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軟土地區(qū)大直徑盾構(gòu)對(duì)鄰近淺基礎(chǔ)建筑物影響研究

文檔作者：羅俊1，金振山2，杜曉偉1 文檔來源： 1．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院 2．津?yàn)I城際鐵路有限責(zé)任公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年11月18日
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上一篇：軟土地區(qū)深基坑不同施工階段綜合支護(hù)技術(shù)

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118
施工技術(shù)
CONSTRUCTl0N TECHNOLOGY
2014年5月下
第43卷第10期
DOI：10．7672／s舒s2014100118
軟土地區(qū)大直徑盾構(gòu)對(duì)鄰近淺基礎(chǔ)
建筑物影響研究木
羅俊1，金振山2，杜曉偉1
(1．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；2．津?yàn)I城際鐵路有限責(zé)任公司，天津300456)
[摘要】討論了盾構(gòu)施工對(duì)鄰近淺基礎(chǔ)建筑物的安全影響，以京津城際延伸線穿越淺基礎(chǔ)建筑物長(zhǎng)虹商場(chǎng)為背景，
采用Midas／GTS有限差分軟件，對(duì)盾構(gòu)側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑物進(jìn)行模擬，研究了建筑物的基礎(chǔ)不均勻沉降、變形特征，
總結(jié)了盾構(gòu)施工對(duì)鄰近淺基礎(chǔ)建筑物的影響規(guī)律，為盾構(gòu)施工及建筑物加固提供參考。
[關(guān)鍵詞】盾構(gòu)；隧道；地基；沉降；數(shù)值模擬
[中圖分類號(hào)】Tu753；u455 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1002·8498(2014)10_0118_05
Research on the Impact on ShaUow Foundation Buildings by
Large Diameter Shield Tunnel Construction in Soft Soil Area
Lu0 Junl，Jin Zhenshan2，Du XiaOweil
(1．c而以nnd En穢ironmentⅡz E昭inee“ng sc^ooZ，uni穢e邢i￡y礦_sc拓nce口，ld丁kJ|lnoZDgy，
曰e咖昭100083，儺in口；2．以凡6in R口i跏Ⅱ，，Co．，L碰，n口彬n 300456，C^i舳)
Abstract：Based on the construction project of Beijing-Tianjin inter-city extending line， the security
innuence of shield tunneling on a(王jacent buildings and the finite difkrence software Midas／GTS has been
used to simulate the Changhong Mall which is just beside the tunnel． UneVen settlement and defb珊ation
characteristics of the building base have been analyzed． Finally，the innuence rules of shield tunnelling
on adjacent shallow foundation buildings has been summarized，which could provide bene6cial reference
and basis to shield tunnelling and building reinforcement．
Key words：shielding；tunneling；foundation；settlement；simulation
O 引言
近年來，合理規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)地鐵是解決城市
交通的一條有效途徑。受既有建(構(gòu))筑物、地質(zhì)條
件的限制，新建地鐵隧道近距離穿越建(構(gòu))筑物的
現(xiàn)象越來越多。采用盾構(gòu)法建造隧道會(huì)引起不同
程度的地面沉降和地層移動(dòng)。當(dāng)?shù)孛娉两岛偷貙?
