西南交通大學土木工程學院地下工程系《地下工程低碳理論與應用》2025年1月2日西南交通大學土木工程學院地下工程系第1

章緒論本章內容提要本章教學目標：

了解地下工程的概念及發展明確碳排放的基本概念了解專業領域碳排放發展歷程及研究相關進展

了解國內外相關行業碳排放標準地下工程的概念及發展1土木工程行業碳排放現狀碳排放的基本概念本章內容提要234地下工程行業碳排放現狀5國內外相關行業碳排放的標準及規范地下工程的概念及發展1地下工程的概念及發展一1.1地下工程的概念地下工程通常有兩方面的含義：一方面是指建在地下的各種工程設施。另一方面是指從事建造和研究各種地下工程的規劃、勘察、設計、施工和維護的一門綜合性應用科學與工程技術，是土木工程的一個分支。地下工程的概念及發展一1.1地下工程的概念隨著國民經濟的發展，地下工程的應用越來越廣泛，城市地鐵、公路、水電站、倉庫、商場、體育館、工廠等許多工程都安排在地下，某種場合下還必須安排在地下。地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.1地下空間開發歷史早期（遠古時期）：人類出現到公元前3000年的新石器時代，以居住洞穴為主，利用天然地下洞穴或人工開挖洞穴遮風避雨、防寒防暑、防御自然災害等原始人居住天然洞穴新石器時代半穴居建筑復原圖地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.1地下空間開發歷史早期（古代時期）：隨著社會文明和原始建設技術的初步發展，人類對于地下空間利用也從初步的簡單借用演變為對空間的設計和改造萌芽行為，進入地下空間初步利用階段秦始皇陵洛陽龍門石窟地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.1地下空間開發歷史近代：16世紀以后的第一次工業革命開始至20世紀早期，城市化水平不斷提高，在城市建設中開始了近代城市的地下空間開發利用倫敦地鐵大都會線（1863年1月正式運營）倫敦下水道改造工程(1859～1865年）地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.1地下空間開發歷史現代：二次大戰以后，隨著經濟和技術的高速發展，地下空間的開發利用也掀開了嶄新的篇章，以市政、城市軌道交通、人防及商業設施等為主北京地鐵復興門折返線(1986年）城市綜合管廊地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.2隧道工程開發歷史原始時代遠古時代中世紀時代近代現代地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.2隧道工程開發歷史古代隧道案例我國最早采用“火燒水澆”開鑿的穿山通車隧道為“石門”隧道，位于今陜西省漢中縣褒谷口內，內壁寬度、高度皆在4米以上，建于東漢明帝永平九年（公元66年）。采用“火燒水激”而成的石門隧洞，是世界上最早的人工通車隧道地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.3隧道工程發展近代隧道的發展近代隧道興起于運河時代：馬爾派司（Malpas）運河隧道（法國）——建于1666~1681年，長157m，可能是最早用火藥開鑿的隧道。1830年前后，鐵路隧道也越來越多，先從經濟比較發達的歐洲各國開始，然后是美國和明治維新后的日本。炸藥的利用，大大提高了挖掘效率，代表著近代隧道工程的開端地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.3隧道工程發展鉆爆法——20世紀采用該法，發明了鑿巖機，爆破技術也由傳統的導火索、火雷管引爆發展到電雷管毫秒引爆，實現了光面爆破和預裂爆破。

隨著人們對隧道工程認識的不斷深入和工程經驗的不斷積累，形成了許多成熟的施工工藝和方法，如新奧法、新意法、挪威法等。地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.3隧道工程發展②盾構法起源與發展——盾構機于1847年發明，它是一種帶有護罩的專用設備。利用尾部已裝好的襯砌塊作為支點向前推進，用刀盤切割土體，同時排土和拼裝后面的預制混凝土襯砌塊。地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.3隧道工程發展1869年，英國人格瑞海德首次開發了圓形盾構；1886年，在倫敦地下施工中首次將壓縮空氣方法與盾構掘進相結合使用。1964年英國人摩特、安德森等申請了泥水加壓平衡盾構的專利；1963年，日本SatoKogyo公司首先開發出土壓平衡盾構。盾構法地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.3隧道工程發展③TBM法起源與發展——TBM(TunnelBoringMachine)，又稱全斷面巖石掘進機，用于中等和堅硬巖石地層的，1883年首次試掘成功。

硬巖TBM是利用旋轉刀盤上的滾刀擠壓剪切破巖，通過旋轉刀盤上的鏟斗齒拾起石渣，落入主機皮帶機上向后輸送，再通過牽引礦渣車或隧洞連續皮帶機運渣到洞外。地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.3隧道工程發展④沉管法起源與發展——是在水底建筑隧道的一種施工方法。沉管隧道就是將若干個預制段分別浮運到海面（河面）現場，并一個接一個地沉放安裝在已疏浚好的基槽內，以此方法修建的水下隧道。地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.3隧道工程發展1894年第一條用沉管法施工成功的是美國波士頓的雪莉排水管隧洞，于1894年建成，直徑2.6米，長96米。1910年美國建成了第一條底特律河鐵路隧道，水下段由10節長80米的鋼殼管段組成。1928年，建成的美國波西隧道為第一條水底道路隧道，水下段長744米。1941年，荷蘭建成的馬斯河道路隧道，為鋼筋混凝土制成矩形結構。20世紀50年代以后，由于水下連接技術的突破──采用水力壓接法，并應用橡膠墊圈作止水接頭，沉管法被廣泛采用，并隨之較快地發展。地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.4地下工程發展利用基本動因1）拓展城市功能：

