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        高地應(yīng)力軟巖隧道襯砌裂損重新施作段結(jié)構(gòu)安全性分析

        2018-11-06 07:04:26馬召林黃明利
        隧道建設(shè)(中英文) 2018年9期
        關(guān)鍵詞:施作拱頂安全系數(shù)

        馬召林,焦 雷,趙 爽,黃明利

        (1.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 511458;2.洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,河南 洛陽 471039;3.北京交通大學(xué)土木工程學(xué)院,北京 100044)

        0 引言

        隧道襯砌裂損是隧道施工和運(yùn)營過程中的常見病害之一,而在軟巖地區(qū),高地應(yīng)力的成因和力學(xué)機(jī)制復(fù)雜,造成襯砌裂損的情況較多。隧道襯砌裂損直接影響隧道結(jié)構(gòu)質(zhì)量和施工、運(yùn)營安全,如重新施作處理措施不當(dāng),可能會再次導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞,帶來經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此,對隧道襯砌裂損后重新施作的襯砌結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行評價具有十分重要的意義。

        國內(nèi)外學(xué)者已針對高地應(yīng)力軟巖隧道襯砌裂損的機(jī)制和支護(hù)時機(jī)進(jìn)行了許多研究,取得了一定成果。文獻(xiàn)[1-2]基于對圍巖動態(tài)演化機(jī)制的認(rèn)識,從圍巖控制角度出發(fā),修正并制定新的返修方案,對圍巖大變形段實(shí)施返修并取得了成功;文獻(xiàn)[3]通過選擇合理的斷面形狀、預(yù)留合理變形量、多重支護(hù)、適當(dāng)提高襯砌剛度的柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法,成功控制了隧道大變形;文獻(xiàn)[4]針對木寨嶺隧道施工過程中發(fā)生的二次襯砌開裂情況,通過現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬等方法,分析了襯砌-圍巖結(jié)構(gòu)體系各層支護(hù)的變形受力特征和支護(hù)時機(jī);文獻(xiàn)[5-7]針對木寨嶺隧道嶺脊核心段,提出了“超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放+圓形4層支護(hù)結(jié)構(gòu)+徑向注漿+長錨桿+長錨索”綜合變形控制方案;文獻(xiàn)[8-10]結(jié)合蘭渝鐵路木寨嶺隧道炭質(zhì)板巖段的實(shí)際情況,通過超前大鉆孔、超前導(dǎo)洞應(yīng)力控制方法的現(xiàn)場試驗(yàn),研究了2種方法的控制效果和現(xiàn)場實(shí)施的可行性;文獻(xiàn)[11-12]根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際采用的9個試驗(yàn)段來探索變形施工技術(shù),得出高地應(yīng)力軟巖大變形施工應(yīng)放抗結(jié)合;文獻(xiàn)[13]結(jié)合室內(nèi)蠕變試驗(yàn)結(jié)果,采用Burgers流變模型,分析不同流變周期內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力隨時間變化的規(guī)律;文獻(xiàn)[14]研究了襯砌結(jié)構(gòu)在裂損存在狀態(tài)下的受力特性,對襯砌裂損病害進(jìn)行安全性評估,提出裂損病害安全性評價方法;文獻(xiàn)[15]認(rèn)為在高地應(yīng)力軟巖大變形地段,設(shè)計(jì)施工可將二次襯砌作為部分承載結(jié)構(gòu),合理安排支護(hù)結(jié)構(gòu)施作時機(jī),提高初期支護(hù)和二次襯砌安全性。

        上述文獻(xiàn)對圍巖變形機(jī)制、隧道大變形控制、襯砌結(jié)構(gòu)裂損后受力狀態(tài)等進(jìn)行了研究,但對高地應(yīng)力軟巖隧道襯砌裂損后重新施作結(jié)構(gòu)的安全性研究仍不完善,加之地質(zhì)巖體狀況復(fù)雜多變,到目前為止,對高地應(yīng)力軟巖襯砌結(jié)構(gòu)裂損的控制方法尚不成熟。隨著西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求,將會修建越來越多的高地應(yīng)力軟巖隧道,類似的問題還會出現(xiàn)。針對以上情況,本文結(jié)合蘭渝鐵路木寨嶺隧道設(shè)計(jì)、施工情況,通過數(shù)值模型計(jì)算,結(jié)合襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù),分析圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的受力變形情況,對襯砌裂損重新施作后結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評價,并給出合理的工程對策,進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

