地應(yīng)力方向?qū)λ淼理鲜易冃斡绊懗潭妊芯?/h1>
2024-01-01 00:00:00呂改杰席英偉
四川建筑 2024年3期
【摘 要】基于存在軟巖大變形問題的某深埋隧道實(shí)測數(shù)據(jù)，利用COMSOL數(shù)值模擬軟件分別模擬隧道在200 m、350 m、800 m三種埋深以及不同側(cè)壓力系數(shù)情況下，研究隧道軸向與地應(yīng)力方向夾角對隧道變形的影響。結(jié)果表明：地應(yīng)力方向?qū)λ淼理鲜易冃斡绊懨黠@，隨著地應(yīng)力方向與隧道軸線的夾角增大，隧道硐室變形增大，其增加速率先增大后減小，在夾角在90°時最大，在設(shè)置的不同工況以及隧道處于不同埋深的條件下，隧道圍巖的位移隨夾角的增大均呈現(xiàn)出“S”型增長曲線；位移監(jiān)測曲線大致可分為三段，且分段夾角大小只與側(cè)壓力系數(shù)有關(guān)，與隧道埋深無關(guān)。
【關(guān)鍵詞】地應(yīng)力方向； 側(cè)壓力系數(shù)； 軟巖大變形； 數(shù)值模擬； 隧道工程
【中圖分類號】U451+.1【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A
0 引言
近年來，隧道圍巖大變形在軟巖段落經(jīng)常發(fā)生， 甚至在某些非軟巖段落，由于高地應(yīng)力的作用下也發(fā)生了大變形［1-3］。 例如麗香至香格拉里鐵路段內(nèi)的中義隧道在玄武巖段落發(fā)生顯著大變形、洛陽至湛江段內(nèi)的北崗隧道在花崗巖段落發(fā)生了大變形［4-5］，根據(jù)這些硬巖段落發(fā)生的大變形地質(zhì)條件及施工情況調(diào)查，除了段落內(nèi)存在巖體碎裂及蝕變特征外，還發(fā)現(xiàn)這些隧道走向與段內(nèi)的最大水平主應(yīng)力的夾角較大，處于60°～87°之間。在一些典型的軟巖大變形隧道中，如柳桐寨隧道、茂縣隧道中，設(shè)計(jì)階段的圍巖大變形等級與施工開挖揭示的圍巖大變形等級差別較大，并且出現(xiàn)了當(dāng)最大水平主應(yīng)力與隧道走向夾角較大時設(shè)計(jì)等級較低，夾角較小時設(shè)計(jì)等級較高的現(xiàn)象［6-8］。 根據(jù)這些已有的工程案例，發(fā)現(xiàn)除了地應(yīng)力量值對大變形起明顯的控制作用，還發(fā)現(xiàn)地應(yīng)力方向與隧道走向的夾角對圍巖大變形有顯著影響［9-11］。地應(yīng)力方向與隧道軸線夾角的變化導(dǎo)致在其他條件一致的情況下產(chǎn)生了具有顯著差異的圍巖大變形現(xiàn)象，隧道走向與地應(yīng)力方向的夾角如圖1所示。
由于隧道圍巖大變形時一類危害程度大，整治費(fèi)用高的地質(zhì)災(zāi)害，在隧道選址時就盡量避開易發(fā)生軟巖大變形區(qū)段，在必須經(jīng)過此類地段時，也盡量在開挖前進(jìn)行大變形分級，以及時對其進(jìn)行支護(hù)。目前關(guān)于軟巖大變形的分級多以地應(yīng)力大小、巖體強(qiáng)度為判別指標(biāo)，對地應(yīng)力方向與隧道軸線的夾角大小考慮較少。本文利用COMSOL數(shù)值模擬軟件，基于存在軟巖大變形問題的某深埋隧道實(shí)測數(shù)據(jù)，模擬不同埋深及不同側(cè)壓力系數(shù)情況時，隧道軸向與地應(yīng)力在不同夾角下的變形情況，進(jìn)而獲得圍巖變形程度與地應(yīng)力方向的關(guān)系，研究結(jié)果可為高地應(yīng)力區(qū)隧道選線以及大變形等級劃分提供參考。
1 工程概況