移動(dòng)達(dá)到一定程度時(shí)就會(huì)影響周圍建筑物的安全
和正常使用。
天津市是較早建設(shè)地鐵的城市，但是由于歷史
原因，發(fā)展建設(shè)緩慢。進(jìn)入新世紀(jì)以來，天津市拉
開了大規(guī)模建設(shè)快速軌道交通的序幕，按照規(guī)劃，
快速軌道交通線網(wǎng)由9條線組成，呈環(huán)放式結(jié)構(gòu)，線
網(wǎng)總長(zhǎng)234．7km，設(shè)車站180座，換乘站30處。隨
+京津城際延伸線解放路隧道盾構(gòu)施工技術(shù)科研課題：淺埋軟土地
層大直徑泥水盾構(gòu)綜合施工技術(shù)研究
[作者簡(jiǎn)介]羅俊，博士研究生，E—mail：luojun-68@126．com
[收稿日期】2014ml一03
著天津市地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，盾構(gòu)法施工必然成
為城市地鐵建設(shè)的重要手段，其中穿越河流、建筑
物和構(gòu)筑物等情況較多，因此針對(duì)天津市的地質(zhì)條
件，研究盾構(gòu)推進(jìn)過程中對(duì)已有建筑物的影響和地
表沉降的變化規(guī)律，對(duì)于天津市地下鐵路進(jìn)一步發(fā)
展具有重要的參考價(jià)值。
1 盾構(gòu)施工對(duì)鄰近淺基礎(chǔ)建筑的影響分析
在盾構(gòu)施工過程中，淺基礎(chǔ)建筑物基礎(chǔ)周圍的
地層移動(dòng)對(duì)于建筑物的影響可以忽略。因此在分
析淺基礎(chǔ)建筑物的影響時(shí)，僅考慮基礎(chǔ)底部土層的
變形即可。由于基礎(chǔ)埋深淺，為了方便分析，可以
認(rèn)為基礎(chǔ)底部土層的變形等同于地表變形。對(duì)于
淺基礎(chǔ)建筑的影響從以下2方面進(jìn)行分析。
1)建筑物受地表垂直變形的影響
垂直方向的均勻沉降不會(huì)對(duì)建筑物造成損害，
不均勻沉降(隆起)才是造成建筑物損壞的主要原
因。由于不均勻沉降(隆起)會(huì)導(dǎo)致建筑物構(gòu)件受
萬方數(shù)據(jù)
羅俊等：軟土地區(qū)大直徑盾構(gòu)對(duì)鄰近淺基礎(chǔ)建筑物影響研究119
剪扭曲破壞。不均勻沉降(隆起)對(duì)框架結(jié)構(gòu)造成
的破壞尤其嚴(yán)重。地表傾斜則是對(duì)底面積小、高聳
的建筑物造成破壞的主要原因。地表傾斜會(huì)引起
高聳建筑物的重心產(chǎn)生偏移，使其受力發(fā)生變化。
如果傾斜嚴(yán)重甚至?xí)?dǎo)致建筑物折斷或傾倒。另
外對(duì)于建筑物裂縫的產(chǎn)生是由于地表沉降曲率有
正負(fù)之分，建筑物基礎(chǔ)在地表負(fù)曲率的影響下容易
產(chǎn)生八字形裂縫，建筑物基礎(chǔ)在地表正曲率的影響
下容易產(chǎn)生倒八字裂縫。如圖1所示。
吻島睜蘺淘F}乃弋’，—?”一7
圖l建筑物受地表垂直變形影響示意
Fig．1 Impact of bunding by the Verti明l
delbmatiOn of ground
2)建筑物受地表水平變形的影響
建筑物受地表拉伸或壓縮的影響很大。由于
建筑物抵抗拉伸的能力很低，即使較小的拉伸也可
能使其產(chǎn)生裂縫，砌體房屋抵抗拉伸的能力更弱。
地表拉伸變形通常會(huì)使建筑物門窗洞口及結(jié)合縫
等薄弱部位產(chǎn)生裂縫。地表壓縮變形對(duì)建筑物的
破壞主要是使門窗洞口擠成菱形，縱墻或圍墻產(chǎn)生
褶曲或屋頂鼓起，如圖2所示。_■—2————————_——————————r—_
I]口廠]U丫__且口n口
a拉伸變形破壞
● ●
矗了i_彳一一亍’．孔一：．
b壓縮變形破壞
圖2建筑物受地表水平變形影響示意
Fig．2 Impact Of bunding by the horizontaI
defb珊a60n Of grOund
2工程概況
京津城際鐵路延伸線天津至于家堡工程第三
合同段里程cJDKl79+900一CJDKl83+250，全長(zhǎng)
3．5km，解放路隧道全長(zhǎng)2．8km，隧道最大埋深約
25m。盾構(gòu)段隧道最小覆土約7．5m，最大覆土約為
15．6m。隧道內(nèi)最大縱坡20‰，最小為1‰。
