桥梁地下连续墙基础发展与展望

刘 明 虎

(中交公路规划设计院有限公司, 北京 100088)

0 引 言

地下连续墙(以下简称“地连墙”)于上世纪50年代末引入我国[1]，在我国桥梁基础中应用相对较晚。地连墙在功能上主要有两种方式[2-4]：一是作为基坑支护结构，往往可兼作基础结构的一部分；二是作为基础结构。作为基坑支护结构并兼作基础结构的部分地连墙基础在大跨悬索桥锚碇工程中应用日益广泛且技术相对成熟，而作为完全意义上的地连墙基础却相对较少，仍处于发展过程中。由于完全地连墙基础在结构、施工、经济、安全、环保等方面的独特优势以及与国家高质量发展理念更加契合而具有更广阔的应用前景。

笔者概述桥梁地连墙基础结构类型及其在桥梁工程中的应用、探索及发展情况，分析制约完全地连墙基础发展应用的关键因素，阐述存在的设计施工关键技术问题及发展解决之道，展望其在桥梁工程建设中的发展趋势和应用前景。

1 地连墙基础类型

长期以来，国内对桥梁地连墙基础的概念、定义和分类较为混淆，此种状况不利于地连墙基础的应用和发展。广义而言，地连墙基础是指将桥梁上部结构的荷载传递给地基承载结构的一部分或全部采用地连墙的一种基础型式。但对地连墙基础类型进行进一步准确细分是必要的。笔者在规范基础上[2]，根据地连墙在桥梁基础中应用的实际情况、典型结构及受力特征，将之予以厘清并细分，其中条壁式、井筒式以及两者组合使用的复合地连墙基础是完全意义上的地连墙基础。

1.1 部分地连墙基础

地连墙作为基坑支护结构，基坑开挖后在基坑内施工基础结构[2-4]。根据地连墙与基础主体结构的连接关系不同，其参与基础受力的程度亦不同。实践中，虽然地连墙实际上参与了基础运营期受力，但其受力贡献却难以准确把握，因而往往将其作为安全储备。当考虑地连墙参与基础受力时，由于其与整体刚性基础的面积、刚度相比太小，因此对于基础的结构受力的贡献实际比较小。不过由于地连墙深入基础底板下较好地层的嵌固作用，其对基础整体的抗滑移和抗倾覆稳定性的贡献比较突出[5-7]，此时可将其整体看作复合基础，但不同于典型的复合基础。因此，实际工程中将地连墙作为基坑支护结构使用而最终形成的基础均可作为部分地连墙基础。

需要说明的是，部分地连墙基础的称谓仅仅抓住了基坑支护结构为“地连墙工艺和结构”典型特征，而非基础受力模式特点，因此，此种叫法本身不严谨，只不过在实践过程中逐渐形成了习惯而不再刻意纠正。实际上，从基础受力模式上定义，部分地连墙基础一般均作为深埋刚性扩大基础使用。

根据地连墙的平面布置形式，可分为矩形、圆形以及灵活布置的异形地连墙基础。

1.2 条壁式地连墙基础

根据墙段单元之间的平面布置和连接组合关系，可分为单壁式、平行复壁式、自由复壁式等类型，其中自由复壁式又可分为“T、十、H、工、L、Y”字形、角点不连接“口”字形、辐射形等类型。条壁式地连墙单元通常亦称为条形桩、矩形桩、墙桩或壁板桩[1-3,5,8]。

1.3 井筒式地连墙基础

地连墙与顶板共同构成井筒格室状构造的基础形式，又称为格构式或闭合式地连墙基础[1-4,8-9]。其以充分发挥地连墙井筒内、外部地基土体的强度为主要特征。一般要求地连墙所有墙段接头采用刚性接头，或外周墙段采用刚性接头而内墙墙段可采用铰接接头。对于不满足上述接头要求而形式上是井筒式的基础仍应作为条壁式地连墙基础。

