0 引言

近年来，中国基础设施建设快速发展，随之而来的是资源和能源的大量消耗以及温室气体的过量排放^[1-2]。在中国生态文明建设要求下，绿色公路理念已成为公路建设的重要指导思路。相关研究表明，在公路的施工建设中，公路隧道的能源和材料密度高于其他交通设施，隧道施工产生的碳排放强度更为巨大^[3]，因此对公路隧道机电安装阶段进行绿色评价对实现中国节能减排的国家战略具有重要意义。

目前，不少学者在隧道施工碳排放研究方面取得了一定成果。李乔松^[4]基于碳排放系数法计算盾构隧道施工碳排放，分析该隧道总体碳排放特点，同时计算出盾构每一环的实际碳排放，结合地质情况和施工参数对施工碳排放在每一环之间的情况进行分析探讨。黄山倩^[5]采用文献计量法和内容分析法，从文献的年度发文量及变化趋势、主要研究国家与机构、期刊与学科、研究前言和热点等方面对公路碳排放趋势进行量化分析，探讨国际研究的演化路径和最新发展态势。鲍学英^[6]以铁路隧道开挖支护施工为研究对象，在考虑碳排放量的情况下建立隧道开挖支护施工机械配置优化模型，运用改良的遗传算法对机械配置优化模型进行求解，并将该方法应用到实际工程中验证其可行性。汪振双^[7]基于全生命周期评价理论和价值工程原理，以混凝土材料多次循环使用为例，对混凝土强度和物化阶段碳排放进行研究。单景松^[8]将价值工程理念引入到国省道沥青路面结构决策中，对一定分析期内的路面初始投资、日常养护、维修费用进行计算分析，选择经济合理的路面结构。陈小龙^[9]运用价值工程原理对居住建筑进行价值评价并建立其功能评价体系，运用层次分析法和专家打分法对建筑功能系数进行计算，将建筑碳排量作为成本系数，计算出建筑的价值系数，以价值系数高低评判居住建筑的低碳性。

现有文献关于隧道碳排放的研究对象多为土建施工，缺乏隧道机电安装过程的碳排放评价研究。本研究从材料生产、运输、现场施工3个维度计算高速公路隧道机电安装碳排放量，通过划分隧道机电安装功能，统计出每个控制功能的功能系数和碳排放系数，利用价值工程扩展公式量化各功能的价值系数，根据系数大小采取相应的控制措施，以此减少安装施工的碳排放量，推进隧道机电安装施工低碳化发展。

1 工程概况

新伊高速机电安装工程北起洛阳市新安县，止于伊川县境，路线全长81.246 4 km。该工程位于地质条件复杂的豫西丘陵地区，采用双向四车道高速公路标准，设计速度为100 km/h，路基宽度26 m; 全线共有3座隧道，本研究以最长的锦屏山隧道为例，隧道左线ZK31+874.4-ZK35+469，全长3 594.6 m; 右线K31+877-K35+460，全长3 583 m。净宽11 m，净高5 m，隧道内机电安装施工主要包括隧道通风、隧道照明、隧道消防、隧道供配电及隧道监控。项目落实绿色施工及生态施工理念，环保要求高。

2 碳排放计算

碳排放是温室气体排放的简称^[10]。联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)以100年时间框架内二氧化碳气体的全球变暖潜能值(Global Warming Potential, GWP)为基准，将其他气体的GWP折算为二氧化碳当量。碳排放系数法是目前广泛使用的计算方法，其基本思路是通过碳排放清单建立出模型，以此计算各种排放源的活动数据与排放因子，并将这些数据相乘，从而得出排放源的碳排放量估算值^[11]。

2.1 碳排放系数法

隧道机电安装过程中，将产生碳排放的因素分为直接因素和间接因素^[12]。直接因素主要指隧道机电安装过程中施工机械耗能产生碳排放的因素；间接因素主要指隧道机电安装材料，如穿线管、照明控制单元和火灾报警控制器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如下：

(1) 直接因素碳排放计算公式为：

$ E_{\mathrm{m}}=\sum\limits_i E F_i \times v_i \times t_i, $

(1)

式中，E_m为隧道机电安装施工阶段所有机械产生的碳排放；EF_i为第i类机械所用能源碳排放因子；v_i为第i类机械单位时间所用能源消耗量；t_i为第i类机械的工作时间。

(2) 间接因素碳排放计算公式：

材料生产：

$ E_{\mathrm{o}}=\sum\limits_j E F_j \times m_j, $

(2)

式中，E_o为隧道机电安装阶段所用材料生产造成的碳排放；EF_j为第j类材料生产的碳排放因子；m_j为第j类材料生产总量。

材料运输：

$ E_{\mathrm{t}}=\sum\limits_k E F_k \times v_k \times t_k, $

(3)

