摘要：地鐵大規模建設和運營消耗了大量資源能源，并已逐漸成為城市交通環境影響的主要貢獻源。本研究基于生命周期評價(LifeCycleAssessment，LCA)方法，以深圳市為研究區域，定量分析了地鐵建設過程的資源與能源消耗強度，并選取全球變暖潛能值(GlobalWarmingPotential，GWP)為度量指標，構建了地鐵建設碳排放分析框架及測算方法，并基于情景分析法預估了減排潛力。研究結果表明：截至2020年底，深圳已開通運營的地鐵線站建設造成的碳排放量累積達到約2730萬噸CO2e，其中地鐵車站建設碳排放量占比約72%，地鐵隧道建設碳排放量占比約28%。建設階段單位里程盾構隧道碳排放強度約為1.3萬噸CO2e/km，單位面積車站碳排放強度約為371噸CO2e/100m2。通過推廣綠色建造技術如采用再生混凝土和再生鋼材，地鐵建設階段最高碳減排率可達8.5%/年，2021—2035累積節碳可達508萬噸CO2e，一定程度上能緩解地鐵建設的碳排放壓力。

　　關鍵詞：生命周期評價;地鐵建設;深圳市;碳排放;減排

　　0引言

　　隨著中國城鎮化進程加快，城市人口密度愈發密集，為平衡城市交通供給與需求發展，持續深入的交通規劃建設活動引發了大量資源能源消耗及環境問題。交通系統在城市發展中兼具經濟和服務功能雙重屬性，是城市發展的重要象征[。近年來，交通基礎設施如公路、機場、鐵路、港口、快速公交、地鐵等得到快速發展[，以滿足各種出行和物流運輸需求，如“十三五”期間(2015—2020年)共新增地鐵里程3623km，年均新增里程725km[。深圳市是粵港澳大灣區建設的核心引擎，積極推進軌道交通網絡建設，其地鐵開通里程從2004年的20.9km增加到2020年的411.8km，截至2020年底，共有11條線路和243個車站建成并投入使用[。

　　盡管地鐵系統被視為高效的城市公共交通運輸方式，但隨著地鐵建設活動的不斷推進，大量建筑材料和能源被消耗，伴隨著相應的環境負擔[。深圳市作為全國低碳示范城市之一，持續提升資源能源利用效率和推動實施低碳減排舉措將是今后城市綠色低碳建設的重要議題。城市建設進程中，交通部門的環境影響研究是學術界的重點關注領域之一，國內外學者從不同角度對地鐵系統的碳排放特征進行了研究與評價。

　　基于全球視角，Mao等[識別與分析了全球219個城市地鐵材料儲量發展的時空特征及其碳排放特征。國家層面，Guan等[對我國5個不同城市的341個地鐵站的能源耗用數據進行統計分析，并進一步分析了不同能耗影響因素的貢獻程度。就城市層面而言，Li等[評估了上海地鐵造成的相關碳排放，發現地鐵運行階段是主要的碳排放階段，其次是材料生產，材料運輸、地鐵施工及維護階段的環境影響均較小;PeroF等[對羅馬市區重型地鐵從材料獲取到壽命結束的能源消耗和廢氣排放進行了估算、評價;另有研究預測了福州市地鐵規劃線路建設的溫室氣體排放，并通過計算地鐵車站的溫室氣體排放投資回收期評估站點碳效率[10。

　　就地鐵線路而言，Saxe等[11量化了多倫多地鐵Sheppard線溫室氣體排放，樂觀情景下該地鐵線路運營9年后基本能夠實現地鐵初期建設的溫室氣體投資回報。此外，部分學者計算和比較了單個地鐵項目中地鐵盾構區間物化階段各子過程的碳排放[12，分析了地鐵車站各部位工程建設溫室氣體排放的影響因素[13，并借助數字孿生方法來識別地鐵站可能出現的風險[14。針對地鐵交通開展了較為廣泛的研究，研究尺度從單個地鐵工程施工段跨越至全國以及全球地鐵系統，研究內容從資源流儲、能源使用研究到借助專業理論與方法開展環境影響評價等研究。

