传统基坑支护普遍采用临时支护叠合永久结构的永临分离结构体系[1]。其中临时支护在基坑建造完成后，不再发挥作用而被永久废弃于地下空间，造成建筑材料和地下空间资源的浪费[2]。更重要的是，此类结构体系存在受力转换，极易引发基坑坍塌等问题[3]。在中国近年来大力推动装配式建筑发展[4]、提倡地下空间合理开发利用的背景下[5-6]，永临结合装配式地连墙应运而生[7-8]。该地连墙以1道预制单墙替代传统临时支护和永久结构这2道现浇墙，可有效避免基坑建造前后结构体系的转换[9]。同时，该预制单墙允许基坑开挖时取消临时支护，而借助预制结构板作为永久水平支撑[10]。此外，永临结合装配式地连墙采用预制化生产和机械化运输、拼接[11]，可有效减少施工现场现浇作业，在同等条件下可提升结构强度约43%[12]、减少支护厚度并释放地下空间约45%[11]和缩短施工周期达40%以上[13]。
永临结合装配式地连墙具有单墙受力和全机械化生产建造2个显著特征[14-15]。其中单墙受力特征迫使工程师需尽可能地增加结构体积以增强结构承载性，从而应对复杂地质环境中的多种扰动工况；而地连墙通常长达上百米、高数十米[16]，结构体积增大不仅会显著影响产业链效率，造成施工周期延长和建造初始成本增加，还将导致预制建造需求与当地预制能力不匹配，引发产业链脱轨等问题[17]。由此可见，永临结合装配式地连墙的2个特征之间存在显著权衡制约关系。当前亟需一种科学的方法用于评估永临结合装配式地连墙的综合性能，既保证其结构的力学性能，也提升其预制建造产业链效率，从而推动“单墙革命”，促进地下工程的绿色转型和资源的合理利用。
永临结合装配式地连墙的产业链效率与产业链上多源异构的信息相关[18]。建造碳排放评估具有全生命周期分析和清单分析的特征[19]，可用作集成产业链上多源异构信息的方法论，以反映产业链上生产活动资源的消耗量。因此，永临结合装配式地连墙力学性能和产业链效率之间的制约关系也被视为力学性能和建造碳排放之间的制约关系。现有研究多从单一方面对永临结合装配式地连墙进行性能评估。例如，在力学方面，周尧等[20]揭示了某基坑采用的永临结合装配式地连墙的墙顶水平位移、竖向位移和墙体侧向位移的变形特性；赖明宇[21]通过有限元分析，对中国南方航空大厦地下永临结合装配式地连墙的应力应变进行了评估；戴清峰等[22]和贾曾潘等[23]则分别针对不同工程项目，对永临结合装配式地连墙在施工阶段的力学性能和弯曲变形进行了评定。在碳排放方面，Chen等[24]通过全生命周期法和清单分析法，对深圳市溪涌地铁站采用的永临结合装配式地连墙的建造碳排放进行了评估。
上述研究表明，在土压力和地下水等荷载作用下，永临结合装配式地连墙的力学性能主要取决于抗弯承载性能，混凝土、钢筋是影响结构抗弯承载性能的主要材料；而相关的建造碳排放研究指出混凝土、钢筋是产生建造碳排放的主要来源。由此可见，永临结合装配式地连墙的抗弯承载性能和建造碳排放之间具有显著的联系。但目前缺乏对两者综合的考量，导致现有对永临结合装配式地连墙性能评估的理论结果无法同时从结构力学性能和产业链效率2方面提供有效的工程建造指导。
对此，本文提出了“力-碳”双控的永临结合装配式地连墙碳效率评估模型，通过整合抗弯承载性能和建造碳排放评估模型，来综合考量力学性能和产业链效率这2个跨学科指标。同时，以深圳市采用永临结合装配式地连墙的地铁车站为例，开展“力-碳”双控的碳排放效率评估，为永临结合装配式地连墙的实际应用提供了科学的设计决策依据。
1 永临结合装配式地连墙建造技术模式
