明挖地铁车站建设期温室气体排放研究——以深圳市城市轨道交通12号线某车站为例.pdf

引用格式:陈坤阳,陈湘生,王雷,等.明挖地铁车站建设期温室气体排放研究:以深圳市城市轨道交通 12 号线某车站为例J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):189.CHEN Kunyang,CHEN Xiangsheng,WANG Lei,et al.Greenhouse gas emissions of open-cut metro station in construction phase:A case study of a metro station on Shenzhen urban rail transit line 12J.Tunnel Construction,2023,43(S1):189.收稿日期:2022-11-25;修回日期:2023-06-01基金项目:国家自然科学基金项目(51938008,52090084);深圳市科创委基础研究项目(JCYJ20190808123013260);中国工程院战略研究与咨询项目(2022-DFZD-18)第一作者简介:陈坤阳(1995),男,山西大同人,深圳大学土木工程专业在读博士研究生,研究方向为基础设施可持续建造与管理。E-mail:chenkyszu 。通信作者:陈湘生,中国工程院土木、水利与建筑工程学部院士,E-mail:xschen 。明挖地铁车站建设期温室气体排放研究 以深圳市城市轨道交通 12 号线某车站为例陈坤阳1,2,3,陈湘生1,2,3,王 雷1,2,3,阳文胜4,吴环宇1,2,段华波5(1.深圳大学 土木与交通工程学院,未来地下城市研究院,广东 深圳 518061;2.滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室(深圳大学),广东 深圳 518060;3.深圳市地铁地下车站绿色高效智能建造重点实验室,广东 深圳 518060;4.深圳市市政设计研究院有限公司,广东 深圳 518029;5.华中科技大学 环境科学与工程学院,湖北 武汉 430074)摘要:为合理量化明挖地铁车站建设期温室气体(GHG)排放强度及水平,基于 LCA 方法,开展明挖地铁车站建设期 GHG 排放评价工作,建立明挖车站建设期 GHG 排放核算公式,并结合实际工程数据进行 GHG 排放强度与水平的定量化分析。研究结果表明:案例明挖地铁车站建设期的 GHG 排放总量为 47 718.61 tCO2e。其中,建材生产、运输和施工阶段分别占比 88.91%、3.92%和 7.12%;明挖地铁车站建设期的 GHG 排放强度为 335.52 tCO2e/100 m2。研究结果可为促进城市交通运输领域的绿色低碳转型提供理论基础。关键词:明挖地铁车站;生命周期评价;温室气体排放DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.022中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0189-09G Gr re ee en nh ho ou us se e G Ga as s E Em mi is ss si io on ns s o of f O Op pe en n-C Cu ut t MMe et tr ro o S St ta at ti io on n i in n C Co on ns st tr ru uc ct ti io on n P Ph ha as se e:A A C Ca as se e S St tu ud dy y o of f a a MMe et tr ro o S St ta at ti io on n o on n S Sh he en nz zh he en n U Ur rb ba an n R Ra ai il l T Tr ra an ns si it t L Li in ne e 1 12 2CHEN Kunyang1,2,3,CHEN Xiangsheng1,2,3,*,WANG Lei1,2,3,YANG Wensheng4,WU Huanyu1,2,DUAN Huanbo5(1.College of Civil and Transportation Engineering,Underground