1.4 地连墙复合基础

笔者将条壁式地连墙和井筒式地连墙组合而成的基础型式、地连墙与桩基或其它型式基础组合而成的基础型式统称为地连墙复合基础。确切地，前者应称为复合地连墙基础，属于完全地连墙基础；后者应称为复合基础[1,4-5]。地连墙与其它型式基础的结构关系、平面立面布置形式、工法工艺等灵活多样，可根据具体情况和需求进行设计和应用。

2 地连墙基础工程实践、探索与发展

2.1 部分地连墙基础

以虎门大桥东锚碇圆形地连墙基坑支护结构为标志拉开了部分地连墙基础工程实践的大幕[10]。润扬大桥北锚碇在国内首次实施了矩形地连墙基础方案[11]，取得了丰富的成果和经验，但由于方案存在一些不足和风险，因此未得到推广应用。武汉阳逻大桥则首次在国内典型厚覆盖层地质条件下设计实施了深大圆形地连墙基础方案，取得丰富的成果、经验和非常好的效果[12]，从此深大圆形地连墙基础在国内被大量推广应用。后续平面葫芦形或∞形地连墙本质上也是为适应锚体布置和经济性需求而采用的考虑结构平面拱效应的圆形地连墙[13]。建成时为世界第一拱桥的平南三桥北拱座基础采用了圆形地连墙[14]，将地连墙在拱桥基础中的应用提升至巅峰。国内桥梁采用部分地连墙基础的工程实例见表1[10-16]。

表1 国内桥梁采用部分地连墙基础工程实例统计Table 1 Statistics table of domestic bridges using partial underground diaphragm wall foundation engineering cases

国外大跨悬索桥中，日本明石海峡大桥锚碇基础较早地采用了圆形部分地连墙基础方案[5]，其直径为85 m，地连墙厚2.2 m、深75.5 m；土耳其伊兹米特大桥南锚碇基础采用了“纵向主体∞形+前端加设矩形”的异形地连墙支护结构[7]。

2.2 条壁式地连墙基础

条壁式地连墙比圆形桩具有更大的比表面积，在设计上可做到适应上部结构荷载方向进行布设且截面抗弯惯性矩大，因此其在理论上更加合理、经济。条壁式地连墙在国内外建筑和极少数城市立交桥(但日本应用较多[5])中有所应用，但在国内桥梁中罕见被应用。某3×18 m预应力混凝土刚架桥，桥宽61 m，上部采用现浇预应力混凝土箱梁，两端基础及下部结构采用地连墙，采用“逆作法”施工[17]。地连墙不仅作为体结构，还作为下穿道路基坑开挖的支护结构。但该基础并不典型。

日本为最先将地连墙技术应用于桥梁基础领域的国家之一。据统计，日本在 1979—2001年期间，大约340多项工程采用了地连墙技术，包括许多铁路和公路的桥梁基础，其中大部分为条壁式地连墙基础[8-19]。日本在地连墙技术应用于桥梁基础领域方面研究成果丰富、经验成熟、技术领先，且建立有专业的行业领域学术组织和团体，其标准化和技术规范完善，工法健全，呈多样化发展态势，为世界提供了宝贵的参考和借鉴。

在建的世界第一悬索桥——主跨为2 023 m的土耳其恰纳卡莱大桥锚碇设计方案提出，在锚块下部纵向布置7排平面长51.5 m、厚1.2 m、深度超过20 m的条壁式地连墙，与作为直接基础的锚块共同组成复合基础[7]。因为除了地连墙外未设计其它独立基础结构，故将其归为条壁式地连墙基础。条壁式地连墙应用于承受巨大水平力的超大跨悬索桥锚碇基础，极具挑战性，其成功实施必将取得突破性成就和极具示范性效果。

