武汉地铁出入口顶管施工风险控制分析

牛 丰 苏 原 周翔宇 杨 俊

(1. 中国铁路总公司，北京 100844;2. 华中科技大学 土木工程与力学学院，武汉 430074)

武汉地铁出入口顶管施工风险控制分析

牛 丰1苏 原2周翔宇2杨 俊2

(1. 中国铁路总公司，北京 100844;2. 华中科技大学 土木工程与力学学院，武汉 430074)

本文以武汉市轨道交通3号线一期工程宗关站Ⅲ、Ⅳ号出入口的实际施工情况为背景，针对施工过程中可能出现的各种不同的风险，并同时结合实际的监测数据，进行了综合分析。考虑到顶管施工技术在武汉市这种软土地区还未广泛运用，且施工人员的顶管施工经验不足，对这一施工技术中存在的风险问题进行及时预防，并采取相应的措施予以控制，显得尤为必要，同时也为今后的类似工程提供宝贵的经验材料。通过对宗关站Ⅳ号出入口的顶管施工过程和实际监测数据进行分析，可以得出如下结论：(1)在施工现场不同部位布设监测点能有效地避免风险的发生；(2)Ⅳ号出入口顶管施工过程中，地表沉降量远远大于周边建筑物的沉降量，且最大沉降可达58.58mm，且随着顶管的顶进，呈现逐渐增大趋势；(3)顶管通道周边的高架桥墩的沉降量很小，且不超过2mm，沉降值大体保持稳定。

矩形顶管；地铁出入口；施工监测；风险控制

随着科技的快速发展，越来越多的施工技术都已广泛投入使用，顶管法是继盾构技术之后发展起来的一种地下空间施工技术，它不需要开挖面层，可以穿越地下管线、地面建筑物、公路、铁路、地下构筑物等多种障碍，由于它的各种优点，现已被大量运用在地下建筑领域，且取得了良好的成效。但对于武汉市这种软土地区来说，特别是在地铁出入口施工的过程中，顶管施工的运用还不是很普及，相对于北方地区，武汉市目前只有少数几个地铁车站出入口是采用的顶管法施工，在土质方面，顶管施工有其严格的要求。针对武汉市仅有的运用顶管施工的车站进行研究分析，可以为将来类似的情况提供经验依据，具有重要的参考价值。

本文就针对武汉市轨道交通3号线一期工程宗关站Ⅲ、Ⅳ号出入口顶管施工过程中可能出现的风险进行分析，通过具体的预控措施，对各种风险进行控制，进而让施工能按照计划进行，同时也达到安全施工的目的。

1 工程概况

1.1 地理位置及周边环境

宗关站Ⅲ号出入口通道下穿二环线高架桥、建一路，顶管通道结构距离二环线桥墩最近距离0.72m。出入口顶管始发井位于建一路与解放大道交叉路口的西南象限内的扬子江大厦门前，顶管施工场地需要占用扬子江大厦门前的人行道及解放大道两股机动车道。出入口顶管接收井紧临车站主体结构，位于二环线高架桥正下方，接收井地面在桥面下净空4.2m。Ⅲ号出入口顶管通道施工期间，需要下穿一根φ800污水管、一根φ1 350污水管、一处强电管群，一个路灯杆基础。

Ⅳ号出入口下穿二环线高架桥、横跨建一路，顶管通道结构侧墙外侧距离二环线桥墩最近距离3.62m。出入口顶管始发井临近车站主体结构，位于建一路东侧半幅道路下方；顶管接收井位于建一路西侧的空地内。出入口顶管通道施工要下穿一根φ1350污水管和一根φ1000污水管、下穿一个电力方沟，电信、军缆、信息网络、信息管网等管线。

图1 宗关站Ⅲ、Ⅳ号出入口平面位置图

1.2 工程地质及水文地质概况

本工程拟建场地地貌单元属长江Ⅰ级阶地的河流堆积平原，场地地势较为平坦、开阔。现状地面标高一般为24-26m，地面略有起伏。主要由第四系全新统湖积淤泥质粉质粘土及冲洪积粘性土及砂土构成。上部为粘性土，下部为砂性土(含砾卵石)，呈明显的二元沉积结构，基岩埋深约55.0m。

