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巖溶隧道施工技術(shù)探討【內(nèi)容提要】溶洞為巖溶洞穴,又稱喀斯特,主要是指地表水和地下水對(duì)溶性巖層經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期化學(xué)作用和機(jī)械破壞作用而形成的地下溶蝕現(xiàn)象。在巖溶作用過(guò)程中,經(jīng)常伴隨地表侵蝕、地下侵蝕、沖蝕以及崩塌與滑動(dòng),和化學(xué)與物理的風(fēng)化、搬運(yùn)、堆積與沉積等作用。因而產(chǎn)生溝槽、裂隙和空洞以及由于空洞的頂部塌落使地表產(chǎn)生陷穴、洼地等現(xiàn)象。巖溶對(duì)隧道的影響主要表現(xiàn)為是結(jié)構(gòu)物部分及全部懸空,降低隧道使用的可靠度;巖溶作為一種不良地質(zhì)病害,給隧道的施工和運(yùn)營(yíng)造成了嚴(yán)重的威脅。其中季節(jié)性的巖溶洞穴涌水,給隧道施工和體系帶來(lái)不安全和不穩(wěn)定因素。因此,制定合理、科學(xué)、有效的溶洞處理方案對(duì)隧道順利穿越巖溶地段極為重要。論文介紹了常見(jiàn)幾種溶洞的處理方法,長(zhǎng)期對(duì)溶洞處理的設(shè)計(jì)與施工有一定借鑒意義?!娟P(guān)鍵詞】隧道溶洞施工探討1.前言我國(guó)幅員遼闊,有70%的國(guó)土面積為山區(qū),地質(zhì)條件十分復(fù)雜,是世界上巖溶分布面積最廣的國(guó)家之一。我國(guó)境內(nèi)可溶巖分布面積達(dá)3400000km2,約占我國(guó)國(guó)土面積的1/3。其中,裸露于地表的碳酸鹽巖面積為910000km2,接近我國(guó)國(guó)土面積的1/10。如此廣闊的巖溶面積,嚴(yán)重影響著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和發(fā)展。巖溶不良地質(zhì)條件給隧道的施工和運(yùn)營(yíng)造成了嚴(yán)重的威脅,帶來(lái)了一定的困難和工程風(fēng)險(xiǎn)。高速公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較高,受線路縱坡、曲線半徑限制,不可避免地出現(xiàn)長(zhǎng)大、深埋型巖溶隧道。由于隧道工程深埋于地下,工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件千差萬(wàn)別,加上人們的認(rèn)識(shí)水平和勘察技術(shù)手段、勘察周期的限制,設(shè)計(jì)單位要在勘察階段詳細(xì)查明隧道的工程地質(zhì)條件是不可能的,要做出完全符合實(shí)際的設(shè)計(jì)也是困難的,在隧道建設(shè)過(guò)程中遭遇不同形態(tài)體量、不同危害的巖溶概率極高,從而給施工帶來(lái)困難。因此,巖溶隧道施工如何規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn),保證施工及運(yùn)營(yíng)安全極為重要。2.巖溶隧道施工應(yīng)做好下列幾點(diǎn)(1)隧道施工前,對(duì)隧道選址附近進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)地表有下列現(xiàn)象,可初判存在溶洞、暗河。①四周匯水的洼地內(nèi),發(fā)現(xiàn)有落水洞、漏斗或開(kāi)然豎井存在。②落水洞、漏斗呈帶狀分布地段。③地面坍陷和草木叢生以及冬季胃氣等地段。