2.3 井筒式地连墙基础

2.3.1 我国桥梁工程尝试性应用

1995年建成通车的宝中铁路中，一座栈桥的3号墩基础采用了圆井筒式地连墙基础，其外径为7 m、墙厚1.5 m、深7.5 m，此为我国第一个井筒式地连墙基础在桥梁形式上的工程应用。由于基础尺度和地层特性的原因，基于工程开展的试验研究结论表明，筒内土体对整个基础承载能力的有利影响甚微，相应设计未考虑内侧土体作用。因此该项目并非为本质的井筒式地连墙基础实践，也未起到示范作用。但其开创性探索的勇气和意义值得肯定。

2006年竣工的国道209线河津至临猗一级公路某净跨径50 m的刚架拱天桥采用井筒式地连墙作为重力式U型桥台的基础，其基础平面如图1(a)，基础深20 m。图1(a)中所指“类型”为墙段类型。此为我国井筒式地连墙基础在公路桥梁的首次应用[18-19]。依托该工程开展了受力机理、设计与施工技术方面的科研，取得了有益的成果。

延安延河大桥扩建新桥3孔净跨径30 m空腹式石拱桥的桥台采用了横向2室矩形井筒式地连墙基础[20]，基础平面如图1(b)，基础深约12.9 m。

图1 井筒式地连墙基础应用实例(单位：cm)Fig. 1 Application examples of shaft type diaphragm wall foundation

值得注意的是，上述3座桥均位于黄土地区。

某高速公路特大桥为跨径295 m中承式钢箱提篮拱桥，其主桥拱座基础采用井筒式地连墙基础[21]。基础平面尺寸为16 m(顺)×12 m(横)，分为4个格室，墙深14 m、厚1 m。基础从上到下置于强风化、中风化片麻岩和中风化正长岩地层。但该基础工程因施工不顺利而进行了设计方案变更。国内还有个别桥梁亦开展了类似的应用实践。

2.3.2 国内桥梁探索研究

在苏通大桥研究阶段，悬索桥锚碇设计方案提出了井筒式地连墙基础概念[18]。其外轮廓尺寸为72 m×59.6 m，深86 m，墙厚2.0 m(图2)。该方案从地质条件、规模、受力特征等方面均为典型井筒式地连墙基础。该桥悬索桥方案未予实施。

图2 苏通大桥锚碇井筒式地连墙基础概念设计方案(单位：cm)Fig. 2 Conceptual design scheme of shaft underground diaphragmwall foundation for anchorage of sutong bridge

清远西江特大桥提出了一种分体井筒式地连墙锚碇基础方案[22]。其采用在顺桥向净距12.3 m前后分体设置的矩形井筒式地连墙基础，单个井筒平面尺寸为42 m(横)×18.6 m(顺)，墙厚均为1.2 m，分成8个格室。其基础总深37.2～53.3 m，墙体嵌入中风化岩层深度不小于3 m。

建设中的四川卡哈洛金沙江大桥设计采用了类似方案。

2.3.3 日本的工程应用实践

如2.2节所述，桥梁地连墙基础在日本应用广泛且成熟，其中就包括井筒式地连墙基础，而且是日本开创了井筒式地连墙桥梁基础工程实践的先河。迄今为止，日本已在数十多座桥梁中采用了井筒式地连墙基础[5,19]。其中具有代表性的有青森大桥、北浦港桥、幸魂大桥、新河川桥等大跨桥梁。其中青森大桥主塔墩基础平面尺寸为20.5 m×30 m，为2×3的6格室断面，墙厚1.5 m，基础总深42 m。

2.4 地连墙复合基础

若将锚块作为直接基础，则2.2节所述土耳其恰纳卡莱大桥锚碇基础亦属于地连墙复合基础。国内尚未有地连墙复合基础工程应用实例，但几座悬索桥做了一定设计探索，并有望在最新的工程中付诸实施。

2.4.1 江阴长江大桥初步设计方案

江阴长江大桥北锚碇方案初步设计曾提出地连墙复合基础概念[18]，采用矩形井筒式布置(图3)。先对基底一定厚度地基进行加固处理，然后在格室内开挖21 m，再施工封底底板和内部结构。该方案尽管墙体均采用地连墙，但对内部土体进行了开挖，并设置了底板，因而并非为井筒式地连墙基础而为复合基础。该方案未予实施。

