自卸汽车产生的碳排放几乎占整个机械碳排放的1/2。柴油为该阶段的主要碳排放源，电能其次，汽油的碳排放最少。现场施工机械中，柴油机械占比66.6%，电力机械占比28.6%，柴油机械的数量为电力机械的2倍多，而柴油机械的碳排放却为电力机械的7倍多。因此，制定碳减排措施时应考虑优化机械配置，多考虑使用以电能为动力的机械。

路基工程施工过程中使用的机械包括运输机械、土石方机械、动力机械、混凝土及砂浆机械等6类。根据图4b可知，运输类机械碳排放约占所有类型机械碳排放的1/2，贡献了主要的碳排放。土石方机械如挖掘机、推土机、平地机等，碳排放占比35.4%，位居第二。动力机械如电动空气压缩机等，碳排放占比8.0%。与这3类机械相比，焊接机械、起重机械和混凝土及砂浆机械产生的碳排放较少。综上，自卸汽车、运输机械、土石方机械及动力机械的碳减排潜力大。

3.4　帕累托分析

帕累托法则最开始用来描述社会财富分配不均的现象，即80%的财富掌握在20%的人手里，又称二八法则。在实际应用场景中，帕累托法则的作用是在决定一个事物的众多因素中分清主次，找到关键因素。

路基工程施工过程中涉及的材料机械种类繁多，根据前文数据尝试绘制帕累托分析图，铁路路基工程施工阶段碳排放源帕累托图如图5所示。根据帕累托图可知，在影响铁路路基工程施工碳排放的22个因素中，仅水泥、柴油、熟石灰及钢材4种因素的碳排放量累计占比就已达到铁路路基工程施工总碳排放量的84.5%，而其余的17个影响因素累计占比只有15.50%，该结果符合“二八定律”。由此可见，铁路路基工程施工碳排放符合“帕累托法则”。即可得出结论水泥、柴油、熟石灰及钢材是对铁路路基工程施工碳排放起决定作用的关键因素，即主要碳排放源。

3.5　碳排放敏感性分析

水泥、柴油、熟石灰、钢材为主要的碳排放源。为进一步探究减碳路径，对以上4种碳排放源进行敏感性分析。假设各材料与能源的消耗量及碳排放因子发生改变，变化率为-15%，-10%，-5%，5%，10%和15%。关键碳排放源敏感性分析如图6所示。

由图6可知，水泥的敏感度系数为0.48，对路基工程施工碳排放的影响最大。柴油及石灰的敏感度系数差距较小，分别为0.17，0.16。相比其他3个碳排放源，钢材的折线较为平缓，钢材对路基工程施工碳排放的影响较小。这是因为路基工程施工过程中钢材的消耗量较小，钢材的碳排放在总碳排放中占比较小。

3.6　减碳路径分析

针对关键碳源的分析，可以通过使用再生材料及优化机械配置来达到碳减排的目的。由于材料生产碳排放在整个路基工程施工碳排放中占比最大，为最主要的碳排放源，应着重控制。因此，着重介绍使用再生材料达到减碳目的的方法。目前，再生钢材及混凝土使用较为广泛。查阅文献^[29-30]，钢材与铁件的回收加工碳排放取利用原材料生产碳排放的40%。混凝土选用再生粗骨料混凝土，当再生粗骨料取代率分别为30%，50%，70%，100%时，再生粗骨料混凝土的碳排放因子分别可降低5.1%，7.7%，10.4%，15%。研究选取C20及C30等级的再生粗骨料混凝土，以50%及100%的取代率计算碳排放因子计算。再生材料碳排放因子如表3所示。

使用再生材料代替部分原生材料后，再生材料减碳效果对比如图7所示。使用再生材料可大幅降低钢材碳排放。经计算可知，使用半再生材料与全再生材料分别可降低20.3%及26.8%的碳排放，减碳效果明显。全再生材料减碳效果优于半再生材料，再生钢材的减碳效果明显优于再生混凝土的减碳效果，且减碳效果与材料再生率呈正相关关系，再生率越大，减碳效果越明显。

4　研究结论

（1）基于生命周期理论，将铁路路基工程施工阶段划分为材料生产、材料运输及现场作业3个阶段，确定计算边界，建立铁路路基工程施工阶段碳排放核算模型。

（2）以柳沟—红沙梁铁路专用线为研究对象，运用核算模型，对该工程施工期碳排放进行初步评估。该铁路路基工程施工总碳排放量6 495.04 t，碳排放强度1 605.70 tCO₂/km。其中，材料生产碳排放量4 703.71 t，是路基工程最大的碳排放源；材料运输及现场作业碳排放量分别为459.96 t，1 331.37 t。材料生产阶段的碳排放应着重进行控制。

（3）分析该工程各材料、机械碳排放，水泥与自卸汽车减碳潜力最大。路基工程施工砂石消耗量大，应选择距离较近的砂石料厂，以减少运输碳排放，并且应重点优化运输机械及土石方机械的配置。绘制帕累托图，发现铁路路基工程施工碳排放符合“帕累托法则”，水泥、熟石灰、柴油及钢材的累计碳排放量超过铁路路基工程施工阶段总碳排放量的80%，是决定铁路路基工程施工碳排放的主要因素。

（4）对主要的碳源进行敏感性分析，水泥的敏感度系数为0.48，居于首位。柴油及石灰的敏感度系数差距较小，分别为0.17及0.16。钢材的敏感度系数较低，这是因为路基工程的特殊性，钢材的消耗量较低，相比其他3个碳排放源，钢材的碳排放占比较小。

（5）通过分析碳排放源，提出使用可再生材料替代部分施工材料的减碳路径。研究发现使用再生材料后减碳效果可达到20.3%~26.8%。可再生钢材的减碳潜力大，减碳效果相较于再生粗骨料混凝土的减碳效果更好。全再生材料减碳效果优于半再生材料，减碳效果与可再生材料的再生率相关，再生率越大，减碳效果越好。

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基金资助

国家自然科学基金项目(72261024)

甘肃省科技计划资助项目(23ZDFA002)

甘肃省重点人才项目(2023RCXM27)

甘肃省教育厅高等学校产业支持计划项目(2022CYZC-32)

甘肃省交通运输厅科技项目(2022-27)