地铁建设阶段碳排放快速测算方法研究

Research on Rapid Estimation Methods for Carbon Emissions During Subway Construction Phase

摘要

地铁建设阶段碳排放是地铁全生命周期碳排放的重要组成部分，构建地铁建设阶段碳排放快速测算模型对于量化地铁碳排放效应具有重要意义。研究以地铁常用的盾构区间和明挖车站为研究对象，对主要建筑材料的碳排放系数进行了系统梳理，构建地铁建设阶段碳排放测算模型，以石家庄地铁3号线二期工程为例，基于其土建工程量清单，对其碳排放量进行了全面而细致的计算。基于计算结果构建了明挖车站和盾构区间工程的碳排放量快速估算模型，并通过其他站点和区间的对比验证了该模型的有效性；结果表明，采用快速估算模型计算得出的结果与工程量清单计算值的最大偏差仅为0.42%。研究建立的计算模型可为类似的地铁建设碳排放评估和绿色设计提供支撑。

Abstract

Carbon emissions during the subway construction phase constitute an important component of its lifecycle carbon footprint. Establishing a rapid carbon emission estimation model for construction is significant for quantifying the carbon emission effects of subway projects. This study focused on typical shield tunnel sections and open-cut stations in subway projects, systematically reviewed the carbon emission factors of major construction materials, and developed a carbon emission calculation model for subway construction. Using the Phase II project of Shijiazhuang Subway 3 as a case study, the carbon emissions were comprehensively and meticulously calculated based on the bill of quantities (BOQ) for civil works. A rapid estimation model for the carbon emissions of open-cut stations and shield tunnel sections was built based on the results, and its effectiveness was verified against data from other stations and tunnel sections. The results show that the maximum deviation between the rapid estimation model and the detailed BOQ calculation is only 0.42%. The proposed model provides methodological support for carbon emission assessments and green design practices in similar subway construction projects.

关键词

地铁 / 明挖车站 / 盾构区间 / 快速测算 / 碳排放

Key words

Subway / Open-Cut Station / Shield Tunnel Section / Rapid Estimation / Carbon Emission

0　引言

地铁是低碳环保的城市交通方式，但建设阶段会产生大量的碳排放。通过工程优化设计减少建设阶段^[1]的碳排放是研究的热点。工程优化设计的前提是测算设计方案的碳排放量。对于地铁车站和区间建设阶段碳排放量的计算，学者们大都采用生命周期评价^[2](Life Cycle Assessment，LCA)和排放因子法^[3]，将碳排放来源划分为建筑材料生产阶段、材料运输阶段和施工阶段^[4-5]，以不同地区、不同工程项目^[6]为研究对象，定量分析车站建筑^[7-9]、盾构区间^[10-11]和地铁全线^[12-13]产生的碳排放，并基于情景分析法预估碳减排潜力^[14]。

不同工程项目的建筑规模存在较大差异，传统碳排放测算往往依赖于详细的工程人工、材料和机械清单，而方案比选阶段往往达不到设计深度。明挖法是一种常见的地铁施工方法^[15]，盾构法是区间隧道常用方法^[16]，以明挖车站和盾构区间为对象，研究碳排放具有代表性。

石家庄地铁3号线二期工程为一期工程的延伸线，于2018年5月开工建设，线路全长7.342 km，共设5座车站，分别为中仰陵站、天山大街站、南豆站、韩通站和北乐乡站，全部为明挖车站；区间工程全部为盾构法施工。根据石家庄地铁3号线二期工程的实际工程量清单定量计算其建设阶段碳排放量，并根据案例计算结果提出明挖车站和盾构区间工程的快速测算模型，以期为类似工程碳排放量计算提供经验借鉴。

1　碳排放计算模型研究

1.1　碳排放计算模型

以人工、材料和机械的碳排放为系统边界，构建地铁车站和区间建设阶段的碳排放计算模型。地铁建设可以划分为地铁车站和盾构区间2部分，地铁车站和区间工程为单位工程，其中地铁车站和盾构区间又可以划分为车站主体、出入口通道等多个分部工程，每一分部工程又可以划分为土方、防水等分项工程。

计算中，每一明挖车站和每一盾构区间均可分解为多个分部工程，每一分部工程又细分为多个分项工程，其碳排放计算模型为

E=\left({\displaystyle \sum _{w=\mathrm{1}}^n}{E}_{qw}\right)(1)

式中：E表示明挖车站或盾构区间建设阶段碳排放总量，tCO₂；E_qw 表示第q个分部工程第w个分项工程的碳排放量，tCO₂；m表示分部工程的个数；n表示分项工程的个数。