城市土地利用的密度不斷上升，促使地下空間的利用不斷發展。

地下空間設施為現代城市的發展提供生存和發展的條件。地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.4地下工程發展利用基本動因2）城市和諧發展的需求推動：

緩解城市交通矛盾

改善城市生態環境

提高城市綜合防災能力交通擁堵災害破壞環境污染地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.4地下工程發展利用基本動因3）高度城市化進程的推動：

城市過度化發展帶來的“城市病”：人口膨脹、交通擁堵、能源消耗、環境污染城市地下空間在擴大城市空間、改善城市景觀方面具有極大優勢，形成了城市地面空間、上部空間和地下空間協調發展的城市空間構成的新概念。地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.5地下工程開發利用發展趨勢功能綜合化大城市各種功能的高度復合決定其地下空間利用的主要趨勢是向綜合化方向發展，這種趨勢表現為地下綜合體不斷出現上海世博軸及地下綜合體工程地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.5地下工程開發利用發展趨勢淺層（地表～地下15m）次淺層（地下15m-30m）次深層（地下30-50m）深層（地下50m以下）使用價值最高，也是目前重點關注和廣泛應用的深度范圍，主要布置市政設施、地下居住設施、商業及娛樂設施、地下交通網絡、物流設施等布置城市公用設施的封閉再循環系統（地上使用，地下輸送、處理、回收、儲存）建立水和能源地下儲藏系統，以及危險品存放系統豎向深層化地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.5地下工程開發利用發展趨勢交通立體化交通問題一直是國內外大城市開發要解決的重點問題，通過構建地上地下立體的交通體系才是創造大城市良好內部環境，解決區域內交通問題的根本之道。地下工程的概念及發展一1.2地下工程的發展1.2.5地下工程開發利用發展趨勢生態多樣化地下空間開發與城市內多樣的生態環境建設應密切結合，才能實現區域內人與社會的良性互動和協調發展。碳排放的基本概念2碳排放的基本概念二（1）碳排放：二氧化碳和其他溫室氣體的排放，是關于溫室氣體排放的簡稱。（2）二氧化碳當量：各種溫室氣體對溫室效應增強的貢獻，可以按二氧化碳的排放率來計算，這種折算叫二氧化碳當量。（3）溫室氣體二氧化碳當量：溫室氣體二氧化碳當量等于給定氣體的質量乘以它的全球變暖潛勢（GlobalWarmingPotential，簡稱GWP）。碳排放的基本概念二溫室氣體包括：二氧化碳(CO2)，甲烷(CH4)，氧化亞氮(N2O)，氫氟化合物(HFCs)，全氟化合物(PFCs)，六氟化硫(SF6)。這六種溫室氣體的全球變暖潛勢（GWP）見表1-1。碳排放的基本概念二溫室氣體名稱GWP（20年）GWP（100年）二氧化碳（CO2）11甲烷（CH4）8428氧化亞氮（N2O）264265全氟化碳（PFCS）CF448806630C2F6821011100六氟化硫（SF6）1750023500表2-1全球變暖潛勢（GWP）碳排放的基本概念二續

表2-1全球變暖潛勢（GWP）溫室氣體名稱GWP（20年）GWP（100年）氫氟碳化物（HFCS）HFC-231080012400HFC-322430677HFC-12560903170HFC-134a69404800HFC-143a506138HFC-152a53603350HFC-227ea69408060HFC-245fa2920858土木工程行業碳排放現狀3土木工程行業碳排放現狀三3.1國外土木工程領域碳排放研究現狀由于各國學者研究內容、側重點有所不同，一般認為建材生產、現場建造、運行、拆除處置這4個階段構成建筑的全生命周期。土木工程行業碳排放現狀三3.1國外土木工程領域碳排放研究現狀部分學者認為可以將原材料生產階段忽略，而將使用階段拆分為運行和維護2個階段，以及將土建工程施工和裝飾裝修工程安裝劃分到不同的階段，并將土建工程施工階段細分為人材機運輸、現場施工機具消耗和施工輔助措施。土木工程行業碳排放現狀三3.1國外土木工程領域碳排放研究現狀使用計量模型的差別及依托建筑物不同導致最終計量結果也有明顯差別。美國建筑碳排放的統計分析發現建筑能耗占總能耗的41%，碳排放占總碳排放量的39%，而其中大部分是由于老化建筑導致的。土木工程行業碳排放現狀三3.1國外土木工程領域碳排放研究現狀比利時相關研究表明，對于5類住宅的全生命周期碳排放，全生命周期的碳排放都會因圍護結構不同而有較大差異。土木工程行業碳排放現狀三3.1國外土木工程領域碳排放研究現狀瑞士的碳排放研究得出了生命周期評價（LifeCycleAssessment，簡稱LCA）法適用于評價產品以及建筑單體的碳排放，投入產出法適用于評價行業以及建筑群體的碳排放的結論。土木工程行業碳排放現狀三3.1國外土木工程領域碳排放研究現狀日本學者計算了大量建筑物的生命周期碳排放，建立了數據量大的數據庫，并且規定建筑環境影響評價的一項重要指標是生命周期碳減排量。總之，建筑碳排放量與氣候、科技、文化、經濟等多種因素均相關。土木工程行業碳排放現狀三3.2國內土木工程領域碳排放研究現狀

