近日，西南交通大学土木工程学院地下工程绿色低碳前沿创新团队在Nature合作子刊《npj Sustainable Mobility and Transport》上发表了题为 “Rising carbon emissions from expanding highway tunnels and reduction pathways in China”的研究论文。

导读：

随着我国交通基础设施的快速发展，公路隧道建设规模持续扩大，其在提升交通效率、缓解城市拥堵等方面发挥了重要作用。然而，隧道建设与运营过程中伴随的大量能源消耗与碳排放问题，尚未得到充分重视。如何在保障交通发展的同时，有效控制并降低隧道全生命周期的碳足迹，已成为实现“双碳”目标的重要环节。

本研究基于中国四川省的实地经验数据，结合区域电力排放因子和地质特征，构建了基于省级尺度的公路隧道碳排放强度计算模型。该模型估算了全国公路隧道的施工碳排放强度，并且模型通过多省实测案例验证，结果显示精度高、可靠性强。

在此基础上，研究进一步提出了低碳横截面设计策略，并构建了多情景模拟框架，从政策支持与技术进步的协同视角评估未来减排潜力。结果表明，科学的设计优化与政策协同可显著降低隧道建设的碳排放强度，为公路隧道行业的绿色转型提供了系统化的路径参考。

主要结论：

1.基于全国省级尺度构建公路隧道碳排放计算模型与验证体系，隧道碳排放存在区域性差异

研究基于四川省典型隧道的实测数据，综合考虑电力碳因子与地质断裂带特征，构建了公路隧道建设碳排放强度的区域外推模型，系统刻画了全国30个省份的隧道建设碳强度分布特征。为验证模型的可靠性，我们将计算结果与国内外已有文献数据进行了系统对比（见图2a），并进一步收集了全国多省的隧道实际碳排放数据进行验证（见图2b）。结果表明，研究模型计算的碳排放强度与国际研究成果处于同一数量级，且与实测数据之间的平均误差仅为5.77%，验证了模型在全国范围内具有较高的适用性和精度。

Fig.2 Validation of model-estimated carbon emission intensity for tunnels.

进一步结合高分辨率卫星图像数据，从区域尺度分析了我国公路隧道建设的碳排放特征（见图3）。研究发现，隧道建设里程较长的省份（如云南、贵州、四川）往往位于地形复杂的山区地带，为满足交通需求需建设大量隧道，因而整体碳排放量较高。而地势平缓、隧道较少的省份或直辖市（如北京、江苏），其碳排放水平相对较低。值得注意的是，尽管各省份的隧道建设规模差异显著，但碳排放强度（即单位隧道长度的碳排放）差异相对较小。这一结果表明，研究在计算过程中综合考虑了各地的能源结构与地质条件，前者提高碳排放强度，后者则起到削弱作用，两者共同作用，使得全国各省隧道建设的碳强度趋于稳定。

Fig.3 Highway tunnel construction mileage and carbon emission characteristics in China in 2023. a Highway tunnel construction mileage. b Carbon emission intensity of highway tunnel construction. c Total carbon emissions from highway tunnels.

2.公路隧道建设里程持续增长，碳排放总量上升

研究发现，随着中国交通基础设施的持续扩张，公路隧道建设里程显著增长，成为驱动隧道碳排放变化的核心因素。全国范围内隧道建设呈现明显的区域差异：华南和西南地区因地形复杂、交通需求较大，隧道建设仍处于快速增长阶段；而华北、东北和华东地区新增需求相对有限（见图5a）。总体来看，中国公路隧道的碳排放强度正逐步下降（图5b）。其中，华北地区因清洁能源占比提高、电力碳因子下降，碳强度降低尤为显著；但在湖北等个别省份，受能源转型进度和建设周期波动影响，碳强度略有上升。但是与此同时，近年来碳排放强度变化幅度极小，表明在电力结构已逐步趋清洁的背景下，仅依靠能源结构优化带来的减排空间有限。

