基于碳排放评价的桥梁路基建设方案比选优化研究_王海涛.pdf

公路 年月第期 收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：基于碳排放评价的桥梁路基建设方案比选优化研究王海涛，栾治军，黄明利，吴啸宇（中交中南工程局有限公司长沙市 ；北京交通大学土木建筑工程学院北京市 ）摘要：为推进土木工程行业低碳化发展进程，以碳排放评价作为切入点，开展高速公路桥梁和路基建设方案比选研究。依托德余高速公路工程，将建设过程碳排放边界定为材料生产、运输和机械运行等个阶段，从减少材料生产和运输碳排放角度出发，提出隧道洞渣填方路基代替桥梁的建设方案，并基于敏感性分析法和 模型对爆破参数进行优化以避免洞渣二次破碎，采用碳排放系数法对比分析了两种方案的碳排放，结果表明：材料使用量对桥梁施工阶段碳排放影响较大，材料生产碳排放占比 ，桩基和上部结构占据碳排放绝大部分比例；施工机械运行是路基施工阶段碳排放产生的主要原因，碳排放占比 。路基方案的总碳排放量较桥梁方案降低，通过减少路基材料生产降低碳排放效果显著，为类似工程建设方案比选提供了新思路。关键词：公路工程；施工方案比选；桥梁工程；洞渣填方路基；碳排放系数法随着“碳达峰，碳中和”目标的提出，工程建设项目绿色低碳化越来越受到土木工程行业的关注。建筑部门是能源消费的三大领域之一，也是造成直接和间接碳排放的主要责任领域之一。根据联合国环境规划署的数据，全球建筑相关用能碳排放占比，其中建筑运行用能导致的碳排放占比。降低土木工程行业的能耗占比，是我国实现“双碳”战略目标绕不开也避不掉的重要部分。工程建设方案比选往往从技术、施工安全和经济性几方面进行对比分析从而优选出最适合本项目的施工方案，双碳背景下碳排放也应成为方案比选的一项重要指标。而基于碳排放对施工方案进行评价首先应确定碳排放量的计算方法，从而明确影响施工方案碳排放量的主要因素，以进一步对其进行优化减少碳排放。目前大部分研究基于生命周期评估法及碳排放系数法对建筑碳排放进行评价，郭春等对不同类型隧道碳排放量进行计算并分析了碳排放的主要影响因素；刘沐宇等 分析了桥梁全生命周期碳排放量；徐双 基于 理论对不同结构材料的桥梁生命周期碳排放进行研究；谭荣平 分析了组合箱梁桥全生命周期碳排放量并从碳排 放 角 度 对 不 同 施 工 方 法 进 行 评 估。尚 春 静等 综合考虑路面、路基土石方、排水和防护工程计算高速公路全生命周期碳排放，指出路基土石方施工机械碳排放占比较大。王贤卫等 对拟建高速公路路基、路面工程施工阶段碳排放进行计算，并对其排放构成进行分析。隧道爆破方案设计优化的目的通常是提高周边轮廓的爆破成形质量并减小爆破引起的地震效应，维护围岩自身的稳定，在改善超欠挖问题的同时减少了回填混凝土用量，降低了碳排放。但在公路工程建设过程中为了保护环境，往往将隧道洞渣用于路基填筑，而路基不同填筑部位对填料最大粒径的要求不同，因此隧道爆破设计还应考虑爆破块度问题，通过优化爆破方案使大部分洞渣无需二次破碎处理便可用于路基填筑，进一步减少破碎机械产生的碳排放。目前针对爆破块度及分布问题已经开展了大量研究，周传波 采用显著性检验和回归方法分析了影响爆破块度分布的关键因素；赵柏冬等 利用灰关联分析各影响爆破块度的因素的主次关系；张艳等 依据层次分析决策的结构模型，计算出影响爆破块度的炸药单耗、钻孔直径、孔网参数等参数的目标顺序。现有研究成果通常从技术可行性、安全性及经济合理性几方面进行方案比选，未充分关注方案比选中的碳排放问题。同时由于缺乏统一的排放边界，大部分研究的碳排放计算范围差异较大，导致基于碳排放的方案比选对比性降低。且目前针对洞渣用于路基填筑的隧道爆破参数优化缺乏深入的研究。