0.   引言

当前全球气候变暖已成为人们对于生态环境关注的热点之一，由于温室气体的大量排放导致全球气候变暖已经成为了人们的共识^[1]。中国是世界上最大的能源消费和温室气体排放国，在全球节能减排工作中承担着重大任务，为应对气候变化，中国政府提出于2030年前后达到二化碳排放量峰值，争取在2060年前实现碳中和^[2]。建筑业作为国民经济的支柱行业之一，也是温室气体排放大户。当前中国建筑业的发展基本沿用“大量生产、大量消费、大量废弃”的粗放型增长方式，造成了资源的严重浪费和环境的急剧恶化。据统计，2020年全国建筑全过程能耗总量为22.7亿tce，占全国能源消费总量的45.5%；2020年全国建筑全过程碳排放总量为50.8亿t CO₂，占全国碳排放总量的50.9%^[3]。因此，建设领域低碳转型是中国实现“双碳”目标的重要保障。深基坑工程作为建筑地下空间开发的前排兵，必然成为在建筑全生命周期节能减排的关键环节之一。目前，大多数深基坑工程仍采用钢筋混凝土为主、钢材为辅的传统支护体系，作为临时受力结构，其使用时间短、碳排放量大、不可回收等弊端日益凸显，对全钢制低碳新型基坑支护体系的研发已成为深基坑低碳转型的优选方向之一。

1.   深基坑支护方案

1.1   工程概况

背景工程是一幢地上5层、地下2层的绿色科技示范楼，项目将绿色理念和技术贯穿于设计、建造、运维全过程，争取实现建筑全生命周期“0碳”目标，项目效果图如图 1所示。

图  1  绿色科技示范楼项目效果图

Figure  1.  Rendering of green technology demonstration building project

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基坑平面呈正方形，面积2970 m²，挖深10.15 m，采用明挖顺作法施工。在基坑方案设计选型过程中主动融入绿色低碳理念，对混凝土常规支护体系及全钢质低碳支护体系进行比选，探索低碳建造新路径。

1.2   常规方案——混凝土支护体系

对于软土地区挖深10 m左右，周边环境有一定保护要求的深基坑，通常采用钻孔灌注排桩围护结合两道钢筋混凝土水平支撑作为基坑支护体系^[4]。本基坑工程采用混凝土常规支护体系的方案平面、剖面布置如图 2，3所示。

图  2  常规支护方案平面图

Figure  2.  Plan diagram of conventional support scheme

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图  3  常规支护方案剖面图

Figure  3.  Section diagram of conventional support scheme

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由于钻孔灌注桩施工产生大量废弃泥浆，环保性能较差；且施工完成后无法回收，形成永久地下障碍物；此外，钢筋混凝土支撑不可循环使用，材料浪费严重，拆除时噪音、粉尘较大；同时，混凝土材料需要养护时间，工程周期较长。因此，基坑常规方案采用的混凝土支护体系不符合低碳发展理念及绿色节能要求，基坑建造亟待引入高效环保的新型支护体系。

1.3   低碳方案——全钢质支护体系

钢材作为工业化标准产品，具有轻质高强、施工速度快、可回收使用等优点，属于低碳节能、绿色环保型建材，符合中国“双碳”发展战略需求。

深基坑低碳方案充分利用钢材的性能优势，采用PC工法组合钢管桩围护结合两道预应力型钢组合支撑作为基坑支护体系。本基坑工程采用全钢质低碳支护体系的方案平面、剖面布置如图 4，5所示。

图  4  低碳支护方案平面图

Figure  4.  Plan diagram of low carbon support scheme

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图  5  低碳支护方案剖面图

Figure  5.  Section diagram of low carbon support scheme

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2.   碳排放计算理论

2.1   深基坑碳排放生命周期

目前，国内外学者对建筑全寿命周期的定义已达成共识，包括建筑材料生产及运输阶段、建造施工阶段、运行阶段、建筑拆除处置阶段^[5]。然而，对于深基坑工程生命周期而言，由于不同研究人员的假设与限定条件不同，使得阶段划分、系统边界等差异很大，缺乏统一、规范的统计半径和系统框架，部分学者有意或无意地忽略了如建材生产、构件运输等物化阶段或支撑拆解、废弃处理等消纳阶段碳排放的影响，造成研究结果不完整、不科学。深基坑支护体系作为地下工程敞开施工的临时性挡土隔水支承结构，当地下工程施工结束就意味着其使命的结束，因此基坑工程不存在独立运行阶段。根据生命周期评价理论，结合其实施特点与施工工艺，深基坑碳排放生命周期可以按材料生产、现场施工以及回筑拆除三个阶段进行划分，各阶段的分级系统框架组成如图 6所示。