基础设施的快速扩张推动碳排放总量持续增加（图5c、5d）。进一步分析表明，隧道建设规模与碳排放变化之间存在紧密的线性关系，建设规模的扩大仍是未来碳排放增长的重要驱动力。这一结果揭示出：在能源结构持续优化的同时，推动施工环节的绿色转型，是降低隧道施工碳排放的关键路径。

Fig. 5: Analysis of highway tunnel mileage, carbon emission intensity, and total emissions growth for each province in China from 2023 to 2030. a Highway tunnel mileage. b Highway tunnel carbon emission intensity. c Highway tunnel total carbon emissions. d Annual average growth rates of highway tunnel mileage, carbon emission intensity, and total emissions. e Correlation analysis of tunnel mileage and carbon emissions.

3.多情景减排模拟揭示，政策与技术的协同强度是决定减排成效的关键

研究结果显示，采用隧道横截面的低碳优化设计方法，可在未来公路隧道建设中实现显著的碳排放削减。与传统设计相比，该方法在结构材料利用与施工工艺优化方面均展现出良好的节能减排效果。

进一步的情景分析表明，不同政策与技术路径下的减排成效存在明显差异。在政策支持和技术创新持续推进的条件下，隧道建设的碳减排潜力能够得到充分释放，实现更高水平的低碳转型；而在政策执行不力或技术进步放缓的情况下，减排效果则明显受限，甚至可能被抵消。

总体而言，隧道低碳优化设计不仅是实现工程建设领域节能减排的重要技术手段，也是推动交通基础设施绿色转型的关键环节。其减排效果的持续放大，有赖于稳定的政策引导与长期的技术投入。当与交通运输领域的其他低碳措施协同实施时，将为我国交通体系的绿色发展和“双碳”目标的实现提供坚实支撑。

4 总结与展望

以往关于隧道碳排放的研究多集中于单个项目层面，关注材料、结构或施工工艺等微观环节，虽揭示了碳排放的关键影响因素，但缺乏区域或国家尺度的系统分析。本研究在研究范围和建模方法上开展了进一步探索。

基于四川省实测数据，研究建立了公路隧道碳排放强度的区域外推模型，综合考虑电力碳因子与地质特征，系统量化了全国30个省份的隧道碳排放特征，并通过多地区实证数据验证模型可靠性，实现了从单隧道分析到全国尺度评估的跨越。同时，提出了基于隧道横截面低碳优化设计的减排策略，构建多情景模拟框架，引入政策与技术进步因素，揭示了不同发展路径下的减排潜力与关键影响机制。该研究不仅完善了隧道碳排放的宏观建模体系，也为公路隧道行业制定低碳转型政策提供了定量依据。

总体来看，本研究为评估省域公路隧道建设施工的碳排放影响提供了可推广的分析工具，为未来公路隧道基础设施的绿色发展路径探索提供了科学参考。

第一作者：郭亚林，西南交通大学土木工程学院2024级博士研究生，导师郭春教授。主要研究方向为交通隧道碳排放分析，在npj Sustainable Mobility and Transport，Underground Space，现代隧道技术等杂志发表论文7篇。

通讯作者：郭春，西南交通大学土木工程学院教授、博士生导师，美国乔治梅森大学访问学者。长期从事隧道及地下工程的教学与研究工作，获评詹天佑铁道科学技术青年奖、中国公路百名优秀工程师、中西部土木建筑杰出工程师、四川省海外高层次留学人才、四川省学术技术带头人后备人选。任教育部城市地下空间工程专业教学指导小组秘书、四川省反恐怖工作专家、成都市国土空间规划委员会专家等。主持各级科研项目60余项，发表论文200余篇，获各级科技奖励10余项。出版中英文专著、教材20余部。指导博士生入选第十五届“中国大学生年度人物”，指导全国城市地下空间工程专业竞赛、四川省结构设计竞赛等多项学科竞赛。