長(zhǎng)虹商場(chǎng)為地上3層結(jié)構(gòu)，位于新建鐵路京津
城際延伸線天津至于家堡工程里程CJDKl8l+
664．245一CJDKl8l+694．774的右側(cè)，基礎(chǔ)為柱下
獨(dú)立基礎(chǔ)，基底尺寸為2．0m×2．Om，基礎(chǔ)厚1．5m，
基礎(chǔ)埋深為2．4m。長(zhǎng)虹商場(chǎng)主體受力構(gòu)件為鋼筋
混凝土現(xiàn)澆柱、梁、板，建筑物的縱向柱距為5m共3
跨，總長(zhǎng)15m，橫向(即隧道開挖方向)柱距為6m共
5跨，總長(zhǎng)30m。隧道結(jié)構(gòu)頂距地面15．13m，隧道
邊緣距離水平最小凈距為6．0m，圖3為長(zhǎng)虹商場(chǎng)與
隧道相互位置關(guān)系示意。
隧
地面±o ooo苧笪螋道
一墮r一地平獨(dú)立藩礎(chǔ)了掘熟’凳’鋤影上： 向
a剖面
『_●?-．下U
r÷長(zhǎng)一÷¨@
卜÷虹一j@
卜t商一-@
I卜—}耵寸③
十?，一一一一十⑥
④⑩◎⑩
圖3長(zhǎng)虹商場(chǎng)與隧道位置關(guān)系示意
Fig．3 Relationship of Changhong MaU and the tⅡnnel
3數(shù)值模擬計(jì)算
3．1計(jì)算假定及模型建立
3．1．1 本次數(shù)值模擬分析采用的基本假定
1)地表和各層土呈均質(zhì)水平層狀分布。
2)施工現(xiàn)場(chǎng)地下水位取2．0m，假定土體孔隙水
不連通流動(dòng)，本次模擬對(duì)地下水采用水土合算處
理，處在地下水位以下土體重度采用浮重度計(jì)算。
土體本構(gòu)模型采用摩爾一庫(kù)倫模型。
3)管片襯砌、等代層采用面單元，用線彈性材
料模擬。
4)土體模型的左右前后四面及下表面的邊界
均采用單向鉸支約束，上表面采用自由約束。
5)采用變形協(xié)調(diào)的方法對(duì)建筑物與基礎(chǔ)，基礎(chǔ)
與土體進(jìn)行計(jì)算。
3．1．2建模參數(shù)(見表1)
在建模過程中確定數(shù)值模型z方向(即隧道左
右寬度)的尺寸可根據(jù)Peck沉降槽公式：
形=2．5i
tan[45。一詈】．歷
式中：肜為沉槽半寬；9為土體內(nèi)摩擦角；z為隧道的
埋深。依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)勘察報(bào)告給出的各層
土體內(nèi)摩擦角進(jìn)行加權(quán)平均后得到內(nèi)摩擦角，然后
對(duì)地表沉槽半寬形進(jìn)行估算得出形的值為9．14m。
為了在建模過程中有效地消除邊界效應(yīng)對(duì)模型的
影響，選取模型左右寬度尺寸時(shí)在盾構(gòu)隧道軸線的
左側(cè)(無建筑物側(cè))取20m，軸線右側(cè)(有建筑物側(cè))
取30m。在確定數(shù)值模型z方向(即土體豎向厚度)
萬方數(shù)據(jù)
120 施工技術(shù)第43卷
的尺寸時(shí)可根據(jù)地基基礎(chǔ)分層總和法理論公式：
。0日i·盯f
3 2己—i_一’盯i 2 aipo
‘=l —s‘
式中：皿為土層厚度；礦。為不同土層的附加應(yīng)力值；
E。i表示的是不同土層的壓縮模量；p。表示的是基底
附加應(yīng)力。建筑物基礎(chǔ)的厚度危=2m，選取15倍的
基礎(chǔ)厚度處的土體，即30m深處的土體，此處土體
的附加應(yīng)力系數(shù)a已經(jīng)很小，在此處土體以下的土
體變形對(duì)基礎(chǔ)沉降量的影響很小，可以忽略，因此
在選取土體豎向厚度時(shí)，選取厚度為40m，這樣完全
可以滿足數(shù)值模型計(jì)算精度的要求。模型將模擬
40環(huán)管片，每環(huán)寬1．5m，數(shù)值模型)，方向(即沿隧
道縱向)的尺寸取60m，建筑物位于開挖面后15m。
數(shù)值模型的土體本構(gòu)關(guān)系采用摩爾一庫(kù)倫模型，
建筑物采用彈性模型，該建筑為框架結(jié)構(gòu)，其柱和
梁采用梁?jiǎn)卧M，基礎(chǔ)采用實(shí)體單元，盾構(gòu)殼體
和襯砌則用板單元來模擬。模型的邊界條件設(shè)定