④地表水消失或附近有出水點(diǎn)(泉眼)的地段。(2)采取綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)(TSP為主,地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水儀等為輔)措施查明隧道施工前方溶洞和水的情況。除了熟悉設(shè)計(jì)提供的隧道地質(zhì)報(bào)告中巖溶資料、地下水、溶洞里程、規(guī)模以及類型外,還需加強(qiáng)隧道施工中的地質(zhì)調(diào)繪,通過(guò)開(kāi)挖揭露或超前探測(cè)中逐漸掌握隧道巖溶位置、大小、填充、發(fā)育、地下水規(guī)律及補(bǔ)給等。(3)在掘進(jìn)時(shí),當(dāng)鑿巖機(jī)鉆進(jìn)速度變快時(shí),可能已達(dá)到溶洞邊緣,應(yīng)注意觀察地下水變化情況及裂隙溶蝕程度,當(dāng)有所加劇時(shí)應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)及排水工作,放緩掘進(jìn)速度,采用超前探孔的方法,探明前方地質(zhì)和地下水情況,防止涌水、涌泥事故發(fā)生。(4)當(dāng)隧道掘進(jìn)施工為下坡地段,可能遇到溶洞時(shí),要準(zhǔn)備足夠的排水設(shè)備。(5)當(dāng)掘進(jìn)達(dá)到溶洞邊緣時(shí),各工序要緊密銜接,同時(shí)設(shè)法探明溶洞的形狀、范圍、大小、充填物及地下水等情況,據(jù)以制定施工治理方案及安全措施。3.巖溶分類巖溶發(fā)育千奇百怪、復(fù)雜多變,無(wú)規(guī)律性,但也有其內(nèi)在的類型特征。溶縫、溶槽、溶洞等,有沿線路方向的,有與線路正交或斜交的,當(dāng)隧道施工穿過(guò)可溶性巖層時(shí),常遇見(jiàn)大小不等,形狀各異,部位不同,充填物及充填程度和含水量不等的溶縫、溶槽、溶洞及暗河通道等。根據(jù)其不同的類型特征,采取分類方式,“對(duì)癥下藥”,制定出“規(guī)模對(duì)策”、“充填性對(duì)策”、“充填物對(duì)策”和“水對(duì)策”,實(shí)現(xiàn)巖溶“標(biāo)準(zhǔn)化”治理。按照溶洞的形態(tài)及規(guī)模大小不同,可將溶洞分為洞穴型溶洞、裂隙型溶洞、管道型溶洞和大型溶洞;按照溶洞的充填特征不同,可將溶洞分為充填型溶洞、半充填型溶洞和無(wú)充填型溶洞(又稱“干溶洞”);其中充填型和半充填型溶洞又可分為充填粘土型、充填淤泥型、充填粉細(xì)砂型、充填塊石土型和充水型溶洞。發(fā)生突水、突泥災(zāi)害一般是由充填型、半充填型溶洞引起;干溶洞雖然不會(huì)引發(fā)突水、突泥災(zāi)害,但是當(dāng)隧道穿越其影響范圍時(shí),常會(huì)引起隧道結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)變形,易造成圍巖中應(yīng)力的過(guò)度集中,隧道周邊變形量增加,并可能引起隧道開(kāi)挖中局部圍巖的坍塌、掉塊,影響隧道施工進(jìn)度,直接危及施工人員和機(jī)械設(shè)備的安全。一旦施工措施不當(dāng),常會(huì)使隧道建成后運(yùn)營(yíng)環(huán)境惡劣,地表環(huán)境惡化,給人們的生產(chǎn)和生活造成重大損失。3.1按有無(wú)地下水分(1)溶縫、溶槽、溶洞暗河支岔通道有季節(jié)性流水。(2)常年流水。(3)洞內(nèi)無(wú)水,其中有充填物或干燥無(wú)充填物。其規(guī)模有大有小,大的有幾十米。3.2按其揭露在隧道洞身部位分(1)位于隧道頂部或頂部的一側(cè)。