　　進一步，部分學者對地鐵系統的碳減排潛力進行挖掘與量化評價，但目前的研究主要側重于地鐵運營階段的節能減排。針對地鐵建設階段的碳減排研究相對較少且研究深度不足。從不同減排角度出發探討地鐵建設碳減排，Liu等[19通過優化地鐵車站預制結構、降低損耗率以及使用清潔能源等，減緩車站建設溫室氣體排放;皮膺海[20基于案例定量分析了采用新型施工技術實現的減排效益;郜新軍[21定性討論了實現地鐵建設碳減量化所能采取的措施。

　　綜上所述，為實現城市軌道交通系統的綠色低碳發展，明晰地鐵建設資源能源消耗及環境排放是重要的先導研究，深挖地鐵建設的減排降碳潛力則是關鍵靶向所在。因此，基于領域相關研究，本研究以LCA為理論指導，結合具體的地鐵工程建設實例，對地鐵建設(包括隧道和車站建設)過程中的碳排放進行計算和評價。此外，研究基于情景分析法，通過實施適當的減排路徑，評估深圳地鐵建設的減排降碳潛力。

　　1研究方法

　　1.1生命周期評價

　　生命周期評價(LCA)是一種識別與評價產品(包括服務或活動)從原材料開采到最終處置全過程的環境因素和潛在環境影響的方法[22,23。

　　全生命周期方法是開展環境評價研究的主流方法之一，能夠聚焦于生命周期過程資源能源消耗帶來的環境影響，通過目標與范圍定義、生命周期清單分析、生命周期影響評價及生命周期解釋四個實施步驟開展評價與應用研究[24。本研究將LCA理論方法應用于深圳市地鐵建設領域，以定量化結果替代主觀片面的定性分析，通過分析深圳地鐵建設階段的清單數據，對建設過程資源和能源消耗強度及隱含的碳排放量有更全面和客觀的認知，可為后續探索地鐵建設減排潛力提供基礎研究數據。

　　1.2評價指標選取

　　環境影響評價類型及指標與已確定的研究目的具有高度的相關性，本研究考慮選取GWP(以CO2e形式表示)作為唯一環境影響評價指標。原因在于，首先，GWP指標能夠在全球范圍內無偏差適用，相比于其他指標，GWP指標在我國有更廣泛的應用研究;其次，GWP與氣候變化密切相關，是現階段全社會關注的熱點及突出的環境問題;最后，GWP是基于IPCC(2013)第五次評估報告[25被評估的，是用于應對短期氣候變化問題所推薦的指標(100年特征化因子，GWP100)。

　　城市地鐵建設與使用會帶來大量的資源占用與能源消耗，是城市交通領域碳排放的主要貢獻源，合理量化與科學評價地鐵建設碳排放具有重要意義。需要注意的是，本研究所選取的GWP影響類別僅代表了潛在影響，即可能造成的環境影響近似值，由于清單分析僅考慮功能單位所對應的環境負荷部分，所以最終得出的評價結果為相對影響的數值表現。

　　2研究范圍與內容

　　2.1研究范圍

　　地鐵建設主要包括隧道與車站建設兩部分，本研究擬對深圳地鐵盾構隧道和地下車站建設階段的碳排放進行量化分析，具體而言，包括建設階段的建材生產、建材運輸及施工機械能耗等3個子過程。地鐵系統主要分布在地下空間，針對地下地鐵系統建設的研究更具典型意義。鑒于高架段和地上車站生命周期清單數據的可獲得性及完整性，加之地下車站及隧道是深圳地鐵系統的主要組成，本研究僅考慮深圳地鐵地下盾構隧道和地下車站建造的環境影響評價。

　　2.2清單分析

　　2.2.1數據來源與類型

　　數據類型包含了盾構隧道和地下車站的結算工程量清單、建材運輸的距離、施工機械的臺班消耗量和能源消耗量，以及碳排放因子。其中，碳排放因子可劃分為三類，既建材生產、建材運輸及能源消耗，另鑒于排放因子的可獲得性與實時性，其來源優先考慮《建筑碳排放計算標準》(GBT51366-2019)[26，其次是文獻研究(2009—2015)和GaBi軟件數據庫(2019—2021)。