单位工程可进一步细分为分部工程，分部工程再细分为分项工程。每一分部工程均对应相关概预算中的一个定额编号和子目名称。根据分部工程的工程量、相应定额和碳排放因子，即可计算每个分部工程的人工碳排放量E_rg，qw 、材料碳排放量E_cl，qw 和机械碳排放量E_jx，qw。

E_{rg，qw}={\displaystyle \sum _{s=\mathrm{1}}^g}{Q}_s\cdot a_s\cdot E{F}_{rg}(2)

E_{cl，qw}={\displaystyle \sum _{s=\mathrm{1}}^g}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^{u_{\mathrm{1}}}}{Q}_s\cdot b_{si}\cdot E{F}_{cl，i}(3)

E_{jx，qw}={\displaystyle \sum _{s=\mathrm{1}}^g}{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^{v_{\mathrm{1}}}}{\displaystyle \sum _{k=\mathrm{1}}^{h_{}}}{Q}_s\cdot c_{sj}\cdot R_{jk}\cdot E{F}_{jx，k}(4)

式中：E_rg，qw 表示第q个分部工程第w个分项工程的人工碳排放量，tCO₂；E_cl，qw 表示第q个分部工程第w个分项工程的材料碳排放量，tCO₂；E_jx，qw 表示第q个分部工程第w个分项工程的机械碳排放量，tCO₂；Q_s 表示分项工程s的工程量；g表示分项工程的数量；a_s 表示完成单位分项工程s所消耗的人工工日；EF_rg 表示人工的碳排放因子，kgCO_2e/工日；b_si 表示完成单位分项工程s所消耗的第i种材料的数量；EF_cl，i 表示第i种材料的碳排放因子，kgCO_2e/m³或kgCO_2e/t；u₁表示材料种类；c_sj 表示完成单位分项工程s所消耗的第j种施工机械的台班数量；R_jk 表示施工机械j消耗第k种能源的单位台班能源用量，kW·h或kg；EF_jx，k 表示第k种能源的碳排放因子，CO_2e/m³或CO_2e/t；v₁表示施工机械的种类；h表示能源种类，包括柴油、汽油和电力。

人工碳排放量E_rg，qw 、材料碳排放量E_cl，qw 和机械碳排放量E_jx，qw 累加即为单位工程的碳排放量E_qw，即

E_{qw}=E_{rg，qw}+E_{cl，qw}+E_{jx，qw}(5)

1.2　模型相关参数来源

在该模型中，地铁建设阶段各分项工程的工程量、车站建筑面积、区间长度等参数来源于工程量清单；完成分部工程、分项工程所消耗的人工、材料和机械数量取值于《城市轨道交通工程预算定额》(GCG 103—2008)、《城市轨道交通工程概算定额》(建标〔2011〕99号)等定额；机械单位台班能源用量取值于《建筑碳排放计算标准》(GB/T 51366—2019)和《全国统一施工机械台班费用定额》；人工、材料和能源的碳排放因子取值于《建筑碳排放计算标准》(GB/T 51366—2019)、《中国产品全生命周期温室气体排放系数库》和部分参考文献^[17-20]。其中，人工碳排放因子取0.46 kgCO_2e/工日^[17]，柴油碳排放因子取3.1 kgCO_2e/kg^[18]。地铁建设阶段主要建筑材料碳排放因子如表1所示。

2　工程实例计算及快速测算模型的提出

2.1　工程概况及主要工程数量

以石家庄地铁3号线中仰陵站为例计算明挖车站碳排放量，中仰陵站为地下双层单柱岛式车站，站台宽11 m，车站全长513.7 m，结构标准段总宽度20.3 m，总建筑面积29 236.27 m²，车站主体建筑面积21 767.84 m²，出入口通道建筑面积3 473.53 m²，风道建筑面积3 924.90 m²，消防水池70 m²。设4座风道、5个出入口、4个物业出入口。中仰陵站建设阶段工程主要材料消耗表如表2所示。以韩北(韩通—北乐乡)区间为例计算盾构区间碳排放量，韩北区间长度1 544.84双线延米，区间设置1#、2#联络通道。韩北区间建设阶段主要材料消耗表如表3所示。

因工程于2018年开始建设，用电的碳排放因子参考《中国区域电网二氧化碳排放因子研究(2023)》2018年河北省省级电网排放因子，取0.903 kgCO₂/(kW·h)。