(2)位于隧道的墻部或墻部的一側(cè)。(3)位于隧道的底部或底部的一側(cè)。(4)洞身全部在溶洞或溶洞充填物內(nèi)穿過(guò)。4.巖溶治理隧道施工中遇到溶洞地段時(shí),應(yīng)依據(jù)設(shè)計(jì)文件結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況核查溶洞的分布范圍、類型、規(guī)模、充填物和地下水情況等,分別采取截、引、堵、越、繞等措施進(jìn)行治理和施工。4.1攔截地表水地表為自然溝床、匯水洼地有溶穴、落水洞、漏斗、豎井等為隧道地下水補(bǔ)給來(lái)源,補(bǔ)給量隨季節(jié)變化。則采用截水溝、泄水暗管攔截地表水,如為自然溝槽,采用在溶穴、落水洞、漏斗、地表陷穴四周施作漿砌片石排水溝。如地表為一溶蝕封閉洼地,則可采用截水溝,泄水暗管,泄水暗管將水引到隧道滲泄區(qū)以外。4.2引排地下水(1)掘進(jìn)遇到溶洞有流水時(shí),宜排不宜堵,查明水源,涌水量,流向及與隧道位置的關(guān)系,采取截引結(jié)合,以排為主的措施,常年流量大的采用開(kāi)鑿泄水將水排出洞外,流量小的可采用攔截引排將水引入隧道排水溝內(nèi),排出洞外。(2)常年流量大的巖溶地下水,即隧道排水溝無(wú)法正常完全排走的水,采取開(kāi)鑿落水洞或增設(shè)平行導(dǎo)坑,將地下水排出隧道洞身范圍。(3)一般涌水即利用隧道排水溝能正常排走的水,以排為主。治理方法:涌水在隧道頂上部出露時(shí),采用襯砌范用以外,拱部設(shè)渡槽、豎向暗溝、預(yù)留排水溝,將水引致墻角外側(cè),再襯砌邊墻腳留一暗溝或埋設(shè)鋼管將水引人隧道排水溝,當(dāng)涌水出露在邊墻部位,在邊墻襯砌以外可設(shè)豎向盲溝或暗溝,將水引至邊墻腳外側(cè),在邊墻襯砌時(shí)候,墻腳留一暗洞或埋管將水引入隧道排水溝排出洞外。4.3堵填采用堵填方法治理溶洞時(shí),不得阻斷過(guò)水通道。應(yīng)首先選擇連通方案,不改變地下水總的流動(dòng)趨勢(shì);各類新建的排水暗管應(yīng)有一定的坡度,以預(yù)防泥沙淤積??鐝捷^小、已停止發(fā)育、無(wú)水的溶洞,根據(jù)其與隧道相交的位置及其充填情況,可采用混凝土,漿砌片石或干砌片石予以回填封閉,同時(shí)根據(jù)地質(zhì)情況決定是否加深邊墻基礎(chǔ)。拱部以上干、空溶洞,可采用噴錨支護(hù)加固、注漿、加設(shè)護(hù)拱及拱頂回填的方法進(jìn)行治理。底板下溶洞,宜采用漿砌片石回填,但不得阻斷過(guò)水通道。4.4根據(jù)溶洞揭露在隧道洞身不同部位進(jìn)行分類治理4.4.1溶洞位于隧道拱腰以上(1)溶洞在拱腰以上發(fā)育規(guī)模較小,無(wú)水(少水)的空腔,原則上采用回填法處理:加強(qiáng)該段襯砌支護(hù),初期支護(hù)外采用泵送C20混凝土全部回填封堵。為避免回填混凝土對(duì)復(fù)合襯砌局部產(chǎn)生過(guò)大壓力,根據(jù)溶洞大小,要求在其四周施作長(zhǎng)2.0米,縱橫間距約1.2*1.2米間距的Φ22砂漿錨桿,錨桿深入圍巖不小于1.0米?;靥钍┕ね旰笤偈┳鲊娚浠炷梁弯摻罹W(wǎng)初期支護(hù)等。在集中出水點(diǎn)處預(yù)埋φ11cmHDPE雙壁波紋排水管,數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖溶水量大小確定,排水系統(tǒng)與巖溶原過(guò)水通道相連或者引入隧道排水溝。本處理方案主要針對(duì)隧道開(kāi)挖面外(拱腰以上)的溶洞發(fā)育深度小于2.0米的地段。