Ⅲ、Ⅳ号出入口顶管通道施工范围的地层从上往下主要为粉质粘土(3-1-2)和粘土(3-1-3)、粘土(3-1-4)。如表1所示。

Ⅲ、Ⅳ号出入口场地范围的地下水主要为上层滞水、承压水及基岩裂隙水。

上层滞水主要赋存于场地上部人工填土中，主要接受大气降水入渗补给,水位、水量与地形及季节关系密切,但对本工程顶管通道施工影响较小。

顶管通道结构以下约3.8m深即为42m厚的含承压水土层粉砂夹粉质粘土、细砂地层，根据武汉市地区经验，其水力受季节性影响且与汉江水位有一定水力联系，主要受侧向径流补给与排泄，枯水季节水位较低，丰水雨季则较高，历年最高承压水水位标高22.00m左右。顶管通道始发和到达施工期间受地下承压水的影响较大。

图2 顶管施工地质纵剖面图

2 顶管施工方案及工艺技术

2.1 顶管施工方案

宗关站Ⅲ、Ⅳ号出入口通道采用一台b×h=6.92×4.92m的土压平衡式矩形顶管机施工，内衬结构管节每节长度是1.5m，在预制厂生产好后拉到现场拼装。顶管顶进施工前先对顶管始发和接收的端头土体采用双重管高压旋喷桩进行加固，Ⅳ号出入口顶管始发井背后增强支撑采取在车站内部架设临时钢支撑的形式。

按照现场条件，先施工Ⅳ号出入口通道，再施工Ⅲ号出入口通道，Ⅳ号出入口通道施工场地设在车站主体基坑附近，从紧邻车站端往爬坡段上坡顶进施工，Ⅲ号出入口通道施工场地设在扬子江大厦门前，顶管施工从爬坡段往车站主体结构方向下坡顶进施工。

表1 工程地质分层特征表

顶管通道具体施工工艺流程如图3所示：

图3 顶管通道施工工艺流程图

2.2 顶管施工的技术要点

2.2.1 土压平衡式顶管机

本工程顶管通道拟采用的土压平衡矩形顶管机尺寸为JD6920×4920，它主要由切削搅拌系统、动力系统、纠偏及液压系统、壳体、螺旋输送机、测量显示系统、电气操作系统等组成。从顶管机的正面看：由六个小刀盘组成；上下刀盘是前后错开的，并且在每个刀排的后方都设有搅拌棒。除了顶管机以外，其附件主要有主顶设备、注浆等，施工时可根据具体情况有选择地取舍。

图4 JD4920×6920mm土压平衡式矩形顶管机立面示意图

图5 JD4920×6920mm土压平衡式矩形顶管机剖面示意图

2.2.2 土压平衡顶管机顶进施工概况

2.2.2.1 顶管始发段顶进施工

顶管机顶进始发钢环至顶管机切口距工作井6m范围为始发段。顶管的始发过程简单说就是破除始发井围护结构的钢筋砼，顶管机头经过始发段加固区并进入原状土体的过程。

在破除洞圈内的全部围护结构后，应立即将机头顶进洞圈内，由于正面为全断面的水泥土，为保护刀盘，顶进速度应放慢。另外，可能会出现螺旋机出土困难，必要时可加入适量清水来软化或润滑水泥土。在顶管机进入原状土后，为防止机头“磕头”[5]，宜适当提高顶进速度，使正面土压力稍大于理论计算值，以减少对正面土体的扰动及出现地面沉降。

顶管机进入洞门后，需检查洞口止水装置是否有损坏，如有损坏应立即整修，确保泥水、浆液的不外漏。2.2.2.2 顶管正常段顶进施工正常段顶进施工阶段，施工参数的控制工作是必不可少的。例如，土压力采用Rankine压力理论进行计算：

靠近始发端位置：

p上=K0γZ1=0.632×16kN/m3×3.45m=34.89kN/m2=0.035MPa

p下=K0γZ2=0.632×16kN/m3×8.35m=84.44kN/m2=0.084MPa

靠近接收端位置：

p上=K0γZ1=0.632×16kN/m3×4.62m=46.72kN/m2=0.047MPa

p下=K0γZ1=0.632×16kN/m3×9.52m=96.27kN/m2=0.96MPa

p上：管道顶部的侧向土压力

p下：管道下部的侧向土压力

γ：土的容重

Z：覆土深度

由于此为理论计算土压力值，只能作为土压力的最初设定值，随着顶进施工，土压力值应根据实际顶进参数、地面沉降监测数据作相应的调整。

同时，出土量也因控制在规定的范围内。本工程管节内铺设16kg/m轨道，采用1台平板车和1只3.0m3土箱出土运输方案。在主顶平台上固定一台卷扬机用作拖动平板车的动力。