图3 江阴大桥北锚碇地连墙复合基础设计方案(单位：cm)Fig. 3 Design of composite foundation for underground diaphragmwall for north anchorage of Jiangyin Bridge

2.4.2 南京长江四桥初步设计方案研究

为降低投入及施工风险，早在2006年初步设计时就对北锚碇研究设计了3个新型地连墙复合基础方案[23]。3个方案均在外围构筑外径为70 m、厚1.5 m的圆型地连墙，墙底进入泥质胶结强风化粉砂岩。3个方案不同之处在于：方案1为条壁式地连墙复合基础，其筒内上部开挖28 m土体后采用逆筑法施工上半部基础(由底板、内部结构和顶板组成)，与恰纳卡莱大桥锚碇基础十分类似，如图4(a)；方案2为圆形井筒式地连墙复合基础，其下半部分属于典型的井筒式地连墙，上部约一半深度进行基坑开挖并施工扩大基础，如图4(b)；方案3为条壁式地连墙群复合基础，其外周为地连墙，下半部内部为条壁式地连墙群，上部超过一半深度进行基坑开挖并施工扩大基础，如图4(c)。

图4 南京长江四桥锚碇地连墙复合基础设计方案(单位：cm)Fig. 4 Design scheme of composite foundation for underground diaphragm wall for anchorage of Nanjing Yangtze River No. 4 Bridge

上述3个方案由于缺乏规范依据、设计施工技术不成熟、数值计算变形超标等原因而均未予推荐。

2.4.3 张皋长江通道设计方案

正处于设计阶段的世界第一悬索桥——主跨为2 300 m的张皋长江通道悬索桥锚碇拟采用地连墙复合基础方案[24]。该方案与2.4.1节所述江阴大桥初设方案类似，但在外周地连墙构造上存在区别，且整体规模更大。地连墙矩形井筒式平面外轮廓尺寸为105 m×70 m，中分18个隔室，墙厚1.5 m，外墙深70 m，内墙深57 m，墙段间采用刚性接头。先对基底17 m厚地基进行处理，然后在格室内开挖40 m，再施工封底底板和内部结构。为保证整体性及受力需要，外周采用双层地连墙布设，墙间净距3 m，并设置小格室。在对基础内部实施开挖前，先对外周双层地连墙之间的土体进行开挖并浇筑封底和填芯混凝土。预期该桥该方案的成功实施必将在地连墙复合基础方面取得突破性成就和示范性效果。

3 完全地连墙基础发展的制约因素及解决路径

3.1 制约完全地连墙基础应用发展的主要因素

自上世纪90年代特别是近15年以来，已有不少学者和工程师将日本完全地连墙基础相关的研究成果和资料引入国内，并结合科研项目和工程实践相继开展了试验研究、理论分析和设计探索，对计算分析和设计方法做了有益的探讨[25-65]，反映出桥梁工程界对完全地连墙基础付诸实践的极大兴趣和积极性。但令人遗憾的是，一直以来特别是在我国桥梁高速发展的近20年里，完全地连墙基础在我国桥梁领域的应用仍少之又少，原因是多方面的。

3.1.1 直接因素

在受力机理及设计方法方面，基础研究不足。完全地连墙特别是井筒式地连墙基础的承载机制、基础-地基共同作用机理和受力规律尚未研究清楚。尽管一些研究取得了一定成果，但其正确性和准确性尚缺乏足够验证，而且此类研究工作样本和工作量仍十分有限，进而还未形成较为成熟的设计计算方法和规范指导，直接制约着地连墙作为桥梁基础的应用和发展。