Polis Academy,Shenzhen University,Shenzhen 518061,Guangdong,China;2.Key Laboratory for Resilient Infrastructures of Coastal Cities,Ministry of Education,Shenzhen University,Shenzhen 518060,Guangdong,China;3.Shenzhen Key Laboratory of Green,Efficient and Intelligent Construction of Underground Metro Station,Shenzhen University,Shenzhen,Shenzhen 518060,Guangdong,China;4.Shenzhen Municipal Design&Research Co.,Ltd.,Shenzhen 518029,Guangdong,China;5.School of Environmental Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,Hubei,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To reasonably quantify the greenhouse gas(GHG)emission intensity and level of open-cut metro station construction,life cycle assessment method is adopted to conduct GHG emission assessment of open-cut metro station in the construction phase.In addition,a GHG emission calculation formula for open-cut metro station in the construction phase is established,and GHG emission intensity and level are quantitatively analyzed in case studies.The research results show that the total GHG emissions of the case open-cut metro station in the construction phase are 47 718.61 tCO2e.Among them,the production,transportation,and construction of building materials account for 88.91%,3.92%,隧道建设(中英文)第 43 卷and 7.12%,respectively.The GHG emission intensity in the construction phase of the open-cut metro station is 335.52 tCO2e/100 m2.The research results can provide a theoretical basis for promoting the green and low-carbon transformation in the field of urban transport.K Ke ey yw wo or rd ds s:open-cut metro station;life cycle assessment;greenhouse gas emission0 引言在全球变暖的背景下,我国向全世界承诺“二氧化碳排放量力争于 2030 年前达到峰值,相比 2005 年,单位 GDP 的二氧化碳排放量减少 60%65%”1-2。为了履行这一承诺,各部门都采取了相应的减排措施。交通运输领域随着近年来城市化进度的加快,其温室气体(greenhouse gas,GHG)排放已经成为我国 GHG排放量的重要来源,约占全国各行业 GHG 排放总量的9%3。为应对气候变化,我国高度重视公共交通的发展,并规定主要城市公共交通的乘客分担率应达到30%4。