基于碳排放评价的超小净距隧道绿色施工优化研究

陈鑫磊 张学民 陈进 胡涛 万正 龙立敦 杨峰

中南大学土木工程学院 贵州省公路工程集团有限公司

摘 要：为推进生态文明社会建设发展，倡导绿色低碳施工理念，以碳排放评价作为切入点，开展了超小净距隧道绿色施工优化研究。依托贵州旧屋基原连拱隧道段工程，基于隧道施工碳排放模型，归纳了影响隧道施工碳排放量的直接影响因素和间接影响因素。综合分析认为，造成隧道施工碳排放量产生的主要因素为施工过程中的机械运作以及建筑材料生产，因此从缩短工期与优化结构形式2条技术路径对原方案进行绿色低碳施工优化具有可行性，进而提出分离式超小净距隧道优化方案，并将原CD开挖工法调整为“先行洞台阶法+后行洞超前小导洞扩挖工法”。采用数值模拟方法分析了不同中岩柱加固方法下超小净距隧道安全性，确定了中岩柱“中空注浆锚杆加固+三角区小导管注浆加固”的辅助加固方案。根据现场试验段监测数据，优化方案相比原方案施工工期缩短15 d,拱顶沉降最大值13.5 mm,收敛变形最大值9.53 mm,初支安全系数最小值2.13,满足支护结构安全性要求。基于碳排放系数法，对比分析了优化前后施工方案的碳排放量，结果表明：优化方案的总碳排放量相较于原方案减少25.43%,其中通过节省原材料减少碳排放量最为明显，减少碳排放量为30.14%,绿色低碳实施效果显著，对类似超小净距隧道施工的节能减排优化具有一定的参考意义。

关键词：隧道工程;绿色施工技术;碳排放系数法;超小净距隧道;

基金：国家自然科学基金项目(51978671);贵州省交通运输厅科技项目(2020-123-015);中南大学研究生自主探索创新项目(2020zzts155);

0 引 言

绿色公路理念已成为公路建设的重要指导思路，推行绿色施工进而降低碳排放量逐渐成为公路交通行业发展的新方向。公路隧道建设过程中建筑材料的大量消耗及施工机械的长时运作，导致能源的大量耗损和温室气体的巨量排放。通过量化隧道施工碳排放量，可明确影响隧道建设碳排放量的主要因素，形成碳排放量控制指标，有助于隧道工程绿色施工的优化与设计。目前国内外许多学者大都将隧道施工碳排放量分为建筑材料消耗、施工及运营几个阶段进行研究。在建筑材料方面，Gustavsson等[1]、Zabalza等[2]均将施工过程中建筑材料产生碳排放划分为生产、运输、建造及拆除4个部分。施工运营阶段碳排放方面，Chang等[3]基于全生命周期评价理论分析了加州高速铁路某区间碳排放分布，发现隧道与高架结构建设期间碳排放量占比巨大；Guo等[4]基于生命周期评估法(LCA),研究了某公路隧道全生命周期温室气体排放量及其关键影响因素；Xu等[5]基于采用全生命周期评价，分析了不同围岩条件与隧道碳排放量之间的关系。基于碳排放系数法，Boyoung等[6]、李乔松等[7]、陈进等[8]分析了各种类型隧道主要碳排放因素及其对应碳排放因子，获得了隧道施工中产生的碳排放量；郭春等[9]综述了当前中国公路隧道碳排放计算模型和方法，明确了隧道施工碳排放的各类影响因素。

1 工程简介

1.1 工程概况

兴义环城高速公路第三合同段旧屋基隧道为分岔式短隧道，左洞起讫桩号为ZK15+305～ZK15+697,长392 m; 右洞起讫桩号为YK15+290～YK15+683,长393 m, 最大埋深约178 m。隧道出口分岔段设计为连拱隧道，测设基线最小间距5.1 m, 后逐渐分开为极小净距、小净距及分离式隧道，平面示意见图1。隧址区围岩主要为强、中风化白云岩，节理裂隙发育，其中出口段为Ⅴ级围岩，长86 m。

