杜嚴(yán)飛，楊　樂，廖云平，彭海游，文光菊，劉四川

(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 a.外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點實驗室；b.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室重慶研究中心，重慶　400042)

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重慶市地下隧道地質(zhì)環(huán)境影響因素分析

杜嚴(yán)飛a,b，楊樂a,b，廖云平a,b，彭海游a,b，文光菊a,b，劉四川a,b

(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 a.外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點實驗室；b.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室重慶研究中心，重慶400042)

為了分析地下隧道地質(zhì)環(huán)境影響因素，采用現(xiàn)場調(diào)查訪問、室內(nèi)統(tǒng)計分析的方法，對重慶市28條典型隧道工程地質(zhì)環(huán)境進行了專項調(diào)查研究。研究結(jié)果表明：地下隧道地質(zhì)環(huán)境受水文地質(zhì)條件、巖性、工程防水措施、施工方法、地質(zhì)構(gòu)造、隧道埋深等多種因素的影響，其中，水文地質(zhì)條件是控制因素，其它因素是主要影響因素。同時，提出了地下工程地質(zhì)環(huán)境保護建議，為重慶市政府規(guī)范地下工程地質(zhì)環(huán)境保護技術(shù)提供參考。

地下工程；隧道；地質(zhì)環(huán)境保護；影響因素；重慶市

1　研究背景

重慶市作為典型的山地城市，因其特殊的地形地質(zhì)條件、歷史原因和產(chǎn)業(yè)特征，而成為我國地下空間開發(fā)利用較早的城市之一。尤其自直轄以來，重慶市經(jīng)濟得到快速發(fā)展，隧道工程、沉井工程、基坑工程等各類地下工程建設(shè)規(guī)模日益擴大，但隨之誘發(fā)的水資源漏失、地面塌陷、地面沉降等地質(zhì)環(huán)境問題也與日俱增，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)、生活和生命財產(chǎn)造成巨大影響[1-2]。為了有序、合理、綜合、高效地開發(fā)利用城市地下空間資源，科學(xué)地指導(dǎo)和規(guī)范重慶市地下工程地質(zhì)環(huán)境保護技術(shù)，有效地避免或減少地下工程建設(shè)對周邊地質(zhì)環(huán)境的破壞，重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院會同有關(guān)部門共同開展了重慶市典型地下工程地質(zhì)環(huán)境專項調(diào)查，對其地質(zhì)環(huán)境影響因素進行了分析評價，并提出了地下工程地質(zhì)環(huán)境保護技術(shù)建議，希望能為重慶市政府規(guī)范地下工程地質(zhì)環(huán)境保護技術(shù)提供參考。

目前，重慶市已修建了大量的城市道路隧道，據(jù)不完全統(tǒng)計，僅主城四山地區(qū)已建隧道54條，隧道工程已成為重慶市地下空間開發(fā)利用的重要組成部分。隧道工程與沉井工程、基坑工程等地下工程類型相比，對周邊地質(zhì)環(huán)境的影響范圍更廣，影響程度更大，社會問題更突出，因此，本次優(yōu)選28條已建隧道作為典型地下工程地質(zhì)環(huán)境專項調(diào)查的重點對象。

