地下工程低碳理論與應用 課件 -第1章 緒論

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6章地下工程施工期低碳節(jié)能技術(shù)本章內(nèi)容提要本章教學目標：掌握不同施工方法低碳節(jié)能效果計算方法掌握不同施工方法碳排放差異比較方法掌握風倉式通風技術(shù)要點

掌握能風機最佳布設方案掌握復雜地下工程通風網(wǎng)絡解算不同施工方法低碳節(jié)能效果對比1復雜地下工程施工網(wǎng)絡通風計算模型多區(qū)域混合式施工通風技術(shù)本章內(nèi)容提要23隧道施工減排建議4不同施工方法低碳節(jié)能效果對比1不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1不同施工方法低碳節(jié)能效果對比地鐵碳排放研究方向各類建筑材料能源的碳排放差異各施工分部工程碳排放量的組成不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一隧道常用施工工法盾構(gòu)法鉆爆法明挖法不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.1碳排放計算方法排放系數(shù)法通過統(tǒng)計匯總地鐵隧道施工建設期內(nèi)建材和能源的工程使用量清單，將各類建材和能源消耗量分別乘上對應的碳排放因子并由下至上累加求和，得到隧道施工碳排放的總體水平。不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.2碳排放計算公式地鐵隧道施工建設期間產(chǎn)生碳排放量是建筑材料生產(chǎn)、建材運輸和現(xiàn)場施工三個階段碳排放量的總和。不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.2碳排放計算公式（1）建材生產(chǎn)階段碳排放量建材生產(chǎn)階段碳排放量：材料采集獲取、原材料運輸和建筑材料的生產(chǎn)加工等過程中產(chǎn)生的碳排放建材的生產(chǎn)加工過程中，能源消耗和化學反應釋放的二氧化碳貢獻了該階段的主要碳排放。不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.2碳排放計算公式（1）建材生產(chǎn)階段碳排放量不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.2碳排放計算公式（2）建材運輸階段碳排放量建材的運輸過程主要考慮將混凝土等建材從生產(chǎn)加工地運送至隧道施工現(xiàn)場的環(huán)節(jié)。常用運輸方式：公路運輸、鐵路運輸和水路運輸不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.2碳排放計算公式（2）建材運輸階段碳排放量不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.2碳排放計算公式（3）現(xiàn)場施工階段碳排放量地鐵隧道的施工開挖將使用諸如盾構(gòu)機、推土機和起重機等大量機械，并且這些機械主要以柴油、汽油和電力為驅(qū)動能源，在其施工作業(yè)過程中消耗燃料能源將對外界環(huán)境直接排放CO2eq。不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.2碳排放計算公式（3）現(xiàn)場施工階段碳排放量不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析案例分析——工程概況工程段落案例編號盾構(gòu)法施工鉆爆法施工深圳地鐵7號線西麗湖站-西麗站區(qū)間案例13.480km——深云站-安托山站區(qū)間案例2——6.200km石廈站-皇崗村站區(qū)間案例31.642km——福民站-皇崗口岸站區(qū)間案例41.344km——皇崗口岸站-福鄰區(qū)間案例51.784km——赤尾站-華強南站區(qū)間案例61.164km——華