式中，E_t为隧道机电安装阶段材料运输产生的碳排放；EF_k为第k类运输工具所用能源碳排放因子；v_k为第k类运输工具单位时间所用能源消耗量；t_k为第k类运输工具工作时间。

2.2 计算参数获取

运用碳排放系数法计算，需获取两类计算参数，第1类计算参数是施工过程中材料和能源的消耗量；第2类计算参数是碳排放源的碳排放因子。

将工程量清单作为主要参考依据，另外结合《公路工程预算定额》^[13]和《公路工程机械台班费用定额》^[14]共同确定材料和能源的消耗量。碳排放因子是指每一种能源燃烧或使用过程中单位能源所产生的碳排放，IPCC认为某种能源的碳排放因子是恒定的，取值参考《2006年IPCC国家温室气体清单编制指南》^[15]、国内外文献及规范^[16-20]等资料。其中，电力碳排放系数以国家生态环境部发布的全国电网碳排放系数tCO₂/(MW·h)为准。锦屏山隧道机电安装涉及的主要材料和能源排放清单如表 1所示。

2.3 碳排放特点

根据上述计算方法，对新伊高速锦屏山隧道机电安装过程碳排放进行统计，得到各个阶段及各类材料和能源碳排放占比情况，如图 1, 图 2所示。

由图 1可知，锦屏山隧道机电安装阶段碳排放总量为9 508.63 t CO_2e，其中材料生产过程的碳排放是主要排放源，产生碳排放8 006.89 t CO_2e，占整个过程碳排放的84.21%。现场施工和材料运输的碳排放分别占11.97%和3.83%。由图 2可知，在各类材料中，钢材、镀锌钢材及铜的碳排放占比较大，分别为29.71%，16.61%和12.9%；在3类能源中，电力的碳排放最大为10.92%。部分材料和能源的占比小于1%，对整个过程碳排放影响较小，如汽油(0.27%)，混凝土(0.37%)，玻璃(0.55%)等。

3 碳排放评价 3.1 价值工程分析法

价值工程的基本思路是通过分析产品或作业的功能与成本之间的关系，用最低寿命周期成本达到产品或作业的必要功能，进而提高产品或作业的价值。涉及到3个基本要素：功能(F_i)、成本(C)和价值(V)。本研究用碳排放(C_C)代替成本(C)，将价值工程基本公式进行扩展^[21]，如式(4)所示，在降低碳排放的同时满足工程功能要求。

$ V=\frac{F_i}{C_{\mathrm{C}}}, $

(4)

式中，F_i为不同功能的功能系数；C_C为隧道机电安装的环境成本，以机电安装过程中产生的碳排放为标准；V为隧道机电安装的价值，体现机电安装满足实际需要的程度。

3.2 功能系数分析 3.2.1 功能整理

机电安装功能划分直接影响整个系统功能评价的准确性。通过现场施工了解及现有文献的归纳，将锦屏山隧道机电安装功能分为通风控制功能、照明控制功能、消防控制功能、供配电控制功能和监控与通信控制功能。保证隧道机电安装能够实现功能的关键是设备的技术状态，如实现通风控制功能，需要射流风机、环境检测器(CO/VI检测器、风速风向检测器等)、通风控制器等设备的技术状态。根据上述分析，得到隧道机电安装功能划分情况，如图 3所示。

3.2.2 功能评价

(1) 设备技术状态评分

根据隧道机电安装功能划分图，可以从设备评分和完好率两方面评估机电设备的技术状态。

设备评分是根据每个设备的性能和特点，选取多个重要性指标为评估指标，根据评估指标的检测结果确定相应得分。检测方法与标准参考《公路工程质量检验评定标准》中隧道机电设备部分规定的各机电设施检测方法和检测标准。检测结果因不能简单按照故障和非故障进行处理，可采用0，0.2，0.4，0.6，0.8，1等指标数值进行处理。单个设备评分计算公式如下：

$ Q=\frac{1}{i} \sum\limits_{i=1}^i e_i, $

(5)

式中，Q为设备评分值；i为设备评估指标数量；e_i为设备第i个评估指标得分值。

设备完好率是指设备在使用期间未发生故障的概率，可以表征设备当前所处的完好程度。设备完好率计算公式如下：

$ P=\frac{h}{H}, $

(6)

式中，P为设备完好率；h为设备处于正常运行的数量；H为设备总数。

最终，将设备完好率与设备评分相乘，得到该设备技术状态评分：

$ R=Q \times P, $

(7)

式中R为设备技术状态评分。

(2) 各功能评分

由功能内各设备技术状态得分乘以相应权重求和得到各功能得分：

$ S=\sum\limits_{j=1}^n w_j \cdot e_j, $

(8)