2　調(diào)查概況

本次野外地質(zhì)環(huán)境專項調(diào)查已建隧道遍布主城及周邊區(qū)縣，其中主城5條、區(qū)縣23條，隧道長度均>2 km，其中最短為2 250 m(聚云山隧道)，最長為9 845 m(南平隧道)。野外調(diào)查以地質(zhì)環(huán)境問題為導(dǎo)向，以隧道延伸范圍及兩側(cè)0～5 000 m范圍為重點調(diào)查區(qū)，針對隧道自身基本情況(進出口坐標(biāo)、隧道口排水量、結(jié)構(gòu)類型等)、隧址區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件(氣象水文、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文地質(zhì)條件等)、隧址區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題(水資源漏失、地面塌陷、地面沉降、地表裂縫、滑坡、泥石流等)進行調(diào)查，重點查明區(qū)內(nèi)河流、水庫、池塘、井泉的分布及其隧道修建前后水位水量、周邊居民的飲用水、農(nóng)田灌溉用水的變化情況，以及地質(zhì)災(zāi)害點的初現(xiàn)時間、分布、規(guī)模、特征、發(fā)展趨勢及影響范圍等。以1∶10 000地形圖和1∶50 000地質(zhì)圖作為野外工作用圖，采用踏勘，拍照、簡易水文地質(zhì)測繪、咨詢訪問等調(diào)查方法。本次野外調(diào)查共完成調(diào)查點447個，其中地下水文點218個，地表水文點136個，地面塌陷37處，土地利用變化33處，房屋開裂點9個，地面裂縫6處，滑坡點5個，地面沉降3處。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)隧道工程誘發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題主要表現(xiàn)為：地下水、地表水的疏降、地面塌陷和土地利用方式的改變，而地面沉降、地表裂縫、建筑物開裂、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害問題相對較少。

3　地質(zhì)環(huán)境影響因素分析

通過對地下工程地質(zhì)條件及地下工程自身特征與地質(zhì)環(huán)境的關(guān)系分析表明，地下工程建設(shè)對地質(zhì)環(huán)境的破壞受水文地質(zhì)條件、地層巖性、防水措施、施工方法、地質(zhì)構(gòu)造、隧道埋深等多種因素的影響。

3.1水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件是影響地下工程地質(zhì)環(huán)境的控制因素，地下工程建設(shè)對水文地質(zhì)條件的破壞是誘發(fā)一系列地質(zhì)環(huán)境問題的主要原因。隧道工程在穿越水文地質(zhì)條件復(fù)雜、含水量豐富的地層區(qū)，施工中需長時間、大面積的排水，造成地下水大量排出，導(dǎo)致地下水大量排泄、水位迅速下降，水文地質(zhì)條件發(fā)生變化，最終造成地下水大面積疏干，表現(xiàn)為地表井泉、水庫等的干涸；特別在巖溶槽谷區(qū)內(nèi)，巖層多為嘉陵江組、巴東組或雷口坡組灰?guī)r，均為可溶巖地層，地層內(nèi)巖溶發(fā)育，含水量大，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，施工抽排水造成地下水位迅速下降，對淺部豎向巖溶管道中的土體進行潛蝕作用，洞隙下部土體也不斷隨著地下水塌落被地下水帶走，巖溶洞隙下部形成空洞，洞隙上部土體在重力作用下，地表出現(xiàn)拉裂縫、下沉跡象，甚至發(fā)生地面塌陷。隧道工程建成后，隧道像植入地下含水層中的一道隔水墻，阻礙地下水的徑流，也可造成隧道背水面地下水位降低，隨著地表水發(fā)生疏降[3-4]。

圖1　輕軌6號線銅鑼山隧道地質(zhì)環(huán)境影響程度剖面圖Fig.1　Profile of geological environment influenced by Tongluo Mountain Tunnel of light rail No.6

野外調(diào)查證實，在水文地質(zhì)條件較復(fù)雜、含水量豐富的灰?guī)r和砂巖區(qū)，尤其是巖溶槽谷中地勢低洼地帶、巖溶洼地，該地帶有利于地表水、地下水匯集，地下水位交替循環(huán)強烈，地下工程建設(shè)對地質(zhì)環(huán)境的破壞較嚴(yán)重；而在水文地質(zhì)條件相對簡單、含水量較少的泥巖和頁巖區(qū)，地下工程建設(shè)對地質(zhì)環(huán)境的破壞輕微。

3.2地層巖性

地層巖性是影響地下工程地質(zhì)環(huán)境的重要因素。地層裂隙大小、發(fā)育程度、連通情況等均與巖性直接相關(guān)，同時地層水文地質(zhì)條件受巖性控制。一般灰?guī)r地層巖溶裂隙發(fā)育，裂隙連通性好，含水量大，為富含水層；砂巖地層裂隙較發(fā)育，裂隙連通性較灰?guī)r地層差，含水量較大，為一般含水層；而泥巖和頁巖地層裂隙連通性差，含水量小，為相對隔水層。一般隧道穿越灰?guī)r、白云巖等可溶巖類圍巖，地質(zhì)環(huán)境破壞嚴(yán)重，砂巖次之，泥質(zhì)巖及頁巖地段地質(zhì)環(huán)境破壞小。

