一种保护跨越基坑的地下高压电缆箱涵的设计施工方法与流程

本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的方法，具体是一种用现浇支架对跨越基坑的地下高压电缆箱涵进行保护的设计施工方法。

背景技术：

近年来，随着我国城市化进程的加快和城市人口的快速增长，城市地面交通系统日益拥堵，城市轨道交通在各大中城市中得以迅速发展。在城市轨道交通的施工中，经常会遇到地下高压电缆等城市地下管线。在施工过程中，部分施工单位为赶工期强行施工，极有可能迫使地下高压电缆等城市地下管线出现大变形或产生破坏。而地下高压电缆等地下管线是保障城市运行的重要基础设施，尤其是地下高压电缆，重要性高，影响大。而地下高压电缆常常在城市轨道交通车站基坑和隧道施工通道处出现，难以避免，必须加以保护。目前对地下高压电缆的保护措施通常是切改地下管线，或将地下高压电缆临时移位到扩大的路面，待工程完成后再移至原位。但是地下高压电缆的改迁移位不仅耗资高，耗时长，耽误工期，而且严重妨碍附近居民的正常生活。若能在地下高压电缆原地进行保护，将大大简化保护措施，减少人力财力的浪费，减轻对社会的影响。因此，发明一种高压电缆原位保护的设计施工工艺具有十分重要的工程应用价值。

经过对现有专利检索发现，现有的对高压电缆的原位保护施工方法主要涉及电缆箱涵的悬吊保护方法，中国专利申请号为201410853049.1，申请公布号为cn104518473a，专利名称为：电缆箱涵管线悬吊保护结构及方法，该专利自述为：“本发明通过在电缆箱涵两侧的桩的顶部纵向平行搁置大梁，在所述大梁上间隔设置若干顶部型钢，开挖箱涵两侧土体，在箱涵底部铺设钢板，对应顶部型钢设置底部型钢，再用钢丝绳连接顶部和底部型钢对箱涵进行悬吊。”然而，该发明所述的电缆箱涵保护方法要求箱涵所在位置旁边有平行设置的搁置大梁，对于没有搁置大梁的隧道施工通道上电缆箱涵的保护并不适用，同时，该技术采用钢丝绳进行悬吊保护，大荷载下长时间的悬吊容易使钢丝绳发生蠕变，而且现场施工状态下由于运输设备频繁出入现场，稍有不慎就可能碰到悬吊装置的钢丝绳，使箱涵左右摇晃，而钢丝绳则可能会出现受力不均，局部应力增大，出现断裂，严重时可能造成事故，危害施工人员生命，浪费社会财富。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的上述不足，提出一种简单、方便、可靠的用现浇支架对跨越基坑的地下高压电缆箱涵进行保护的设计施工方法，用严密的设计计算，为轨道交通的施工中地下管线的保护问题提出合理可靠的解决办法，避免了施工工期的延长，施工造价的增加以及施工对社会的不利影响。

本发明使通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种保护跨越基坑的地下高压电缆箱涵的设计施工方法，包括以下步骤：

第一步、收集电缆箱涵相关资料，确定电缆箱涵整体性；包括：

(1)根据电缆箱涵的相关资料，确定电缆箱涵重量g；

(2)根据电缆箱涵重量g、尺寸以及电缆箱涵混凝土强度，确定若不施加保护措施、电缆箱涵自然悬吊时的最大弯矩mmax和惯性矩i；

(3)确定电缆箱涵悬吊时的最大正应力σmax，并对比电缆箱涵混凝土的许用拉应力[σ]，根据《混凝土结构设计规范》(gb50010-2010)取得，校核电缆箱涵的整体性强度；所述σmax由下式确定：

对于[σ]<σmax，表示若不施加保护措施、使电缆箱涵自然悬吊，电缆箱涵会遭到破坏，电缆箱涵的整体性不好，需要提前进行支护；

第二步、测量放样，确定电缆箱涵和围护桩位置；

即：利用全站仪根据施工图纸，确定电缆箱涵和位于基坑两边、电缆箱涵两侧且最靠近电缆箱涵的四个围护桩位置，由至少两人复核；在电缆箱涵的轮廓上选择表示轮廓线的8～12个点做好标记，在标记间拉上细线，并在围护桩中心位置做好标记，在相邻两围护桩之间拉上细线，并沿着细线在地面洒上白灰；