        1 工程概況

        蘭渝鐵路是一條重要的南北通道鐵路,于2009年動工,2017年通車,歷時8年,施工難度巨大。其中木寨嶺隧道地應(yīng)力極高、圍巖強(qiáng)度低、斷層分布、圍巖后期流變性強(qiáng),施工現(xiàn)場支護(hù)結(jié)構(gòu)頻繁出現(xiàn)“支了壞,壞了拆,拆了再支”的情況,襯砌裂損嚴(yán)重,導(dǎo)致工期一再延后。

        木寨嶺隧道襯砌裂損段位于由F14、F14-1、F14-2 3條斷層組成的斷層帶,斷層帶影響長度左右線合計(jì)1 876 m。該段隧道埋深580~720 m,地層巖性主要為二疊系薄層狀炭質(zhì)板巖,斷層為擠壓性斷層,受構(gòu)造影響嚴(yán)重,褶皺發(fā)育,產(chǎn)狀凌亂、無規(guī)律,節(jié)理、裂隙發(fā)育,巖體破碎。開挖揭示巖層陡傾,走向與洞軸線大致平行,呈層狀、碎石、角礫狀結(jié)構(gòu),石質(zhì)軟硬不均,局部可見石英團(tuán)塊呈粉末狀,綜合判定為Ⅴ級軟巖。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測,最大水平地應(yīng)力為24.95~27.16 MPa,巖石強(qiáng)度應(yīng)力比為0.49,根據(jù)GB 50218—2014《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,為極高地應(yīng)力。在隧道進(jìn)入F14斷層帶施工后,初期支護(hù)變形極大,造成初期支護(hù)失效并反復(fù)拆換,二次襯砌裂損嚴(yán)重,施工進(jìn)展極為緩慢。

        2 襯砌裂損重新施作段施工情況及支護(hù)參數(shù)

        2.1 施工情況

        襯砌裂損段拆除前采用三臺階法施工,上臺階高3.5~4 m,長5 m;中臺階高4~5 m,長7 m;下臺階高4~5 m,長4~5 m。仰拱開挖深度為2.68 m,距上臺階35 m。

        襯砌裂損重新施作主要工序如下:在襯砌拆除與非拆除段的交界位置加固—拱墻襯砌進(jìn)行徑向注漿圍巖加固,然后進(jìn)行臨時洞渣回填反壓—拆除上臺階原有二次襯砌及初期支護(hù)—擴(kuò)挖并施作上臺階第1層初期支護(hù)—拆除中臺階原有二次襯砌及初期支護(hù)—擴(kuò)挖并施作中臺階第1層初期支護(hù)—施作上、中臺階第2層初期支護(hù)—拆除下臺階原有二次襯砌及初期支護(hù)—擴(kuò)挖并施作下臺階第1、2層初期支護(hù)—拆除仰拱填充層及初期支護(hù)—擴(kuò)挖并施作仰拱—施作拱墻第3層初期支護(hù)—施作拱墻襯砌。

        2.2 支護(hù)參數(shù)

        高地應(yīng)力軟巖隧道襯砌裂損重新施作段襯砌拆除前后支護(hù)參數(shù)見表1。

        表1 隧道襯砌裂損重新施作段襯砌拆除前后支護(hù)參數(shù)Table 1 Support parameters of reconstruction section of lining cracking before and after lining dismantling

        3 襯砌裂損重新施作段結(jié)構(gòu)安全性分析

        3.1 襯砌裂損重新施作段結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測結(jié)果分析

        為研究襯砌裂損重新施作段結(jié)構(gòu)受力變形特征,選取DYK180+895段作為結(jié)構(gòu)受力變形監(jiān)測斷面。

        3.1.1 拆換后支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

        拆換后支護(hù)結(jié)構(gòu)變形值見表2,由表2可知:1)襯砌拆換后各層變形整體較小,第1層支護(hù)拱頂沉降為86 mm,上臺階收斂為180 mm,下臺階收斂為18 mm;第2層支護(hù)拱頂沉降為60 mm,上臺階收斂為168 mm,下臺階收斂為205 mm;第3層支護(hù)拱頂沉降為9 mm,上臺階收斂為15 mm,下臺階收斂為17 mm;其中第2層支護(hù)由于量測時間較長,因此累計(jì)變形最大;2)從變形速率看,隨著支護(hù)的不斷加強(qiáng),變形速率整體呈現(xiàn)不斷減小,其中,第1層支護(hù)拱頂沉降速率為8.6 mm/d,上臺階收斂速率為18 mm/d;第2層支護(hù)拱頂沉降速率為4.2 mm/d,上臺階收斂速率為12.9 mm/d;第3層支護(hù)施作后,變形速率均控制在1.4 mm/d以內(nèi)。表2結(jié)果說明:隨著支護(hù)強(qiáng)度的提高和支護(hù)結(jié)構(gòu)多次拆換,圍巖應(yīng)力得到了釋放,隧道變形得到了有效的控制。