在所調(diào)查的區(qū)域，地質(zhì)環(huán)境影響嚴(yán)重區(qū)約有85%分布在灰?guī)r地層，其次為砂巖地層，而泥巖和頁巖地層未見分布；并且灰?guī)r區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題最突出，影響范圍最廣；其次為砂巖區(qū)，頁巖和泥巖區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響程度小，影響范圍最小。此外，地面塌陷、地裂縫和地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害大多分布在巖溶槽谷區(qū)，其他巖性區(qū)分布較少。一條隧道同時穿越不同巖性地層時，一般灰?guī)r地層地質(zhì)環(huán)境破壞嚴(yán)重，其次為砂巖地層，再次為泥巖和頁巖地層。例如輕軌6號線銅鑼山隧道同時穿越灰?guī)r、砂巖和泥頁巖地層，其中三疊系嘉陵江組(T1j)和雷口坡組(T2l)地層巖性以灰?guī)r為主，地質(zhì)環(huán)境影響程度嚴(yán)重，地表出現(xiàn)井泉干枯、水庫嚴(yán)重漏失、地面塌陷等地質(zhì)環(huán)境問題；三疊系須家河組(T3xj)地層巖性以砂巖為主，地質(zhì)環(huán)境影響程度中等，地表出現(xiàn)泉點流量明顯減小，水庫水位明顯下降；侏羅系珍珠沖組(J1z)、自流井組(J1-2z)、新田溝組(J2x)、下沙溪廟組(J2s)地層巖性以泥巖和頁巖為主，地質(zhì)環(huán)境影響程度一般，部分區(qū)域地表水發(fā)生輕微漏失(圖1)。

3.3防水措施

地下工程防水措施直接影響地下工程對地下水的破壞程度，進而影響著其它相關(guān)地質(zhì)環(huán)境問題的發(fā)生。目前，隧道工程建設(shè)雖提倡“防、排、堵、截，因地制宜，綜合治理”的防水原則，但實際上除少數(shù)特殊工程采用全面防水措施外，大多數(shù)工程往往以排為主?！耙耘艦橹鳌钡姆浪胧╇m使地下工程承受的水壓力變小，但地質(zhì)環(huán)境破壞較嚴(yán)重。隧道涌排水使地下水位不斷下降，降水漏斗不斷擴大，地下水逐漸疏干，水文地質(zhì)條件不斷惡化，最終導(dǎo)致隧道上方地表井泉、河湖涸竭，水環(huán)境失衡，引發(fā)生態(tài)環(huán)境破壞、地面塌陷等災(zāi)害?！耙远聻橹鳌钡姆浪胧╇m使隧道承受的水壓力增大，同時工程量和工程費用增大，但工程建設(shè)對地質(zhì)環(huán)境破壞較小。隧道通過壓漿、防水補砌等堵水措施，使隧道開鑿時的涌水量和補砌的長期滲水大大減少，在大氣降水等水源補給大于隧道滲漏的條件下，隧道周邊地下水位逐漸上升，降水漏斗逐漸縮小，水環(huán)境逐漸恢復(fù)，最終達到新的平衡，地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害得以減輕甚至消除[4-5]。