城市轨道交通因其高准点率、承载能力强和独立的通行权在多种公共交通方式中脱颖而出,在解决大中型城市交通拥堵的问题上发挥着重要的作用。过去10 年,我国城市轨道交通建设量激增,全国总运营里程从 2006 年的 377.25 km(10 个城市)增长至 2022 年的 10 078.62 km(55 个城市)5。与此同时,城市轨道交通线路因其用电率更高,被广泛认为是一种更清洁的通勤模式6。从生命周期的角度而言,运营阶段是城市轨道交通系统 GHG 排放的主要来源,已有研究指出,城市轨道交通运营阶段的 GHG 排放占全生命周期的 80%以上7。然而,城市轨道交通基础设施在建设过程中产生的巨量 GHG 排放不容忽视。国内外对建筑领域 GHG 排放的研究主要集中在住宅和办公楼8,对市政工程尤其是地铁系统 GHG排放的研究相对较少。现有学者针对地铁系统的GHG 排放展开了一系列的工作。在运营阶段,研究学者主要集中在对地铁运行能耗及 GHG 排放的测度方面,如地铁线路行车牵引系统9以及地铁车站照明系统6的 GHG 排放。王环宇10采用建模仿真法对地铁车站的通风、动力照明和电扶梯三大地铁车站动力系统的能耗进行数学建模与分析。部分学者着眼于探索地铁系统运营阶段的 GHG 减排方法,如改变服务水平11、优化地铁线网12、再生制动能量回收策略和技术13等。Chen 等14基于生命周期评价方法,构建了地铁运营阶段碳排放评价方法,定量分析了深圳地铁运营过程中的碳排放强度与水平,并从推广现行节能减排措施的角度探究了其减排潜力。还有学者将地铁与不同城市公共交通方式进行对比,Ebadi 等15量化分析了德黑兰市内不同交通方式的碳排放强度(以单位乘客碳排放量表示),研究指出地铁系统的碳排放强度是私家车的 1/806。然而,针对地铁系统基础设施建设的研究相对较少。贺晓彤16基于生命周期评价理论,结合地铁明挖车站的特点,计量了各分部分项工程以及建材生产阶段和施工阶段的碳排放特征;Lederer 等17通过研究指出,基础设施相关的 GHG 排放占到地铁工程项目全生命周期的 29%左右;王幼松等18对地铁盾构区间土建工程物化阶段的碳排放特征进行了分析;陈坤阳等19构建了地铁生命周期碳排放评价方法,并对全国地铁建设阶段的碳排放总量进行了量化分析;Liu等20提出了基于定额法的地铁车站 GHG 排放量化模型,量化了地铁车站建设过程的 GHG 排放,但运输阶段并没有被纳入系统边界;黄旭辉21估算了盾构隧道和地铁车站物化阶段的碳排放,指出建材生产阶段的碳排放量占物化阶段碳排放总量的 70%以上,但并没有考虑工程渣土外运潜在的环境影响。此外,还有学者针对预制地铁车站的 GHG 排放开展相关研究22。上述针对地铁系统 GHG 排放的研究,主要侧重于特定项目或特定生命周期阶段,尤其是地铁车站运营期能耗及行车牵引能耗所产生的 GHG 排放及其优化,对地铁车站建设期的研究较少,同时存在系统边界不统一、计量模型和标准不一致、数据清单不全面等问题。因此,建立更为全面的系统边界和获取数据清单,探讨明挖地铁车站建设期的 GHG 排放水平及强度是交通领域低碳转型的前提。为此,本 文 基 于 生 命 周 期 评 价(life cycle assessment,LCA)方法,建立了明挖地铁车站建设期GHG 排放核算公式,以深圳市城市轨道交通 12 号线的某明挖地铁车站为例,结合实际工程数据进行了GHG 排放水平与强度的定量化分析。1 明挖地铁车站 GHG 排放评价方法LCA 是一种评价产品(包括服务或系统)从原材料开采到最终处置全过程潜在综合环境影响的定量化分析方法23。该方法可用于评估整个地铁系统基础设施管理过程的资源能源消耗、环境影响及环境效益。开展 LCA 工作主要包含 4 个阶段:目标和范围的确定,清单分析,影响评估和结果解释。1.1 目标与范围确定根据 ISO 14040/4424-25的原则,本文选取 GHG作为环境影响指标,旨在从全生命周期的角度评估明挖地铁车站在建设期土建工程的环境影响。地铁车站091增刊 1陈坤阳,等:明挖地铁车站建设期温室气体排放研究 以深圳市城市轨道交通 12 号线某车站为例建设期的系统边界包括以下 3 个部分(如图 1 所示):1)建材生产阶段,包括各类建材的隐含排放,即从原材料开采、加工、生产到形成最终建材制品的整个过程中因资源、能源消耗和污染物排放所造成的 GHG 排放;2)运输阶段,包括将建材从生产地运送到施工现场以及工程渣土由施工现场外运至填埋场的过程中,交通运输工具因燃料消耗而造成的 GHG 排放;3)施工阶段,包括施工机械设备使用过程中能源(如汽油、柴油、电力)消耗所造成的 GHG 排放,包含化石能源使用过程的直接排放和电力上游生产过程的间接排放2 部分。