2.2　明挖车站碳排放量分析与快速测算模型

2.2.1　明挖车站碳排放量计算

根据中仰陵站综合概算表，中仰陵站车站工程分解表如表4所示。中仰陵站车站主体土方工程机械碳排放量如表5所示。根据建立的单位工程碳排放量计算模型，结合各分部/分项工程概预算表、相关工程概预算定额和选取的碳排放因子，可计算得到各分部工程的碳排放量。以车站主体分部工程的土方工程为例，其共消耗人工79 067.62工日，人工碳排放因子0.46 kgCO_2e/工日，则人工共产生碳排放36.37 t；其主要消耗的材料为水，为175.86 m³，水碳排放因子为0.168 kgCO_2e/t，共产生碳排放0.03 t，三者累加得到车站主体分部工程共产生碳排放量2 895.21 tCO₂。中仰陵站建设阶段各分部工程碳排放量如表6所示。

结合表6计算结果，分析可知

（1）车站主体碳排放量占比最大，占比为66.89%；其次为出入口通道和风道，占比为15.16%；其余各项的碳排放量总和不到3%。分析其根本原因，地铁车站的建设涉及基坑的开挖作业，以及在基坑内构建钢筋混凝土主体结构。在该过程中，土方开挖与钢筋混凝土工程所占比例最大，且由于原材料及钢筋混凝土施工的单位碳排放量较高，因此，地铁车站的碳排放量显著。地铁车站减碳的关键策略在于通过优化工程设计方案，合理降低土方开挖量和钢筋混凝土用量。

（2）对比车站分部工程单位碳排放量，车站主体碳排放量为2.49 tCO₂/m²；出入口通道碳排放量为3.54 tCO₂/m²；风道碳排放量为3.71 tCO₂/m²；消防水池碳排放量为8.48 tCO₂/m²。可以看出，车站主体面积最大，但单位碳排放量最小，出入口通道和风道面积相当，单位碳排放量比主体高1.05~1.22 tCO₂/m²，消防水池面积最小，单位碳排放量最大，约为车站主体的3.4倍。计算结果表明，涉及土方开挖及钢筋混凝土结构的车站单项工程量越大，机械化施工程度越高，单位碳排放量越小，降低车站主体、出入口和风道、消防水池等主要工程的单位碳排放量有助于减小地铁车站施工期间碳排放量。

（3）在地铁车站主体建设过程中，工程机械所产生的碳排放量占比为5.3%，其中自卸汽车碳排放量占工程机械碳排放总量的47.4%，可以看出，将自卸汽车替换为新能源车辆(如纯电动自卸汽车)是降低地铁施工机械碳排放的主要路径。

2.2.2　明挖车站快速测算模型

要控制车站碳排放总量，应从设计的角度进行提前统筹优化。为此提出明挖车站碳排放量快速测算模型，以便为今后类似工程设计中的碳排放测算提供指导。地铁车站建设阶段主要碳排放由车站主体、出入口通道、风道和消防水池组成，基于此，以分项工程为基本参数提出类似工程的明挖车站建设阶段碳排放量快速计算式为

E_{kc}=\mathrm{2.49}{S}_z+\mathrm{3.54}{S}_c+\mathrm{3.71}{S}_f+\mathrm{8.48}{S}_x(6)

式中：E_kc 表示明挖车站碳排放量，tCO₂；S_z 表示明挖车站的车站主体面积，m²；S_c 表示出入口通道面积，m²；S_f 表示风道面积，m²；S_x 表示消防水池面积，m²。

为验证该模型的准确性，采用工程量清单，对石家庄地铁3号线二期工程的天山大街站、南豆站、韩通站和北乐乡站做碳排放量计算，各车站的单位碳排放量计算结果如表7所示。

从表7可以看出，其他各站的计算结果与中仰陵站的单位面积基本吻合，说明公式(6)的快速测算模型是合理的。在对车站主体、出入口、风道以及消防水池等不同工程结构的单位建筑面积碳排放量进行分析时，发现其最小值与最大值之间存在极高的相似性。具体而言，车站主体的碳排放量最小值为2.47 tCO₂/m²，与最大值2.51 tCO₂/m²相比，相差仅为1.6%；出入口的碳排放量最小值为3.53 tCO₂/m²，与最大值3.55 tCO₂/m²相比，相差0.6%；风道的碳排放量最小值为3.70 tCO₂/m²，与最大值3.71 tCO₂/m²相比，相差0.3%；消防水池的碳排放量最小值为8.47 tCO₂/m²，与最大值8.50 tCO₂/m²相比，相差0.4%。鉴于同一类工程结构的单位建筑面积碳排放量具有高度一致性，研究认为采用快速测量模型进行碳排放量的估算具有可行性，并且该模型适用于明挖车站的低碳设计。

