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        重載鐵路隧道設(shè)計(jì)技術(shù)探討

        2012-08-01 02:50:44趙晉友周書明
        隧道建設(shè)(中英文) 2012年3期
        關(guān)鍵詞:圍巖鐵路結(jié)構(gòu)

        趙晉友,周 魯,周書明

        (中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,天津 300133)

        0 引言

        重載鐵路由于其高效率性,已成為世界各國(guó)鐵路貨運(yùn)發(fā)展的方向,也是我國(guó)解決目前鐵路運(yùn)輸能力緊張的重要措施。目前我國(guó)重載運(yùn)輸線路長(zhǎng)1.6萬(wàn)km,其中京廣、京滬、京哈、朔黃等線列車軸質(zhì)量25 t,單列質(zhì)量超過(guò)5 000 t;而1992年運(yùn)營(yíng)的大秦線,列車軸質(zhì)量達(dá)27 t,近8年來(lái)運(yùn)量都超過(guò)了1.5億t。

        如今隧道在鐵路線路中比例越來(lái)越大(截至2009年12月運(yùn)營(yíng)鐵路隧道8 900座(約6 000 km)、在建隧道約2 500座(約4 600 km)、規(guī)劃隧道約5 000座(約9 000km)),而鐵路隧道病害頻發(fā)(據(jù)統(tǒng)計(jì)約30%隧道因病害影響運(yùn)營(yíng)[1])。對(duì)于此,國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較多,如:文獻(xiàn)[2]從選線、設(shè)計(jì)、施工養(yǎng)護(hù)等各階段對(duì)鐵路隧道病害進(jìn)行了初步歸納并分析了其成因;文獻(xiàn)[3]通過(guò)沈陽(yáng)鐵路局管段隧道為例,對(duì)隧道限界小、漏水、襯砌裂損及排水溝年久失修等病害做了介紹,并闡述了整治方案;文獻(xiàn)[4]針對(duì)某運(yùn)營(yíng)隧道邊墻鼓裂,拱腳開裂、排水溝淤積等病害研究了整治方案;文獻(xiàn)[5]根據(jù)成因的不同,將隧道病害分為水害、襯砌裂損、襯砌腐蝕、隧道凍害等多種,并對(duì)其原因及整治做了探討,為隧道設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)參考。但對(duì)重載鐵路隧道的病害缺乏系統(tǒng)研究,且國(guó)內(nèi)尚無(wú)重載鐵路隧道設(shè)計(jì)相關(guān)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn),重載標(biāo)準(zhǔn)下鐵路隧道設(shè)計(jì)缺少參考及依據(jù)。因此,總結(jié)既有重載鐵路隧道病害,并分析研究重載標(biāo)準(zhǔn)下隧道修建技術(shù),為以后重載鐵路設(shè)計(jì)提供參考,是非常有必要的。

        1 重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)

        重載鐵路(Heavy Haul Railways)是用于運(yùn)載大宗散貨的總質(zhì)量大、軸質(zhì)量大的列車、貨車行駛或行車密度和運(yùn)量特大的鐵路。

        國(guó)際重載協(xié)會(huì)先后于1986年、1994年和2005年對(duì)重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了3次修訂。1994年的標(biāo)準(zhǔn)要求重載鐵路滿足以下至少2條:1)列車質(zhì)量至少達(dá)到5 000 t;2)軸質(zhì)量達(dá)到或超過(guò)25 t;3)在長(zhǎng)度至少為150 km的線路上年運(yùn)量不低于2 000萬(wàn)t。

        2005年的標(biāo)準(zhǔn)要求新申請(qǐng)加入國(guó)際重載協(xié)會(huì)的重載鐵路,滿足以下至少2條:1)列車重量不小于8 000t;2)軸質(zhì)量達(dá)27 t以上;3)在長(zhǎng)度不小于150 km線路上年運(yùn)量不低于4 000萬(wàn)t。