        表2 DYK180+895斷面襯砌拆換后支護(hù)結(jié)構(gòu)變形值Table 2 Deformation of lining of section DYK180+895 after lining dismantling

        為揭示襯砌裂損重新施作段結(jié)構(gòu)整體變形情況,選取典型斷面DYK180+895進(jìn)行監(jiān)測,得到變形歷時曲線如圖1所示。由圖1可知:拆換后各層支護(hù)變形整體較小,其中第2層因監(jiān)測時間較長,累計(jì)變形最大;隨著支護(hù)的不斷加強(qiáng),變形速率不斷減小,第3層支護(hù)施作后,變形速率已趨于穩(wěn)定。

        圖1 DYK180+895斷面變形歷時曲線(2016年)Fig.1 Time-history curves of section DYK180+895 (in 2016)

        3.1.2 接觸壓力

        現(xiàn)場結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測結(jié)果如表3和圖2所示。由表3和圖2可知:1)接觸壓力由外向內(nèi)逐漸減小,其中第1層支護(hù)接觸壓力最大,平均為1 370.1 kPa,第2層支護(hù)接觸壓力平均為382.5 kPa,第3層支護(hù)接觸壓力平均為495.3 kPa,二次襯砌上的接觸壓力最小,平均為20 kPa;隨著接觸壓力傳遞,支護(hù)結(jié)構(gòu)各位置的接觸壓力大體呈現(xiàn)不斷減小的趨勢;2)經(jīng)計(jì)算,第1層支護(hù)承擔(dān)了60.4%的圍巖壓力,第2層支護(hù)承擔(dān)了16.8%的圍巖壓力,第3層支護(hù)承擔(dān)了21.8%的圍巖壓力,二次襯砌承擔(dān)了1.0%的圍巖壓力;前3層支護(hù)幾乎承擔(dān)了所有的圍巖壓力,這符合隧道設(shè)計(jì)中襯砌作為安全儲備的理念;3)通過層層支護(hù)、分層抵抗的方法來逐漸降低襯砌受力,保證了襯砌結(jié)構(gòu)的安全。

        表3 DYK180+895斷面接觸壓力統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of contact pressure of section DYK180+895 kPa

        3.1.3 二次襯砌鋼筋應(yīng)力

        二次襯砌內(nèi)外側(cè)鋼筋應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3—4所示。由圖可知:DYK180+895斷面二次襯砌鋼筋大部分受壓,最大應(yīng)力為33.15 MPa,鋼筋應(yīng)力整體較小,增長趨勢不明顯。

        3.1.4 二次襯砌混凝土應(yīng)力

        二次襯砌內(nèi)外側(cè)混凝土應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5—6所示。由圖可知:DYK180+895斷面二次襯砌混凝土應(yīng)力整體受壓,趨于穩(wěn)定后的最大壓應(yīng)力為7.40 MPa,為C35混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(16.7 MPa)的44.3%,結(jié)構(gòu)安全,二次襯砌混凝土應(yīng)力無明顯增長趨勢。

        圖2二次襯砌裂損拆除段第一層支護(hù)接觸壓力分布圖(單位:kPa)

        Fig.2 Distribution of contact pressure of first layer support at secondary lining cracking dismantling section (unit: kPa)

        圖3 DYK180+895斷面二次襯砌內(nèi)側(cè)鋼筋應(yīng)力歷時曲線Fig.3 Time-history curves of reinforcement stress inside secondary lining at section DYK180+895

        圖4 DYK180+895斷面二次襯砌外側(cè)鋼筋應(yīng)力歷時曲線Fig.4 Time-history curves of reinforcement stress outside secondary lining at section DYK180+895

        3.2 襯砌裂損重新施作前后結(jié)構(gòu)受力數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

        為研究高地應(yīng)力軟巖隧道襯砌裂損重新施作段結(jié)構(gòu)安全性,利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,對比襯砌拆除前后支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況。