如圖1所示:圖1拱腰以上小溶洞(一)(2)溶洞在拱腰以上發(fā)育規(guī)模較小或溶洞盡管向上發(fā)育較高但寬度很窄,采用護(hù)拱法處理:加強(qiáng)該段襯砌支護(hù),初期支護(hù)外采用泵送2.0米厚模筑C25混凝土,形成護(hù)拱,為避免回填混凝土對(duì)復(fù)合襯砌局部產(chǎn)生過(guò)大壓力,根據(jù)溶洞大小,要求在其四周施作長(zhǎng)2.0米,縱橫間距約1.2*1.2米間距的Φ22砂漿錨桿,錨桿深入圍巖不小于1.0米?;靥钍┕ね旰笤偈┳鲊娚浠炷梁弯摻罹W(wǎng)初期支護(hù)等。在集中出水點(diǎn)處預(yù)埋φ11cmHDPE雙壁波紋排水管,數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖溶水量大小確定,排水系統(tǒng)與巖溶原過(guò)水通道相連或者引入隧道排水溝。本處理方案主要針對(duì)隧道開(kāi)挖面外(拱腰以上)的溶洞發(fā)育深度小于2.0米的地段。如圖2所示:圖2拱腰以上小溶洞(二)(3)溶洞在拱腰以上縱、橫向發(fā)育范圍均較小,溶洞頂板穩(wěn)定性較好,原則上采用掛網(wǎng)錨噴防護(hù)。(4)溶洞在拱腰以上且溶洞內(nèi)無(wú)填充物有水,縱、橫向發(fā)育范圍均較廣,溶洞頂板發(fā)育在隧道拱頂10米以上,頂板整體穩(wěn)定性較好,僅存在小塊落石的可能,且清除危石難度較大,原則上采用拱罩防護(hù):加強(qiáng)該段襯砌支護(hù),初期支護(hù)外采用泵送C25鋼筋混凝土澆筑,保證最薄厚度不小于80cm,要求兩側(cè)嵌入巖石內(nèi)不小于50cm,雙層Φ22鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距為20*20cm,形成護(hù)拱,并在其四周施作長(zhǎng)2.5米,縱橫間距約1.2*1.2米間距的Φ22砂漿錨桿,錨桿深入圍巖不小于1.5米。如果溶洞拱頂以上發(fā)育較高,在C25混凝土護(hù)拱頂部施作50cm厚M10砂漿或細(xì)砂緩沖層,以防溶腔塌落,砸壞砌襯。以上施工完后再施作噴射混凝土和鋼筋網(wǎng)等加強(qiáng)的初期支護(hù)(增加工字鋼、工字鋼間距、二襯鋼筋,增設(shè)仰拱等方面加強(qiáng))。如果巖溶水比較發(fā)育,需對(duì)此處隧道進(jìn)行擴(kuò)挖,埋設(shè)φ30cmHDPE雙壁波紋管連通原溶洞水路,間距2.0米一處;如果巖溶水不發(fā)育,埋設(shè)φ11cmHDPE雙壁波紋管連通原溶洞水路,間距2米一處;排水系統(tǒng)與巖溶原過(guò)水通道相連或者引入隧道排水溝。本處理方案主要針對(duì)拱腰以上隧道開(kāi)挖面外溶洞發(fā)育深度大于2.0米,溶洞寬度小于隧道開(kāi)挖面的溶洞處理方案。如圖3、圖4所示:圖3拱腰以上大溶洞(無(wú)填充物有水)圖4拱腰以上大溶洞(無(wú)填充物)(5)溶洞在拱腰以上且溶洞內(nèi)有填充物,縱、橫向發(fā)育范圍均較廣,整體穩(wěn)定性較好,原則上采用超前支護(hù)法:先施作超前小導(dǎo)管,超前小導(dǎo)管采用外徑42mm、壁厚3.5mm熱軋無(wú)縫鋼管,鋼管前端呈尖錐狀,尾部焊上φ6加勁箍,管壁四周鉆6mm壓漿孔,但尾部有1m不設(shè)壓漿孔。超前小導(dǎo)管施工時(shí),鋼管與襯砌中線平行以6~10°仰角打入拱部圍巖。鋼管環(huán)向間距30cm。每打完一排鋼管注漿后,開(kāi)挖拱部及第一次噴射混凝土、架設(shè)鋼架,初期支護(hù)完成后,隔2.0米再打另一排鋼管,超前小導(dǎo)管保持1.0米以上的搭接長(zhǎng)度。