為：隧道開挖的前后兩面限制u。，隧道開挖方向側(cè)
面限制u。，土體底部限制u：，土體上表面不加限制。
建筑物與土體之間采用布爾差集運(yùn)算使其接觸面
耦合。有限元模型網(wǎng)格采用自由網(wǎng)格劃分。在模
型上施加自重荷載，考慮建筑物的自重等效為在土
體上施加30kN／m2的均布荷載。圖4為GTs建立
的三維數(shù)值模型。
a：￡體網(wǎng)格劃分i糟矽b建筑物三維模型c隧道管片網(wǎng)格劃分
圖4有限元模型網(wǎng)格劃分
Fig．4 Finite elemeⅡt modeI mesh partiti0Ⅱ
Midas／GTs模擬盾構(gòu)隧道的施工主要計(jì)算步驟
如下。
1)計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)，各單元節(jié)點(diǎn)初始位移
置零。
2)隧道開挖，“鈍化”第1環(huán)土體單元，釋放荷
載30％。
3)“激活”盾殼，隧道開挖，釋放荷載30％。
4)“鈍化”第2環(huán)土體單元，釋放荷載30％。
5)當(dāng)盾尾通過第l環(huán)后，“激活”管片單元，釋
放荷載40％。
依次循環(huán)上述步驟直至隧道開挖結(jié)束。GTs就
是通過對(duì)開挖土體單元、盾構(gòu)殼體單元以及襯砌單
元激活和鈍化來模擬盾構(gòu)施工引起的土體沉降對(duì)
建筑物的影響。
3．2基礎(chǔ)不均勻沉降分析
為了方便分析模擬結(jié)果，選取隧道開挖方向中
點(diǎn)處即距開挖面30m處為觀測(cè)面。為研究盾構(gòu)隧
道施工對(duì)長(zhǎng)虹商場(chǎng)基礎(chǔ)的不均勻沉降，將選取A1，
A6，D1，D6建筑物四周角落地表的4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分
析。建筑物4個(gè)基礎(chǔ)點(diǎn)隨盾構(gòu)推進(jìn)距離沉降量如圖
5所示。囊一‘ 推進(jìn)距離／m
圖5 建筑物4個(gè)基礎(chǔ)點(diǎn)隨盾構(gòu)推進(jìn)距離沉降量
Fig．5 Settlement of four monitoring poiⅡts
of buiIding by shield propuIsion
從圖5中可以看出建筑物基礎(chǔ)開始沉降是從隧
道開挖到8m以后開始。由于盾構(gòu)開挖開始引起的
地表上隆現(xiàn)象基礎(chǔ)點(diǎn)A6，D6剛開始出現(xiàn)了向上的位
移，但變化數(shù)值很小，位移<4mm，而A1，D1則未受影
響。隨著隧道開挖越來越接近建筑物，基礎(chǔ)點(diǎn)A6，D6
開始出現(xiàn)了沉降，D1，D5并無太明顯變化。隧道不斷
向前推進(jìn)，基礎(chǔ)點(diǎn)A6，D6受到的影響越來越明顯，兩
點(diǎn)的沉降量隨之增大。另外的2個(gè)基礎(chǔ)點(diǎn)也受到影
響，開始出現(xiàn)沉降，沉降量越來越大，但沉降量都在
萬方數(shù)據(jù)
羅俊等：軟土地區(qū)大直徑盾構(gòu)對(duì)鄰近淺基礎(chǔ)建筑物影響研究12l
10mm左右。當(dāng)隧道開挖到20m時(shí)基礎(chǔ)點(diǎn)A6，D6出
現(xiàn)很大的沉降量，直到隧道完全通過建筑物這兩點(diǎn)的
變化量達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。通過圖中沉降量曲線的變
化可以看出，基礎(chǔ)的沉降變化主要是集中在盾構(gòu)隧道
通過建筑物這一區(qū)間內(nèi)。由于A6，D6基礎(chǔ)點(diǎn)是近隧
道點(diǎn)，所以這2個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)的沉降量最大。通過計(jì)算
A6點(diǎn)與D6點(diǎn)沉降量的差值為32．37lmm，Al點(diǎn)與
Dl點(diǎn)沉降量的差值為31．981mm。這就說明建筑物
基礎(chǔ)出現(xiàn)了不均勻沉降。
由于建筑物建筑年代較久對(duì)土體產(chǎn)生了一定