所調(diào)查的已建28條隧道中，有15條隧道施工過程中采用“防排結(jié)合、以排為主”的防排水措施，其中有13條隧道由于地下水的大量排出，隧道周邊地下水和地表水發(fā)生嚴(yán)重漏失，出現(xiàn)井泉和地表水涸竭、地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)環(huán)境問題；而另外13條隧道施工過程中采用“以堵為主、防排結(jié)合，限量排放”的控制型防排水措施，其中除有2條隧道出現(xiàn)明顯的地下水位下降和局部巖溶塌陷外，其余隧道地質(zhì)環(huán)境基本未受到破壞。如中梁山隧道采用“以排為主”的防水措施，不僅破壞了隧道上方的生態(tài)環(huán)境，出現(xiàn)井泉、河塘涸竭、地面塌陷等地質(zhì)環(huán)境問題，而且隧道運營后還出現(xiàn)了嚴(yán)重病害，涌水量增大，由最初的18 000 m3/d變?yōu)?4 000 m3/d，并出現(xiàn)大量泥沙涌進隧道，在施工整治過程中，又出現(xiàn)新的地面塌陷。而采用“以堵為主”防水措施的成渝高速縉云山隧道提前對可能涌水部位采取了預(yù)注漿處理措施，在開挖過程中未出現(xiàn)突水突泥，周邊地質(zhì)環(huán)境破壞小。

3.4施工方法

施工方法也是影響地下工程地質(zhì)環(huán)境的重要因素。目前常用的山嶺隧道施工方法有鉆爆法和盾構(gòu)法(TBM)，其中鉆爆法又分為礦山法和新奧法(NATM)。礦山法是利用鉆孔爆破技術(shù)開挖隧道，一次形成整個隧道外輪廓斷面，然后進行襯砌支護形成隧道洞體，該施工法對巖體有震動影響，尤其是在巖石爆破工序過程中。爆破震動一方面使圍巖中原生節(jié)理延伸加長變寬、地表風(fēng)化裂隙也因震動向下延伸，從而溝通了洞室圍巖節(jié)理與地表淺層風(fēng)化孔隙裂隙水層，增加了孔隙裂隙水甚至地表水涌入隧道的風(fēng)險；另一方面爆破形成的地震波通過巖土介質(zhì)傳播傳至地表引起地表振動，在一定范圍內(nèi)造成地面建筑物的結(jié)構(gòu)破壞。

新奧法是充分利用圍巖的自承能力和開挖面的空間約束作用，以錨桿和噴射混凝土為主要支護手段對圍巖進行加固約束，通過圍巖的松弛和變形的量測監(jiān)控指導(dǎo)地下工程的設(shè)計施工，施工過程中也是采用鉆爆技術(shù)，但相比礦山法，新奧法對巖體超挖較少，且利用巖體自身受力情況，將巖體作為支撐結(jié)構(gòu)，增加巖體穩(wěn)定性，減少了地面沉降和塌陷現(xiàn)象。TBM法是利用機械刀盤切碎巖體，并經(jīng)其內(nèi)部運轉(zhuǎn)系統(tǒng)運離掌子面，盾構(gòu)機后進行管片及時拼裝，盾構(gòu)機利自身液壓裝置通過頂推其后拼裝好的管片前進，使巖體臨空時間短，受到震動也較少，利用TBM法施工產(chǎn)生地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)的概率較小，有利于地質(zhì)環(huán)境保護[6-8]。

本次調(diào)查的已建28條隧道工程只有輕軌6號線銅鑼山隧道采用的鉆爆法和TBM法相結(jié)合的施工方法，其余均為鉆爆法施工。鉆爆法施工在不同程度上對隧道區(qū)地質(zhì)環(huán)境造成破壞，如2005年11月30日，渝遂高速云霧山隧道采用鉆爆法施工至左線ZK40+545時，由于爆破震動，掌子面左側(cè)和右側(cè)拱肩分別出現(xiàn)直徑為3.5 m和3.0 m的溶洞，并發(fā)生坍塌和突泥，同時地面房屋發(fā)生變形開裂。