1) 首先，按照每幅2 m宽的尺寸采用型钢制作永临结合装配式地连墙预制生产钢模板，模板循环利用次数应不低于40[28]，以减少材料消耗。接着按照国家标准规范焊接钢筋骨架。完成后使用机械浇筑C50混凝土，并预埋CT连接件，以辅助装配式地连墙拼接。待混凝土强度不低于设计强度的90%后进行脱模。脱模后充分养护。出厂前进行质量检测。最终完成预制墙体制作；
2) 预制墙体达到设计强度的100%后开始运输。运输过程中要求预制墙体叠放不宜超过两层，且预制墙体水平起吊时，起重钢丝绳与预制墙体的水平夹角不应小于45°。此外严格按照当地运输限重和尺寸要求进行构件装载运输；
3) 施工现场按照与普通地下连续墙相同的成槽方式，在泥浆护壁下采用水下成槽机开挖成槽。成槽厚度为1 m(包含0.5 m的内侧槽壁肥槽和1 m的外侧肥槽)，待槽段开挖至设计标高且检验合格后，开始置换清底；
4) 随后采用2架吊具为扁担梁的履带吊(主吊和副吊)起吊单幅预制墙体开始拼装。预制墙体顶部和下部二分之一处分布2个吊点。主吊和副吊相互配合将预制墙体吊离地面直至完全直立。随后借助专用导向架、墙体预留吊装定位孔等，开展定位和拼接。拼接过程中实时监测拼装精度，确保永临结合装配式地连墙的垂直度在1/400以内和拼接缝之间的误差控制在10 mm以内；
5) 为提升预制地连墙防水，幅间采用“CT连接件+2条止水条囊+预埋角钢焊接”的连接方式。同时为提升预制墙体底部防水，在单幅预制墙体内预埋2条墙底注浆通道。逐幅完成预制墙体的提升和拼接作业后，接着依次开展槽底注浆、幅间接缝注浆、槽壁两侧空隙注浆和条囊充液注浆等工作。
通过以上步骤，完成永临结合装配式地连墙精密拼接和高质量建设。
2 “力-碳”双控评估模型
“力-碳”双控评估模型由力学性能和建设碳排放评估模型组成，具体如下。
2.1 力学性能评估模型
传统临时支护叠合永久结构的永临分离支护体系在基坑建造完成前后采用不同的受力主体，存在结构体系转换；而永临结合装配式地连墙以一道预制墙替代传统2道墙，在基坑建造完成前后采用同一主体受力。对此，对于永临分离支护体系方案，力学性能评估分为施工和运营2个阶段。在施工阶段考虑临时支护的力学性能，在运营阶段考虑永久结构的力学性能。对于永临结合装配式地连墙方案，2个阶段均仅考虑单墙的力学性能。
其中：M为永临结合装配式地连墙或永临分离支护体系的抗弯性能(kN·m)；fcd为混凝土抗压强度设计值(MPa)；fsd和f′sd分别为钢筋受拉和抗压强度(MPa)；b为构件宽度(m)；h为构件高度(m)；h′为空腔高度(m)；a和a′分别为受拉区和受压区钢筋与外边缘距离(m)；x为截面相对受压区高度(m)；C为空腔率(%)；R为配筋率(%)；As和A′s分别为受拉和受压钢筋面积(m2)。
2.2 碳排放评估模型
1) 生产阶段：包含建筑材料在原材料生产和运输时产生的碳排放、循环利用材料(如模具)生产和运输的碳排放，以及预制构件生产建造所消耗的能源产生的碳排放；
2) 运输阶段：包括运输建筑材料、预制构件、建造模具和建筑渣土所产生的碳排放；
3) 施工阶段：包含施工活动所使用的机械设备耗能所带来的碳排放。
1) 生产阶段碳排放：
2) 运输阶段碳排放：
3) 施工阶段碳排放：
其中：Cm、Ct和Co分别是生产、运输和施工阶段的碳排放(t)；n为材料的总数；m为构件的总数；Ri为第i种材料的消耗量(kg)；Fi为第i种材料的碳排放因子(kg/kg或kg /m3或kg/m2或kg/m)；Qmat, i和Qcom, j分别为第i种材料和第j种构件的运输重量(kg)；Dmat, i和Dcom, i分别为第i种材料和第j种构件的运输距离(km)；Fmat, tra, i和Fcom, tra, j分别为第i种材料和第j种构件的运输碳排放因子(kg /(t·km))；Tmach, i和Tcom, j分别为生产第i种材料和施工第j种构件的机械运作量(台班)；Emach, i和Ecom, j分别为生产第i种材料和施工第j种构件的机械能源用量(kg/台班或kWh/台班)；Fmach, i和Fcom, j分别为生产第i种材料和施工第j种构件的机械能源碳排放因子(kg/kg或kg/kWh)。