        我國(guó)對(duì)重載鐵路暫定義為:“牽引質(zhì)量≥10 000t,軸質(zhì)量≥30 t(改建鐵路軸質(zhì)量≥25 t),年運(yùn)量>50 Mt的鐵路?!?/p>

        2 重載鐵路隧道病害

        2002年鐵道部運(yùn)輸局組織對(duì)大秦鐵路隧道病害調(diào)研資料顯示,大秦線共有52座隧道,總延長(zhǎng)67.197 km,其中隧道嚴(yán)重漏水13座、襯砌嚴(yán)重腐蝕裂損2座、隧道內(nèi)線路翻漿冒泥4座、大多數(shù)隧道洞內(nèi)煤粉污染嚴(yán)重[6]。

        重載鐵路值得關(guān)注的是基底病害。據(jù)大秦病害調(diào)研及部分工務(wù)段秋檢顯示:大秦線茶塢工務(wù)段管41座隧道中4座隧道已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的隧道基底脫空病害,其中軍都山、大黑山隧道最典型;九山隧道部分地段過(guò)車時(shí)除翻冒、流淌白漿外,個(gè)別地段還出現(xiàn)石碴快速下沉、流失的現(xiàn)象;團(tuán)尖隧道鋪底出現(xiàn)順線路方向長(zhǎng)1 m,深0.7 m的陷槽,對(duì)應(yīng)兩側(cè)的邊墻有多條水平裂紋;景忠山隧道出現(xiàn)鋪底已全部損壞,道床嚴(yán)重積水下沉。

        隧道基底病害原因?yàn)?

        1)水是產(chǎn)生隧道基底病害的根源。大量實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),隧道基底發(fā)生翻漿冒泥或脫空病害一般都發(fā)生在富水地層。地下水造成隧道圍巖強(qiáng)度降低,在列車沖擊荷載下或造成隧底地層破碎泥化形成翻漿冒泥,或者長(zhǎng)期掏蝕基底,造成隧底結(jié)構(gòu)脫空;另一方面,地下水也是造成隧道化學(xué)侵蝕和凍害的必要條件。

        2)列車荷載是產(chǎn)生隧道基底病害的重要因素。根據(jù)既有經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)試驗(yàn)研究[7-8],在列車振動(dòng)沖擊荷載的長(zhǎng)期反復(fù)作用下,隧道基底的結(jié)構(gòu)和圍巖受力復(fù)雜,既有壓應(yīng)力,也有剪應(yīng)力及彎拉應(yīng)力。長(zhǎng)期作用下,圍巖強(qiáng)度比原設(shè)計(jì)值大大降低,而隧道基底結(jié)構(gòu)也將產(chǎn)生疲勞破壞。

        3)隧道底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)薄弱,排水措施不當(dāng)。以往我國(guó)鐵路隧道設(shè)計(jì)重拱墻,輕基底。在Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)圍巖地段鋪底普遍采用10~20 cm素混凝土,或不設(shè)底板。但由于在長(zhǎng)期列車動(dòng)載作用下,隧道鋪底極易破壞;在Ⅳ~Ⅵ級(jí)圍巖地段,即使隧道設(shè)置仰拱,但考慮經(jīng)濟(jì)因素,仰拱矢跨比也較小(僅為1/14)。這些積弊也導(dǎo)致以往我國(guó)鐵路隧道基底設(shè)計(jì)薄弱。另外,我國(guó)鐵路隧道的排水溝設(shè)在隧道內(nèi),且以往多采用單側(cè)水溝。水溝不僅排泄隧道內(nèi)產(chǎn)生的各種積水,而且通過(guò)邊墻設(shè)置的泄水孔排泄隧道周圍的圍巖滲水。以往設(shè)計(jì)的水溝底一般高于道床,一旦排水溝破壞堵塞,水就進(jìn)入道床或浸泡隧底填充,在運(yùn)營(yíng)期間易造成隧底結(jié)構(gòu)的破壞。