該深埋隧道位于青藏高原三江斷裂帶中的瀾滄江斷裂帶地區(qū)，區(qū)域地質(zhì)活動強(qiáng)烈，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力大，對隧道施工影響明顯。隧址區(qū)地形地貌較為復(fù)雜，主要受新構(gòu)造運(yùn)動影響及地表流水侵蝕形成的高中山峽谷地貌，地形陡峻，溝谷深切。隧道段內(nèi)巖體以侏羅系和三疊系巖體為主，主要為砂巖夾泥巖，其中有少量燕山期的花崗巖，地表存有少量的第四系堆積物。
隧道最大埋深約為800 m，根據(jù)前期地質(zhì)勘察及鉆孔資料，發(fā)現(xiàn)隧道構(gòu)造褶皺發(fā)育，地應(yīng)力受地質(zhì)構(gòu)造及地形地貌影響較大，地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)主要集中在1.6至2.0之間，垂向應(yīng)力主要和上覆巖體自重相關(guān)，根據(jù)現(xiàn)行大變形分級標(biāo)準(zhǔn)TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，發(fā)現(xiàn)隧道可能發(fā)生大變形的段落較長。綜上所述，隧址區(qū)巖性多為軟巖，在高埋深及較大的構(gòu)造應(yīng)力場條件下，隧道開挖極易發(fā)生軟巖大變形，進(jìn)而影響工程建設(shè)進(jìn)度與施工安全。
2 數(shù)值模型設(shè)置
在COMSOL Multiphysics中為簡化隧道模型，且能夠較好的體現(xiàn)地應(yīng)力方向與隧道走向的夾角對圍巖位移的影響，減少由于邊界施加構(gòu)造應(yīng)力帶來的誤差，建立長寬高均為200 m的六面體作為隧道穿過的區(qū)域，并在六面體中心區(qū)域建立直徑7 m，水平穿越模型的圓柱形隧道洞身。隧道與圖2中所示Y軸的夾角為θ，θ在0°～90°范圍內(nèi)取值，取值梯度為5°。以四面體單元劃分網(wǎng)格，得到128 831個域單元、7 923個邊界元和572個邊單元。在模擬深埋隧道的地應(yīng)力場時，需要考慮垂直應(yīng)力（σz）、最大水平主應(yīng)力（σy）和最小水平主應(yīng)力（σx）三向主應(yīng)力。該模擬在設(shè)置模型邊界條件時，設(shè)置地表為自由表面，底面固定位移，分別施加重力場、側(cè)面的法向荷載以模擬研究區(qū)初始地應(yīng)力，隧道模型如圖2所示。
3 模型計(jì)算及結(jié)果分析
3.1 巖體參數(shù)
由于本文主要針對軟巖大變形區(qū)段，巖體參數(shù)主要取隧道穿過的泥巖及頁巖。研究區(qū)隧道巖體的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。
3.2 計(jì)算過程
通過對研究區(qū)的地質(zhì)條件以及實(shí)測地應(yīng)力鉆孔數(shù)據(jù)分析，本節(jié)設(shè)置隧道埋深分別為200 m、350 m、800 m，側(cè)壓力系數(shù)設(shè)置為1.6～2.0范圍內(nèi)，各工況設(shè)置參數(shù)分別如表2～表4所示，共計(jì)20種模型進(jìn)行初始地應(yīng)力的計(jì)算。
在模型中模擬隧道開挖后，在硐室側(cè)壁設(shè)置位移監(jiān)測點(diǎn)，通過位移監(jiān)測點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，得到不同工況下的隧道圍巖變形程度（圖3）。
3.3 計(jì)算結(jié)果
由上述計(jì)算過程，分別對三種埋深下，五個側(cè)壓力系數(shù)對應(yīng)的夾角自0°至90°的工況進(jìn)行模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)獲取的各工況下位移監(jiān)測值，繪制了各工況位移監(jiān)測值的位移曲線圖，如圖4～圖6所示。