此外,系统边界不考虑可重复使用设施以及临时设施施工的 GHG 排放量化过程,例如钢支架、模具、临时办公用房等,以及地铁车站建筑垃圾(主要为工程渣土)的最终处置,但包含可周转材料(钢支撑和模具)在运输和安装过程中的 GHG 排放以及工程渣土在运输过程中的 GHG 排放。地铁车站的物化边界主要包括主体结构和附属结构(出入口、风亭)。选取100 m2地铁车站作为功能单位。图 1 明挖地铁车站建设期系统边界Fig.1 System boundary of open-cut metro station construction stage 本研究选取二氧化碳排放当量(CO2 equivalent,CO2e)为基准来量化 GHG 排放量,通过 7 种主要 GHG排放源的全球变暖潜能值来计算其当量二氧化碳排放。CO2ei=Wi GWPi。(1)式中:Wi为 7 种主要 GHG 排放源(CO2、CH4、N2O、HFCS、PFCS、SF6和 NF3)的质量,kg;GWPi为全球变暖潜能值,如表 1 所示;i 为 GHG 的种类代号。表 1 100 年内 7 种 GHG 的全球变暖潜能值Table 1 GWP of 7 GHGs in 100 years.GHGCO2CH4N2OHFCsPFCsSF6NF3GWP12529814 80012 20022 80017 200 注:数据来源于 IPCC(2022)报告26。1.2 案例介绍与清单分析1.2.1 案例介绍本文选取深圳市城市轨道交通 12 号线的某明挖地铁车站为案例,该车站为地下双层岛式结构,地下 1层为站厅层,地下 2 层为站台层。车站顶板覆土厚度约 4.06 m,标准段结构外轮廓净高 15.83 m,结构外轮廓净 宽 20.7 m;大 小 里 程 端 结 构 外 轮 廓 净 高17.27 m,结构外轮廓净宽 24.7 m(案例车站示意图如图 2 所示)。车站采用明挖法施工,选取0.8 m 厚地下连续墙围护结构+内支撑的围护结构体系。站场地范围内自上而下揭露地层依次为:第四系全新统人工堆积层、第四系全新统海陆交互相地层、第四系全新统海陆交互地层、第四系上更新统冲洪积层、第四系残积层、混合花岗岩。该车站为单柱双跨钢筋混凝土结构,总长度为 257 m。案例车站总面积为 14 222.31 m2,其中车站主体结构面积为 11 132.95 m2;附属结构面积为3 089.36 m2,包含 1、2 号风亭组和 A、B、C、D 出入口通道。案例车站的主要几何参数如图 2 所示。案例车站标准段横截面如图 3 所示。施工分解过程如图 4 所示。图 2 案例车站平面示意图(单位:m)Fig.2 Plane schematic of case station(unit:m)图 3 标准段横截面(单位:m)Fig.3 Cross-section of standard section(unit:m)191隧道建设(中英文)第 43 卷图 4 明挖地铁车站施工工艺分解图Fig.4Decomposition of construction process of open-cut metro station1.2.2 清单分析本文通过实地调研、半结构化访谈以及案头调查法获取清单数据。其中,建材类型及消耗量、运输距离等通过分部分项工程量清单以及措施项目清单获取,如表 2 所示。表 2 主要建材物料消耗清单Table 2 Resource consumption of main building materials类型消耗量碳排放因子/(kgCO2e/单位)实际运距/km混凝土(C15C50)60 610.90 m3209.64403.1440硅酸盐水泥1 031.73 t73580钢铁材9 890.12 t 2 0502 380125PVC 防水卷材33862.62 m2 18.25500橡胶止水带5 519.19 m 20.03500EPS 保温材料23.87 t5 020500木板材1 474.78 m3143500砂石1 641.13 t2.5180乙炔气1.62 t5 040水48 644.87 t 0.17注:来源于 GB/T 513662019建筑碳排放计算标准 27和 GaBi商业数据库。