敞开式单护盾隧道掘进机隧道施工的生命周期评价：综合参数化探索框架

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Life Cycle Assessment of open single-shield Tunnel Boring Machine Tunnelling: An Integrated Parametric Exploration Framework

　　

摘要
基于525座采用盾构机（TBM）施工的隧道数据库，开发了一种用于TBM隧道施工的大规模参数化生命周期评价（LCA）方法。该框架旨在作为一种早期阶段的环境决策支持工具。系统边界涵盖TBM全生命周期，从制造到报废（EoL），包括运营阶段。整合了两个现有的参数化模型，均依赖于TBM控制参数和岩土条件：一个用于估算开挖电力消耗，另一个用于评估刀盘磨损。采用Sobol'序列对参数进行抽样，基于525个TBM特定的试验设计，每个设计包含41,984次运行，生成约2200万个隧道施工配置，确保对参数空间进行准均匀覆盖。Sobol'敏感性分析量化了每个参数对环境指标方差的贡献。关于气候变化，结果显示环境影响范围为每线米隧道2.8至29.7吨CO2当量。采用Sobol'指标的全局敏感性分析（GSA）确定了12至16个参数，解释了四个影响最大的归一化指标（化石资源耗竭潜力ADP化石、淡水富营养化潜力FEP、全球变暖潜力GWP、金属和矿产资源耗竭潜力ADP金属/矿物）中84%至96%的方差。最具影响力的参数分为四类：建筑材料相关参数（管片水泥含量和双组分注浆材料、管片配筋率）；TBM制造回收相关参数（贵重部件和金属结构的再利用率）；TBM控制参数（贯入速率和利用率）；以及磨蚀性相关地质参数（刀具寿命指数和石英含量）。结果还表明，TBM制造——在TBM隧道LCA中常被忽视——是环境影响的重要贡献因素。

引言
隧道通过减少城市表面的交通拥堵、噪声和空气污染，提供多种功能性效益。在山区，隧道还有助于降低坡度从而减少能源需求。它们还促进了交通方式转换，提高了整体交通网络的效率、连通性和可靠性。因此，隧道在大型基础设施项目（如里昂-都灵高速铁路TELT和巴黎大都会线GPE）中发挥着日益重要的作用，突显了进行严格可持续性评估的必要性。

近年来，已开发了各种方法来评估地下结构的可持续性（Namin等，2014；Phillips，2016；Zhang等，2021）。这些研究一致表明，隧道施工会带来显著的环境负担，特别是由于颗粒物排放、土地利用变化和废物管理。环境方面因此成为地下基础设施可持续性讨论的核心。

在现有工具中，碳足迹方法近年来得到了广泛使用。然而，生命周期评价（LCA）作为一种更为稳健和全面的多准则方法，用于评估环境影响。通过量化整个生命周期——从原材料开采到报废阶段——的环境影响，LCA能够针对给定的功能单位对环境绩效进行定量和全面的评估（Jolliet等，2017）。

过去二十年间，碳足迹和LCA分析越来越多地应用于土木工程基础设施，包括隧道，最早的应用由D'Aloia等（2010）和Stripple与Uppenberg（2010）报道。随后的研究探讨了隧道施工的环境影响。早期研究主要关注采用传统方法开挖的隧道，特别是钻爆法（Damián和Zamorano，2022；Huang等，2015a；Huang等，2015b；Huang等，2020；Rodríguez和Pérez，2021；Miliutenko等，2012；Guo等，2019；Song等，2024；Guo等，2025）。报告的结果差异很大，从每线米隧道0.4到25吨CO2当量。这种变异性取决于三个因素：考虑的系统边界（如开挖方法、建筑材料、机械、通风、照明、废渣管理）；使用的评估框架（LCA与碳足迹）；以及所采用的背景数据库。

LCA也已应用于采用盾构机（TBM）的机械化隧道施工。文献中确定了八项相关研究（D'Aloia等，2015；Kaewunruen等，2020；Rodríguez等，2024；Chen等，2023；Chen等，2024；Chen等，2025；Shinde等，2024；Guo等，2025）。其中，只有两项采用了LCA框架（Shinde等，2024；D'Aloia等，2015）。报告的施工系统结果范围为每线米2.4至40吨CO2当量，反映了系统边界的变异性（如建筑材料、TBM开挖和辅助作业的电力消耗、废渣管理）、数据来源和方法论方法。无论范围如何，建筑材料始终是对总碳排放的主导贡献因素，约占总影响的60%–80%。比较分析表明，TBM隧道施工通常比传统方法产生更低的影响。例如，D'Aloia等（2015）报告了一个TBM隧道案例研究为8.9吨CO2当量/米——比钻爆法低24至34%——而Guo等（2025）观察到类似结果。已提出多种减缓策略，包括用矿渣替代水泥、优化管片衬砌设计（强度等级和几何形状）、纳入再生材料以及提高施工期间的能源效率。

大多数已发表的工作集中在单一案例研究上，具有特定的隧道尺寸、长度和地质条件。为了解决以往研究的案例特定局限性，最近的工作开发了简化的碳足迹模型，将排放与隧道设计和岩土参数联系起来。例如，Rodríguez等（2024）提出了一个模型，纳入直径、深度和岩体质量等级（RMR），结果从中小型深度隧道的每米2–3吨CO2当量到大型深部岩隧道的每米9–10吨CO2当量。类似地，Chen等（2024；2025）开发了一个分析框架，利用隧道设计和岩土参数（如竖向强度、剪切模量等）估算温室气体排放。其案例研究报告总排放量从直径7.28米隧道的11吨CO2当量/米到直径15.6米隧道的40吨CO2当量/米。同样，Chen等（2023）提出了一个参数化方程，用于估算成都地铁施工阶段的温室气体排放。