國內部分學者提出了我國低碳建筑管理模式的基本內容，從生命周期的角度對建筑碳排放測評方法進行研究，構建了完整的低碳建筑物碳排放測算指南。部分學者將建筑全生命周期劃分為建材物化、建造、建筑運營、建筑維護、建筑破除處理5階段。同時也有學者為了方便核算，將運營及維護合為1個階段。隨后基于上述劃分的生命周期階段，對每個階段統計匯總材料消耗和施工機械使用的投入使用清單，從而對建筑生命周期全過程進行碳排放系統量化。土木工程行業碳排放現狀三3.2國內土木工程領域碳排放研究現狀部分學者提出：（1）合理控制建筑使用期間的碳排放量是建筑物節能減排的最有效方式。（2）建筑碳排放與大數據技術相結合可以分析采用不同節能減排措施后的減排效果。（3）建筑結構形式對于碳排放量具有較大影響，在滿足同樣使用功能的前提下，應盡可能選擇碳排放量較小的結構形式。地下工程行業碳排放現狀4地下工程行業碳排放現狀四4.1國外地下工程領域碳排放研究現狀

目前針對地下工程碳排放的研究主要圍繞二氧化碳排放源、計算邊界劃分、碳排放量化結果分析以及節能減排技術研究等內容展開。英國日本研究結果表明在所有交通方式中，地鐵出行的碳排放強度最低，且發現使用階段能耗最大，該階段消耗了占總量約98%的電力，其次是材料采掘階段。（1）地鐵領域

地下工程行業碳排放現狀四4.1國外地下工程領域碳排放研究現狀

國外學者將隧道全生命周期分為建設、維護和使用3個階段進行碳排放研究。

研究認為建設階段碳排放主要來源于混凝土、瀝青和爆炸物和材料運輸，而使用階段則主要來源于用電力消耗。

（2）隧道領域地下工程行業碳排放現狀四4.1國外地下工程領域碳排放研究現狀有些學者通過實測發現隧道內溫室氣體排放濃度與通行車輛的數量和速度有很大關系。部分學者得出結論：對于中、低強度巖體的隧道，隧道的支撐和襯砌混凝土的制造對二氧化碳排放提供了最多的貢獻，平均約占總排放量的80%。地下工程行業碳排放現狀四4.2國內地下工程領域碳排放研究現狀

在地鐵領域，國內部分學者將生命周期劃分為建材生產、建材運輸、現場施工、運營和維護5個階段。針對地鐵隧道建設過程中碳排放計算，有學者計量了各分部分項工程以及建材生產階段和施工階段的碳排放，指出建材生產階段產生的碳排放量占施工土建碳排放總量的70%~80%。（1）地鐵領域

地下工程行業碳排放現狀四4.2國內地下工程領域碳排放研究現狀

國內部分學者借鑒建筑全生命周期碳排放計算模型給出了單個隧道工程及其上游產品的碳排放路徑和直接排放源，分為消耗施工材料、施工機械消耗電力、施工機械消耗燃料和運輸工具消耗燃料所產生的碳排放4部分，并且提出了計量隧道物化階段排放溫室氣體的方法。（2）隧道領域

地下工程行業碳排放現狀四4.2國內地下工程領域碳排放研究現狀

結合案例發現能耗貢獻階段由大到小為材料生產階段、運營階段和建設階段。在建設階段，隧道工程的單位能耗最高，在運營階段，隧道通風和照明用電占該階段用電總量的85%。同時現有研究結果也發現不同圍巖級別隧道的排放水平差異巨大。地下工程行業碳排放現狀四4.2國內地下工程領域碳排放研究現狀

通過對比不同圍巖條件的相同施工工序，發現隨著圍巖等級上升，隧道施工產生的溫室氣體排放的增加速度非常驚人，案例研究表明：V級圍巖和IV級圍巖的隧道施工排放相當于III級圍巖的283%與188%。而在同一圍巖等級下較差圍巖質量的隧道施工產生的溫室氣體排放增量依然非常可觀。

國內外相關行業碳排放標準及規范5國內外相關行業碳排放標準及規范五5.1國外相關行業碳排放標準及規范英國：（1）從2003年到2019年，英國陸續頒布了《我們能源的未來：創建低碳經濟》白皮書等一系列法律法規。（2）加強制度約