为此，本文依托工程实际，聚焦桥梁及洞渣填方路基方案施工阶段碳排放的差异，综合桥梁和路基施工碳排放计算模型、爆破块度分布预测与现场实测进行桥梁路基低碳施工方案比选及优化，基于碳排放系数法分析桥梁方案替换为洞渣填方路基方案碳排放量的差异，以期为工程建设方案比选提供新思路。工程简介 工程概况德江至余庆高速公路第三合同段位于铜仁市思南县杨家坳乡至青杠坡镇，起讫桩号 ，全长 。本标段桥梁座、互通座、隧 道 座、路 基 挖 方 万、填 方 万。采用双向四车道高速公路，设计时速 ，路基宽度 ，桥隧比 。四野屯隧道起讫里程 ，左幅 ，右幅 ，级围岩占比 、级围岩占比 ，岩性主要以泥岩和砂岩为主。隧道出口段原设计方案大坪大桥左幅 先简支后结构连续梁，起点桩号 至终点桩号 ，全长 ；大坪大桥右幅 先简支后结构连续 梁，起点桩号 至终点桩号 ，全长 。梁预制梁高 （跨径）、（跨径），桥面混凝土厚。主梁间距为 ，横向共片。梁腹板钢束采用束 （、）预应力钢绞线，墩顶连续段 梁顶面设置束 预应力钢绞线。基于碳排放模型的桥梁路基方案比选 桥梁和路基施工阶段碳排放模型简介目前碳排放计算主要有实测法、质量平衡法和碳排放因子法等种方法，由于碳排放因子法计算方便、并可对施工过程进行具体的碳排放拆解与分析，因此得到广泛应用。桥梁和路基施工中可将碳排放产生的因素分为直接因素和间接因素两类。直接因素主要指桥梁和路基施工过程中施工机械、机电等设备耗能产生碳排放的因素；间接因素主要指桥梁和路基材料（混凝土、钢材、填料等）生产及运输过程产生碳排放的因素。综合 国家温室气体排放清单指南 及相关文献资料，桥梁和路基施工阶段涉及的主要能源和材料碳排放系数见表、表。表桥梁施工涉及主要材料能源碳排放系数材料碳排放系数 钢筋 型钢 预应力钢束 汽油 柴油 电力 （）表路基施工涉及主要材料能源碳排放系数材料碳排放系数 片石混凝土 水泥砂浆 汽油 柴油 电力 （）直接因素碳排放量计算公式为：（）式中：为桥梁和路基施工阶段所有机械设备运行产生的碳排放量；为第类机械设备运行产生的碳排放量；为第类机械设备台班数；为第类机械台班碳排放系数。（）公路 年第期 年第期王海涛等：基于碳排放评价的桥梁路基建设方案比选优化研究式中：为第类机械消耗能源碳排放系数；为第类机械台班能源消耗量。间接因素碳排放量计算公式由两部分组成。材料生产：（）式中：为桥梁和路基施工阶段所有材料生产的碳排放量；为第类材料生产的碳排放量；为第类材料生产的碳排放系数；为第类材料使用总量。材料运输：（）式中：为隧道施工阶段材料运输产生的总碳排放量；为第类运输机具产生的碳排放量；为第类原材料使用量；为第类原材料单位运量单位运距碳排放系数；为第类原材料运输距离。（）式中：为原材料运输消耗能源碳排放系数；为第类原材料单位运量单位运距能源消耗量。桥梁和路基施工阶段碳排放总量计算公式为：（）高填方路基代替桥梁建设方案提出由前述桥梁和路基施工阶段碳排放计算模型可知，桥梁路基施工阶段碳排放量产生的因素分为直接因素和间接因素，对于由施工机械设备产生的碳排放，运行机械数量及台班数是施工中的主要因素，两种方案施工中都需长时间使用大量机械设备，因此无法通过直接因素影响判断两种施工方案的低碳性。对于碳排放间接因素，建筑材料使用量是最主要的因素。减少施工中原材料的使用量可有效减少碳排放量，一般可以通过优化结构形式及施工工艺实现，利用现有材料或绿色低碳材料也可直接降低原材料生产及运输产生的碳排放。本标段 的线路位于四野屯省级自然保护区内，国家和地方政府对省级自然保护区内文明施工高度重视，严禁在保护区红线内设置场站库，因此隧道爆破产生的洞渣需运至远处弃土场处理，这不仅需要消耗大量能源从而增大了洞渣运输产生的碳排放，也对弃土场周边的环境造成了破坏。基于碳排放产生的直接因素和间接因素分析，立足于双碳目标，结合现有研究成果、类似工程施工经验及本项目工程实际，提出利用隧道爆破洞渣填筑路基方案代替大坪大桥方案。