然而，大多数这些研究未考虑TBM制造。一个例外是Chen等（2025），虽然通过简化方法整合了TBM制造：将TBM总质量（1100吨）乘以钢铁排放因子（每千克钢铁1.85千克CO2当量），得出碳足迹为2035吨CO2当量。对于3400米隧道，这相当于每米0.6吨CO2当量，约占与施工相关排放的5%。该研究还强调了TBM再利用和回收的潜力，这可以显著降低相关碳足迹，尽管这些效益尚未量化。

总体而言，虽然LCA在隧道工程中的应用取得了显著进展，但仍存在三个主要研究空白：
1. 关注仅限于温室气体排放：大多数现有研究仅专注于碳足迹。然而，必须超越这一单一指标，采用多影响视角。还应考虑其他相关的环境影响类别，因为它们可以通过LCA进行全面评估；
2. 排除TBM制造：与TBM制造相关的环境影响通常被排除在系统边界之外或以简化方式处理。与传统隧道机械不同（可以在多个项目中分摊），TBM通常是针对单个项目定制设计、制造和运营的。其制造需要大量材料投入，且每线米隧道的相关影响在很大程度上取决于隧道总长度；
3. 对设计和环境参数高度敏感：报告的影响高度依赖于隧道几何形状、地质条件和材料组成。运营阶段与环境相关，可以显著影响总影响。

基于这三个空白，本研究开发了一个用于敞开式单护盾TBM隧道施工系统的参数化LCA框架，作为迈向早期阶段环境决策支持工具的第一步。与其针对特定隧道项目追求确定性影响，所提出的方法有两个目标：表征硬岩机械化隧道施工的环境影响范围，并确定在不同运营条件下驱动这一范围的参数。因此，该框架结合了参数化建模、数值抽样和全局敏感性分析（GSA），以探索广泛的TBM隧道施工配置。

本研究的主要贡献如下：
• 开发了一个用于敞开式单护盾TBM隧道施工的参数化生命周期清单，考虑隧道长度、TBM技术特征、运营参数和地理环境。该清单还包括TBM和建筑材料相关的运输距离；
• 评估不同影响指标的相对重要性，并确定对TBM隧道系统最为相关的指标；
• 开展全局敏感性分析（GSA），量化所定义输入参数对所选影响指标方差的影晌，并确定对结果变异性贡献最大的参数。

本研究遵循ISO 14040/44 LCA框架。论文结构如下。第2节概述方法论，包括目标和范围定义、功能单位选择以及参数化生命周期清单。第3节呈现结果，包括贡献分析和敏感性分析。第4节用决策支持场景说明该框架。第5节讨论主要发现、建模假设和未来扩展。

第2节片段：系统边界
根据NF EN ISO 14040（2006），系统边界定义为"规定哪些单元过程属于系统的标准集"。在应用于TBM隧道系统的LCA背景下，本研究的系统边界涵盖以下生命周期阶段：
• TBM制造；
• TBM从制造工厂到施工现场（CS）的运输；
• 运营阶段，包括：— 开挖和辅助作业期间的电力消耗（如……

第3节：结果
本节分为四个子节。首先，确定并选择归一化影响最高的四个指标进行详细分析。然后分析所有2200万个案例的影响分布，以评估环境影响范围。接下来，对TBM制造进行贡献分析，并确定超过该长度阈值后TBM制造应被系统性地纳入系统边界的隧道长度。

第4节：说明性决策支持场景
为得出具有代表性的决策支持场景，保留了三个参数来表征和聚类TBM项目：DCH、Ltunnel和tS。对于每个参数，采用等频离散化建立了三级分类（低、中、高）。与基于均值和标准差的分类相比，这种方法具有优势，因为它不依赖于对参数潜在分布的任何假设，并保证……

第5节：讨论
开发了一种用于TBM开挖的参数化方法，围绕47个参数（34个变异性参数和13个不确定性参数）构建。对Herrenknecht数据库中所有TBM应用数值试验设计，使得环境影响能够在超过2200万个配置中进行评估。在EF v3.1指标中，ADP化石、FEP、GWP和ADP金属/矿物表现出每线米最高的归一化影响值，证明了选择这些指标的合理性。

第6节：总结与结论
建立了用于TBM隧道施工的参数化LCA模型。共定义了47个参数：13个不确定性参数和34个变异性参数。在后者中，有8个被固定为直接从Herrenknecht数据库中提取的值，因为它们对应于物理耦合的设计特征（尺寸、质量、管片厚度等）。基于Sobol'序列的数值试验设计应用于剩余39个参数，以确保对CRediT作者贡献声明……

CRediT作者贡献声明
Lucille Baucal-Poyac：撰写——初稿、方法论、概念化。Laetitia D'Aloia Schwartzentruber：验证、监督。Didier Subrin：验证。Adéla?de Feraille：验证、监督。

利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢
本研究感谢TELT、Herrenknecht和CO6/7组承包商的支持，他们提供了对本研究成功完成至关重要的必要数据。

Lucille Baucal-Poyac|Laetitia D'Aloia Schwartzentruber|Didier Subrin|Adéla?de Feraille