2.3　盾构区间碳排放量分析与快速测算模型

2.3.1　盾构区间碳排放量计算

根据韩北区间概算表，将此盾构区间工程分为区间主体、联络通道和风险源加固3个分部工程，区间主体分部工程又可分为掘进机出渣、管片制作及拼装和地基加固3个分项工程。

根据建立的碳排放计算模型，结合韩北区间工程量清单和选取的碳排放因子，计算得到韩北区间碳排放量共35 320.35 tCO₂，区间主体、联络通道和风险源加固碳排放量分别占比84.42%，13.83%和1.75%。在区间主体分部工程中，掘进及出渣、管片制作及拼装、地基加固的碳排放量分别占比38.77%，55.98%，5.25%。由此可见，管片制作及拼装、掘进及出渣是碳排放的主要来源。从计算结果可以得到以下启示。

（1）在盾构施工过程中，管片制作与拼装阶段所产生的碳排放量占总排放量的50%以上。鉴于该阶段具备流水线作业的特性，通过优化管片生产环节以减少碳排放，成为了一项既切实可行又具有显著减排潜力的策略。可采用低能耗蒸汽养护、减少养护用水、预制厂内电动车辆转运等措施来降低盾构区间碳排放。

（2）在盾构掘进过程中，掘进及出渣阶段的碳排放量占总排放量的近40%，因此，该环节的碳排放降低措施预期将产生显著效果，可通过优化控制参数、优化刀盘设计、增加智能控制系统等方法，降低盾构机能耗的掘进碳排放。出渣运输是降低碳排放的关键环节，可通过渣土就近复用、电动车辆运渣等方法降低碳排放。

（3）在地基加固工程中，碳排放量所占比例相对较低，且不同工程的加固方案存在差异性。因此，必须依据具体的加固设计策略，采取相应的碳减排措施。

2.3.2　盾构区间快速测算模型

区间可以分为主体和联络通道2个指标，如韩北区间长度1 544.84双线延米，则盾构区间主体碳排放4.56万tCO₂/km；区间内的联络通道15.2延米，碳排放总量618.78 tCO₂，则联络通道碳排放4.07万tCO₂/km。以韩北区间、三教堂—中仰陵区间、中仰陵—天山大街区间、天山大街—南豆区间、南豆—韩通区间5个区间为样本，提出盾构区间建设阶段碳排放量快速计算式为

E_{kd}=\mathrm{4.56}{l}_z+\mathrm{4.07}{l}_t(7)

式中：E_kd 表示盾构区间碳排放量，万tCO₂；l_z 表示盾构区间长度，km；l_t 表示盾构区间内的联络通道长度，km。

石家庄地铁3号线二期工程采用了6.25 m直径盾构机，因此公式(7)适用于该直径盾构隧道，当直径不同时，可采用盾构截面积之比进行换算。

为验证该模型的准确性，采用工程量清单对三教堂—中仰陵、中仰陵—天山大街、天山大街—南豆、南豆—韩通4个区间做碳排放量计算，取单位长度的碳排放量进行误差对比。各区间的碳排放量计算结果及误差如表8所示。

从表8可以看出，三教堂—中仰陵、中仰陵—天山大街、天山大街—南豆、南豆—韩通4个区间的公式计算值和工程量清单计算值十分接近，最大偏差仅为0.42%，说明区间的快速测算模型是合理的。另外，考虑到动力照明、车站通风空调、给排水及消防工程总占比不超过3%。为实现碳排放测算的简明与快速，可在车站采用简易计算模型计算值的基础上再增加3%作为修正值E_kd^'，E_kd^' =1.03E_kd。

3　结论

基于明挖车站和盾构区间的项目分解，建立了碳排放计算模型，并定量计算了石家庄地铁3号线二期工程一座车站和一个区间的碳排放，据此提出了碳排放的快速测算模型。主要结论如下。

（1）明挖车站碳排放快速测算模型和盾构区间碳排放快速测算模型，计算简便、工作量小，且结果与工程量清单计算值的偏差不大，能够适用于类似工程的碳排放计算。快速测算模型可以辅助地铁工程碳排放评估和绿色低碳设计，为优化设计提供理论支撑。

（2）研究以明挖车站为算例提出的车站碳排放快速测算模型，适用于明挖车站，但可能不适于盖挖、暗挖车站，因其施工工艺与明挖车站不同，需做进一步研究。

（3）研究的盾构区间快速测算模型，适用于盾构机直径为6.25 m的盾构机；考虑到地铁盾构区间的碳排放量主要与工程量相关，而决定工程量大小主要因素为地铁区间隧道直径，不同隧道直径碳排放量需要根据具体工程量乘以相关系数进行折算。不同直径隧道区间工程碳排放计算折算系数需要进一步的分析。

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基金资助

河北省自然科学基金项目(E2021210142)