強南站-華強北站區(qū)間案例70.704km——黃木崗-八卦嶺區(qū)間案例81.782km——八卦嶺站-紅嶺北站區(qū)間案例91.614km——田貝站-太安區(qū)間案例10——1.290km深云站-安托山站車輛段出入線案例11——6.152km安托山站停車場出入線案例12——4.360km合計31.516km13.514km18.002km不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析案例分析——工程概況運輸碳排放在隧道整體施工碳排放量中的占比均在10%以內(nèi)，主要貢獻者是建材生產(chǎn)碳排放和施工能源碳排放。因此對材料運輸做一定工程假設：假定工程案例中，隧道施工所需的建材統(tǒng)一采用載重10t的重型柴油貨車運輸，平均運距取30km。不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析案例分析——隧道施工碳排放強度計算分析（1）盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)隧道主要建材和能源工程量清單（教材表6-2）地鐵隧道施工建設期間產(chǎn)生碳排放量建材生產(chǎn)階段碳排放量建材運輸階段碳排放量現(xiàn)場施工階段碳排放量不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析項目案例1案例3案例4案例5案例6案例7案例8案例9平均值區(qū)間里程（km）3.481.6421.3441.7841.1640.7041.7821.6141.689碳排放總量（t）28502.47356.714879.914931.28861.58196.616352.310442.613690.4碳排放強度（t/km）8190.34480.311071.48369.57613.011642.99176.46470.08104.4建材生產(chǎn)碳排放量（t）23797.95237.912067.212987.38076.96088.314339.38569.711395.6占比（%）83.571.281.186.991.174.388.982.182.4建材運輸碳排放量（t）353.3796.5837.3843.8101.745.4379.7110.2433.5占比（%）1.210.85.65.71.20.51.01.03.4現(xiàn)場施工碳排放量（t）4351.31322.21975.41100.1682.92062.91633.31762.61861.4占比（%）15.318.013.37.47.725.210.016.914.2案例分析——隧道施工碳排放強度計算分析（1）盾構(gòu)法施工隧道建材生產(chǎn)階段對隧道施工總體碳排放的貢獻最大不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析案例分析——隧道施工碳排放強度計算分析（1）盾構(gòu)法施工隧道建材生產(chǎn)階段對隧道施工總體碳排放的貢獻最大。建材生產(chǎn)階段釋放的CO2eq是隧道施工期造成環(huán)境影響的最主要原因。其次是現(xiàn)場施工階段的碳排放。建材運輸碳排放的占比最小。建材生產(chǎn)階段＞現(xiàn)場施工階段＞建材運輸階段不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析案例分析——隧道施工碳排放強度計算分析（1）盾構(gòu)法施工隧道盾構(gòu)法施工案例隧道單位里程碳排放強度不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析案例分析——隧道施工碳排放強度計算分析（2）鉆爆法施工隧道項目案例2案例10案例11案例12平均值區(qū)間里程（km）6.2001.2906.1524.3601.853碳排放總量（t）65468.956493.980067.270246.568069.1碳排放強度（t/km）10559.543793.713014.816111.615124.8建材生產(chǎn)碳排放量（t）52290.551620.965576.557468.656739.1占比（%）79.991.481.981.883.8建材運輸碳排放量（t）1004.5422.31300.41132.8965.0占比（%）1.50.71.61.61.3現(xiàn)場施工碳排放量（t）12174.34450.713190.311645.110365.1占比（%）18.67.916.516.614.9建材生產(chǎn)階段對隧道施工總體碳排放的貢獻最大不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析案例分析——隧道施工碳排放強度計算分析（2）鉆爆法施工隧道爆法施工案例隧道單位里程碳排放強度不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析案例分析——隧道施工碳排放強度計算分析（3）兩種工法的碳排放強度對比分析單位里程產(chǎn)生的碳排放量：盾構(gòu)法＜鉆爆法原因：盾構(gòu)機械可對隧道區(qū)間提供一種臨時性的支撐穩(wěn)定效果，人工、建材使用量減少預制盾構(gòu)管片相較于現(xiàn)澆混凝土對于混凝土、水泥漿的能耗量和碳排放量都更少不同施工方法低碳節(jié)能效果對比一6.1.3不同施工工法碳排放差異分析案例分析——敏感性分析分析要點：明確兩類工法施工碳排放的主要貢獻源調(diào)整各類主要材料、能源的相關(guān)參數(shù)，分析這個改變對于隧道施工總體碳排放量帶來的變化結(jié)果最終形成高能耗、高排放隧道建設項目的控碳、減排建議多區(qū)域混合式施工通風技術(shù)2多區(qū)域混合式施工通風技術(shù)二風倉式通風：在施工現(xiàn)場布設一密閉倉體，倉體以月牙形和長方體形為主，月牙形風倉可以更好地與隧道頂部貼合，長方體形風倉則更容易進行加工制作。采用風倉式通風方法，可將風倉布設于隧道分岔處，僅設置一個或兩個風倉進風口，便有效減少了送風風管數(shù)量。同時風管不會出現(xiàn)大角度彎折的情況。6.2.1風倉式通風技術(shù)多區(qū)域混合式施工通風技術(shù)二本案例為一地下儲油洞室工程，主要內(nèi)容包含：5條儲油洞室、5條水幕巷道、1條施工巷道、3條連接巷道、1座通風豎井、2座進出油豎井、2個泵坑、2條通風連接巷道、6個密封塞以及其他相關(guān)配套工作。6.2.2工程案例多區(qū)域混合式施工通風技術(shù)二本工程施工階段：2#施工巷道對上部連接巷道和儲油洞室上層進行施工對中部連接巷道、下部連接巷道、儲油洞室中層和儲油洞室下層進行施工作業(yè)6.2.2工程案例多區(qū)域混合式施工通風技術(shù)二風管壓入式通風方式：管路進風口設在洞外，出風口設在掌子面附近，在風機的作用下，新鮮空氣從洞外經(jīng)管路送到掌子面，稀釋污染物，污濁空氣則由隧洞排至洞外。在本案例工程中，風管壓入式通風方式的具體布置方法為：在2#施工巷道洞口外布設軸流風機，風機連接風管并延伸至各個施工掌子面附近。6.2.3通風方式多區(qū)域混合式施工通風技術(shù)二風管壓入式通風方式：管路進風口設在洞外，出風口設在掌子面附近，在風機的作用下，新鮮空氣從洞外經(jīng)管路送到掌子面，稀釋污染物，污濁空氣則由隧洞排至洞外。6.2.3通風方式在本案例工程中，風管壓入式通風方式的具體布置方法為：在2#施工巷道洞口外布設軸流風機，風機連接風管并延伸至各個施工掌子面附近。缺點：隧洞內(nèi)會存在大量風管風管之間還需要上下穿插，壓縮施工空間管道彎折，增加風機負擔多區(qū)域混合式施工通風技術(shù)二風倉式通風的布置方法：在2#施工巷道外布置軸流風機，用于將新鮮空氣運送至各個施工掌子面。在2#施工巷道內(nèi)，使用隔板風道代替?zhèn)鹘y(tǒng)的風管風道。6.2.3通風方式在上層連接巷道內(nèi)布設一個大型風倉在施工上較為困難，考慮布設五個小型風倉，風倉之間通過風管連接，風倉內(nèi)部布設變頻軸流風機，風倉外連接風管并延伸至施工掌子面處。多區(qū)域混合式施工通風技術(shù)二采用風倉式通風方法后，隧洞內(nèi)的風管數(shù)量大幅度降低，而且風管不再存在大角度彎折的情況，這意味著通風系統(tǒng)的阻力更小。