运输阶段中建材的平均运距及运输方式都基于实际情况考虑。施工建造过程的机械台班消耗量和单位台班能源消耗量参考广东省城市轨道交通工程综合定额(2018)和广东省建设工程施工机具台班费用编制规则(2018),其中施工机械台班类型及消耗量通过分部分项工程量清单获取施工工序,并依据综合定额的机具计量标准所确定。此外,考虑到地域性特征,各种建材、交通运输工具和能源消耗相关的 GHG 排放因子,主要源于 GB/T 513662019建筑碳排放计算标准27、GaBi 商业数据库(已本地化)和中国生命周期基础数据库(Chinese life cycle database,CLCD)。运输工具和能源的 GHG 排放因子如表 3 和表 4 所示。表 3 运输工具 GHG 排放因子Table 3 GHG emission factor of transportation methods运输方式类别碳排放因子/(kgCO2e/tkm)重型柴油货运(18 t)0.129重型柴油货运(30 t)0.078注:1.数据来源于 GB T513662019建筑碳排放计算标准27;2.混凝土和钢铁材采用载重 30 t 柴油货运,其他建材采用载重 18 t 柴油货运。表 4 能源 GHG 排放因子Table 3 GHG emission factor of energy能源类型平均低位发热量/(kJ/kg)单位热值含碳量/(tC/TJ)碳氧化率/%碳排放因子/(kgCO2e/单位)柴油42 65220.20.983.096 汽油43 07018.90.982.925 电力0.804 2 注:来源于中国能源统计年鉴 201928;来源于建筑碳排放计算标准27;考虑到案例地域特征,电力碳排放因子取值参考于中国区域的南方电网基准线排放因子,其计算公式如式(6)所示。1.3 明挖地铁车站 GHG 排放核算公式明挖地铁车站建设期的 GHG 排放总量是以下 3部分的总和。Cetotal=CeM+CeT+CeC。(2)式中:Cetotal为明挖地铁车站建设期的 GHG 排放总量,kgCO2e;CeM 为 建 材 生 产 阶 段 的 GHG 排 放 量,kgCO2e;CeT 为运输阶段的 GHG 排放量,kgCO2e;CeC 为施工阶段的 GHG 排放量,kgCO2e。1.3.1 建材生产阶段基础设施在建设过程会造成大量建材的消耗,其中全国各类建造过程建材生产所产生的 GHG 排放占建筑业全生命周期 GHG 排放总量的 9%12%29-30。生产阶段的 GHG 排放由所有投入建材的隐含排放组成,计算方法如式(3)所示。CeM=Mmat,i(1+i)fmat,i。(3)式中:CeM 为建材生产阶段的 GHG 排放量,kgCO2e;Mmat,i为第 i 种主要建材的消耗量,kg 或 m3;fmat,i为第i 种主要建材的 GHG 排放因子,kgCO2e/单位建材数量;i为第 i 种建材的损耗率。值得注意的是,所选主要建材的总重量不得低于产品中耗材总重量的 95%,重量比小于 0.1%的建材可忽略。1.3.2 运输阶段运输阶段的 GHG 排放为建材运输以及工程渣土外运过程的排放,计算方法如式(4)所示。CeT=(Mmat,i+Mmuc)Dt ft。(4)式中:CeT 为运输阶段的 GHG 排放量,kgCO2e;Mmuc为工程渣土外运量,kg;Dt为采用第t 种方式运输的平均运距,km;ft为第 t 种方式运输下,单位重量运距的291增刊 1陈坤阳,等:明挖地铁车站建设期温室气体排放研究 以深圳市城市轨道交通 12 号线某车站为例GHG 排放因子,kgCO2e/tkm。值得注意的是,部分工程渣土用于工程本身的覆土回填,外运量需考虑扣除回填渣土量。1.3.3 施工阶段施工阶段的 GHG 排放量可以表示为各类施工机械在使用过程种所消耗的能源(如汽油、柴油、电力)与相对于能源排放因子的乘积,计算方法如式(5)所示。CeC=tmach,i Rmach,i feng,j。(5)式中:CeC 为施工阶段的 GHG 排放量,kgCO2e;tmach,i为第 i 种施工机械台班(指 1 台施工机械的标准化 8 h操作)的消耗量;Rmach,i为第 i 种单位施工机械台班的能源用量(kWh/台班、kg/台班);feng,j为第 j 种能源的GHG 排放因子,kgCO2e/L、kgCO2e/kg、kgCO2e/kWh,同时考虑到不完全燃烧,进行了一些修改,计算方法如式(6)所示。