        3.2.1 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)取值

        隧道開挖凈空高12 m,寬10.5 m,計(jì)算模型尺寸為100 m×70 m×100 m(長×寬×高)。圍巖和初期支護(hù)采用實(shí)體單元模擬,襯砌結(jié)構(gòu)采用殼單元模擬,圍巖服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。在模型前后左右面施加水平約束,模型底面施加豎向約束,模型頂面不施加約束。模擬的襯砌裂損段屬于深埋隧道,將覆土換算成附加荷載,其等效地應(yīng)力為11.3 MPa(上覆巖層的平均加權(quán)容重取20 kN/m3,上覆巖層總厚度取565 m),方向豎直向下,側(cè)壓力系數(shù)取1.8,模型如圖7所示,圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)取值見表4—6。

        圖5 DYK180+895斷面二次襯砌內(nèi)側(cè)混凝土應(yīng)力歷時曲線Fig.5 Time-history curves of concrete stress inside secondary lining at section DYK180+895

        圖6 DYK180+895斷面二次襯砌外側(cè)混凝土應(yīng)力歷時曲線Fig.6 Time-history curves of concrete stress outside secondary lining at section DYK180+895

        (a) 整體圖

        (b) 局部圖

        圖7計(jì)算模型
        Fig.7 Calculation model

        表4 圍巖參數(shù)Table 4 Parameters of surrounding rock

        表5 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)Table 5 Calculation parameters of support structure

        注:計(jì)算參數(shù)采用等剛度加權(quán)平均的方法進(jìn)行換算。

        表6 錨桿計(jì)算參數(shù)Table 6 Calculation parameters of bolt

        3.2.2 襯砌拆換前結(jié)構(gòu)受力變形數(shù)值計(jì)算分析

        為減小邊界效應(yīng)的影響,選取模型中間位置處計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

        3.2.2.1 襯砌拆換前支護(hù)結(jié)構(gòu)位移

        施工階段各開挖步驟下支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂沉降和水平收斂數(shù)值見表7。由表7可知:襯砌拆換前拱頂最大沉降為363 mm,最大水平收斂為794 mm。其中拱頂處:上臺階開挖完成后,支護(hù)承擔(dān)變形量占比為72%;中臺階開挖完成后,支護(hù)承擔(dān)變形量占比為22%;下臺階開挖完成后,支護(hù)承擔(dān)變形量占比為6%。水平收斂處:上臺階開挖完成后,支護(hù)承擔(dān)變形量占比為75%;中臺階開挖完成后,支護(hù)承擔(dān)變形量占比為15%;下臺階開挖完成后,支護(hù)承擔(dān)變形量占比為10%。

        表7 各開挖步驟下支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂沉降及水平收斂統(tǒng)計(jì)Table 7 Statistics of crown top settlement and horizontal convergence under different excavation steps mm

        3.2.2.2 襯砌拆換前支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力

        襯砌拆換前結(jié)構(gòu)主應(yīng)力云圖如圖8所示。由圖可知:二次襯砌最小主應(yīng)力為-24.46 MPa,位于仰拱處,二次襯砌處于受壓狀態(tài);二次襯砌最大主應(yīng)力較小,約為0,說明二次襯砌結(jié)構(gòu)完全處于受壓狀態(tài)。二次襯砌所受最大壓應(yīng)力為24.46 MPa,已超出混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(16.7 MPa),說明二次襯砌結(jié)構(gòu)已被壓壞。

        (a) 最小主應(yīng)力

        (b) 最大主應(yīng)力

        3.2.3 襯砌拆換后結(jié)構(gòu)受力變形數(shù)值計(jì)算分析

        3.2.3.1 襯砌拆換后支護(hù)結(jié)構(gòu)位移

        襯砌拆換后支護(hù)結(jié)構(gòu)位移云圖如圖9所示。由圖可知:隧道襯砌拆換完成后拱頂最大沉降為90.7 mm,水平收斂最大為271.1 mm,與拆換前相比無論是拱頂沉降還是水平收斂都有了大幅度減小。

        (a)水平方向

        (b)豎直方向

        3.2.3.2 襯砌拆換后支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力

        襯砌拆換后支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力云圖如圖10所示。由圖可知:二次襯砌最小主應(yīng)力為-4.55 MPa,位于拱頂及仰拱處,二次襯砌處于受壓狀態(tài);二次襯砌最大主應(yīng)力較小,幾乎為0,說明二次襯砌結(jié)構(gòu)完全處于受壓狀態(tài)。二次襯砌所受最大壓應(yīng)力為4.55 MPa,未超出混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

        (a) 最小主應(yīng)力

        (b) 最大主應(yīng)力

        3.2.4 襯砌拆換前后結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比分析

        襯砌拆換前最大壓應(yīng)力為24.46 MPa,襯砌拆換后襯砌最大壓應(yīng)力為4.54 MPa,最大壓應(yīng)力下降了81%,說明拆換后襯砌結(jié)構(gòu)受力明顯減小,因而襯砌安全儲備得到極大提高。