洞渣填方路基方案避免了弃渣远运及桥梁施工所需混凝土、钢筋等材料生产运输产生的碳排放，无需设置大型弃土场，同时保护了自然保护区，符合绿色低碳发展理念。洞渣用于路基填筑的隧道爆破参数优化路基不同部位对填料粒径要求不同，公路路基设计规范（）规定路堤填料粒径应不大于 ，并宜不超过层厚的；路床底面以下 范围内，填料最大粒径不得大于 。本文洞渣填方路基松铺厚度为 ，因此隧道爆破洞渣最大块度宜控制在 左右。为使隧道爆破洞渣便于填筑路基，避免二次破碎，减少破碎机械产生的碳排放，对影响隧道爆破洞渣块度的关键因素进行敏感性分析，并基于 模型 预测爆破块度分布以确定洞渣最大粒径。模型粒度分布函数表达式如下：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为块度小于粒径的百分比，；取最小抵抗线与孔距中较小值，；为爆破岩体平均块度，；为岩体系数，中硬岩，有裂隙的硬岩，无裂隙硬岩；为炸药单耗，；为单孔装药量，；为相对重量爆破能量，铵油炸药 ，炸药 ；为最小抵抗线，；为孔距，；为钻孔直径，；为钻孔偏差，；为总装药长度，；为底部装药长度，；为柱状药包长度，；为台阶高度，。四野屯隧道级围岩采用两台阶法进行爆破开挖，爆 破 孔 布 置 见 图，原 爆 破 设 计 上 台 阶 ，；下台阶 ，模型计算参数见表。单位：图台阶法爆破孔布置表模型参数位置 上台阶 下台阶 依据 模型绘制出的爆破洞渣块度分布曲线与实测曲线见图、图，由图可知，在累计含量为 左右两条曲线相交，接近洞渣的平均块度。当洞渣块度小于 时，实测曲线位于预测曲线下方，说明 模型高估了小粒径洞渣的含量；当洞渣块度大于 时，实测曲线位于预测曲线上方，说明 模型低估了大块洞渣的含量。上下台阶实测洞渣最大粒径分别为 和 ，而 模型预测上下台阶洞渣最大粒径分别为 和 ，与实测结果较为接近。图实测与 模型预测上台阶洞渣块度分布曲线爆破块度涉及的影响因素较多，模型认为爆破洞渣的最大粒径取与中的较小值，和较小则爆破洞渣最大粒径也较小，而最小抵抗线与周边轮廓的爆破成形质量密切相关，因此不宜为降低洞渣块度调整最小抵抗线，经过分析筛选，对炸药图实测与 模型预测下台阶洞渣块度分布曲线单耗、装药长度及台阶高度进行敏感性分析。以原爆破设计参数为基准值，敏感性分析设为基准值上升、和下降、，分别计算上下台阶爆破洞渣最大粒径，见图。图爆破参数敏感性分析由图可以看出，台阶高度敏感性最强，其次是装药长度和炸药单耗。台阶高度越小，爆破洞渣最大块度越小，但上台阶高度优化后下台阶高度相应变大，因此两台阶开挖时尽量使上下台阶高度相近，优化上台阶 ，下台阶 ，。假设填料的最大粒径不超过某一值，而实际爆破的部分碎石块度要大于此，取，计算得出优化后的上台阶洞渣最大粒径 ，下台阶洞渣最大粒径 。对块度超出允许值的洞渣进行剔除或破碎处理。路基方案填筑效果 洞渣填方路基填筑方案采用混合摊铺法对洞渣填料进行摊铺整平，使大粒径填料易于向下滚动而细料则填充至大粒径填料空隙中，保证铺层平整。每填筑约 进行冲击 公路 年第期 年第期王海涛等：基于碳排放评价的桥梁路基建设方案比选优化研究夯实，以改善洞渣填料的颗粒级配，提高其压实度并节省施工时间；冲击夯实过程中，大部分大粒径洞渣已经成型形成稳定结构，冲击夯实后一般无过大沉降出现。每填筑约 进行一次强夯，采用分层错位强夯法，上下两层夯点错开布置，使上层夯点与下层夯棱重叠，下一层强夯施工时上一层压实较差的夯棱位置可再次得到压实，快速安全完成路基填筑的同时提高了隧道洞渣填方路基质量。如图。图分层错位强夯夯点点位 隧道洞渣填方路基沉降分析隧道洞渣填方路基（原桥梁方案左线）最高填筑 ，（原桥梁方案右线）最高填筑 ，分别取其最高填筑断面 和 进行路基顶部沉降观测，路基顶部沉降历时曲线见图。