6.2.3通風方式多區(qū)域混合式施工通風技術(shù)二在實際工程中，風倉的具體參數(shù)會對通風效率產(chǎn)生極大的影響。軸流風機的軸功率和電機功率計算公式：6.2.3通風方式多區(qū)域混合式施工通風技術(shù)二風機環(huán)境壓力會影響軸流風機的功率。風機的環(huán)境大氣壓越大，則軸流風機效率越高。對于風倉而言，風倉的形狀、長度、寬度、高度、風倉內(nèi)隔板的布設方式和長度、風倉內(nèi)風機的距離等因素均會影響風倉內(nèi)環(huán)境壓力。6.2.3通風方式復雜地下工程施工網(wǎng)絡通風計算模型3復雜地下工程施工網(wǎng)絡通風計算模型三6.3復雜地下工程施工網(wǎng)絡通風計算模型常用計算模型：回路風量法節(jié)點風壓法復雜地下工程施工網(wǎng)絡通風計算模型三6.3.1通風網(wǎng)絡基本定律及簡單風網(wǎng)介紹計算基礎（三大定律）：風量平衡定律回路風壓平衡定律通風阻力定律復雜地下工程施工網(wǎng)絡通風計算模型三6.3.1通風網(wǎng)絡基本定律及簡單風網(wǎng)介紹（1）風量平衡定律在通風網(wǎng)絡中，流入某節(jié)點的風量必然等于流出某節(jié)點的風量，即是通風網(wǎng)絡中流入與流出任一節(jié)點的風量代數(shù)和為零。（2）風壓平衡定律在通風網(wǎng)絡中任一網(wǎng)孔中各分支風道通風阻力代數(shù)和為零。當網(wǎng)孔中不存在自然風壓、交通風、風機等作用時：當網(wǎng)孔中存在風機、自然風壓以及交通風壓時：復雜地下工程施工網(wǎng)絡通風計算模型三6.3.1通風網(wǎng)絡基本定律及簡單風網(wǎng)介紹（3）通風阻力定律在通風網(wǎng)絡中各分支風道的阻力與風量的平方成正比。復雜的通風網(wǎng)絡系統(tǒng)中兩種基礎風網(wǎng)：串聯(lián)風網(wǎng)和并聯(lián)風網(wǎng)，其遵循風網(wǎng)流動的基本規(guī)律，具有以下特點：（1）串聯(lián)風網(wǎng)風量分布特點。在串聯(lián)風網(wǎng)中，通過各分支風道的風量相等。（2）串聯(lián)風網(wǎng)風壓分布特點。在串聯(lián)風網(wǎng)中，通過各分支風道的風壓之和等于串聯(lián)風網(wǎng)的總風壓。復雜地下工程施工網(wǎng)絡通風計算模型三6.3.1通風網(wǎng)絡基本定律及簡單風網(wǎng)介紹（3）串聯(lián)風網(wǎng)風阻分布特點。在串聯(lián)風網(wǎng)中，各分支風道的風阻之和等于串聯(lián)風網(wǎng)的總風阻。（4）并聯(lián)風網(wǎng)風量分布特點。（5）并聯(lián)風網(wǎng)風壓分布特點。（6）并聯(lián)風網(wǎng)風阻分布特點。復雜地下工程施工網(wǎng)絡通風計算模型三6.3.2復雜地下工程通風網(wǎng)絡建立對于存在多洞室的復雜地下結(jié)構(gòu)的通風系統(tǒng)，可將其整體抽象為一個復雜的通風網(wǎng)絡。對于任一復雜通風網(wǎng)絡，不妨設其存在條分支和個節(jié)點，基于通風網(wǎng)絡三大平衡定律可建立如下方程組。復雜地下工程施工網(wǎng)絡通風計算模型三6.3.3復雜地下工程通風網(wǎng)絡解算進行泰勒級數(shù)展開：采用矩陣表示：復雜地下工程施工網(wǎng)絡通風計算模型三6.3.3復雜地下工程通風網(wǎng)絡解算此時即為牛頓法，也即是通過矩陣J和矩陣H來確定余支增量，再確定出余支風量，再由QLC來確定出其他分支的風量。在這種情況下即為采用一階導來逼近牛頓法的迭代法，也稱作擬牛頓法。在此情況下需要求一階導數(shù)的逆矩陣。復雜地下工程施工網(wǎng)絡通風計算模型三6.3.3復雜地下工程通風網(wǎng)絡解算此時即為斯考得——恒斯雷法。該方法先將J矩陣變形為J0矩陣，之后再完成迭代。以上方法中C表示回路矩陣，Q=(QL,QT)，其中QL表示余支風量，QT表示樹枝風量。當令此時有：隧道施工減排建議4隧道施工減