2.3 “力-碳”双控评估模型
基于上述模型，进一步构建“力-碳”双控评估模型，来清晰地反映不同方案的碳效率。具体理论评估模型如下所示：
该理论评估模型在使用中需注意以下几点：
1) LGEC为碳排放效率系数(t/(kN·m))，反映了结构在单位力学性能(1 kN·m)下的碳排放量。LGEC越大，碳效率就越低，表明单位抗弯承载性能下的碳排放量越多；
2) 使用该“力-碳”双控评估模型评估方案的碳效率时，所有方案中结构的抗弯承载性能应满足最低抗弯承载要求M0，即M≥M0；
3) 对于永临结合装配式地连墙，使用单墙的抗弯承载性能计算其在施工和运营阶段的碳效率；对于永临分离支护体系，则分别使用临时支护和永久结构的抗弯承载性能计算其在2个阶段的碳效率。
“力-碳”双控评估模型实现了对抗弯承载性能和建造碳排放的协同评估，避免了依据单一因素进行评估而造成对另一重要因素的忽视。基于该模型所得的评估结果更有助于为复杂地下环境中的工程建造项目提供契合实际的指导。同时，该评估理念也为其他地下关键构件提供了有用的指示，有助于促进未来大规模地下工程的高质量与可持续建设。
3 工程案例分析
本文依托深圳市地铁8号线的某车站开展案例研究。该车站全长197 m，宽20.8 m，底板埋深17 m，顶板覆土厚度3 m，为地下二层单柱双跨岛式车站。该车站以永临结合装配式地连墙作为基坑临时支护和永久结构，并采用明挖法开挖。为便于运输和施工，永临结合装配式地连墙在生产时以2 m每幅预制建造，结构长为22 m，厚度为0.85 m。同时，为减轻重量，永临结合装配式地连墙采用空腔设置，空腔率为15%。具体的车站案例示意图如图 3所示。
为对比评估永临结合装配式地连墙的碳效率表现，本文进一步基于案例项目数据，制定3种不同基坑支护墙体进行对比评估分析。如图 4所示，方案1为传统永临分离支护体系，方案2为实心永临结合装配式地连墙；方案3为带空腔永临结合装配式地连墙。为便于计算和与后续的研究相比较，三者的抗弯承载性能、建造碳排放和碳效率评估均以宽1 m、厚0.85 m和长22 m为1环作为功能单位。
3.1 力学性能分析
采用式(1)—(4)对3种不同方案进行力学性能评估，评估结果如表 1所示。可以发现，永临分离支护体系(方案1)尽管采用双墙结构，但其在2个阶段的抗弯承载性能均低于永临结合装配式地连墙(方案2和3)的平均值，分别降低74.5 kN·m(降幅4.55%)和426.5 kN·m(降幅26.05%)。这揭示了传统现浇永临分离支护体系在2个阶段中的低效性。永临分离支护体系不仅增加了材料用量、施工工序和工期，也未能实现高效的抗弯承载性能。
表 1 不同方案的抗弯承载性能 |
| 方案 | 1 | 2 | 3 | |
| 结构类型 | 现浇地连墙 | 现浇结构外墙 | 实心永临结合装配式地连墙 | 带空腔永临结合装配式地连墙 |
| 宽度/m | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 高度/m | 22 | 14 | 22 | 22 |
| 厚度/m | 0.8 | 0.7 | 0.85 | 0.85 |
| 空腔率 | 0 | 0 | 0 | 15% |
| 混凝土强度 | C30 | C35 | C50 | C50 |
| 抗弯承载性能/(kN·m) | 1 563 | 1 211 | 1 678 | 1 597 |