超前小導(dǎo)管注漿采用水泥漿液(添加水泥重量5%的水玻璃),注漿參數(shù)如下:(1)水泥漿水灰比:1:1,(2)水玻璃濃度:35波美度;模數(shù):2.4,(3)注漿壓力:0.5~1.0Mpa,超前小導(dǎo)管可從型鋼鋼拱架腹部穿過(guò)。開(kāi)挖采用預(yù)裂爆破,施作18工字鋼,間距50cm,注意鋼架基腳處適當(dāng)擴(kuò)挖,保證基礎(chǔ)牢靠。施作鎖腳錨桿,鋪鋼筋網(wǎng),26cm厚C20噴射混凝土,二次襯砌可根據(jù)溶洞發(fā)育情況,考慮采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。施工時(shí)注意預(yù)埋φ11cmHDPE透水管連通原溶洞水路并加密此地段環(huán)向排水管。φ11cmHDPE透水管間距2米一處,排水系統(tǒng)與巖溶原過(guò)水通道相連或者引入隧道排水溝。本處理方案主要針對(duì)拱腰以上隧道開(kāi)挖面外溶洞發(fā)育深度大于2.0米,溶洞寬度小于隧道開(kāi)挖面的溶洞處理方案。如圖5所示:圖5拱腰以上大溶洞(有填充物)4.4.2溶洞位于隧道邊墻處(1)溶洞在邊墻處發(fā)育,采用護(hù)墻防護(hù)法:加強(qiáng)該段襯砌支護(hù),初期支護(hù)外采用模筑C20混凝土回填,厚度不小于1.5米,1.5米以外可采用干砌片石回填。每隔2m設(shè)置一處11cmHDPE雙壁波紋管與主洞側(cè)水溝相連,回填外側(cè)縱向設(shè)一道1.0*1.0集水井,排水系統(tǒng)與巖溶原過(guò)水通道相連或者引入隧道排水溝。該處噴射混凝土和鋼筋網(wǎng)初期支護(hù)可取消。本處理方案主要針對(duì)在邊墻處發(fā)育的小溶洞,溶洞寬度小于隧道開(kāi)挖面的溶洞處理方案。如圖6所示:圖6邊墻處小溶洞(2)邊墻溶洞發(fā)育范圍較寬廣,溶洞侵入邊墻隧底范圍較大,采用護(hù)墻支頂法:加強(qiáng)該段襯砌支護(hù),初期支護(hù)外采用2.0米厚模筑C20混凝土回填,2.0米以外采片干砌片石回填。在隧底邊墻懸空部位設(shè)工字鋼托梁或鋼筋混凝土蓋板。做豎向暗溝、盲溝和預(yù)埋排水管,排水系統(tǒng)與巖溶原過(guò)水通道相連或者引入隧道排水溝。4.4.3溶洞位于隧道基礎(chǔ)及路面以下(1)溶洞在基礎(chǔ)及路面下發(fā)育的小溶洞,原則上采用回填法:漿砌片石或C20混凝土回填,如有充填物,必須挖除。每隔2.0米預(yù)埋一處φ11cmHDPE雙壁波紋管與主洞側(cè)水溝相連。排水系統(tǒng)與巖溶原過(guò)水通道相連或者引入隧道排水溝。本處理方案主要針對(duì)隧道開(kāi)挖面外(基礎(chǔ)及路面下)的溶洞發(fā)育深度小于2.0米的地段。如圖7所示:圖7基礎(chǔ)及路面下小溶洞(2)基底以下大溶洞:采用架設(shè)C25鋼筋混凝土橋板通過(guò),厚度不小于80cm,應(yīng)保證橋板兩端架設(shè)與穩(wěn)固基礎(chǔ)上,基地承載力大于1200kPa,否則應(yīng)進(jìn)行處治。施工前可先對(duì)梁端基底地質(zhì)進(jìn)行物探或鉆孔探測(cè)。本處理方案主要針對(duì)基地溶洞發(fā)育深度大于5.0米,溶洞寬度小于隧道開(kāi)挖面的溶洞處理方案。如圖8所示:圖8基礎(chǔ)以下大溶洞(3)基礎(chǔ)及路面下大型溶洞,溶洞在某一方向?qū)挾容^窄,采用跨越處理方案:采用鋼筋混凝土梁跨越,梁高50~100cm,要求兩側(cè)嵌入巖石內(nèi)不小于50cm,基礎(chǔ)及路面下采用M7.5號(hào)漿砌片石回填。每隔2.0米預(yù)埋一處φ30cmHDPE雙壁波紋管與巖溶原過(guò)水通道相連。施工時(shí)注意Φ30cmHDPE雙壁波紋管外裹一層無(wú)紡布,防止雙壁波紋管孔眼被堵。