        4)化學(xué)侵蝕及凍害。在巖溶地區(qū)或酸雨地區(qū)修建隧道,對(duì)地下水腐蝕性調(diào)查不清楚,隧道混凝土抗腐蝕措施不當(dāng)或不足,造成隧道結(jié)構(gòu)受硫酸鹽侵蝕破壞。

        5)隧道基底施工質(zhì)量控制不嚴(yán)。施工單位對(duì)基底工程缺乏應(yīng)有的重視?;炷翝沧⑶埃≡辞謇砀蓛?、在有水的情況下澆注混凝土、隧道底板或仰拱分幅施工等均造成隧底隱患。

        6)隧道維護(hù)不到位。對(duì)隧道的各種病害調(diào)查分析不夠,監(jiān)測(cè)不力,隧道及隧道內(nèi)水溝定期清淤不徹底。

        3 重載鐵路隧道關(guān)鍵技術(shù)

        3.1 單、雙洞方案

        重載長(zhǎng)大隧道應(yīng)特別重視方案研究,宜將隧道選在地層單一、地質(zhì)條件好的地段,避開地下水富集區(qū)及地層松軟地帶。

        關(guān)于雙線鐵路隧道單、雙洞方案的選擇,目前國(guó)內(nèi)主要按長(zhǎng)度來(lái)確定單線隧道、雙線隧道的設(shè)置,如京廣線大瑤山隧道(14.29 km)、朔黃線長(zhǎng)梁山隧道(12.78 km)和西南鐵路東秦嶺隧道(12.28 km)等均采用單洞雙線方案;另外,西康線、蘭新線、石太客專、山西中南部鐵路中也只是在16 km以上的隧道采用2座單線隧道方案。

        針對(duì)重載鐵路貨運(yùn)為主、軸質(zhì)量大、運(yùn)量大等特點(diǎn),重載鐵路隧道方案宜考慮以下幾個(gè)方面:

        1)在富水地層中,宜修建2座單線隧道。宜將輕車隧道放在地下水徑流的上游,標(biāo)高低于重車線,并加強(qiáng)截排水設(shè)計(jì)。

        2)在軟弱地層、不良地質(zhì)地段或黃土地區(qū)修建隧道時(shí),跨度對(duì)隧道工程的影響較大。建議軟弱破碎圍巖段長(zhǎng)大于1 000 m或軟巖高地應(yīng)力段長(zhǎng)大于500 m的隧道、4 km以上突水突泥風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的巖溶隧道,采用2個(gè)單線隧道方案。

        3)從運(yùn)營(yíng)通風(fēng)效果和減少煤粉污染的角度考慮,1 km以上的隧道,雙洞方案能利用列車的“活塞作用”起到一定的通風(fēng)作用,從而減少粉塵堆積、洞內(nèi)污染,從而減少排水溝堵塞。

        4)從維修角度考慮,重載鐵路隧道軌下結(jié)構(gòu)難免出現(xiàn)病害,由于雙洞方案2條線的軌下結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立,更利于運(yùn)營(yíng)期間的大修。

        3.2 隧道結(jié)構(gòu)型式

        針對(duì)鐵路隧道基底病害情況,我國(guó)在2005年對(duì)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行了修訂,提出“單線Ⅲ級(jí)以上、雙線Ⅲ級(jí)及以上地段均應(yīng)設(shè)置仰拱……不設(shè)置仰拱的地段應(yīng)設(shè)置底板,底板厚度不得小于30 cm,并應(yīng)設(shè)置鋼筋……”;在《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中,也提出“Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)圍巖隧道襯砌宜采用曲墻帶底板的結(jié)構(gòu)形式,Ⅲ~Ⅵ級(jí)圍巖隧道襯砌應(yīng)采用曲墻有仰拱的結(jié)構(gòu)形式……Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)圍巖隧道襯砌底板厚度不應(yīng)小于30 cm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C35,并應(yīng)配置雙層鋼筋。仰拱填充混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C20”。