在施工技术方面，地连墙刚性接头特别是大深度刚性接头的设计施工关键技术未解决，超高垂直精度的成槽装备及控制技术发展缓慢。

在实践经验方面，工程应用少且经验积累不足。此与设计施工方面的不足互为因果，未形成良性循环。

3.1.2 间接因素

以下间接因素亦均制约着桥梁完全地连墙基础的应用和发展：建设者特别是设计师的主动意识不强，缺乏足够的创新勇气；单个项目、短期内投入产出不平衡；系统性研究的外部资源条件不充分；行业重视和支持力度不够等。

3.2 关键问题及解决路径

3.2.1 试验研究及设计方法

1)条壁式地连墙基础

有关学者对单壁式、“十、L”字复壁式地连墙基础开展了一定的试验研究和理论分析工作，取得了初步成果[25-41]，但多未得到重视和应用。试验研究主要集中于单片地连墙，且仍十分有限，对多壁式和复合条壁式地连墙基础尚缺乏足够的理论和试验研究，尚需开展大量深入的研究。

对泥浆护壁条件下墙身混凝土与土的接触面剪切特性、墙身摩阻力的发挥机理、地连墙不同于圆形桩的几何形状对其施工(成墙)效应和承载特性的影响、复壁式地连墙的群墙效应等方面有必要开展进一步的试验和理论研究。

针对条壁式地连墙基础的承载能力和结构受力，目前尚无针对性成熟计算方法。可结合试验采用m法、p-y曲线法及能量法等进行设计计算。根据研究，在缺乏原型荷载试验的情况下，对单壁式地连墙可参照钻孔桩进行设计并考虑有关因素影响。有关学者理论推导的受力及沉降等计算公式亦可参考使用。

2)井筒式地连墙基础

有关学者对井筒式地连墙基础受力机理、承载特性和计算方法开展了一定的现场、室内模型试验和理论研究，研究内容延伸到地基负摩阻力、地震液化、结构动力性能等，取得了一定成果[41-65]，但仍然十分有限，且缺乏足够的验证。针对土芯对基础承载力贡献情况的实际测试十分困难。采用自平衡法进行的现场竖向载荷试验未研究内侧土芯对承载力的贡献，未考察顶板的作用。又因其水平受荷机理复杂，抗弯刚度大，直接进行现场水平荷载试验存在困难，所以往往先对设计基础进行一定缩尺，并取其中单片墙进行试验。此类间接研究方法会导致得出结论的不准确性。而且水平载荷试验大多局限于对水平承载力的研究，未对水平承载特性和机理作进一步的分析和探讨。开展的模型试验多为小模型试验，仅得出了基本规律，尚不能应用于实践。总之，目前对井筒式地连墙基础的承载特性、墙体-地基共同作用、顶板的荷载承担状况、群墙效应、墙端土拱效应、地基抗力分布及变化规律还缺乏足够的认识和大量深入的研究。

有学者利用各种理论，初步研究推导了地基在弹、塑性状态下弹性和刚性井筒式地连墙基础内力与变位的计算公式和方法，但均需进一步完善和验证。

针对井筒式地连墙基础的承载能力和结构受力，目前尚未形成较为成熟的设计计算方法，可初步采用经验性较强的4种地基弹簧模型、8种地基弹簧模型、桩基础法等近似方法进行计算。但各地基抗力系数的准确模拟计算成为结果是否正确的关键，需通过系统的试验实测和理论分析进行验证。有关学者理论推导提出的竖向承载力、水平向承载力、沉降和基础内力计算方法及公式亦可参考使用。

3.2.2 刚性接头

从工艺上，接头箱接头、隔板式接头、H形或异形钢板均可施工形成刚性接头[66-69]。从受力上，可分为钢筋搭接刚性接头和通过钢板端部阴阳锁扣(套管)或榫头形成的刚性接头。由于处于地下和泥浆中，且锁扣(榫头)间存在空隙，加上成槽垂直度、泥浆指标、沉渣厚度、钢筋笼制作等施工质量均会一定程度影响接头刚接性能。常规的成槽垂直度制约传统刚性接头的深度一般在约30 m以内。只有不断提升施工控制技术从而不断提高成槽垂直度并研发优化接头构造，才能不断提高刚性接头的深度和刚度，从而提高井筒式地连墙的适应能力和范围。