從圖4～圖6可以看出，在不同的地應(yīng)力條件下，隧道圍巖位移均隨隧道走向與最大水平主應(yīng)力的方向夾角的增大而增大，且呈現(xiàn)出“S”型的遞增曲線，即曲線的斜率在夾角較小時是逐漸增大的，在夾角較大時又逐漸減小。為了研究不同夾角下的曲線斜率變化特征，將曲線斜率分為增大段，斜率穩(wěn)定段以及斜率減小段，并將三段斜率變化率的極值作為分段點(diǎn)。每條曲線的第一段的位移值整體較小，且斜率是逐漸增大的，但斜率變化率逐漸變大，當(dāng)斜率變化率最大時，曲線進(jìn)入第二段，即斜率穩(wěn)定段，該段斜率幾乎不變，曲線幾乎為直線，該段內(nèi)位移值均勻增大，當(dāng)曲線斜率變化率達(dá)到極小值時，曲線進(jìn)入第三段，即斜率減小段，該段內(nèi)位移值達(dá)到最大值，斜率逐漸減小。
為了能得將曲線分成三段，把曲線斜率變化率的極大值和極小值分別定義為分界角θ1和分界角θ2。對位移監(jiān)測值進(jìn)行“歸一化”處理，求出“歸一化”后數(shù)據(jù)曲線斜率變化率的極大值和極小值所對應(yīng)的角度既是分界角θ1和分界角θ2。隧道各埋深下的分界角如表5所示。
結(jié)合表5所示結(jié)果，發(fā)現(xiàn)相同埋深下，隨側(cè)壓力系數(shù)的增大，曲線的分界角逐漸減小，具體為隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大，隧道最大水平主應(yīng)力增大導(dǎo)致的變形增大，分界角θ1和分界角θ2減小。對比不同埋深下的分界角θ1和分界角θ2，發(fā)521.354.621.354.621.354.6現(xiàn)分界角θ1和分界角θ2只與側(cè)壓力系數(shù)有關(guān)，與埋深無關(guān)。在不同埋深及不同工況下，位移監(jiān)測曲線均呈現(xiàn)出“始端閉合”和“末端開放”的狀態(tài)。
根據(jù)上述研究，發(fā)現(xiàn)隧道圍巖變形程度不僅與地應(yīng)力量值有關(guān)，也明顯受到地應(yīng)力方向的影響，當(dāng)?shù)貞?yīng)力方向與隧道軸線的夾角越大，隧道圍巖變形越明顯，且在夾角較小的情況下，隨著夾角的增大，隧道變形程度的變化明顯，在夾角較大的情況下，隨著夾角的繼續(xù)增大，隧道變形程度的變化較小。研究結(jié)果可為不同夾角情況下的圍巖大變形等級修正提供參考，進(jìn)而獲得更為準(zhǔn)確的圍巖大變形等級。
4 結(jié)論
（1）本文在某深埋隧道實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過COMSOL數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在相同埋深下，隨側(cè)壓力系數(shù)的增大，隧道洞身變形程度增大；在相同側(cè)壓力系數(shù)下，隨埋深的增大，隧道洞身變形程度變大。
（2）在設(shè)置的不同工況以及隧道處于不同埋深的條件下，隧道圍巖的位移隨夾角的增大均呈現(xiàn)出“S”型增長曲線；位移監(jiān)測曲線大致可分為三段，且分界角的閾值只與側(cè)壓力系數(shù)有關(guān)，與隧道埋深無關(guān)。
（3）研究發(fā)現(xiàn)，深埋隧道硐室位移與地應(yīng)力方向相關(guān)性較強(qiáng)，在隧道選線及軟巖大變形預(yù)測時應(yīng)將地應(yīng)力方向與隧道軸向夾角因素考慮在內(nèi)。
參考文獻(xiàn)
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［基金項(xiàng)目］西南交通大學(xué)地質(zhì)工程與測繪工程創(chuàng)新實(shí)踐基地（項(xiàng)目編號：YJG-2022-JD04）
［作者簡介］呂改杰（1997—），男， 碩士，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)資源與地質(zhì)工程。