本處理方案主要針對(duì)基礎(chǔ)及路面下大型溶洞。如圖9所示:圖9基礎(chǔ)及路面下大型溶洞(一)(4)基礎(chǔ)及路面下大型溶洞,溶洞發(fā)育相對(duì)較寬,采用跨越處理方案:采用設(shè)擴(kuò)大基礎(chǔ)或樁基,樁徑1.0米,要求樁基嵌巖深度不小于50cm。并設(shè)80cm厚C25鋼筋混凝土梁跨越。施工前必須采用潛孔鉆或地質(zhì)鉆機(jī)等設(shè)備進(jìn)行溶洞加深鉆探,探明溶洞底板以下范圍內(nèi)地質(zhì)情況,并提供相應(yīng)勘察資料,方可進(jìn)行下道工序。施工時(shí)注意預(yù)埋Φ11cmHDPE雙壁波紋管。本處理方案主要針對(duì)基礎(chǔ)及路面下大型溶洞。如圖10所示:圖10基礎(chǔ)及路面下大型溶洞(二)5.結(jié)語(yǔ)溶洞的存在使隧道的穩(wěn)定性變得復(fù)雜,溶洞的大小,存在位置及其組合,地下水的影響等,具有復(fù)雜性、模糊性、不確定性。對(duì)隧道的設(shè)計(jì)與施工過(guò)程進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和仿真模擬是十分必要的,再同時(shí)根據(jù)類比可以為設(shè)計(jì)和施工提供定性或定量的參考依據(jù)。主要結(jié)論如下:(1)巖溶隧道加固工法有很多種,每一種都可找到相應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例,一般情況下,對(duì)其施工效果主要以現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)為主,數(shù)值分析為輔。(2)監(jiān)控量測(cè)是關(guān)鍵,不論是采用哪一種施工方法,都應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)的信息反饋,及時(shí)修正支護(hù)參數(shù)。(3)對(duì)巖溶隧道的處治遇到過(guò)水或者充填型溶洞時(shí)“以疏為主、堵排結(jié)合、因地制宜”,對(duì)干溶腔等采用繞、跨、支頂和封堵等辦法。為確定施工方案,需要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)情況的掌握,不斷進(jìn)行方法對(duì)比,同時(shí)施工管理要嚴(yán)格,采用經(jīng)濟(jì)、合理、安全的施工技術(shù),才能確保施工安全。(4)溶洞的分布位置和組合對(duì)速遞到圍巖的影響有顯著差異。溶洞在邊墻角處的影響大于溶洞在拱腰處的影響。溶洞的形成使其周圍巖體強(qiáng)度降低,應(yīng)力釋放松弛的同時(shí)也造成圍巖局部應(yīng)力集中。(5)對(duì)溶洞及隧道間的圍巖進(jìn)行加固處理,改善因溶洞產(chǎn)生的軟弱圍巖強(qiáng)度,對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力有積極的作用。同時(shí)對(duì)近接溶洞處應(yīng)加大襯砌的強(qiáng)度,以提高其局部的承載能力。對(duì)邊墻角處的溶洞處治可極好的改善隧道襯砌的彎矩受力,減小仰拱處的偏心受壓。(6)水是影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素之一,溶洞中水的存在將造成圍巖強(qiáng)度降低,且隧道的開(kāi)挖改變了溶洞周圍巖體的水文地質(zhì)條件,在溶洞與隧道間形成滲流場(chǎng),因此
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