两个监测点前 沉降速率较快，沉降约 ，均于 后逐步趋缓，断面监测点 天沉降速率变缓，之后沉降速率又有所增大，后沉降逐步趋于稳定，时沉降 ；断面监测点 沉降速率变缓，沉降速率又有所增大，后沉降趋于稳定，时沉降 。综合路基左右线顶部沉降历时曲线可知，工后沉降均小于 公路路基设计规 范（）容 许 工 后 沉 降 标 准（），表明爆破优化后的隧道洞渣可以直接用于路基填筑且可保证路基质量。图隧道洞渣填方路基顶部沉降历时曲线桥梁与路基方案碳排放评价分析为了更加直观地对原桥梁方案与本文提出的隧道洞渣填方路基方案的碳排放量进行比较分析，基于 节桥梁和路基碳排放计算模型，分别计算两种方案施工阶段产生的碳排放，并分析不同因素对施工阶段碳排放量产生的影响。施工阶段工程数量统计施工阶段工程数量统计主要包括建筑材料消耗量和机械设备数量等信息。分别统计相同里程条件下桥梁方案与路基方案施工所需建筑材料和机械设备数量，参考设计资料，种建设方案的主要工程数量、施工机械设备信息分别见表、表。由于两种方案均需进行隧道爆破并施工路面，因此碳排放对比分析中并未包含爆破、洞渣装车及路面施工产生的碳排放。表桥梁施工阶段主要工程数量项目单位数量 钢绞线 钢筋 钢板 钢管 钢筋网 挖土石方 表路基施工阶段主要工程数量项目单位数量 片石混凝土 水泥砂浆 填土石方 碳排放量结果计算分析 桥梁方案根据统计的大坪大桥建筑材料使用量，结合表中各材料对应的碳排放系数，通过式（）可得到桥梁施工过程中各分项工程建筑材料生产的碳排放量。计算原材料运输产生的碳排放量时，按以内载货汽车作为单趟运输量，由于各种材料由市场运至施工现场这一过程的运输距离不同，导致此部分碳排放量统计分析较为困难，本文不考虑此部分碳排放量，根据工程实际场地布置，取混凝土运输的平均距离 ，钢筋平均距离，由式（）可得桥梁施工所需材料运输产生的碳排放量。此外采取桥梁方案隧道爆破洞渣需运输至弃土场，四野屯隧道距弃土场约 ，由式（）可得隧道洞渣远运产生的碳排放。桥梁工程施工过程中需使用交流电弧焊机、起重机、电动卷扬机、回旋钻机等机械设备，根据各种机械台班数量，由表及式（）计算施工过程中各种机械设备能源消耗所产生的碳排放。桥梁方案各分部工程碳排放构成见表。表桥梁方案不同分项工程碳排放量分部工程材料生产碳排放量 材料运输碳排放量 施工机械碳排放量 桩基施工 桥台施工 桥墩施工 上部结构 洞渣远运 由表可知，桥梁方案施工阶段碳排放总量为 ，其中材料生产碳排放占比 ，材料运输碳排放占比 ，施工机械碳排放 占比 ，原材料使用量对桥梁整个施工阶段碳排放的影响较大。桥梁桩基和上部结构施工产生的碳排放较大，约占碳排放总量的，桥台和桥墩施工产生的碳排放量相对较少。由上述分析可知，材料生产是造成桥梁施工阶段碳排放较大的重要原因，而桩基和上部结构施工使用了大量原材料，因此占据了桥梁施工碳排放的绝大部分比例。隧道洞渣远运产生的碳排放与桥梁施工阶段总碳排放量相比可忽略不计。材料生产环节和机械运行环节桥梁桩基和上部结构产生的碳排放较多，而材料运输环节桥台产生的碳排放较多。路基方案原材料方面，路基工程消耗 混凝土 ，生产阶段碳排放 ，占比 ，运输阶段碳排 放 ，占 比 ；消 耗 混 凝 土 ，生产阶段碳排放 ，占比 ，运输阶段碳排放 ，占比 ；消耗 片石混凝土 ，生产阶段排放 ，占比 ，运输阶段排放 ，占比 ；水泥砂浆消耗，生产阶段碳排放 ，占比 ，运输阶段碳排放 ，占比 。路基方案所需填料 ，其中可由四野屯隧道调入石方 ，平均运距，其余填料由附近挖方路基调入，平均运距，由于所用材料均为既有土石方，无填料材料生产碳排放产生，洞渣运输碳排放 ，占比。路基方案施工阶段涉及到多种机械设备，为便于计算分析，本文仅对路基施工中数量较多，使用时间及频率较大的机械设备碳排放进行研究。空压机碳排放 ，占 比 ；推 土 机 碳 排 放 ，占比 ；压路机碳排放 ，占比 ；装 载 机 碳 排 放 ，占 比 ；平地机碳排放 ，占比 ；挖掘机碳排放 ，占比 ；洒水车碳排放 ，占比 。