图  6  深基坑工程生命周期框架

Figure  6.  Life cycle framework for deep foundation pit engineering

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关于深基坑工程生命周期总碳排放C计算边界的确定，可以从时间边界、生产要素边界以及空间边界3个方面着手。在时间边界上涉及材料生产阶段（C₁）、现场施工阶段（C₂）及回筑拆除阶段（C₃），即C=C₁+C₂+C₃；在生产要素边界上包括材料、机械、人员；在空间边界上可划分为先由场外到场内、再由场内到场外。深基坑工程碳排放计算边界如图 7所示。

图  7  碳排放计算边界

Figure  7.  Calculation boundary for carbon emission

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2.2   碳排放因子计算方法

深基坑工程生命周期碳排放量可根据《建筑碳排放计算标准》^[6]及相关工程定额^{[7, 8]}进行计算，计算公式如表 1所示。各阶段各分项的碳排放因子选用依据《建筑碳排放计算标准》及本文中相关参考文献。

表  1  各阶段碳排放计算公式

Table  1.  Formulae for calculating carbon emissions at each stage

阶段	计算公式	释义
材料生产	$ {C_{{\text{sc}}}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{M_i}{F_i}} $	$ {C_{{\text{sc}}}} $为建材生产碳排放(kgCO2e) $ {M_i} $为第i种主要建材消耗量(t或m3)$ {F_i} $为第i种建材碳排放因子(kgCO2e/单位建材数量)
材料运输	$ {C_{{\text{ys}}}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{M_i}{D_i}{T_i}} $	$ {C_{{\text{ys}}}} $为建材运输碳排放(kgCO2e) $ {M_i} $为第i种建材消耗量(t或m3) $ {D_i} $为第i种建材平均运输距离(km)$ {T_i} $为第i种建材平均运输方式下单位重量运输距离的碳排放因子(kgCO2/t·km)
现场施工	$ {C_{{\text{jz}}}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{E_{{\text{jz}}, i}}E{F_i}} $	$ {C_{{\text{jz}}}} $为现场施工阶段碳排放(kgCO2e)$ {E_{{\text{jz}}, i}} $为现场施工阶段第i种能源总用量(kW·h或kg)$ E{F_i} $为第i种能源碳排放因子(kgCO2e/kW·h或kgCO2e /kg)
回筑拆除	$ {C_{{\text{cc}}}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{E_{{\text{cc}}, i}}E{F_i}} $	$ {C_{{\text{cc}}}} $为回筑拆除阶段碳排放(kgCO2e) $ {E_{{\text{cc, }}i}} $为回筑拆除阶段第i种能源总用量(kW·h或kg)$ E{F_i} $为第i种能源碳排放因子(kgCO2e/kW·h或kgCO2e/kg)

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3.   深基坑碳排放计算

在深基坑碳排放量计算中，由于基坑降水、土方开挖、结构回筑等工序在两个对比方案中重复存在，故不作为计算内容以方便结果分析。

3.1   混凝土常规支护体系碳排放计算

（1）材料生产阶段

钻孔灌注桩结合三轴水泥土搅拌桩围护结构的建材主要为混凝土、钢筋及水泥，灌注桩对应的钢筋用量按每方0.157 t计算，三轴搅拌桩对应的水泥用量按每方0.36 t计算。经计算，混凝土消耗量2653 m³，钢筋消耗量416 t，水泥消耗量2081 t，围护结构生产材料的碳排放量为3286777 kgCO₂e，运输材料的碳排放量为155820 kgCO₂e，围护结构在材料生产阶段的碳排放量为3442597 kgCO₂e。