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【摘 要】基于存在軟巖大變形問題的某深埋隧道實(shí)測數(shù)據(jù)，利用COMSOL數(shù)值模擬軟件分別模擬隧道在200 m、350 m、800 m三種埋深以及不同側(cè)壓力系數(shù)情況下，研究隧道軸向與地應(yīng)力方向夾角對隧道變形的影響。結(jié)果表明：地應(yīng)力方向?qū)λ淼理鲜易冃斡绊懨黠@，隨著地應(yīng)力方向與隧道軸線的夾角增大，隧道硐室變形增大，其增加速率先增大后減小，在夾角在90°時最大，在設(shè)置的不同工況以及隧道處于不同埋深的條件下，隧道圍巖的位移隨夾角的增大均呈現(xiàn)出“S”型增長曲線；位移監(jiān)測曲線大致可分為三段，且分段夾角大小只與側(cè)壓力系數(shù)有關(guān)，與隧道埋深無關(guān)。
【關(guān)鍵詞】地應(yīng)力方向； 側(cè)壓力系數(shù)； 軟巖大變形； 數(shù)值模擬； 隧道工程
【中圖分類號】U451+.1【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A
0 引言
近年來，隧道圍巖大變形在軟巖段落經(jīng)常發(fā)生， 甚至在某些非軟巖段落，由于高地應(yīng)力的作用下也發(fā)生了大變形［1-3］。 例如麗香至香格拉里鐵路段內(nèi)的中義隧道在玄武巖段落發(fā)生顯著大變形、洛陽至湛江段內(nèi)的北崗隧道在花崗巖段落發(fā)生了大變形［4-5］，根據(jù)這些硬巖段落發(fā)生的大變形地質(zhì)條件及施工情況調(diào)查，除了段落內(nèi)存在巖體碎裂及蝕變特征外，還發(fā)現(xiàn)這些隧道走向與段內(nèi)的最大水平主應(yīng)力的夾角較大，處于60°～87°之間。在一些典型的軟巖大變形隧道中，如柳桐寨隧道、茂縣隧道中，設(shè)計(jì)階段的圍巖大變形等級與施工開挖揭示的圍巖大變形等級差別較大，并且出現(xiàn)了當(dāng)最大水平主應(yīng)力與隧道走向夾角較大時設(shè)計(jì)等級較低，夾角較小時設(shè)計(jì)等級較高的現(xiàn)象［6-8］。 根據(jù)這些已有的工程案例，發(fā)現(xiàn)除了地應(yīng)力量值對大變形起明顯的控制作用，還發(fā)現(xiàn)地應(yīng)力方向與隧道走向的夾角對圍巖大變形有顯著影響［9-11］。地應(yīng)力方向與隧道軸線夾角的變化導(dǎo)致在其他條件一致的情況下產(chǎn)生了具有顯著差異的圍巖大變形現(xiàn)象，隧道走向與地應(yīng)力方向的夾角如圖1所示。
由于隧道圍巖大變形時一類危害程度大，整治費(fèi)用高的地質(zhì)災(zāi)害，在隧道選址時就盡量避開易發(fā)生軟巖大變形區(qū)段，在必須經(jīng)過此類地段時，也盡量在開挖前進(jìn)行大變形分級，以及時對其進(jìn)行支護(hù)。目前關(guān)于軟巖大變形的分級多以地應(yīng)力大小、巖體強(qiáng)度為判別指標(biāo)，對地應(yīng)力方向與隧道軸線的夾角大小考慮較少。本文利用COMSOL數(shù)值模擬軟件，基于存在軟巖大變形問題的某深埋隧道實(shí)測數(shù)據(jù)，模擬不同埋深及不同側(cè)壓力系數(shù)情況時，隧道軸向與地應(yīng)力在不同夾角下的變形情況，進(jìn)而獲得圍巖變形程度與地應(yīng)力方向的關(guān)系，研究結(jié)果可為高地應(yīng)力區(qū)隧道選線以及大變形等級劃分提供參考。
1 工程概況
該深埋隧道位于青藏高原三江斷裂帶中的瀾滄江斷裂帶地區(qū)，區(qū)域地質(zhì)活動強(qiáng)烈，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力大，對隧道施工影響明顯。隧址區(qū)地形地貌較為復(fù)雜，主要受新構(gòu)造運(yùn)動影響及地表流水侵蝕形成的高中山峽谷地貌，地形陡峻，溝谷深切。隧道段內(nèi)巖體以侏羅系和三疊系巖體為主，主要為砂巖夾泥巖，其中有少量燕山期的花崗巖，地表存有少量的第四系堆積物。