3.2 碳排放分析
表 2 主要碳排放因子 |
| 项目 | 碳排放因子 | 单位 |
| C50混凝土[37] | 385 | kg/m3 |
| C35混凝土[39] | 363 | kg/m3 |
| C30混凝土[37] | 295 | kg/m3 |
| 钢筋[37] | 2 340 | kg/t |
| 钢板[37] | 2 400 | kg/t |
| 镀锌钢丝[37] | 2.35 | kg/kg |
| 钢焊条[37] | 2 530 | kg/t |
| SBS改性沥青防水卷材[38] | 0.54 | kg/m2 |
| 钢支撑[38] | 2 400 | kg/t |
| 水[37] | 0.168 | kg/t |
| 电[39] | 0.804 2 | kg/kWh |
| 柴油[39] | 3.096 | kg/kg |
| 汽油[39] | 2.925 | kg/kg |
| 重型柴油卡车运输(载重10t)[37] | 0.162 | kg/(t·km) |
| 重型柴油卡车运输(载重18t)[37] | 0.129 | kg/(t·km) |
| 重型柴油卡车运输(载重30t)[37] | 0.078 | kg/(t·km) |
| 重型柴油卡车运输(载重46t)[37] | 0.057 | kg/(t·km) |
表 3 不同方案每环碳排放 |
| 方案 | 生产碳排放 | 运输碳排放 | 施工碳排放 | 总和 |
| 方案1 | 22.82 | 0.40 | 2.77 | 25.98 |
| 方案2 | 16.34 | 0.48 | 1.72 | 18.54 |
| 方案3 | 15.18 | 0.43 | 1.72 | 17.33 |
进一步对3种方案在生产、运输和施工阶段的碳排放进行详细分析以确定永临分离支护体系与永临结合装配式地连墙之间碳排放的差异。
首先，在生产阶段，如图 5所示，混凝土和钢筋是该阶段的主要碳排放来源。与永临结合装配式地连墙相比，传统永临分离支护体系的材料消耗所带来的碳排放明显更高，这主要是因为永临分离支护体系采用两墙结构，较大的建造体积导致材料消耗增多；而永临结合装配式地连墙尽管采用碳排放系数更高的C50混凝土，但其创新性地采用单墙模式，既可用作临时支护体系，也可用作永久结构，避免了与现浇地连墙相关的材料消耗，进而显著降低碳排放。进一步地，在永临结合装配式地连墙方案中，带有15%空腔率设置的墙体由于减少了混凝土的消耗，相对于实心墙体每环减少了1.16 t的生产碳排放。由此可见，永临结合装配式地连墙在实际使用中，仍可通过进一步优化，在满足结构受力的同时减少混凝土或钢筋的使用，进而显著降低结构的建造碳排放。
其次，在运输阶段，由图 6可发现，永临结合装配式地连墙需要运输大量预制构件，导致比现浇的永临分离支护体系的运输碳排放更高。然而，永临结合装配式地连墙显著减少了对地下空间的占用，因此渣土运输碳排放比传统永临分离支护体系更少。但总体而言，相比传统永临分离支护体系，实心和带空腔的永临结合装配式地连墙由于需要运输更多的预制构件，每环运输碳排放分别增加了0.08 t (增幅20%)和0.03 t (增幅7.5%)。
最后，在施工阶段，如表 3所示，两种永临结合装配式地连墙每环施工碳排放比永临分离支护体系平均降低了1.05 t (降幅37.91%)，这主要是由于永临结合装配式地连墙显著减少了与临时支护建造有关的土方开挖、清底置换等施工作业活动，进而减少了施工机械使用；其次，在永临结合装配式地连墙作为支护结构的情况下，冠梁和挡土墙均采用预制技术，减少了现场模具搭建和机械使用。此外，永临结合装配式地连墙消除了现场对混凝土养护需求，从而缩短了施工周期。