钢筋混凝土支撑在材料生产阶段涉及的主要分项为混凝土、钢筋及模板。经计算，混凝土消耗量1100 m³，钢筋消耗量143 t，模板消耗量187 m³，钢筋混凝土支撑生产材料的碳排放量为780080 kgCO₂e，运输材料的碳排放量为28290 kgCO₂e，钢筋混凝土支撑在材料生产阶段的碳排放量为808370 kgCO₂e。

所涉及主要建筑材料的碳排放因子如表 2所示。

表  2  主要建筑材料碳排放因子$ {F_i} $(kgCO₂e/单位建材)

Table  2.  Carbon emission factor $ {F_i} $ for main building materials

分项	混凝土/m3	钢筋/t	水泥/t	木材/m3
碳排放因子	295	2340	735	178

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考虑商品混凝土多于当地采购，故混凝土的默认运输距离为40 km，其他建材的默认场外运输距离为500 km；采用的交通方式选用中型汽油货车（载重80 kN），其碳排放因子为0.115 kgCO₂e/(t·km)。

（2）现场施工阶段

现场施工碳排放按照主要分项工程进行计算，围护结构涉及钻孔灌注桩和三轴水泥土搅拌桩，其台班数结合工程定额及项目施工方案进行统计，所用机械能源包括电、汽油和柴油。经计算，围护结构在现场施工阶段的碳排放量为155694 kgCO₂e。

钢筋混凝土支撑在现场施工阶段的分项工程主要为混凝土工程、钢筋工程及模板工程，所用机械能源均为电。经计算，钢筋混凝土支撑在现场施工阶段的碳排放量为32196.2kgCO₂e。

所涉及分项工程能源消耗量和主要能源碳排放因子分别如表 3~5所示。

表  3  钻孔灌注排桩围护施工能源消耗量$ {E_{{\text{jz}}, i}} $(kW·h或kg)

Table  3.  Energy consumption $ {E_{{\text{jz}}, i}} $ for construction of bored pile

分项	施工机械	能源消耗量
钻孔灌注桩	履带式旋挖钻机	16122
	钢筋调直机	321
	钢筋弯曲机40 mm	960
	钢筋切断机40 mm	1220
	交流弧焊机32 kV·A	9653
	电动单筒慢速卷扬机30 kN	173
	履带式起重机	3214
三轴水泥土搅拌桩	三轴搅拌桩机	2346
	灰浆搅拌机	155
	灰浆输送泵	213
	内燃单级离心清水泵	30

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表  4  钢筋混凝土支撑施工能源消耗量$ {E_{{\text{jz}}, i}} $(kW·h)

Table  4.  Energy consumption $ {E_{{\text{jz}}, i}} $ for construction of reinforced concrete support

分项	施工机械	能源消耗量/(kW·h)
混凝土工程	混凝土插入式振捣器500L	2208
	混凝土运输泵75 m3/h	5151.4
钢筋工程	钢筋调直机	4319.7
	钢筋弯曲机40 mm	4224
	钢筋切断机40 mm	3531
	交流弧焊机32 kV·A	27800.6
	电动单筒慢速卷扬机30 kN	86.3
	自升式塔式起重机	3325.8
模板	木工圆锯机500 mm	5808

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表  5  主要能源碳排放因子$ E{F_i} $(kgCO₂e/单位能源)

Table  5.  Carbon emission factor $ E{F_i} $ for main energy

分项	电/kWh	汽油/kg	柴油/kg
碳排放因子	0.5703	1.0	9.0

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（3）回筑拆除阶段

由于围护结构施工后即无法拆除，故回筑拆除阶段碳排放量为零。

钢筋混凝土支撑拆除时，切割需用到电动空气压缩机为动力，切割后利用自升式塔式起重机进行场内搬运，经计算，所产生的总碳排放量为34083.6 kgCO₂e。此外，支撑所消耗混凝土和钢筋按废弃考虑，外运废渣产生碳排放量为21838.5 kgCO₂e。因此，回筑拆除阶段碳排放总量为55922.1 kgCO₂e。