隧道最大埋深約為800 m，根據(jù)前期地質(zhì)勘察及鉆孔資料，發(fā)現(xiàn)隧道構(gòu)造褶皺發(fā)育，地應(yīng)力受地質(zhì)構(gòu)造及地形地貌影響較大，地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)主要集中在1.6至2.0之間，垂向應(yīng)力主要和上覆巖體自重相關(guān)，根據(jù)現(xiàn)行大變形分級標(biāo)準(zhǔn)TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，發(fā)現(xiàn)隧道可能發(fā)生大變形的段落較長。綜上所述，隧址區(qū)巖性多為軟巖，在高埋深及較大的構(gòu)造應(yīng)力場條件下，隧道開挖極易發(fā)生軟巖大變形，進(jìn)而影響工程建設(shè)進(jìn)度與施工安全。
2 數(shù)值模型設(shè)置
在COMSOL Multiphysics中為簡化隧道模型，且能夠較好的體現(xiàn)地應(yīng)力方向與隧道走向的夾角對圍巖位移的影響，減少由于邊界施加構(gòu)造應(yīng)力帶來的誤差，建立長寬高均為200 m的六面體作為隧道穿過的區(qū)域，并在六面體中心區(qū)域建立直徑7 m，水平穿越模型的圓柱形隧道洞身。隧道與圖2中所示Y軸的夾角為θ，θ在0°～90°范圍內(nèi)取值，取值梯度為5°。以四面體單元劃分網(wǎng)格，得到128 831個域單元、7 923個邊界元和572個邊單元。在模擬深埋隧道的地應(yīng)力場時，需要考慮垂直應(yīng)力（σz）、最大水平主應(yīng)力（σy）和最小水平主應(yīng)力（σx）三向主應(yīng)力。該模擬在設(shè)置模型邊界條件時，設(shè)置地表為自由表面，底面固定位移，分別施加重力場、側(cè)面的法向荷載以模擬研究區(qū)初始地應(yīng)力，隧道模型如圖2所示。
3 模型計(jì)算及結(jié)果分析
3.1 巖體參數(shù)
由于本文主要針對軟巖大變形區(qū)段，巖體參數(shù)主要取隧道穿過的泥巖及頁巖。研究區(qū)隧道巖體的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。
3.2 計(jì)算過程
通過對研究區(qū)的地質(zhì)條件以及實(shí)測地應(yīng)力鉆孔數(shù)據(jù)分析，本節(jié)設(shè)置隧道埋深分別為200 m、350 m、800 m，側(cè)壓力系數(shù)設(shè)置為1.6～2.0范圍內(nèi)，各工況設(shè)置參數(shù)分別如表2～表4所示，共計(jì)20種模型進(jìn)行初始地應(yīng)力的計(jì)算。
在模型中模擬隧道開挖后，在硐室側(cè)壁設(shè)置位移監(jiān)測點(diǎn)，通過位移監(jiān)測點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，得到不同工況下的隧道圍巖變形程度（圖3）。
3.3 計(jì)算結(jié)果
由上述計(jì)算過程，分別對三種埋深下，五個側(cè)壓力系數(shù)對應(yīng)的夾角自0°至90°的工況進(jìn)行模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)獲取的各工況下位移監(jiān)測值，繪制了各工況位移監(jiān)測值的位移曲線圖，如圖4～圖6所示。