图1 旧屋基隧道平面示意 下载原图

Fig.1 Schematic Diagram of Jiuwuji Tunnel

1.2 出口段原连拱隧道设计方案

旧屋基隧道出口段原设计采用连拱隧道结构形式，支护参数如图2所示。原拟定的总体施工方案为，首先从出口往进口方向开挖中导洞至ZK15+646(YK15+632)后停止施工，转为浇筑中隔墙混凝土，而后从进口向出口方向进行主洞的开挖与支护。隧道主洞开挖采用单侧壁导坑法。隧道中隔墙与先行洞掌子面之间距离不小于50 m, 隧道先行洞二次衬砌与后行洞掌子面之间距离不小于40 m。

1.3 问题提出

受场区地形条件、桥隧相连线路规划等因素影响，公路隧道有时很难避免出现隧道净距过小的情况。旧屋基隧道分岔段围岩等级为Ⅴ级，如采用分离式隧道方案，则双洞间最小净距0.6 m, 仅靠薄壁中夹岩柱很难承载两隧道上部围岩压力，隧道结构承载安全风险高。为此，设计常采用连拱隧道，通过开挖中导洞提前施作中隔墙替代双洞间的中夹岩柱，以提高中间部位的结构强度与刚度，减小隧道开挖变形，确保隧道结构安全。

连拱隧道相对于独立双洞隧道方案而言，需要进行中导洞开挖支护及中隔墙施工，开挖步序多而复杂，且存在大量临时支撑拆除问题，材料浪费严重。从绿色低碳施工角度考虑，隧道施工中总材料投入量大，意味着材料生产过程及运输过程造成碳排放量的增加；而工期延长，意味着隧道施工中柴油、电力等工装设备工作时间增加，直接增加了能源消耗及碳排放量，有悖于当前倡导的节能减排、绿色低碳的施工理念。因此，根据旧屋基出洞段实际情况，针对原有设计方案进行优化，选择绿色低碳、技术可行、经济合理的施工方法具有重要的意义。

2 基于碳排放模型的超小净距段隧道施工优化

2.1 隧道施工阶段碳排放计算模型简介

目前碳排放计算方法较多，其中碳排放系数法[18]已得到广泛应用，碳排放系数是指每单位质量(体积)材料的碳排放量。隧道施工中可将主要产生碳排放的因素分为两类：直接性因素和间接性因素。直接性因素主要指隧道施工过程中照明、通风、作业机械、机电等设备耗能产生碳排放的因素；间接性因素则主要指隧道结构材料，如混凝土、钢材等生产及运输过程产生碳排放的因素。碳排放系数法的具体计算方法见式(1)～(3)。综合《IPCC国家温室气体排放清单指南》、国内外文献[19,20,21]等资料统计，隧道施工阶段涉及的主要能源及材料碳排放系数如表1所示。

图2 原设计连拱段隧道结构支护参数(单位：mm) 下载原图

Fig.2 Supporting Parameter Drawing of Original Designed Continuous Arch Tunnel Structure (Unit: mm)

表1 隧道施工涉及的主要能源(材料)碳排放系数 导出到EXCEL

Table 1 Carbon Emission Coefficient of Main Energy (Material) Involved in Tunnel Construction

直接性因素碳排放量计算公式为

Po=∑iPoi=∑i(Eieoiti)Ρo=∑iΡoi=∑i(Eieoiti) (1)

式中：Po为隧道施工阶段所有机械产生的碳排放量；Poi为第i类机械产生的碳排放量；Ei为第i类机械单位时间所用能源消耗量；eoi为第i类机械所用能源碳排放系数；ti为第i类机械工作时间。

间接性因素碳排放量计算公式包括两部分：

材料生产

Pm=∑jPmj=∑j(emjmj)Ρm=∑jΡmj=∑j(emjmj) (2)

式中：Pm为隧道施工阶段所有材料生产的碳排放量；Pmj为第j类材料生产的碳排放量；emj为第j类材料生产的碳排放系数；mj为第j类材料生产总量。

材料运输

Pt=∑kPtk=∑k(vketkTk)Ρt=∑kΡtk=∑k(vketkΤk) (3)