一节管节的理论出土量为50.7m3，在顶进过程中，应尽量精确地统计出每节的出土量，力争使之与理论出土量保持一致。

顶管在正常顶进施工中，必须密切注意顶进轴线的控制。由于是矩形顶管，因此对管道的横向水平要求较高，所以在顶进过程中对机头的转角要密切注意，机头一旦出现微小转角，应立即采取刀盘反转、加压铁等措施回纠。顶进轴线偏差控制要求：高程+30mm，-50mm；水平：+50mm。

为减少土体与管道间摩阻力，保证正常顶进，需在管道外壁压注触变泥浆，在管道四周形成一圈泥浆套以达到减摩效果，在施工期间要求泥浆不失水，不沉淀，不固结。

为了保证注浆效果，注浆量应取理论值的3～5倍(考虑顶管穿越地层主要以粉质粘土、粘土为主,其注浆时扩散效果差)。注浆量计算式为：

V=(6.92m×4.92m-6.9m×4.9m)×1.5×

(3～5)=1.1～1.75m3

2.2.2.3 顶管接收段顶进施工

在顶管机接收之前，接收井需施工完毕，当顶管机头逐渐靠近接收井时，应加强测量的频率和精度，减少轴线偏差，确保顶管机能准确接收。

在Ⅳ号出入口顶管机顶管机能顺利进洞的情况下，施工中采取一种叫做覆土反压的措施来避免产生水土流失的现象。

覆土反压施工方法大致概括为：

1)洞口加固完毕并达到设计强度，将预留洞口的围护结构凿除，在接收井底板上安装接收架；

2)在以上工作完成以后，将土分层夯实填入接收井内，回填至预留洞口上侧约1m处。

接收井覆土完成后，将顶管机缓慢顶进接收井内，当首节管节与洞口一平时，应停止顶进，并利用管节内注浆孔进行水硬性浆液填充管节与洞圈的空隙。

顶管机停到设计位置，在洞门封堵、水硬性注浆完成后的一段时间后，开始设备拆除。设备拆除工作之后，便可进行吊装作业。设备拆除的大致的工艺流程图如图6。

图6 设备拆卸工艺流程图

2.3 顶管接口制作工艺

接口是顶管工程的关键部位，保证做好接口部分是顶管成败的关键，因此对组成接口的每一部分都必须严格遵守有关规程的要求逐一分别严格制作。

管节止水圈材质为氯丁橡胶与水膨胀橡胶复合体，用粘结剂粘贴于管节基面上，粘贴前必须进行基面处理，清理基面的杂质，保证粘贴的效果。管节下井拼装时，在止水圈斜面上和钢套环斜口上均匀涂刷一层硅油，接口插入后，用探棒插入钢套环空隙中，沿周边检查止水圈定位是否准确，发现有翻转、位移等现象，应拔出重新粘接和插入。

管节与管节之间采用中等硬度的木制材料作为衬垫，以缓冲混凝土之间的应力，板接口处以企口方式相接，板厚为15mm～18mm。粘贴前要注意清理管节的基面，确保整个环面衬垫的平整性、完好性。

管节与钢套环间形成的嵌缝槽采用聚氨脂密封胶嵌注；在钢套环上的两圆筋之间嵌入遇水膨胀橡胶条，从而构成一封闭环。顶进结束后，管节下部的嵌缝槽采用高模量聚氨酯嵌填。

3 顶管施工过程风险控制措施

3.1 矩形顶管掘进时土体改良措施

本工程矩形顶管通道主要穿过粉质粘土(3-1-2)和粘土(3-1-3)、粘土(3-1-4)，在矩形顶管机掘进中为避免产生刀盘结“泥饼”或顶管机“背土”现象，造成土仓土压不稳定以及推力增大。为了防止这种现象出现，需采取相应的对策。针对本工程的实际情况并结合相应的水文地质条件，采取如下几项措施：