综上，深基坑生命周期的钻孔灌注排桩围护总碳排量为3598291 kgCO₂e，钢筋混凝土支撑总碳排量为896488 kgCO₂e，混凝土常规支护体系生命周期总碳排放量为4494779 kgCO₂e。

3.2   全钢质低碳支护体系碳排放计算

（1）材料生产阶段

PC工法桩为全钢质围护结构，构件组成主要为圆形螺旋埋弧焊管及拉森钢板桩，经计算，材料消耗量分别为1461，220 t，围护结构生产材料的碳排放量为4202020 kgCO₂e，运输材料的碳排放量为108425 kgCO₂e。由于钢材为可周转材料，单次使用的碳排放量可考虑其重复使用次数进行摊销。参考国外工程应用情况及中国产业现状，将PC工法桩按重复使用20次考虑，则单次使用的碳排放量为210101 kgCO₂e，围护结构在材料生产阶段的碳排放量为318526 kgCO₂e。

预应力型钢组合支撑在建材生产阶段涉及的构件包括H型钢支撑杆件、钢盖板、钢围檩、高强螺栓、托座等，均为钢质构件，经计算，材料消耗量总计为440 t，型钢组合支撑生产材料的碳排放量为1034000 kgCO₂e，运输材料的碳排放量为22880 kgCO₂e。考虑钢支撑的重复使用次数为30次，则单次的材料生产碳排放量为34467 kgCO₂e，型钢组合支撑在材料生产阶段的碳排放量为57347 kgCO₂e。

所涉及主要建筑材料的碳排放因子如表 6所示。

表  6  主要建筑材料碳排放因子$ {F_i} $(kgCO₂e/单位建材)

Table  6.  Carbon emission factor $ {F_i} $ for main building materials

分项	螺旋埋弧焊管/t	拉森钢板桩/t	热轧碳钢H型钢/t
碳排放因子	2520	2365	2350

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材料运输采用重型柴油货车（载重100 kN），其碳排放因子为0.162 kgCO₂e/(t·km)，默认运输距离为500 km。

（2）现场施工阶段

PC工法桩在现场施工阶段布置一台液压打桩机及一台履带式起重机，能源消耗量分别为4186，16071 kg，所用机械能源均为柴油。经计算，围护结构在现场施工阶段的碳排放量为182310 kgCO₂e。

预应力型钢组合支撑各构件之间主要采用高强螺栓连接，局部采用焊接。现场施工阶段的碳排放量主要来自吊装及少量焊接，坑外采用汽车式起重机吊装，坑内由挖机进行现场安装施工。经计算，型钢组合支撑在现场施工阶段的碳排放量为50062 kgCO₂e。

所涉及分项工程能源消耗量和主要能源碳排放因子分别如表 7，8所示。

表  7  PC工法桩施工能源消耗量及碳排放因子

Table  7.  Energy consumption and carbon emission factors of PC pile

施工机械	能源用量$ {E_{jz, i}} $/kg	碳排放因子$ E{F_i} $/(kgCO2·kg)
震动沉拔桩机	4185.7	9
履带式起重机	16071.0	9

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表  8  型钢组合支撑施工能源消耗量及碳排放因子

Table  8.  Energy consumption and carbon emission factors of steel support

施工机械	能源用量$ {E_{jz, i}} $/(kW·h)或kg	碳排放因子$ E{F_i} $/kgCO2/kWh或/kg
汽车式起重机	2865.52	9
履带式液压挖掘机	2290.24	9
交流弧焊机	1930.6	0.5703
液压千斤顶	4488	0.5703

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（3）回筑拆除阶段

PC工法桩在回筑拆除阶段同样采用震动沉拔桩机将围护桩拔出，计及建材的场外运输回收，故回筑拆除阶段围护结构的碳排放量为290712 kgCO₂e。

预应力型钢组合支撑在回筑拆除阶段主要使用汽车式起重机进行卸解吊装，计及外部运输产生的碳排放，则型钢组合支撑在回筑拆除阶段的碳排放量为48670 kgCO₂e。

综上，深基坑生命周期的PC工法桩围护总碳排量为791548 kgCO₂e，预应力型钢组合支撑总碳排量为156079 kgCO₂e，全钢质低碳支护体系生命周期总碳排放量为947627 kgCO₂e。