        由上述規(guī)定可知,我國(guó)已經(jīng)對(duì)基底設(shè)計(jì)進(jìn)行了很大加強(qiáng)。對(duì)于重載鐵路,貨運(yùn)軸重標(biāo)準(zhǔn)由原來(lái)的22 t、25 t增加到30 t,列車速度仍維持120 km/h。針對(duì)這一特點(diǎn),國(guó)內(nèi)有研究[9]通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證,30 t軸質(zhì)量列車對(duì)隧道襯砌和基底圍巖的附加應(yīng)力并不大,這與文獻(xiàn)[4-5]的結(jié)論基本相同。因此,重載鐵路隧道結(jié)構(gòu)形式可以參照上述規(guī)范執(zhí)行。

        山西中南部鐵路隧道地層主要是濕陷性黃土、具弱-中膨脹性的黏土、砂巖、泥巖(或砂泥巖互層)、頁(yè)巖、灰?guī)r及粗(細(xì))圓礫土等。經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證:本線Ⅱ級(jí)圍巖地段采用曲墻帶鋼筋混凝土底板的結(jié)構(gòu)形式;Ⅲ級(jí)及以上圍巖段均采取曲墻帶仰拱襯砌斷面形式,仰拱矢跨比,單線隧道取1/6.5,雙線隧道取1/10.5。

        對(duì)富水段落的砂質(zhì)、泥巖等軟弱圍巖地層(或土質(zhì)地層)單線Ⅴ級(jí)、雙線Ⅳ級(jí)及以上圍巖地段,隧道二次襯砌拱墻及仰拱均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其中拱墻40 cm,仰拱厚45 cm(雙線黃土Ⅴ級(jí)仰拱厚50 cm)。

        3.3 隧道防排水

        重載鐵路防排水設(shè)計(jì)重點(diǎn)是隧底排水通暢性及排水系統(tǒng)的可維護(hù)性。一般鐵路隧道內(nèi)縱向排水坡度與線路坡度相同。綜合以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),重載鐵路隧道內(nèi)坡度不應(yīng)小于3‰,建議在富水地層最小縱坡按5‰考慮。

        以往隧道很少在隧道底板設(shè)排水盲溝(管),這樣便造成隧道基底有水排不出,有時(shí)甚至?xí)谒淼阑仔纬奢^大水壓;因此,重載鐵路隧道中在隧底設(shè)縱橫盲管型排水系統(tǒng)。排水系統(tǒng)要與縱向盲管連通。為防止巖層細(xì)粒流失,隧底所有盲管均應(yīng)采用無(wú)紡布包裹。隧底縱向盲管間隔10~15 m設(shè)反濾裝置。

        隧道內(nèi)應(yīng)設(shè)深水溝,按水面在軌道基床底板下進(jìn)行設(shè)計(jì),并考慮5 cm的富余。水溝側(cè)壁進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。防止隧道水溝淤積,排水能力不足及溝壁破壞造成的水流漫流至隧道基床。

        為實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)外排水系統(tǒng)的可維護(hù)性,隧道拱墻環(huán)向排水盲溝采用寬幅凸點(diǎn)型板帶取代原盲管型盲溝;另外,對(duì)于縱向盲管的清洗維護(hù),既可以在隧道內(nèi)小避車洞內(nèi)設(shè)檢查井定期進(jìn)行疏通,也可以采用縱向盲管分段(10~15 m)45°角折入隧道內(nèi)水溝的設(shè)置方式進(jìn)行日后疏通。

        3.4 隧道軌下結(jié)構(gòu)

        在中南部鐵路通道隧道設(shè)計(jì)中,對(duì)于6 km以上的隧道均采用無(wú)砟軌道。針對(duì)到本線重載要求,對(duì)隧道內(nèi)軌下結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計(jì),并按“彈性地基上的梁-板模型”進(jìn)行了驗(yàn)算。