3.5地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造是地下工程地質(zhì)環(huán)境重要影響因素之一。斷層是隧道開挖過程中最常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象，是造成隧道塌方、突泥突水、煤與瓦斯突出等災(zāi)害的最主要原因。規(guī)模較大的斷層往往破碎帶較寬，構(gòu)造裂隙發(fā)育，連通性好，為連通地下水和地表水體的有利通道，含水量較大，其對巖土工程體的建設(shè)及其穩(wěn)定性影響大。背斜構(gòu)造主要受水平擠壓作用造成沿著背斜核部常有縱向張斷裂產(chǎn)生，對于規(guī)模較大的背斜，還會伴生次級橫向張裂隙，為地下水提供了有利的補給和徑流條件。當(dāng)背斜核部的縱向張裂隙，且有斷層通過時，在地表水的侵蝕下，易形成谷地或盆地，有利于地下水的補給，且貯水條件較好，水量較為豐富[8-10]。斷層、構(gòu)造節(jié)理裂隙和褶皺等構(gòu)造現(xiàn)象較復(fù)雜的區(qū)域，隧道工程開挖對周邊地質(zhì)環(huán)境破壞較嚴(yán)重，反之較小。

通過野外調(diào)查和相關(guān)資料的整理分析證實，斷層、構(gòu)造節(jié)理裂隙和褶皺等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)隧道工程引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題較突出。如2004年7月4日萬(州)—石(柱)公路走馬嶺隧道開挖至K47+194時，受茨竹埡正斷層影響，隧洞圍巖破碎，隧洞涌水量突然增大，最大涌水量達14 000 m3/d。

3.6隧道埋深

埋深是引起隧道塌方破壞和地面沉降的主要影響因素。根據(jù)學(xué)者研究[11-12]，隧道埋深不同，隧道塌方表現(xiàn)形式不同，埋深越小，隧道越易形成塌穿型塌方，而當(dāng)埋深小于一定值時，因隧道開挖后重分布的圍巖應(yīng)力未超過圍巖強度，隧道反而能保持穩(wěn)定狀態(tài)；隨著埋深的增大，地面最大沉降逐漸減小，近似呈線性關(guān)系，總的說來，隨著隧道埋深的增大，隧道開挖過程對地面沉降的影響越來越小。

本次調(diào)查的已建28條典型隧道工程最大埋深范圍為160～880 m，其中龍鳳山隧道最大埋深為160 m，摩天嶺隧道最大埋深為880 m。野外調(diào)查分析表明，在一定程度上隧道埋深越小，地下工程地質(zhì)環(huán)境影響程度越大。如大學(xué)城隧道與輕軌6號線中梁山隧道相比，同為穿越觀音峽背斜槽谷區(qū)的特長隧道，周邊地質(zhì)條件基本相同，同時施工方法均為巖爆法，但二者在槽谷區(qū)的埋深不同(大學(xué)城隧道平均埋深約100 m，輕軌6號線中梁山隧道平均埋深約250 m)。野外調(diào)查，大學(xué)城隧道的修建引起槽谷區(qū)多處地面塌陷，而輕軌6號線中梁山隧道未見地面塌陷，地質(zhì)環(huán)境破壞程度較大學(xué)城隧道小。再如云霧山隧道在瀝鼻峽背斜槽谷區(qū)埋深較淺，約20 m，隧道施工造成隧道頂部及兩側(cè)0～500 m范圍內(nèi)出現(xiàn)多處地面塌陷、地裂縫和河流井泉涸竭，地質(zhì)環(huán)境破壞嚴(yán)重。

4　地質(zhì)環(huán)境保護建議

(1)在新建隧道等地下工程建設(shè)之前及建設(shè)過程中，應(yīng)充分考慮工程建設(shè)可能帶來的地質(zhì)環(huán)境影響，建議進行可行性研究和方案比選時應(yīng)盡量避開地質(zhì)環(huán)境敏感點及地質(zhì)特殊的地帶(如巖溶發(fā)育區(qū))，避免施工上難度加大和對地質(zhì)環(huán)境的不良擾動。若無法避開，應(yīng)充分進行地質(zhì)鉆探、超前地質(zhì)預(yù)報等工作，以便采取科學(xué)、合理的工程方案和技術(shù)措施，保證工程建設(shè)和地質(zhì)環(huán)境保護的協(xié)調(diào)發(fā)展[13]。

(2)新建隧道工程地質(zhì)環(huán)境影響評估范圍應(yīng)規(guī)定為隧道軸線兩側(cè)各1 000～5 000 m為宜，其中特長巖溶隧道可根據(jù)需要適當(dāng)擴大評估范圍。