(1)在刀盘面板上设置了6个添加剂注入孔，配置了泡沫和添加剂注入系统，可根据需要向开挖面添加土体改良液，改善碴土的流动性、止水性，有利于顶管机的掘进；

(2)在刀盘转臂及搅拌棒的搅拌作用下能使碴土与添加材料充分搅拌混合，使碴土具有很好的流塑性，利于出土；

(3)掘进中严格控制土仓中土压力值，防止由于土压力的失稳从而引起开挖面失稳，引起地面沉降。

3.2 顶管施工过程控制地面不均匀沉降的措施

施工过程中根据提供的地质资料，预先对将穿越的土层进行充分的分析，了解穿越土层的物理及力学特性，掘进时再比较出土实样，这样可以做到心中有数，施工人员能根据穿越土层的改变及时调整掘进机的姿态，有利于顶管顶进施工的正确进行。

顶管在顶进时要按设计要求的轴线、坡度进行，施工过程中纠偏措施格外重要，在穿越不同土层、上下坡时都应进行纠偏，总的来讲，纠偏过程讲究几个原则，即勤测勤纠、小角度纠偏、纠偏过程中不能大起大落。把握好这些原则之后，能保证施工的安全可靠性，且不会因为纠偏不当而造成地面不均匀沉降，对控制施工风险起到积极有利的作用。

顶管结束后，选用1：1的水泥浆液，通过注浆孔置换管道外壁浆液，根据不同的水土压力确定注浆压力，再对通道外土体进行加固处理，防止通道在今后使用过程中产生不均匀沉降的风险。

3.3 周边地下管线的保护措施

本工程处于交通非常繁忙的建一路下方，临近建构筑物较多，地下管线复杂，管线与顶管间距较近，故对于顶进过程中的地下管线沉降控制要求较高。

在顶管施工的顶进过程中，要严格控制顶管的施工参数，防止超挖、欠挖；同时在施工顶进逐渐靠近地下管线时，顶进速度不宜过快，一般控制在15mm/min左右；尽量做到均衡施工，避免在途中有较长时间的耽搁；同时要保持持续、均匀压浆，一旦出现建筑空隙可以被迅速充填，保证通道上部土体的稳定，从而保证了地下管线的稳定。

在顶管顶进靠近地下管线的同时更要加强监测频率，根据监测的反馈数据及时调整施工参数，务必确保地下管线和周边建(构)筑物的安全。一旦出现问题，需要及时采取补救措施防止地下管线的继续沉降，务必把施工风险减小到最小，让管线及建(构)筑物的沉降控制在规范要求范围内，确保施工及周边环境的安全。

3.4 漏水及洞门塌方应急措施

为了防止漏水及洞门塌方事件的发生，可采取以下预控措施：

(1)在始发井端头、顶管弃壳处及接收竖井端头进行加固，并采用双重管高压旋喷桩施工；

(2)在顶管始发前，对旋喷桩材料进行检查、试验，严格控制其各项施工参数，并且根据实际地质情况和旋喷情况进行及时调整，保证洞门打开后土体具有良好的自立性和止水性；

(3)为确保顶管始发时土体不塌方，在洞门钻孔灌注桩凿除前对洞门的渗水情况及土体变形进行检查，做到心中有数，在满足安全的情况下，再进行洞门的破除；

(4)洞门凿除前，必须将始发井的洞门止水装置安装完毕，洞圈下部用砂或泥土进行填充，高度与铁枕持平，这样可以起到隔水堵砂的作用。接收竖井同样安装洞门止水装置，有利于预防渗水事故的发生；

(5)在顶管始发、接收的每一个端头，两侧各打设一口降水井，在顶管始发及到达施工时将地下水位降低至开挖面底部以下。

4 施工监测数据分析

4.1 监测方案

监测的目的在于掌握施工过程中各种可能出现的风险，及时分析、处理监测所反馈的信息，并根据监测信息指导施工，调整顶进参数，确保周边环境的安全，保证整个工程安全顺利地进行。

就宗关站Ⅳ号出入口而言，顶管施工期间的监测项目理论上主要为钻孔桩顶沉降及水平位移、支撑轴力与应变、土体侧向变形、地表沉降、钻孔桩体变形、地下水位、钻孔桩主筋应力、建筑物裂缝宽度、土压力、水压力、建筑物沉降与倾斜，共计11个监测项目。