        在驗(yàn)算中,列車軸質(zhì)量取30 t,動(dòng)力系數(shù)3.0,鋼軌扣件按剛度取50 kN/mm,板下底板或仰拱填充彈性系數(shù)取1 200 MPa/m。經(jīng)驗(yàn)算,道床板結(jié)構(gòu)采用30 cm厚C40鋼筋混凝土,配筋率取縱向0.53%、橫向0.72%,軌下結(jié)構(gòu)能滿足重載要求。道床板彎矩計(jì)算結(jié)果見表1。

        表1 道床板彎矩計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of the bending moments of the track beds(kN·m)/m

        隧道內(nèi)軌道板下結(jié)構(gòu)有仰拱及無(wú)仰拱2種型式,其中有仰拱段道床板下仰拱填充按2層設(shè)置:上層C30混凝土,厚30 cm,下層為C20混凝土;無(wú)仰拱段設(shè)30 cm厚C35鋼筋混凝土底板。有仰拱段隧道軌下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

        圖1 隧道軌下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(有仰拱)Fig.1 Design of structure under tunnel track(with tunnel crown)

        3.5 隧道基底處理

        依據(jù)關(guān)于山西中南部鐵路設(shè)計(jì)活載標(biāo)準(zhǔn)的批復(fù),該線活荷載標(biāo)準(zhǔn)采用中-活載(2005)ZH標(biāo)準(zhǔn)(Z=1.2)?;詈奢d圖示見圖2。

        圖2 活荷載圖示Fig.2 Live load

        通過(guò)計(jì)算,在列車動(dòng)荷載作用下,隧道基底地層豎向附加豎應(yīng)力增加約25 kPa。由于隧道修建過(guò)程是一個(gè)對(duì)原巖(土)土應(yīng)力卸載重分布的過(guò)程,列車動(dòng)荷載造成的附加豎應(yīng)力對(duì)隧道基底圍巖影響不大。因此,在山西中南部重載鐵路設(shè)計(jì)中,考慮到全線地質(zhì)復(fù)雜,位于富水軟弱圍巖、巖溶或土質(zhì)地層段落的隧道,會(huì)由于隧道開挖擾動(dòng)以及隧道排水造成隧底薄弱,隧道基底普查應(yīng)作為重要工序納入施工。基底普查及處理流程見圖3。

        圖3 基底普查及處理流程Fig.3 General investigation process of tunnel foundation

        1)仰拱或底板施工前,采用地質(zhì)雷達(dá)及風(fēng)槍探測(cè)探空洞、不密實(shí)性及軟弱夾層等不均勻地質(zhì)體,測(cè)線原則上沿隧道軸線、左右線中線及邊墻腳等布置,開挖過(guò)程中分段探查。

        2)當(dāng)有異常時(shí),應(yīng)進(jìn)一步采取鉆探及高密度電法進(jìn)一步查明隧道基底圍巖情況。針對(duì)基底薄弱、軟弱環(huán)節(jié),采取注漿或換填方式處理:①對(duì)于富水軟弱砂質(zhì)、泥巖地層或其他土質(zhì)地層的隧道,基底采取鉆孔注漿或樹根樁加固,處理后隧道基底地層承載力不小于250 kPa;②對(duì)Ⅱ級(jí)以上濕陷性黃土,基底通過(guò)擠密樁或柱捶沖擴(kuò)樁進(jìn)行處理,對(duì)于低等級(jí)濕陷性黃土,主要通過(guò)灰土換填(換填深度50 cm)消除濕陷性。

        3.6 過(guò)渡段設(shè)計(jì)措施

        3.6.1 不同基底結(jié)構(gòu)過(guò)渡處理

        為保障線路平順過(guò)渡,隧道內(nèi)外不同基底結(jié)構(gòu)相接處做過(guò)渡處理。隧道底板結(jié)構(gòu)下按1∶2.5坡率做超挖,超挖部分采用C30混凝土填充。洞外路基面采用30 cm厚的M10的水泥砂漿砌片石鋪砌。對(duì)于橋隧相連時(shí),隧道仰拱應(yīng)延伸到橋臺(tái)臺(tái)尾,并預(yù)留變形縫。隧道不同基底結(jié)構(gòu)過(guò)渡段設(shè)計(jì)見圖4。