feng,j=qnet,i qi i 44 12。(6)式中:qnet,i为平均低位发热量,kJ/kg、kJ/m3;qi和 i分别为燃料 i 的单位热值含碳量(tC/TJ)和碳氧化率。2 明挖地铁车站 GHG 排放分析2.1 建材生产阶段案例明挖地铁车站在建材生产阶段的 GHG 排放总量为42 425.67 tCO2e。从材料类别来看(如图5(a)所示),钢铁材和混凝土是建材中隐含排放最大的成分,分别占比 54.51%和 41.16%。从结构类型来看(如图 5(b)所示),车站主体产生的 GHG 排放量最大,占 75.84%,附属结构占 24.16%。(a)(b)图 5 主要建材生产阶段的 GHG 排放分布Fig.5GHG emissions distribution in production stage of main building materials如图 6 所示,对于车站主体,钢铁材和混凝土是建材中隐含排放最大的成分,分别为 56.55%和 40.93%。从工程类型来看,车站主体和附属结构主要包括围护结构、基坑土石方开挖和现浇主体结构 3 部分,其 GHG 排放占比如图 7 所示。现浇主体结构是车站主体建设期的主要贡献源,占比 55.39%,其次是围护结构,占比 35.34%,基坑土石方开挖最小,仅占 9.27%。钢铁材和混凝土是现浇主体结构和围护结构主要的建材消耗和GHG 排放类别,案例车站主体的围护结构采用地下连续墙,其尺寸参数对车站主体的 GHG 排放有着重要的影响。围护结构、基坑开挖及现浇主体结构在车站主体建设期的 GHG 排放强度分别为 21.95 tCO2e/m、31.54 tCO2e/1 000 m3和 181.45 tCO2e/100 m2。(a)车站主体(b)附属结构图 6 各结构主要建材在生产阶段的 GHG 排放Fig.6 GHG emissions of main building materials of each structures in production stage图 7 各工程类型建设期的 GHG 排放分布Fig.7 GHG emission distribution of each project type in construction stage391隧道建设(中英文)第 43 卷附属结构因其比例小是以往研究中容易忽略的部分,与车站主体相同,钢铁材和混凝土同样是建材中隐含排放最大的成分(如图 6 所示),分别为 48.10%和41.86%,这些材料主要用于现浇主体结构和围护结构。由于案例附属结构的围护结构采用旋喷桩和搅拌桩,水泥消耗占建材生产阶段的 7.40%。从工程类型来看,围护结构和现浇主体结构也是附属结构建设期的主要贡献源,分别占比 49.21%和 46.69%,基坑土石方开挖仅占 4.1%。可见,在保证施工安全的前提下,围护结构的尺寸和类型对附属结构的 GHG 排放有着重要的影响。综上所述,鉴于钢铁材、混凝土、水泥等建材的GHG 排放及占比,可重点关注主要建材及高排放建材的生产工艺改良,尤其是钢铁材和混凝土。同时,应更多的考虑绿色再生钢材及再生混凝,来实现减排目标。此外,应大力发展装配式地铁车站,装配式结构可通过结构优化和低损耗率减少建材的消耗,相较明挖现浇法具有 13%左右的减排效益22。从工程类型来看,地下连续墙体量大,是明挖地铁车站围护结构中资源能源消耗的重要部分,需要进行结构优化、提高资源利用率。基坑土石方开挖在建材生产阶段的 GHG 排放主要与钢筋混凝土支撑及钢支撑的使用有关,在符合施工要求的情况下,应尽量多的使用可循环利用的钢支撑来替代钢筋混凝土支撑,以减少资源能源消耗。2.2 运输阶段在运输阶段,货物的运输方式有公路、铁路、水路及航空运输,不同运输方式能源类型及其消耗量有所差异,建材及工程渣土因其运输过程存在复杂性、多变性,既要考虑运输方式,又要考虑运输工具载重等级和能源类型,同时还受到运距的影响。因此,本文基于案例实际情况采用柴油货车,建材的运输距离为建材厂到施工现场的实际运距,工程渣土的运输距离为施工现场到堆填场的实际运距,约为 60 km。案例明挖地铁车站在运输阶段的 GHG 排放总量为 1 893.67 tCO2e,从材料类别来看(如图 8(a)所示),工程渣土的外运量约 8.5 万 m3,其产生的 GHG 排放量最大,占到69.50%;19.60%的 GHG 排放由混凝土所贡献;其次是钢铁材,占比为 4.32%。