图7 Ⅳ号出入口部分监测点平面布置图

不同的施工时期，监测频率也不同，当量测结果出现反常或危险信息时，应立即采取紧急处理措施，加大量测频率，必要时停止施工，做好相关的防范工作，避免出现意外。

4.2 现场监测数据分析

由于宗关站Ⅳ号出入口所布设监测点数量之多，在此就取两种比较典型的监测项目即地表沉降和周边建筑物沉降[4]来说明具体问题。

4.2.1 地表沉降影响分析

分别取Ⅳ号出入口3个监测断面的监测数据来说明其监测数据的变化情况，并进行统计分析[6]，具体取2014年9月1号到2014年10月26日这一时间段的监测数据来做汇总[7]。其中，监测点DM02和DM11构成第一个监测断面；监测点DM02-01和DM11-01构成第二个监测断面；监测点DM02-03和DM11-03构成第三个监测断面。相应的监测断面地表累计沉降变化情况分别如下图所示：

此时间段的监测频率大致为1次/3天，通过数据反映的情况，各个监测断面的累计沉降量呈现逐渐增加状态，且越过负绝对临界值(24mm)。顶管在2014年9月13日左右始发，在2014年10月13日前后顶进完成，由监测平面布置图看出，顶管在顶进的过程中，会依次通过第一、第二、第三监测断面，且地表沉降的程度受其顶管顶进的影响较大。

图8 第一监测断面地表累计沉降时序曲线图

图9 第二监测断面地表累计沉降时序曲线图

图10 第三监测断面地表累计沉降时序曲线图

由图8、图9、图10看出：顶管在2014年9月13日左右始发之后，第一监测断面沉降量逐渐增加，且大体上保持递增状态；大概在2014年9月17日，第二监测断面累计沉降量开始大幅度增加，且随着顶管的顶进距离的增大而增大；在2014年9月22日前后，第三监测断面才开始有较大幅度的沉降，且之后同样随着顶管的顶进，累计沉降量逐渐增大。

由此得知，3个监测断面发生较大的沉降的时间点并不一样，且从实际情况来看，此3个时间点正好与顶管到达对应的监测断面的时间大体上相吻合，即顶管到达某一监测断面时，此断面才开始发生较大规模的沉降。

通过对这一实际情况进行分析，可以归纳如下几点原因：

(1)由于顶管施工工艺的特殊性，其在顶进过程中，并不能对周围土体进行加固处理。同时管节在一节一节顶进的过程中，会对顶管经过的断面周围土体造成持续的扰动[1]，从而引起通道周围的地层的松动和下沉，引起了地表沉降；

(2)随着顶管顶进管节数目的增多，为了减少管节与周围土体的摩阻力，需在管道外壁压注触变泥浆，此触变泥浆能引起土体的松动，不可避免地在管节外侧与周围土体间会形成空隙，进而引起地表沉降；

(3)随着顶管顶进距离的不断增大，顶管管节周围经过扰动的土体再固结[8]，会进一步造成地表沉降量的不断增加。

矩形顶管机在2014年10月13日左右进洞，根据图中数据看出，在此时间点之后，3个监测断面的累计沉降量变化明显减小。到10月26日，各个监测点的监测数据均到达最大沉降值[3]，最大可达58.58mm。综合实际施工时间和现场监测数据的变化情况可知：

(1)顶管施工对其通道周围土体影响很大，且会使其经过断面的土体发生持续沉降；

(2)顶管顶进完成之后，对其整个通道周围土体影响较小，且累计沉降量变化相对较小。

故应加强监测频率，密切关注其各个监测点的沉降变化情况，在顶管机顶进完成后，立即做好周围土体的加固处理，这样在一定程度上可以相对减缓沉降量。

4.2.2 周边建筑物沉降影响分析

再取Ⅳ号出入口周边的一个高架桥墩的监测点C05、C06、C07、C08来说明周边建筑物[10]的沉降情况。仍然选取2014年9月1号到2014年10月26日这一时间段的数据来进行汇总。相应的各个监测点累计沉降变化情况如图11所示。