　　2.2.2資源能源消耗強度

　　1)建材生產階段根據深圳地鐵某線路某盾構區間及地下車站的結算工程量清單，分別整理出盾構隧道單位建設里程(按1km計)和地下車站單位建筑面積(按100m2計)的主要建材消耗量。通過匯總整理工程量清單可知，混凝土、水泥、防水材料及各類鋼材等是深圳地鐵建設過程消耗量較大的主要幾類建材，另外，地鐵區間段隧道建設還需要消耗大量混凝土制的隧道管片。

　　2.3碳排放核算模型

　　1)建材生產階段建材生產階段碳排放范圍指經過原材料開采到形成最終產品的全過程。我國建筑材料伴隨的碳排放在建筑全生命周期碳排放中占到9%～12%[32,33，是主要的碳排放來源之一。

　　2)建材運輸階段建材運輸階段碳排放屬于移動源式排放，與運輸距離、運輸方式等密切相關，具有較大的不確定性和復雜性。本研究假定建材運輸到現場時都為滿載，且不考慮運輸工具返程的環境影響。

　　3)建造施工階段施工建設過程是聯合人工和機械施工形成地鐵實體的重要階段。施工建設階段碳排放包含能源使用過程的直接排放和上游生產過程的間接排放兩部分。

　　3結果與討論

　　3.1盾構隧道碳排放核算

　　3.1.1盾構隧道建材生產階段

　　依托單位建設里程建材消耗量及碳排放因子數據，計算得到單位里程盾構隧道建材生產階段的碳排放。經計算，單位里程盾構隧道建材生產階段的碳排放強度為9971.8tCO2e/km，其中來自隧道管片的碳排放較大(占比約60%)，其次為水泥及混凝土(占比約35%)，鋼材及其他類建材生產產生的碳排放量較小。鑒于管片、水泥及混凝土材料的高碳排特征，應重點關注這些材料所采用的生產工藝及原材料等，積極采取低碳改進措施，以實現建材的上游生產減排目的。

　　3.1.2盾構隧道建材運輸階段

　　將各類建材運輸量、運輸距離乘上相應運輸方式的碳排放因子，計算得到單位里程盾構隧道建材運輸階段的碳排放強度，總計達229.1tCO2e/km。其中，隧道管片的運輸碳排放量最大，占建材總運輸排放的一半，其次是混凝土及各類砂漿和水泥的運輸(約48%)，其他鋼材、管片螺栓及防水材料運輸碳排放量較小。基于減排的角度，應特別注意隧道管片、砼及砂漿、水泥材料的運輸工作，可通過采用清潔的運輸工具及方式，選擇合適的建材供應商盡可能減緩長途運輸來實現運輸過程的碳減排。

　　3.1.3盾構隧道施工建造階段

　　根據施工建造階段的碳排放核算模型，借助施工機械的能源消耗量與碳排放因子數據計算得到單位里程盾構隧道建設的碳排放強度，為3046.2tCO2e/km。盾構機、水平運輸機械和通風機械是隧道盾構施工所用到的主要機械設備，所造成碳排放量占隧道施工總排放的75%以上。其次為一些配套的輔助施工設備，如泵類機械和起重機械的使用，其他機械設備造成的碳排放占比較小(不足8%)。因此，可就主要及輔助機械設備的臺班安排和能源消耗的角度，通過施工管理優化落實碳減排。

　　3.2地下車站碳排放核算

　　3.2.1地下車站建材生產階段

　　與隧道建設相比，車站建設在建筑材料使用及建造施工方式等方面都有所差異。基于所獲取的建材清單及碳排放系數數據，計算獲得單位面積地下車站建材生產階段的碳排放強度，為300.5tCO2e/100m2。鋼筋是主要的碳排放源，占比為40.8%，其次是各種強度混凝土以及大型鋼材。其他排放較小的建材中，水泥生產的碳排放占比較大。同理，鋼材類與水泥、混凝土類建材的使用是地鐵車站建設建材生產階段的減排重點。