        圖4 隧道不同基底結(jié)構(gòu)過(guò)渡設(shè)計(jì)Fig.4 Designs of connection sections

        3.6.2 有、無(wú)砟軌道過(guò)渡段

        軌道過(guò)渡段設(shè)在隧道內(nèi),過(guò)渡段長(zhǎng)度為20 m,碎石道直接鋪在隧道回填層上,過(guò)渡段內(nèi)碎石道砟厚度為350mm。過(guò)渡段設(shè)置2根25 m長(zhǎng)60 kg/m的鋼軌作為輔助軌,其中輔助軌在無(wú)軌道范圍5m,有砟軌道范圍20 m。輔助軌與基本軌中心距為500 mm。軌采用有擋肩2.6m過(guò)渡段軌枕,按1 667根/km鋪設(shè),基本軌扣件采用彈條型扣件。為減小輪軌的相互作用,改善過(guò)渡段的線路條件,鋼軌焊接接頭避在過(guò)渡段范圍內(nèi)。隧道內(nèi)有砟軌道與無(wú)砟軌道過(guò)渡段設(shè)計(jì)見圖5。

        圖5 隧道內(nèi)有砟軌道與無(wú)砟軌道過(guò)渡段設(shè)計(jì)Fig.5 Design of connection section between ballast track and ballastless track

        4 結(jié)論與討論

        通過(guò)對(duì)大秦線鐵路隧道病害的調(diào)查,歸納隧道水溝及基底排水不暢、列車重載反復(fù)作用、隧道底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)薄弱以及化學(xué)侵蝕、凍害等因素是誘發(fā)隧道病害的主要因素。通過(guò)對(duì)重載鐵路設(shè)計(jì)實(shí)踐及研究,對(duì)重載鐵路隧道設(shè)計(jì)提出了以下經(jīng)驗(yàn):

        1)軟弱破碎圍巖段長(zhǎng)大于1 000 m或軟巖高地應(yīng)力段長(zhǎng)大于500 m的隧道、4 km以上突水突泥風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的巖溶隧道優(yōu)選采用2個(gè)單線隧道方案,既可以降低施工風(fēng)險(xiǎn),又可以利用活塞風(fēng)效應(yīng)減少粉塵堆積,也利于日后維修。

        2)Ⅱ級(jí)圍巖地段采用曲墻帶鋼筋混凝土底板的結(jié)構(gòu)形式;Ⅲ級(jí)及以上圍巖段均采取曲墻帶仰拱襯砌斷面形式,單線隧道仰拱矢跨比取1/6.5,雙線隧道取1/10.5,可以滿足30 t列車軸質(zhì)量要求。

        3)重載鐵路隧道內(nèi)坡度不應(yīng)小于3‰、富水地層不小于5‰的最小坡度要求。隧道基底設(shè)置縱橫盲管,防止隧道基底積水。同時(shí),利用小避車洞設(shè)置檢查井或采用分段角折入隧內(nèi)水溝的方式實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)期間的可維護(hù)性。

        4)通過(guò)梁-板模型計(jì)算后,確定30 t軸質(zhì)量下,無(wú)砟軌道道床板結(jié)構(gòu)采用30 cm厚C40鋼筋混凝土,配筋率取縱向0.53%、橫向0.72%可滿足荷載要求。

        5)對(duì)隧道內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)過(guò)渡段、軌下及隧底結(jié)構(gòu)過(guò)渡段采取了設(shè)計(jì)措施,可保證運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定。

        6)重載鐵路隧道應(yīng)將隧底普查納入施工工序。本文根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),提出了隧道基底普查要求及基底承載要求。

        7)目前按30 t軸質(zhì)量設(shè)計(jì)的鐵路僅有山西中南部鐵路通道,工程尚在建設(shè)中,上述經(jīng)驗(yàn)可滿足本線要求,能否推廣尚待進(jìn)一步實(shí)踐。

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