3.3 碳效率分析
基于上述抗弯承载性能和建造碳排放分析，进一步依据式(8)计算3种方案的碳效率，如图 7所示。可以发现，相比传统永临分离支护体系，永临结合装配式地连墙在施工和使用阶段均表现出优越的碳效率，在施工和使用阶段的LGEC分别减少了5.67 t/(kN·m)(降幅34.12%)和10.50 t/(kN·m)(降幅48.95%)。这主要得益于永临结合装配式地连墙采用单墙结构完成了2个阶段的抗弯承载需求。而永临分离支护体系是采用双墙结构来实现相同的抗弯承载需求。碳效率的定量评估揭示了采用永临结合装配式地连墙方案可以同时实现高抗弯承载性与低碳排放的双重价值。此外，与实心永临结合装配式地连墙相比，带空腔的永临结合装配式地连墙LGEC降低了0.2 t/(kN·m)(降幅1.81%)，具有更高的碳效率，表明其在满足同等抗弯承载要求下的碳排放更少。
进一步综合分析3种方案在抗弯承载性能、建造碳排放、碳效率3方面的表现，可以发现，永临结合装配式地连墙在上述3方面的表现均优于永临分离支护体系，这主要得益于其单墙装配式建造的特征，赋予结构更高强度与更低资源消耗。针对永临结合装配式地连墙的2种方案，从抗弯承载性能单一视角来看，实心方案的抗弯承载性能比带空腔设置方案高出81 kN·m(增幅5.07%)，因而可以作为最优结构设计方案；但从碳排放单一视角来看，实心方案每环碳排放比带空腔设置方案高出1.21 t (增幅6.98%)，并不能作为最优结构设计方案。鉴于这一相斥的结果，进一步通过“力-碳”双控模型评估发现，实心方案的碳效率较低，表明其在提供与带空腔设置方案相同的抗弯承载性能时所产生的建造碳排放更多，因此带空腔设置的永临结合装配式地连墙是最优结构设计方案。此结论进一步证实了力、碳2个指标的有效融合可有效消除单一指标评估的局限性。
4 结论
本文构建了适用于永临结合装配式地连墙的“力-碳”双控评估模型，以评定其在抗弯承载和碳排放方面的综合性能。以某城市的地铁车站作为研究案例，采用“力-碳”双控评估模型对传统永临分离支护体系、实心永临结合装配式地连墙和带空腔设置的永临结合装配式地连墙的碳效率进行评估，得出以下主要结论：
1) 在相近的结构尺寸条件下，永临分离支护体系尽管采用双墙模式，但在施工阶段和使用阶段的抗弯承载性能分别比采用单墙模式的永临结合装配式地连墙降低了74.5 kN·m (降幅4.55%)和426.5 kN·m (降幅26.05%)。该结果表明永临结合装配式地连墙是一种轻质高强度结构，尤其适合在复杂的地质环境中兼作围护结构和受力结构，以避免受力体系转换，同时促进工程建设质量和效率的提升。
2) 相比永临分离支护体系，实心永临结合装配式地连墙由于减少了临时支护建造，每环建造碳排放降低了7.44 t (降幅28.64%)。同时，空腔的精细化设置进一步促进了混凝土用量减少，进而比实心结构带来了每环1.21 t建造碳排放的减少。
3) 单一力学性能评估结果揭示了实心永临结合装配式地连墙抗弯承载性能最优，但“力-碳”双控评估结果进一步表明，在满足最低抗弯承载需求的前提下，带空腔设置的永临结合装配式地连墙的LGEC比实心结构降低了1.81%，具有更优的碳效率性能。
4) “力-碳”双控评估模型突破了结构抗弯承载性能和碳排放之间的学科壁垒，与传统的单一指标评估相比，更能反映结构的碳效率，进而协助工程师选用可满足同等力学性能要求下产业链效率更优的方案。
本文也存在一定的研究不足，如仅综合结构抗弯承载性能和建造碳排放2个跨学科指标进行评估。但作为在复杂地质环境中受力的单墙装配式结构，其节点防水性能等关键性能也需得到关注。下一步将建立更加完善且具有自适应决策性能的地下结构建造技术评估框架和方法。