从结构类型来看(如图 8(b)所示),车站主体产生的 GHG 排放最大,占比76.42%,附属结构占比 23.58%。如图 9 所示,除各结构工程渣土外运造成的主要GHG 排放,对于车站主体和附属结构,混凝土和钢铁材同为运输阶段 GHG 排放的重要来源。虽然部分工程渣土用于项目本身的覆土回填,但剩余巨量渣土的外运仍是运输阶段 GHG 排放的主要贡献源,应重点关注工程渣土外运的环境影响。在源头设计阶段,应加强竖向结构设计,减少土石方开挖;提高施工现场的资源化利用率,减少土石方外运。同时,还应关注混凝土、钢铁材等建材运输的环境影响,尤其是消耗量大的建材应采用就近原则,选取载重大的运输车辆以减少运输次数。(a)(b)图 8 主要建材及工程渣土在运输阶段的 GHG 排放Fig.8 GHG emissions of main building materials and engineering muck in transportation stage(a)车站主体(b)附属结构图 9 各结构主要建材及工程渣土在运输阶段的 GHG 排放Fig.9 GHG emissions of each structures in transportation stage2.3 施工阶段明挖地铁车站施工阶段由施工机械能源消耗产生491增刊 1陈坤阳,等:明挖地铁车站建设期温室气体排放研究 以深圳市城市轨道交通 12 号线某车站为例的 GHG 排放总量为 3 399.36 tCO2e。从机械类别来看(如图 10(a)所示),GHG 排放最多的是焊接机械,占比 29.53%,其次是土石方及筑路机械和起重机械,分别占比 19.92%和 8.99%,其余类型机械占比不到一半。从能耗类型来看,明挖地铁车站施工阶段共消耗了电力 272.23 万 kWh、柴油 371.82 t 及汽油37.18 t,其 能 源 产 生 的 GHG 排 放 占 比 分 别 为70.28%、35.36%和 3.49%,电力是明挖地铁车站施工阶段主要的能耗及 GHG 排放类别。从结构类型来看(如图 10(b)所示),车站主体产生的 GHG 排放量最大,占 82.18%,附属结构占 17.82%。从机械类别来看(如图 11 所示),焊接机械、土石方及筑路机械和地下工程机械是车站主体施工阶段GHG 排 放 最 多 的 机 械 类 别,分 别 占 比 28.54%、22.55%和 10.39%;焊接机械、桩工机械和动力机械则是附属结构施工阶段 GHG 排放最多的机械类别,分别占比 34.05%、16.43%和 14.81%。从工程类型来看,对于车站主体和附属结构,围护结构施工是机械设备 GHG 排放的主要来源,其机械设备能耗造成的GHG 排放分别占各结构的 64.95%和 71.61%,其次是现浇主体结构,分别为 23.4%和 17.49%,基坑开挖最小。其中,地下连续墙施工主要使用焊接机械、土石方及筑路机械和地下工程机械,搅拌桩和灌注桩施工则以焊接机械、桩工机械和动力机械为主;现浇主体结构主要使用焊接机械、混凝土及砂浆机械;基坑开挖以土石方及筑路机械为主。从能耗角度来看,现浇主体结构和围护结构的能耗主要来源于电力,基坑开挖则以柴油消耗为主。(a)各机械类型 GHG 排放占比(b)各结构 GHG 排放占比图 10 主要机械设备在施工阶段的 GHG 排放Fig.10GHG emissions of major machinery and equipment in construction stage(a)车站主体(b)附属结构图 11 各结构主要机械设备在施工阶段的 GHG 排放Fig.11 GHG emissions of major machinery and equipment of each structures in construction stage 由此可见,明挖地铁车站施工机械的主要能耗来源于电力,应重点关注能源结构调整,提高火力发电效率及清洁转化,同时提高清洁能源的供电比例,从源头降低电力上游生产的间接排放。从工程类别来看,围护结构是明挖地铁车站施工阶段的主要 GHG 排放贡献源,具有较大的减排潜力。同时,加强竖向结构设计优化,降低基坑土石方开挖所造成的机械设备能耗。2.4 总体分析案例 明 挖 车 站 建 设 期 的 GHG 排 放 总 量 为47 718.61 tCO2e。