式中，S为功能评分；n为该功能包含的设备总数；w_j为功能中第j个设备的重要性权重，该值可以通过专家打分法^[22]确定。

根据式(5)~(8)依次对隧道机电安装功能进行计算，结果如表 2所示。

(3) 功能系数计算

根据表 2得到的功能得分，通过式(9)计算对应功能的功能系数，计算结果如表 3所示。由表 3可知，隧道机电安装过程中，在功能系数方面由强到弱依次为：照明控制功能、消防控制功能、供配电控制功能、通风控制功能、监控与通信控制功能。

$ F_i=\frac{S_i}{\sum\limits_{i=1}^5 S_i}, $

(9)

式中，F_i为不同功能的功能系数；S_i为不同功能的功能得分；i=1，2，3，4，5分别对应5种不同功能。

3.3 碳排放系数分析

按照式(1)~(3)分别对5种功能产生的碳排放量进行计算，根据得出的碳排放量，通过式(10)计算对应功能的碳排放系数，计算结果如表 4所示。由表 4可知，隧道机电安装过程中，在碳排放方面功能由强到弱依次为：照明控制功能、供配电控制功能、消防控制功能、通风控制功能、监控与通信控制功能。

$ C_i=\frac{E_i}{\sum\limits_{i=1}^5 E_i}, $

(10)

式中，C_i为不同功能的碳排放系数；E_i为不同功能的碳排放量。

3.4 价值系数分析

为进一步分析隧道机电安装的实际价值，根据式(4)对各功能进行分析，计算结果如表 5所示。由表 5可知，在隧道机电安装过程中，通风控制功能、供配电控制功能、消防控制功能的价值系数大于1，照明控制功能和监控与通信控制功能的价值系数小于1。其中，照明控制功能的功能系数最大，但产生的碳排放也最多，综合计算其价值系数最小；监控与通信控制功能的功能系数最低，导致其价值系数小于1。

4 现场控制措施及效果

价值系数存在3种情况，当价值系数等于1或者接近于1时，说明功能与碳排放量比例相当，该功能可不作为进一步优化的对象；当价值系数大于1时，说明产生较低碳排放，同时实现了较高的功能，此时可在满足要求的情况下适当降低功能；当价值系数小于1时，说明在施工过程中产生较高碳排放，却存在功能不足或较低的情况，此时应该提高其功能或降低碳排放。根据表 5的计算结果，现场采取以下控制措施：

(1) 照明控制功能碳排放较高。现场照明灯具统一换用LED灯具，LED灯具使用寿命长，发光率高，功耗低，且不含汞等污染元素，环保效果更好，废弃物可回收。照明系统统一采用动态自动控制技术，达到节能降碳的作用。

(2) 监控与通信控制功能系数较低。为提高其功能系数，现场增加高点监控4套、事件检测摄像机6套、门架视频交换机4台、门架数据交换机8台、NVR设备4台，对采集到的视频进行智能化处理，实现重点区域重点监控，特殊区域特殊监控的效果，提高公路隧道管理水平。

(3) 消防控制功能系数较高。为降低其功能系数，在满足其正常功能情况下，更换隧道火灾探测报警系统，选用节能、高效的双波长火焰探测器，对隧道内的设施进行火灾、烟雾等异常事件智能监测。

(4) 现场采用BIM技术。运用BIM技术建立隧道机电安装模型，进行管线碰撞检查与优化，节省金属管215 m，热镀锌钢筋315 m，减少实现各控制功能的碳排放量。

经计算，锦屏山隧道机电安装施工过程实际碳排放总量为7 979.11 t CO₂e，较之前减少1 529.52 t CO₂e；各功能价值系数接近于1，验证了该方法的实用性和可行性。

5 结论

(1) 采用碳排放系数法从材料生产、材料运输和现场施工3个方面对新伊高速锦屏山隧道机电安装项目进行碳排放计算。整个过程的碳排放总量为9 508.63 t CO₂e，其中材料生产过程产生碳排放占整个过程碳排放的84.21%。在材料和能源中，钢材和电力产生碳排放占比较大，分别为29.71%和10.92%。

(2) 将隧道机电安装功能分为通风控制功能、照明控制功能、消防控制功能、供配电控制功能和监控与通信控制功能，对各功能的功能系数和碳排放系数进行计算。其中，照明控制功能的功能系数和碳排放系数均为最高。

(3) 利用价值工程扩展公式对各功能价值系数计算分析，其中照明控制功能和监控与通信控制功能的价值系数小于1，分别为0.786和0.884。通风控制功能、消防控制功能和供配电控制功能的价值系数分别为1.157，1.173，1.118。

(4) 根据价值系数计算结果及现场情况，项目采用LED隧道照明灯具、自动化照明控制技术、BIM技术，增设监控与通信设备，更换新型火灾探测器等控制措施，减少碳排放1 529.52 t CO_2e，在保证功能的同时降低碳排放量，验证了该方法的实用性和可行性，为高速公路隧道机电安装项目碳排放评价提供参考。