洞渣填 方 路 基 方 案 施 工 阶 段 碳 排 放 总 量 为 ，其中材料生产碳排放占比 ，材料运输 碳 排 放 占 比 ，施 工 机 械 碳 排 放 占 比 ，施工机械能源消耗是路基施工阶段碳排放产生的主要原因。方案比选结论为便于方案比选，对两种方案施工阶段不同环节产生的碳排放进行统计并绘制图所示柱状图。图两种建设方案碳排放量柱状图由图可知，洞渣填方路基方案材料生产、运输及施工机械运行所产生的碳排放量均小于桥梁方案，尤其表现在材料生产环节，路基方案较桥梁方案碳排放量减少，总碳排放量降低。采用路基方案隧道洞渣无需进行远距离外运从而减少了运输碳排放，且利用洞渣填筑路基也节省了大量填料，路基原材料的生产和运输碳排放也随之大幅度减 公路 年第期 年第期王海涛等：基于碳排放评价的桥梁路基建设方案比选优化研究少，虽然路基施工需要较多机械设备进行运料摊铺碾压，但能源消耗量要小于桥梁施工机械。结合工程实际，对隧道或路堑挖方土石进行筛选再利用能够有效降低施工过程中的碳排放量，同时避免了弃渣对自然环境的破坏。结语本文从绿色低碳施工角度出发，以公路工程施工阶段碳排放作为切入点，针对自然保护区无法设置弃土场，洞渣远运难以满足绿色低碳施工要求的问题，在确保洞渣填筑路基适用性的前提下，提出了隧道洞渣填方路基代替桥梁的建设方案，采用碳排放系数法，对比分析了两种方案的碳排放量。（）根据施工阶段碳排放计算模型、工程实际和环保要求，明确了可通过减少材料生产及运输降低碳排放的思路，提出了隧道洞渣填方路基代替桥梁的建设方案，在满足公路使用功能的前提下，缩短工期的同时保护环境。（）孔距和装药长度是影响爆破块度的关键因素，基于 模型优化的爆破方案洞渣块度满足路基填筑要求，采用分层错位强夯法填筑路基工后沉降控制效果良好。（）桥梁方案施工阶段材料生产碳排放占比较大，其中桥梁桩基和上部结构占据材料生产环节碳排放绝大部分比例；洞渣填方路基方案施工阶段施工机械碳排放占比较大。（）洞渣填方路基方案材料生产、运输及施工机械运行所产生的碳排放量均小于桥梁方案，总碳排放量降低，通过减少路基所需原材料的生产降低碳排放效果显著。但施工阶段碳排放系数的确定仍以地方数据库为主，各种原材料运输参数仍以经验为主，基于碳排放评价的比选体系仍需开展深入研究。参考文献：，：，：，（），李乔松，白云，李林 盾构隧道建造阶段低碳化影响因子与措施研究现代隧道技术，（）：陈进，鬲浩然，周中书，等 基于碳排放评价的节理化岩体大跨度隧道施工方法比选 贵州大学学报：自然科学版，（）：郭春，徐建峰，张佳鹏 隧道建设碳排放计算方法及预测模型隧道 建 设：中 英 文，（）：刘沐宇，林驰，高宏伟桥梁生命周期环境影响评价研究武汉理工大学学报，（）：刘沐宇，林驰，高宏伟 桥梁生命周期环境影响的多级模糊综 合 评 价 土 木 工 程 学 报，（）：刘沐宇，高宏伟，林驰基于生命周期评价的桥梁环境影响对比分析华中科技大学学报：自然科学版，（）：刘沐宇，欧阳丹桥梁工程生命周期碳排放计算方法土木建筑与环境工程，（）：刘沐宇，陈方芳桥梁生命周期环境影响成本分析模型研究土木工程学报，（）：徐双不同结构材料的桥梁生命周期碳排放研究武汉理工大学，谭荣平公路桥梁建设阶段碳排放分析长沙理工大学，尚春静，张智慧，李小冬高速公路生命周期能耗和大气 排 放 研 究 公 路 交 通 科 技，（）：王贤卫，吴灵生，杨东援高速公路建设 排放计算分析公路交通科技，（）：周传波基于回归分析理论的爆破块度预测模型研究 爆破，（）：赵柏冬，常春，张继春兰尖铁矿台阶爆破质量主要影响 因 素 分 析 沈 阳 大 学 学 报，（）：张艳，邓小英，唐书，等 龙滩大法坪石料场开采爆破参数试验优化工程爆破，（）：公路路基设计规范 董武俊台阶法隧道岩体爆破特性及岩石碎片块度预测 爆破：