从生命周期来看(如图 12 所示),591隧道建设(中英文)第 43 卷建材生产阶段贡献的 GHG 排放量最大,占88.91%,其次是施工阶段,占 7.12%,运输阶段产生的 GHG 排放虽与运距密切相关,但由于运输成本等限制,仅占3.92%。从结构上来看,车站主体贡献的 GHG 排放量最大,占比 76.42%,附属结构占比 23.58%。由于地铁车站的 GHG 排放量随着建筑尺寸存在较大差异,为了使标准尺寸地铁车站在不同案例中具中有可比性,采用 GHG 排放强度(tCO2e/100 m2)作为功能单位来消除尺寸差异对地铁车站的影响,计算得到单位面积明挖车站建设期的 GHG 排放强度为335.52 tCO2e/100 m2。从研究结果上可以看出,建材生产阶段极具减排潜力,相较运输阶段,施工阶段也存在不小的减排空间。图 12 明挖地铁车站生命周期 GHG 排放Fig.12 GHG emissions of open-cut metro station in life cycle3 结论与建议本研究基于 LCA 方法,开展了明挖地铁车站建设期的 GHG 排放评价工作,并以深圳市典明挖型地铁车站项目为例,对建材生产、运输及施工阶段的 GHG 排放水平与强度进行了定量化的分析,同时对主体结构和附属结构 2 种结构类型以及从工程类型的角度探讨了 GHG 排放的分布和特征。研究结果如下:1)案例地铁车站建设期的 GHG 排放总量为47 718.61 tCO2e。其中,建材生产、运输和施工阶段分别占比 88.91%、3.92%和 7.12%;明挖地铁车站建设期的 GHG 排放强度为 335.52 tCO2e/100 m2,黄旭辉(2019)的研究结果为 326.26 tCO2e/100 m221,误差约为 3%,考虑到基础数据的差异以及背景数据的不同,该数据具有参考价值。2)从生命周期来看,建材生产阶段是地铁车站建设期 GHG 排放的主要贡献阶段,极具减排潜力。钢铁材和混凝土是主要的建材消耗和 GHG 排放类别。3)从工程类型来看,围护结构和现浇主体结构是明挖地铁车站建设期 GHG 排放的主要贡献类型,围护结构的尺寸和类型对地铁车站的 GHG 排放有着重要的影响。4)从结构类型来看,车站主体所贡献的 GHG 排放最大,占比约 76%,附属结构占比约 24%。综合研究结果,本文提出以下 3 点建议:1)加快建材产业结构调整,推动绿色低碳建材产品的生产与应用,开发并推广节能低碳技术,持续降低钢铁材、水泥等重点建材产品的单位能耗和 GHG 排放强度。建材生产阶段是明挖地铁车站建设期 GHG 排放占比最大的阶段,约 89.18%。提高改良高排放建材的生产工艺和使用绿色低碳建材可带来显著的减排效益。2)提高施工现场工程渣土的资源化利用率。地铁在建设过程中会产生巨量的工程渣土,应从设计阶段考虑工程渣土的减量化管理和提升其回填能力,加强竖向结构设计,减少土石方开挖,提高渣土现场回填消纳量。大力推广施工现场渣土资源化利用,进行泥沙分离处理,分离出的再生骨料现场再利用,渣土可制备为免烧砖循环利用,减少土石方外运量。3)优化能源结构调整,提高火力发电效率及清洁转化,同时从源头提高清洁能源的供电比例。电力是地铁车站施工阶段的主要能耗类别,案例明挖地铁车站在施工阶段共消耗了电力约 272.23 万 kWh,占到能源产生 GHG 排放的 70%左右。降低电力上游生产过程的 GHG 排放可带来一定的减排效益。参考文献(R Re ef fe er re en nc ce es s):1MI Z,WEI Y M,WANG B,et al.Socioeconomic impact assessment of Chinas CO2 emissions peak prior to 2030J.Journal of cleaner production,2017,142:2227.2GUO J,ZHANG Y J,ZHANG K B.The key sectors for energy conservation and carbon emissions reduction in China:Evidence from the input-output methodJ.Journal of Cleaner Production,2018,179:180.3 中华人民共和国生态环境部.第三次中华人民共和国有关气候变化的国家信息通报(2018)EB/OL.(2022-11-25)2023-06-01.https:/.Ministry of Ecology and Environment o