        3.3 襯砌裂損重新施作前后結(jié)構(gòu)安全評價

        3.3.1 二次襯砌安全評價方法

        本文按照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中對二次襯砌安全系數(shù)的要求對二次襯砌進(jìn)行評價。對于二次襯砌的安全系數(shù),可分為抗壓安全系數(shù)和抗拉安全系數(shù),一般情況下只考慮抗壓安全系數(shù)??梢愿鶕?jù)材料的極限強(qiáng)度計(jì)算出偏心受壓構(gòu)件的極限承載力Nu,然后與實(shí)際內(nèi)力N相比,得出截面的抗壓(或抗拉)強(qiáng)度安全系數(shù)K并與規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)[K]比較,見式1。

        (1)

        3.3.2 襯砌拆換前支護(hù)結(jié)構(gòu)受力數(shù)值計(jì)算分析

        襯砌拆換前結(jié)構(gòu)內(nèi)力如圖11所示。由圖可知:二次襯砌整體所受彎矩較小,最大為43.22 kN·m,表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)受拉;二次襯砌整體所受軸力較大,其中仰拱處所受軸力最大為16 589 kN。根據(jù)二次襯砌安全系數(shù)計(jì)算方法,對二次襯砌各位置各單元安全性進(jìn)行檢驗(yàn),二次襯砌各單元安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表8。

        (a) 軸力云圖(單位:N)

        (b) 彎矩云圖(單位:N·m)

        表8 二次襯砌安全系數(shù)Table 8 Safety factors of secondary lining

        由表8可知:二次襯砌結(jié)構(gòu)各位置安全系數(shù)均小于規(guī)范中要求值,其中拱頂、仰拱位置安全系數(shù)小于1,說明二次襯砌實(shí)際承受軸力已超出其極限承載能力,二次襯砌已經(jīng)破壞,這與實(shí)際工程中二次襯砌拱頂裂損、仰拱隆起的現(xiàn)象相符。

        3.3.3 襯砌拆換后支護(hù)結(jié)構(gòu)受力數(shù)值計(jì)算分析

        襯砌拆換后結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖如圖12所示。由圖可知:襯砌結(jié)構(gòu)整體所受彎矩較小,最大為17.74 kN·m,表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)受拉;襯砌結(jié)構(gòu)整體所受軸力在1 252~5 399 kN,其中拱頂、仰拱處所受軸力較大,其余位置所受軸力較小。根據(jù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計(jì)算方法,對襯砌結(jié)構(gòu)各位置各單元安全性進(jìn)行檢驗(yàn),各單元安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表9。

        (a) 軸力云圖(單位:N)

        (b) 彎矩云圖(單位:N·m)

        表9 襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)Table 9 Safety factors of lining structure

        由表9可知:襯砌各位置皆由抗壓控制,各位置安全系數(shù)均處于3.3~8.1,均大于規(guī)范中要求值,說明襯砌結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

        4 結(jié)論與建議

        1)襯砌裂損段重新施作后,各層支護(hù)結(jié)構(gòu)累計(jì)變形最大值為205 mm,變形速率不斷減小,第3層支護(hù)施作后,變形速率已趨于穩(wěn)定,縮短各工序時間、及時施作各層支護(hù)結(jié)構(gòu)是變形控制的關(guān)鍵;接觸壓力由外向內(nèi)逐漸減小,前3層支護(hù)幾乎承擔(dān)了所有的圍巖壓力,通過層層支護(hù)、分層抵抗的方法來逐漸降低襯砌受力,保證了襯砌結(jié)構(gòu)的安全。

        2)襯砌裂損段重新施作后,趨于穩(wěn)定后的襯砌結(jié)構(gòu)混凝土最大壓應(yīng)力為7.40 MPa,為C35混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值44.3%;襯砌結(jié)構(gòu)最大鋼筋應(yīng)力為33.15 MPa,且混凝土應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力增長趨勢均不明顯。數(shù)值模擬結(jié)果顯示,襯砌各位置安全系數(shù)均處于3.3~8.1,均大于規(guī)范中要求值,說明結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

        3)本文僅對高地應(yīng)力軟巖隧道襯砌裂損重新施作段結(jié)構(gòu)在施工階段的安全性進(jìn)行了研究,后續(xù)建議分析運(yùn)營期襯砌裂損重新施作段結(jié)構(gòu)受力變形監(jiān)測數(shù)據(jù),評價其安全性。

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