4.   基坑方案综合分析

4.1   碳排放量对比

图 8为钻孔灌注排桩围护与PC工法桩围护在深基坑生命周期各阶段碳排放量对比图。可见，钻孔灌注排桩的碳排放主要来自于材料生产阶段，达到总碳排放量的91.3%；由于钻孔灌注排桩在基坑施工完成后无法回收，故其回筑拆除阶段碳排放量为零。相比之下，PC工法桩在各阶段碳排放量相对均衡，其在材料生产阶段的碳排放量仅为钻孔灌注排桩的6.4%，在深基坑生命周期总碳排放量约为钻孔灌注排桩的22%。

图  8  围护结构碳排放对比

Figure  8.  Comparison of carbon emissions from enclosure structures

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图 9为钢筋混凝土支撑与预应力型钢组合支撑在深基坑生命周期各阶段的碳排放量对比图。同样，钢筋混凝土支撑在材料生产的碳排放量占比最大，达到总碳排放量的89.2%。相比之下，预应力型钢组合支撑在各阶段碳排放量相对均衡，其在材料生产阶段的碳排放量仅为钢筋混凝土支撑的4.4%，在深基坑生命周期总碳排放量约为钢筋混凝土支撑的17.8%。

图  9  水平支撑碳排放对比

Figure  9.  Comparison of carbon emissions from horizontal support

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经统计，本基坑工程采用混凝土常规支护体系和全钢质低碳支护体系的深基坑生命周期碳排放总量分别为4494779，947627 kgCO₂e，后者仅为前者的21%。可见，采用PC工法桩围护结合预应力型钢组合支撑的全钢质支护体系具有显著的减碳优势。

4.2   减碳措施分析

从上述分析可见，全钢质低碳支护体系由于采用可周转材料，构件可在回收处理后多次重复利用，因此摊销到单次工程的建材生产碳排放量远远小于一次性的混凝土常规支护体系，进而减少了基坑生命周期碳排放量。从这点来看，若能增加全钢质支护结构的重复使用次数，则可进一步减少碳排放量，达到更大程度的减碳效果。

另外，全钢质支护体系在运输、施工及拆除阶段，使用了较多柴油能源的机械及车辆，柴油能源碳排放因子较大，且钢构件的默认运输距离500 km也较远，这两点皆可引起深基坑碳排放量增大。因此，若要进一步减少全钢质支护体系碳排放量，可考虑优选低碳能源的机械设备及车辆，并缩短建材运输距离等方法。

4.3   经济社会效益分析

全钢质低碳支护体系除了减碳效果显著外，其在经济社会效益上也极具优势。

由于无需大规模养护，全钢质支护体系从围护桩施工至开挖到基底仅用时75 d，相比混凝土支护体系缩短96 d，大幅减少了工程工期。在造价方面，PC工法桩相比钻孔灌注排桩降低约25%成本，预应力型钢组合支撑相比钢筋混凝土支撑节省约35%成本。

由于全钢质支护体系的可回收性，基坑施工能减少近90%的建筑垃圾。此外，钢支撑构件通过高强螺栓连接，装配率高达99%，拆除时无爆破或切割，有效降低了对周边环境的粉尘、噪音污染。

5.   结语

实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标是中国生态文明建设的宏伟战略，笔者积极响应国家战略要求，研究推广PC工法组合钢管桩围护结合预应力型钢组合支撑构成的全钢质低碳支护体系在深基坑工程领域的应用。本文基于深基坑工程碳排放生命周期理论，通过对全钢质低碳支护方案和混凝土常规支护方案碳排放量的计算与对比，得到定量分析结果：全钢质支护体系的基坑生命周期总碳排放量为混凝土支护体系的21%，通过增加重复使用次数、选择低能耗机械、缩短运输距离等措施，可进一步减少全钢质支护体系的碳排放量。全钢质低碳支护体系除了减碳效果显著外，其在经济社会效益上也极具优势，不仅能大幅缩短工程工期、降低项目成本，还能有效减少建筑垃圾的产生和周边环境污染。