此监测点的负临界值为10mm，由图11知：此高架桥墩累计沉降量远远没有超过预警值[2]，其安全状态良好，且处于一般风险状态；顶管施工对其周边建筑物的影响很小，从2014年9月13日顶管始发之后到2014年10月13日前后顶管进洞这一时间段内，此高架桥墩实际累计沉降量变化很小，各监测点显示的数据均不超过2mm。

图11 高架桥墩累计沉降时序曲线图

根据顶管施工工艺，及高架桥墩的地理位置情况，高架桥墩沉降量变化不大的原因主要是：

(1)高架桥墩基础埋深较大，与周围岩土体有较密实的接触，且稳定性较好，不易发生较大规模的沉降；

(2)由高架桥与顶管通道的地理位置可知，高架桥墩位于顶管顶进方向的右侧，其桥墩基础周围土体受扰动程度远远小于顶管通道正上方土体，土体受影响程度很小；

故可知，顶管施工对此建筑物沉降的影响很小，可以继续按照预定方案进行施工。

5 结语

结合武汉市轨道交通3号线一期工程宗关站Ⅲ、Ⅳ号出入口的实际施工情况，对目前这一在武汉市还未广泛实施的顶管施工技术进行综合的风险控制分析，有利于施工的正常有序进行，同时还可以为将来类似的工程提供施工经验，具有重要的指导意义。

通过分析得出以下几点结论：

(1)在施工过程中，对施工的周边环境进行有效的保护，对施工技术方面采取符合实际水文地质概况的应对措施，这样可以对施工风险起到一个良好的控制作用；

(2)在施工现场不同部位埋设监测点能有效的对其施工过程将要出现的风险进行一个很好的反馈，并能让现场施工人员能及时采取处理措施，可以有效的避免险情的发生；

(3)通过对顶管施工现场的实际监测数据进行统计分析，可以了解到哪些监测项目需重点关注。例如，顶管施工过程中顶管通道周围的地表沉降量远远大于顶管通道以外建筑物的沉降量，由此需加强监测频率，重点关注顶管通道周围各监测点数据变化情况，做好有效的防范措施；

(4)顶管在顶进过程中，不能对管节周围岩土体进行有效的注浆加固处理[9]，这样会导致地表持续沉降，且沉降量逐渐增大。考虑到顶管施工这一特殊工艺，顶管施工目前在武汉市只适用于较短距离的隧道开挖，这样可以保证在顶管顶进结束之后，能迅速对顶管管节外侧土体进行加固处理，防止风险的发生。

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Risk Control Analysis of Metro Entrance /Exit Tunnel Constructed by Pipe Jacking Method in Wuhan

Niu Feng1, Su Yuan2, Zhou Xiangyu2, Yang Jun2

(1.ChineseRailwayCompany，Beijing100844,China； 2.SchoolofCivilEngineeringandMechanics,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

According to practical construction case of No.3 and No. 4 entrance / exit tunnel of Zongguan station in the 1stphase of Wuhan Metro Line 3, this paper gives a comprehensive analysis of all kinds of possible emerging risks in the construction process combining the practical monitoring data. Considering that the pipe jacking construction technology has not been widely used in soft soil area like Wuhan, and the constructors lack experience of pipe jacking construction, it would be necessary to the all construction process if related personnel take some actions to prevent and control the existing risk problems in the construction technology. Meanwhile, it could also offer the valuable experiences to similar projects in the future. Through analyzing the process of pipe jacking and practical monitoring data in No. 4 entrance / exit tunnel of Zongguan station, we could draw the following conclusions : (1) Laying the monitoring points in different places of the construction site could effectively avoid the occurrence of risk; (2) During the construction process of No. 4 entrance / exit tunnel, the ground settlement is much larger than the surrounding buildings settlement,the maximum could reach 58.58 mm, and it would gradually increase with the advance of pipe jacking. (3) The settlement of the bridge pier around the tunnel constructed by Rectangular Pipe Jacking Method is very small. The settlement of the bridge pier is far less than 2mm, and the settlement value keeps stable in general.

Rectangular Pipe Jacking; Entrance/Exit Tunnel of Metro; Monitoring During Construction; Risk Control

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014QN213)

牛丰(1978-)，男，高级工程师。主要从事土木工程施工与安全研究工作。

TU745.3

A

1674-7461(2015)02-0089-08