第三步、开挖电缆箱涵两侧土体，预设工字钢梁；包括：

(1)用挖掘机开挖基坑内距离箱涵50cm以上的电缆箱涵两侧土体；

(2)采用人工方式，开挖基坑内电缆箱涵两侧剩余全部土体，形成电缆沟；

(3)采用人工方式，在基坑侧壁开挖四个凹槽，使四个凹槽分别位于基坑边上四个围护桩远离箱涵一侧且紧挨围护桩，并保持凹槽底部与电缆沟底部齐平；

(4)用电焊机焊接工字钢制备两个工字钢梁，用吊机起吊两工字钢梁，沿电缆箱涵纵向放置于基坑侧壁开挖好的四个凹槽内，使工字钢梁的两端均靠近电缆箱涵侧并平行于电缆箱涵设置，并用工字钢固定夹进行固定，使工字钢梁保持竖直；

(5)校核工字钢梁强度

工字钢梁的强度满足公式：

[σ]2>σ2max

其中：[σ]2为工字钢梁的许用应力，根据《钢结构设计规范》(gb50017-2014)中表3.4.1-1取得；σ2max为焊接后的工字钢梁受到的最大弯曲正应力，σ2max由下式确定：

式中：m2max为焊接后的工字钢梁上的最大弯矩，y2为焊接后的工字钢梁高度的一半，iz1为焊接后的工字钢梁截面对其中性轴惯性矩；

对于σ2max<[σ]2，表示设计满足要求；对于σ2max>[σ]2，表示设计不满足要求，则更换工字钢梁规格，并重新设计；

第四步、人工掏除箱涵下部凹槽土，并施加工字钢连杆；包括：

(1)在电缆箱涵底部的土体中沿电缆箱涵纵向均匀采用人工开挖方式掏出土体形成凹槽，开挖前在设计的凹槽底部拉上水平线保持凹槽底部在同一水平面；

(2)在每个凹槽内分别放置工字钢连杆于两个工字钢梁上，并用电焊机焊接工字钢连杆与两个工字钢梁，以形成两个完整的工字钢架，焊接时保持工字钢连杆与两个工字钢梁垂直；

(3)校核工字钢连杆的强度

工字钢连杆的强度满足公式：

[σ]3>σ3max

其中：[σ]3为工字钢连杆的许用应力，根据《钢结构设计规范》(gb50017-2014)中表3.4.1-1取得；σ3max为工字钢连杆的最大弯曲正应力，σ3max由下式确定：

式中：m3max为工字钢连杆上的最大弯矩，y3为工字钢连杆高度的一半；iz2为工字钢连杆截面对其中性轴的惯性矩，由规范热轧型钢(gb/t706-2008)确定；

对于σ3max<[σ]3，表示设计满足要求，对于σ3max>[σ]3，表示设计不满足要求，则更换工字钢连杆规格，并重新设计；

第五步、在每个工字钢连杆的两端分别用三根方钢焊接三角形方钢架：

(1)第一根方钢用电焊机焊接于工字钢连杆的翼缘上，并预留出距离电缆箱涵2～3cm的位置；

(2)第二根方钢竖直焊接于第一根方钢靠近电缆箱涵的一端，并与电缆箱涵距离保持为2～3cm；

(3)第三根方钢的两端用电焊机分别焊焊接于第一根方钢远离箱涵的一端和第二根方钢的上端头，与前两根方钢组成一个三角形；

第六步、抬升工字钢架并锚固；包括：

(1)卸去工字钢固定夹，用吊机抬升工字钢架与电缆箱涵底部轻微接触，并使工字钢连杆两端的三角形钢架与电缆箱涵的距离均为2～3cm，再对工字钢架的四个端头与其所在凹槽底部土体之间的缝隙用钢砌块进行填充；

(2)对工字钢架四个端头所在的四个凹槽设立长100cm宽50cm高100cm的模板，并浇筑混凝土锚固；

(3)校核浇筑混凝土强度

所述浇筑混凝土在强度上满足公式：

[fc]＞p

式中：[fc]为混凝土抗压强度；p为混凝土实际受到工字钢梁的压强，p由下式确定：

式中：g为电缆箱涵重量；a为工字钢梁在混凝土中的底面积；

对于p<[fc]，表示设计满足要求；对于p>[fc]，表示设计不满足要求，则更换浇筑混凝土种类，并重新设计；

第七步、待混凝土硬化后，人工掏除放置工字钢连杆的凹槽间土体，并在电缆箱涵的下方与工字钢连杆之间焊接钢筋网片，并喷射混凝土锚固。

优选地，第一步中，所述相关资料为电缆箱涵的设计图纸，包括：电缆箱涵横断面图及尺寸即电缆箱涵的长l、宽b、高h，电缆箱涵混凝土的类型、密度ρc、厚度d及许用拉应力[σ]，电缆箱涵内电缆线密度ρl及长度l1。