式中：Pt为隧道施工阶段材料运输产生的总碳排放量；Ptk为第k类运输工具产生的碳排放量；vk为第k类运输工具单位时间所用能源消耗量；etk为第k类运输工具所用能源碳排放系数；Tk为第k类车辆运输时间。

隧道施工总碳排放量计算公式为

P=Po+Pm+Pt (4)

2.2 超小净距隧道施工优化方案提出

由第2.1节隧道施工阶段碳排放计算模型可知，隧道施工碳排放量的可控制因素归纳为两点：①对于碳排放直接性因素，时间因素是隧道施工中的可控制因素。通过缩短施工工期，减少隧道施工过程中各机械设备运作时间，可直接降低能源消耗及碳排放量。②对于碳排放间接性因素，隧道材料使用量是直接的可控因素。减小隧道结构原材料使用量可有效减少碳排放量，通常可通过优化隧道结构形式实现，也可简化隧道开挖支护步骤以避免过多临时支撑拆除产生的材料浪费。基于以上2种隧道碳排放量可控制因素，结合现有研究成果、国内外相关工程案例分析[22,23]以及旧屋基隧道工程实际，在确保结构安全稳定前提下，提出优化施工方案如下：

(1)将原设计三层曲墙连拱隧道形式优化为超小净距隧道结构形式。与连拱隧道有所不同的是，超小净距隧道未施作中导洞和中隔墙，通过加固中岩柱以发挥两洞间围岩自承载能力，取消连拱隧道中导洞开挖支护、中隔墙施工及中导洞临时支撑等工序，可缩短施工工期，降低建筑材料消耗。

(2)针对原隧道设计的左右洞单侧壁导坑开挖工法，优化为先行洞台阶法与后行洞超前导洞扩挖工法，以减少总体开挖步序，提高工效，缩短各类机械设备总运行时间，从而达到节能减排的目的。

2.3 超小净距隧道方案数值模拟分析

2.3.1 模型及材料简介

基于最不利工况，选择双洞间最小中岩柱厚度0.6 m的断面建立小净距隧道施工计算模型(图3),隧道埋深15 m。为消除模型边界效应影响，计算范围取3～5倍洞径，模型边界条件左、右两边x方向水平约束，底部y方向竖向约束，上表面自由。计算中岩体物理力学参数以勘察 告和规范建议值为依据，注浆加固区参数参照文献[24]按提升一级围岩级别进行等效，具体参数值见表2。

表2 模型主要物理参数 导出到EXCEL

Table 2 Main Physical Parameters of Model

2.3.2 模拟工况与施工阶段

为对比分析不同支护参数及中岩柱加固措施工况下的隧道稳定性，拟定了3种工况，如表3所示。模拟施工阶段的具体步骤如下：①计算自重下初始地应力平衡；②开挖左洞上台阶并施作初支，对相应区域进行加固；③开挖左洞预留核心土；④开挖左洞下台阶并施作初支；⑤施作左洞二衬；⑥开挖右洞小导洞并施作小导洞初支；⑦开挖右洞上台阶，施作初支；⑧拆除小导洞，开挖右洞下台阶并施作初支；⑨施作右洞二衬。

图3 超小净距隧道方案数值模拟模型 下载原图

Fig.3 Numerical Simulation Model of Ultra-small Clearance Tunnel Scheme

2.3.3 计算结果

(1)计算结果与实测数据对比分析

为验证数值模拟结果合理性，首先将工况3中拱顶沉降计算结果与ZK15+630断面现场监测结果进行对比分析，如图4所示。由图4可知，计算拱顶沉降与实际监测数据历时曲线趋势基本一致。两者偏差主要因围岩应力释放、支护结构施作等与实际存在差异引起，总体可认为数值模型及参数取值合理，可用于分析不同工况下的隧道施工力学行为。

表3 工况设置情况 导出到EXCEL

Table 3 Working Condition Setting