從圖4～圖6可以看出，在不同的地應(yīng)力條件下，隧道圍巖位移均隨隧道走向與最大水平主應(yīng)力的方向夾角的增大而增大，且呈現(xiàn)出“S”型的遞增曲線，即曲線的斜率在夾角較小時是逐漸增大的，在夾角較大時又逐漸減小。為了研究不同夾角下的曲線斜率變化特征，將曲線斜率分為增大段，斜率穩(wěn)定段以及斜率減小段，并將三段斜率變化率的極值作為分段點(diǎn)。每條曲線的第一段的位移值整體較小，且斜率是逐漸增大的，但斜率變化率逐漸變大，當(dāng)斜率變化率最大時，曲線進(jìn)入第二段，即斜率穩(wěn)定段，該段斜率幾乎不變，曲線幾乎為直線，該段內(nèi)位移值均勻增大，當(dāng)曲線斜率變化率達(dá)到極小值時，曲線進(jìn)入第三段，即斜率減小段，該段內(nèi)位移值達(dá)到最大值，斜率逐漸減小。
為了能得將曲線分成三段，把曲線斜率變化率的極大值和極小值分別定義為分界角θ1和分界角θ2。對位移監(jiān)測值進(jìn)行“歸一化”處理，求出“歸一化”后數(shù)據(jù)曲線斜率變化率的極大值和極小值所對應(yīng)的角度既是分界角θ1和分界角θ2。隧道各埋深下的分界角如表5所示。
結(jié)合表5所示結(jié)果，發(fā)現(xiàn)相同埋深下，隨側(cè)壓力系數(shù)的增大，曲線的分界角逐漸減小，具體為隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大，隧道最大水平主應(yīng)力增大導(dǎo)致的變形增大，分界角θ1和分界角θ2減小。對比不同埋深下的分界角θ1和分界角θ2，發(fā)521.354.621.354.621.354.6現(xiàn)分界角θ1和分界角θ2只與側(cè)壓力系數(shù)有關(guān)，與埋深無關(guān)。在不同埋深及不同工況下，位移監(jiān)測曲線均呈現(xiàn)出“始端閉合”和“末端開放”的狀態(tài)。
根據(jù)上述研究，發(fā)現(xiàn)隧道圍巖變形程度不僅與地應(yīng)力量值有關(guān)，也明顯受到地應(yīng)力方向的影響，當(dāng)?shù)貞?yīng)力方向與隧道軸線的夾角越大，隧道圍巖變形越明顯，且在夾角較小的情況下，隨著夾角的增大，隧道變形程度的變化明顯，在夾角較大的情況下，隨著夾角的繼續(xù)增大，隧道變形程度的變化較小。研究結(jié)果可為不同夾角情況下的圍巖大變形等級修正提供參考，進(jìn)而獲得更為準(zhǔn)確的圍巖大變形等級。
4 結(jié)論
（1）本文在某深埋隧道實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過COMSOL數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在相同埋深下，隨側(cè)壓力系數(shù)的增大，隧道洞身變形程度增大；在相同側(cè)壓力系數(shù)下，隨埋深的增大，隧道洞身變形程度變大。
（2）在設(shè)置的不同工況以及隧道處于不同埋深的條件下，隧道圍巖的位移隨夾角的增大均呈現(xiàn)出“S”型增長曲線；位移監(jiān)測曲線大致可分為三段，且分界角的閾值只與側(cè)壓力系數(shù)有關(guān)，與隧道埋深無關(guān)。
（3）研究發(fā)現(xiàn)，深埋隧道硐室位移與地應(yīng)力方向相關(guān)性較強(qiáng)，在隧道選線及軟巖大變形預(yù)測時應(yīng)將地應(yīng)力方向與隧道軸向夾角因素考慮在內(nèi)。
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［基金項(xiàng)目］西南交通大學(xué)地質(zhì)工程與測繪工程創(chuàng)新實(shí)踐基地（項(xiàng)目編號：YJG-2022-JD04）
［作者簡介］呂改杰（1997—），男， 碩士，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)資源與地質(zhì)工程。
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