优选地，第一步的(1)中，所述电缆箱涵重量g由下述公式确定：

g＝ρcg×2[lbh+(h-2d)d(l+b)]+ρlg×l1

式中：ρc为电缆箱涵混凝土密度，l为电缆箱涵长度，b为电缆箱涵宽度，h为电缆箱涵高度，d为电缆箱涵混凝土厚度，g为当地重力加速度，ρl为电缆箱涵内电缆线密度，l1为电缆箱涵内电缆长度。

优选地，第一步的(2)中：

所述电缆箱涵自然悬吊时的最大弯矩mmax由下式确定：

所述电缆箱涵自然悬吊时的惯性矩i由下式确定：

优选地，第三步的(1)中，所述开挖电缆箱涵两侧土体边坡坡率控制为1:1，开挖的深度为电缆箱涵底部以下74cm。

优选地，第三步的(2)中，所述电缆沟的宽度控制为200cm，电缆沟的开挖长度为基坑的宽度。

优选地，第三步的(3)中，四个所述凹槽的尺寸均为：高度100cm、宽度50cm、深度100cm。

优选地，第三步的(4)中，每个所述工字钢梁均由两根规格为i20b的q235普通工字钢及两根规格为i18的q235普通工字钢焊接而成，焊接时两根i18工字钢在中间、两根i20b工字钢分别焊接于一根i18工字钢的上下两端，并保证两根i20b工字钢和两根i18工字钢的腹板在焊接时在同一竖直平面；

所述两根i20b工字钢和两根i18工字钢的长度均为电缆箱涵跨越的基坑宽度+200cm。

优选地，第三步的(5)中：

所述m2max由下式确定：

其中因此，

所述iz1由下式确定：

式中：i18为i18工字钢截面对其中性轴的惯性矩，i20b为i20b工字钢截面对其中性轴的惯性矩，i18和i20b由规范热轧型钢(gb/t706-2008)确定；h18为i18工字钢的高度，h20为i20b工字钢的高度，a18为i18工字钢的面积，a20为i20b工字钢的面积。

优选地，第四步的(1)中，每个所述凹槽间隔保持为100cm，凹槽的规格为20cm×20cm，凹槽的个数与工字钢连杆的个数相同。

优选地，第四步的(2)中，所述工字钢连杆为规格i10的q235工字钢，工字钢连杆的长度为两个工字钢梁间的距离。

优选地，第四步的(3)中，所述m3max由下式确定：

式中：g为电缆箱涵重量，n为工字钢连杆的个数；l3为工字钢连杆的长度；

因此：

优选地，第四步(3)中，所述iz2为工字钢连杆i10的q235工字钢截面对其中性轴的惯性矩，由规范热轧型钢(gb/t706-2008)确定。

优选地，第五步中，所述方钢为边长5cm的方钢。

优选地，第五步的(1)中，所述第一根方钢的长度为工字钢连杆端头到电缆箱涵边上2～3cm位置的距离。

更优选地，第五步的(2)中，所述第二根方钢的长度为电缆箱涵高度的三分之二。

更优选地，第五步的(3)中，所述第三根方钢的长度为第一根方钢远离电缆箱涵的端头到第二根方钢上端头的距离。

优选地，第六步的(2)中，所述混凝土为c30微膨胀混凝土。

优选地，第六步的(3)中，所述a由下式确定：

a＝l1×d1

式中：l1为工字钢梁嵌入两端混凝土中的长度，d1为工字钢梁的腿宽。

优选地，第七步中，所述钢筋网片为12@150mm钢筋网。

优选地，第七步中，所述混凝土为c25早强混凝土。

本发明与现有技术相比较，具有如下有益效果：

本发明所述方法有效地解决了在隧道施工通道上埋有地下高压电缆箱涵的问题，用工字钢的支撑更有效地保证了电缆箱涵的安全，避免了高压电缆箱涵的搬迁工作，为整个施工过程节约了工期，提高了施工效率，节省了搬迁费用，降低了施工成本，并减轻了对周围居民的影响。

附图说明

通过阅读参照以下附图对现浇钢架保护地下高压电缆箱涵施工方法实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的电缆箱涵保护平面图；