　　3.3地鐵建設階段碳排放分析

　　總體而言，地鐵建設碳排放主要包括隧道建設碳排放及車站建設碳排放，具體來源于建筑材料生產與運輸以及建造施工階段。根據上述計算結果，單位里程盾構隧道建設階段的碳排放強度為13245.4tCO2e/km，主要來源于建材生產階段(約占75%)，其次為施工建造階段(占23%)，相比之下，建材運輸階段造成的碳排放較小。

　　單位面積地下車站建設階段碳排放強度為371.2tCO2e/100m2，建材生產階段的碳排放占比較大，占比超過80%，而施工建造碳排放占比約17%，建材運輸階段的碳排放最小(不足2%)。由此，地鐵建設過程中，建材(生產)是主要碳排放來源，其次為建造過程施工機械使用帶來的相應碳排放，建材運輸階段的環境排放雖較小但仍不可忽視。

　　4深圳地鐵建設減排潛力分析

　　4.1地鐵建設減排情景假設

　　前述研究有助于明確地鐵建設的減排關鍵，以探索有效的減排路徑。根據深圳市軌道交通線網規劃(2016—2035)[34和深圳市城市軌道交通第四期建設規劃及其調整方案(2017—2022)[35,36，整理了近期、中遠期及遠期深圳地鐵規劃及地下隧道及車站建設概況。依據規劃，截至2025年，深圳將開通運營近650km的地鐵線路，車站總個數超過360個，截至2035年，地鐵運營總里程將達到約1200km，車站總個數超過700個，其建成量將是2020年的3倍左右。由此可見，未來深圳地鐵建設體量大，若不采取減排措施，地鐵建設的碳排放量將持續上升。

　　深圳地鐵建設的建材生產是碳減排關鍵環節，其中混凝土及鋼材在隧道及車站建設中均屬于高消耗建材。結合有關再生建材使用研究的相關文獻，本研究擬采用情景分析法，對未來深圳地鐵地下隧道及車站建設使用再生混凝土和再生鋼材的碳排放水平及減排潛能進行評估預測。以2020年為參考年，增設3種發展情景，分別是基準情景、保守情景和樂觀情景(見表11)。情景指標的選取與設置主要參考《廣東省“十三五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》[37。

　　5結論與展望

　　1)深圳地鐵盾構隧道的碳排放強度為1.3萬噸CO2e/km，建材生產階段、建材運輸階段及施工建造階段占比分別為75.3%、1.7%和23.0%;地下車站的建設碳排放強度為371.2tCO2e/100m2，建材生產、運輸及施工建造階段分別占81.0%、1.8%及17.2%。建材生產階段是主要的碳排放來源，亦是主要的碳減排控制環節。

　　2)減排潛力分析結果顯示，至2035年，基準情景下深圳地鐵建設的累積碳排放量達到60.0MtCO2e，情景I(保守型)和情景II(樂觀型)分別為57.5MtCO2e和55.0MtCO2e，相比基準情景，碳減排量分別為2.5MtCO2e和5.1MtCO2e，碳減排率分別達到4.2%和8.5%。情景分析中，再生建材(再生混凝土和再生鋼材)使用可有效緩解深圳地鐵建設碳排放的增長，且使用率越高可實現的碳減排效果越明顯。

　　3)結合地鐵建設碳排放及減排研究結果，現提出以下建議：明晰地鐵建設碳排放強度是實施碳減排的重要基礎工作，可以通過制定并落實地鐵建設相關的碳核算及減排政策、標準以減緩建設階段的碳排放，其中建筑材料應為重點且優先減排要點，推廣使用再生建材等綠色低碳材料，并注意減少建材的損耗與提高其使用效率;施工階段可側重施工機械的優化使用;運輸階段注意清潔運輸工具的使用與縮短運輸距離。

　　參考文獻

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　　[2]中國城市軌道協會.城市軌道交通2020年度統計和分析報告[EB/OL.

　　[3]毛睿昌.基于LCA的城市交通基礎設施環境影響分析研究[D.深圳大學,2017.[MaoRC,BaoY,DuanHB,etal.Globalurbansubwaydevelopment,constructionmaterialstocks,andembodiedcarbonemissions[J.HumanitiesandSocialSciencesCommunications,2021,8(1).

　　作者：粟月歡1張宇1段華波1,2*李強峰1