(3)地下工程建設(shè)區(qū)應(yīng)加強水文地質(zhì)長期觀測工作，以利于地下工程施工過程中的預(yù)測預(yù)報做好超前調(diào)研，同時為工程建設(shè)造成的地面變形、水環(huán)境變化等影響的研究提供資料，并提供第三方證據(jù)。

(4)加大對建委、公路、鐵路等系統(tǒng)的地質(zhì)環(huán)境保護意識的宣貫力度，加強對地下工程建設(shè)的勘察、設(shè)計、施工全過程的地質(zhì)環(huán)境保護工作。在勘察階段，對水文地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)擴大勘察范圍，進行專項水文地質(zhì)勘察；在設(shè)計階段，應(yīng)采取超前注漿、超前支護、地表防滲、止水帷幕等設(shè)計方案保護水環(huán)境和巖土環(huán)境；在施工階段，應(yīng)選擇對地質(zhì)環(huán)境影響小的施工方法和工藝，減少爆破藥量，加強超前預(yù)報，避免野蠻施工[14]。

(5)對地下工程建設(shè)已產(chǎn)生地質(zhì)環(huán)境問題的區(qū)域，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)環(huán)境問題的類型和特征制定相應(yīng)的治理恢復(fù)方案，必要時進行綜合治理。對于巖溶塌陷、地裂縫區(qū)域，應(yīng)采用土石填充并夯實、防滲處理等措施、灌漿等措施；對于水環(huán)境破壞區(qū)域，應(yīng)根據(jù)水資源漏失情況及時進行地表或地下工程內(nèi)封堵措施，當(dāng)造成生產(chǎn)生活缺水時，應(yīng)修建人飲工程。

5　結(jié)　語

隨著城市化與經(jīng)濟的快速發(fā)展，重慶市土地資源短缺與城市建設(shè)用地需求的矛盾會日益加劇，大量的地下空間資源將被開發(fā)利用，地質(zhì)環(huán)境問題也會隨之增多。只有合理、綜合、高效地開發(fā)利用城市地下空間資源，科學(xué)地指導(dǎo)和規(guī)范重慶市地下工程地質(zhì)環(huán)境保護技術(shù)，才能有效地避免或減少地下工程建設(shè)對地質(zhì)環(huán)境的破壞。

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(編輯：姜小蘭)

Influencing Factors of Geological Environment atUnderground Tunnel in Chongqing

DU Yan-fei1,2,YANG Le1,2,LIAO Yun-ping1,2,PENG Hai-you1,2,WEN Guang-ju1,2,LIU Si-chuan1,2

(1.Chongqing Key Laboratory of Exogenic Mineralization and Mine Environment,Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources,Chongqing400042,China; 2.Chongqing Research Center of State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources,Chongqing400042,China)

In order to determine the influencing factors of geological environment at underground tunnel,we carry out specific investigation by using methods such as in-situ interview and indoor statistical analysis.Engineering geological environment at 28 typical tunnels in Chongqing is taken as example.Results show that geological environment at underground tunnel is influenced by hydrogeological condition,lithology,waterproofing measure,construction method,geological structure,buried depth of tunnel and so on.In particular,hydrogeological condition is the controlling factor and lithology is the main factor.Meanwhile,we give suggestions to protect underground geological environment,which offer reference for administrators to specify the protection techniques of underground geological environment in Chongqing.

underground engineering; tunnel; protection of geological environment; influencing factor; Chongqing

2015-05-22;

2015-06-26

重慶市國土資源和房屋管理局2011年度市級地質(zhì)災(zāi)害防治專項資金項目(120301)

杜嚴(yán)飛(1983-)，男，山東濟寧人，工程師，碩士，主要從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)和工程地質(zhì)方面的研究，(電話)023-88316306(電子信箱)duyanfeijining@163.com。

10.11988/ckyyb.201504262016,33(08):105-108，113

P64

A

1001-5485(2016)08-0105-04