图2为本发明一优选实施例的电缆箱涵保护剖面图；

图3为本发明一优选实施例的电缆箱涵保护侧面图；

图中：

1为工字钢梁，1-1为i20b工字钢，1-2为i18工字钢；2为i10工字钢连杆；3为三角形方钢架，3-1为水平方钢，3-2为竖直方钢，3-3为斜边方钢；4为钢筋网；5为电缆箱涵；6为基坑围护桩；7为基坑边坡分界线，8为放置工字钢连杆的凹槽，9为填充c30微膨胀混凝土的凹槽。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

以重庆某轻轨线路为例，所涉及到的电缆箱涵为110kv高压电缆箱涵，电缆箱涵截面尺寸为1.7m(宽)×1.5m(高)，电缆箱涵横跨基坑长度为21m；位于隧道出入施工通道上，埋藏在地下约1m深处。施工通道两边布置的围护桩直径为70cm，间距为210cm，且位于电缆箱涵两侧。

为防止施工通道的开挖引起电缆箱涵悬空，一种采用现浇混凝土支架保护跨越基坑的地下高压电缆箱涵的设计施工方法的平面图、剖面图、侧面图分别如图1、图2、图3所示；所述方法具体包括以下步骤：

第一步、收集电缆箱涵相关资料，确定电缆箱涵整体性

所述电缆箱涵相关资料即为电缆箱涵的尺寸：长l为21m、宽b为1.7m、高h为1.5m；电缆箱涵混凝土为c30混凝土，其防渗等级s6、密度ρc为2.38×10³kg/m³，根据《混凝土结构设计规范》(gb50010-2010)电缆箱涵混凝土的许用拉应力[σ]为1.43n/mm²、厚度d为0.3m；电缆箱涵内的电缆线密度ρl为32.5kg/m、长度l为21m；当地重力加速度g取9.8n/kg。

(1)根据电缆箱涵相关资料，确定电缆箱涵重量g为：

g＝ρcg×2[lbh+(h-2d)d(l+b)]+ρlg×l1

＝2.38×10³×9.8×2×[21×0.3×1.5+(1.5-2×0.3)×0.3×(21+1.7)]+32.5×9.8×21

＝733417.69n

(2)确定悬吊电缆箱涵的最大弯矩mmax和惯性矩i分别为：

(3)确定电缆箱涵悬吊时的最大正应力σmax，并对比该混凝土的许用拉应力[σ]，以校核电缆箱涵的整体性强度：

[σ]＝1.43mpa<σmax＝10.83mpa，若悬吊电缆箱涵必然会遭到破坏，须提前支护。

第二步、测量放线，确定电缆箱涵和基坑围护桩位置

(1)根据设计图纸，计算电缆箱涵5和基坑围护桩6轮廓点坐标，选用tcr402全站仪对上述轮廓点进行坐标放样，并由两人复核通过；

(2)在放样时，在电缆箱涵5的两侧轮廓线上各做好5个标记，并在标记间拉上细线，在四个基坑围护桩6桩心做好标记，用白灰撒在细线和基坑围护桩6桩心上作为标示。

第三步、开挖电缆箱涵两侧土体，预设工字钢梁

(1)利用细线对距电缆箱涵5两侧50cm处进行标示并洒白灰，用p315c挖掘机距电缆箱涵5的50cm处开始向远离电缆箱涵5方向进行开挖，开挖边坡坡率控制为1:1，开挖深度为电缆箱涵5底部以下100cm，开挖宽度为150cm；对电缆箱涵5两侧靠近电缆箱涵5的剩余土体采用人工开挖的方式挖除，形成电缆沟；

(2)采用人工方式，在施工通道基坑边上四个基坑围护桩6远离电缆箱涵5的一侧，分别开挖一个以电缆沟地面为底，长100cm、宽50cm、高100cm的凹槽9(该凹槽用于填充c30微膨胀混凝土)；

(3)制备23m长的钢材q235的i20b工字钢1-1四根、23m长的钢材q235的i18工字钢1-2两根，分别将一根i20b工字钢1-1之间用一根i18工字钢1-2焊接连接，得到两根焊接好的工字钢梁1；

(4)采用吊机分别将上述焊接好的两根工字钢梁1架设于电缆箱涵5两侧电缆沟中带凹槽部分、距离电缆箱涵5为10cm，每根工字钢梁1的两端各插入凹槽内100cm，并使两根工字钢梁1与电缆箱涵5纵向平行；再用工字钢固定夹对两根工字钢梁1进行固定，并用工字钢固定夹保持两根工字钢梁1竖直；