桥梁上部结构不断发展成熟的钢-混结合技术为刚性结构的构造优化提供了思路，可尝试将之应用于地连墙等地下结构。如可采用在以往H钢板接头基础上，在腹板焊接足够宽度的开孔板连接键形成刚性接头(图5)[70]。此类构造能较好适应槽段垂直度并能保证墙段间的良好结合。在进一步提高施工精度和质量基础上，可推广应用于深度达50 m或以上的地连墙，由此推进井筒式地连墙基础的技术进步和实践。

图5 新型刚性接头构造方案Fig. 5 New rigid joint construction scheme

3.2.3 工程实践

理论分析和试验研究均有其局限性，但不能因此而裹足不前。在现有已取得的研究成果和实践经验基础上，积极开展规模由小到大的典型代表性基础工程的设计和施工，并基于实际工程开展施工及运营期的测试和分析研究工作，修正之前的设计方法，进而指导下一个工程应用。同时随着工程应用的增多，施工精度和技术、设备保证能力亦将大幅度的提高，高品质地连墙的施工亦将成为可能。如此反复得以促进技术进步，并逐步制订形成技术规范，使设计施工有章可循。

4 结语与展望

根据地连墙在桥梁基础中应用的实际情况、典型结构及受力特征，划分并定义了地连墙基础类型。各类地连墙基础在我国均得到了不同程度的工程实践和探索。完全地连墙基础综合优势突出，但其发展受到诸多因素制约，努力寻求突破制约的解决之道并加快推进桥梁完全地下连续墙基础工程实践意义重大且时不我待。

在建设条件适宜且相同前提下，相对于其它各类基础，完全地连墙基础在结构、施工、安全、经济、环保等方面具有独特优势和竞争力，与国家高质量发展理念契合度高，预期具有广阔应用前景。

短期内，对于一般地质条件，悬索桥重力式锚碇部分地连墙基础仍将作为综合比选较优的方案广泛应用于工程实践。对部分地连墙基础，进一步研究基底以下地连墙的嵌固作用对锚碇整体稳定性的受力机理和贡献，随着研究样本的增多和成果的成熟，同时在设计上明确将地连墙与基础主体结构可靠相连，进而降低基础工程规模形成优化方案并付诸实施。

在非水区和可围堰或筑岛施工浅水区的桥塔及悬索桥重力式锚碇中应用井筒式地连墙基础或井筒式与条壁式同时使用的复合地连墙基础，具有很强的实际需求和现实意义。在常规桥梁特别是有抗震需求的桥梁基础中广泛应用条壁式地连墙基础具有普遍价值。

广泛深入开展井筒式地连墙及复壁式基础的理论和试验研究，在此基础上提出科学合理的计算和设计方法，并编制从项目专用到推广普及的设计指南和技术规范，是发展的路径和工作重点。

进一步提高地连墙槽段垂直和水平偏差精度是施工智能化技术进步的必然目标。超深地连墙刚性接头的结构型式和施工技术将得到研发并取得成功。随着设计施工技术的更加成熟、高效能成槽机具的广泛应用和综合费用的降低，完全地连墙基础的应用将会越来越多，形成良性循环局面。

对地连墙与其它基础形式组合的复合基础，预期会在较少特殊条件和需求的工程项目中提出设计方案并开展必要的研究，在获得可信的承载机理、荷载分担规律、提出安全保证措施等工作基础上，有望获得尝试性实践，从而推动基础技术进步。

设计是工程的龙头和灵魂。桥梁设计应增强主观能动性，积极领衔开展完全地连墙基础的研究与应用。投资和总承包项目建设管理模式将更有力保障新型而富有价值的基础方案的研究和应用。