(5)校核工字钢梁强度

所选工字钢梁1在强度上满足以下公式：

[σ]2>σ2max，

式中：[σ]2为工字钢梁的许用应力，由工字钢的材料以及厚度决定，根据《钢结构设计规范》(gb50017-2014)表3.4.1-1，[σ]2取205mpa；σ2max满足以下公式：

式中：

y2为焊接后的工字钢梁高度的一半，由i20b工字钢与i18工字钢焊接后的工字钢梁中y2＝38cm；

m2max由下式

确定为320870.24n·m；

iz1由下式确定：

因此：

[σ]2＝205mpa>σ3max＝161.85mpa，满足设计要求。

第四步、人工掏除下部凹槽土体，并施加连杆

(1)采用人工方式，在电缆箱涵5底下掏除土体挖槽，形成凹槽8(该凹槽用于放置工字钢连杆)，其规格为20cm×20cm，每个凹槽8的间距为100cm，记下凹槽8的个数n为18个；

(2)在每个凹槽8内放入钢材为q235的i10工字钢连杆2作为连杆，i10工字钢连杆2的长度为410cm；

(3)再焊接i10工字钢连杆2与两根工字钢梁1，保持焊接时i10工字钢连杆2与两根工字钢梁1垂直，形成一个完整的工字钢架；

(4)校核工字钢连杆强度

所选i10工字钢连杆2应强度上满足公式：

[σ]3>σ3max

式中，[σ]3为工字钢连杆的许用应力，根据《钢结构设计规范》(gb50017-2014)，[σ]3取205mpa；σ3max满足以下公式：

式中：y3为工字钢连杆高度的一半，i10工字钢中y3＝5cm；iz2为工字钢连杆截面对其中性轴的惯性矩，i10工字钢中iz2＝245cm⁴；m3max由下式：

确定为6790.9n·m；

因此：

[σ]3＝205mpa>σ3max＝138.59mpa，满足设计要求。

第五步、在每个工字钢连杆的两端各用三根方钢分别焊接三角形钢架；具体的：

(1)制备三根边长为5cm的方钢，分别为长度98cm的水平方钢3-1、100cm的竖直方钢3-2、155cm的斜边方钢3-3；

(2)焊接长98cm的水平方钢3-1于i10工字钢连杆2一端上，并保持其与电缆箱涵5的距离为2cm；再竖直焊接长100cm的竖直方钢3-2于水平方钢3-1靠近电缆箱涵5一侧端头，并保持竖直方钢3-2与电缆箱涵5的距离为2cm；再焊接140cm的斜边方钢3-3与水平方钢3-1、竖直方钢3-2组成三角形方钢架3，焊接时斜边方钢3-3的两端分别焊接于水平方钢3-1和竖直方钢3-2的端头。

第六步、抬升工字钢架并锚固

(1)卸下工字钢固定夹，采用吊机提升工字钢架，使i10工字钢连杆2与电缆沟底刚好接触，并使i10工字钢连杆2两端的三角形方钢架3与电缆箱涵5距离均为2cm，再对工字钢架1的四个端头与其凹槽9底部土体之间的缝隙用钢砌块填充；

(2)在施工通道基坑边上凹槽9内设立长100cm、宽50cm、高100cm的模板，对工字钢架1的四个端头浇筑c30微膨胀混凝土进行锚固；

(3)校核所选混凝土强度；

所述c30微膨胀混凝土在强度上应满足公式：

[fc]＞p，

式中：[fc]为c30微膨胀混凝土抗压强度，[fc]＝14.3mpa；p为c30微膨胀混凝土实际受到工字钢梁的压强，所述p由下式确定：

式中：g为电缆箱涵5自重；a为工字钢梁1在c30微膨胀混凝土中的底面积，a由下式确定：

a＝l1×d1＝100×10.2＝1020cm²，

式中：l1为工字钢梁1嵌入两端c30微膨胀混凝土中的长度，l1＝100cm；d1为工字钢梁1的腿宽，d1＝10.2cm；

因此：

因此：p＝1.79mpa<[fc]＝14.3mpa，满足设计要求。

第七步、待混凝土硬化后，采用人工方式，掏除电缆箱涵下方凹槽8之间土体，并在电缆箱涵下方i10工字钢连杆2之间焊接12@150mm的钢筋网4，并喷射c25早强混凝土进行锚固。

本发明所述方法有效地解决了在隧道施工通道上埋有地下高压电缆箱涵的问题，用工字钢的支撑更有效地保证了电缆箱涵的安全，避免了高压电缆箱涵的搬迁工作，为整个施工过程节约了工期，提高了施工效率，节省了搬迁费用，降低了施工成本，并减轻了对周围居民的影响。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。