壓縮，按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007—
2011中框架結(jié)構(gòu)沉降差允許值的中低壓縮性規(guī)定
0．002L(L為相鄰柱兩側(cè)點(diǎn)間距離)來計(jì)算，得到的
相鄰柱最大沉降差值10．79mm>0．002×5 000mm
=10mm超出了規(guī)范要求，建筑物可能會(huì)出現(xiàn)破壞。
3．3建筑物傾斜分析
建筑物的傾斜可分為石方向(隧道斷面方向)
和y方向(隧道開挖方向)2種，戈方向的傾斜可以
通過Q，=(曰?-．-響)／￡，(Q，為茗方向傾斜率，B?，
曰柵分別為⑥軸上基礎(chǔ)最大沉降量和最小沉降量，L，
為菇方向建筑物基礎(chǔ)之間的水平距離，取15m)計(jì)算
得到。同樣)，方向的斜率可由Q，=(Bmax．Bmin)／
L，(Q，為y方向傾斜率，日一，曰曲分別為④軸上基礎(chǔ)
最大沉降量和最小沉降量，L，為y方向建筑物基礎(chǔ)
之間的水平距離，取30m)計(jì)算得到。
由表2中數(shù)據(jù)表明，當(dāng)隧道推進(jìn)到60m時(shí)，長(zhǎng)
虹商場(chǎng)在石方向傾斜率達(dá)到0．22％，當(dāng)盾構(gòu)隧道推
進(jìn)到24m時(shí)在)，方向建筑物傾斜達(dá)到O．05％。《建
筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求當(dāng)建筑物高度低于24m
時(shí)，建筑物的傾斜率允許值為0．4％。由此可得，盾
構(gòu)隧道施工對(duì)長(zhǎng)虹商場(chǎng)在石，y方向的整體傾斜都在
允許范圍內(nèi)。
3．4建筑物構(gòu)件內(nèi)力分析
通過GTS數(shù)值模擬結(jié)果可以得出建筑物結(jié)構(gòu)
構(gòu)件的應(yīng)力云圖和各個(gè)柱梁的軸力變化。選取最
靠近隧道開挖的④軸上的①，③，⑥號(hào)柱進(jìn)行內(nèi)力
分析，模擬計(jì)算出來的內(nèi)力數(shù)據(jù)通過內(nèi)力曲線圖將
其趨勢(shì)表示出來。
由框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的第一主應(yīng)力云圖可以看出
構(gòu)件單元的拉應(yīng)力集中區(qū)域。隨著隧道的開挖，拉
應(yīng)力在建筑物的左側(cè)，主要集中在梁柱節(jié)點(diǎn)處。
1)柱的受力分析
選取建筑物第1層靠近隧道的④軸上的⑥，③，
①號(hào)柱為計(jì)算對(duì)象，其軸心拉應(yīng)力隨盾構(gòu)推進(jìn)距離
的變化情況如圖6所示。
墨2．8
斡
就
輯色全O 6 12 18 24 30 36 42 48 54 6(
推進(jìn)距離／m
—m6
·．-A3 —咄1
圖6④軸底層柱子軸心應(yīng)力變化曲線
Fig．6 curves of axiaI(薊tensne stress
wim propubion distance
通過軸心應(yīng)力變化曲線可以看出，軸心拉應(yīng)力
在盾構(gòu)開始時(shí)沒有變化，當(dāng)開挖到15m時(shí)出現(xiàn)變
化，且A6，A3拉力開始增大，A1變化不大，隨著盾
構(gòu)的推進(jìn)，A6，A3增大的幅度也變大，A1出現(xiàn)了變
小的趨勢(shì)。分析原因可能是由于在開挖的影響下
導(dǎo)致建筑物傾斜，原來的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為與之相連的
梁和樓板的彎矩和剪力，致使其軸力變小。當(dāng)盾構(gòu)
推進(jìn)到30m時(shí)，A6，A3軸力開始有變小的趨勢(shì)，而
A1開始慢慢增大。
開挖到45m時(shí)A1，A3趨于穩(wěn)定，A6達(dá)到最大。
當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)到60m時(shí)3點(diǎn)的軸力都不再變化。
長(zhǎng)虹商場(chǎng)的梁柱采用的是C25混凝土，因此其
軸心抗拉強(qiáng)度為Z。=1．78MPa，而軸心應(yīng)力變化曲
線圖中顯示拉應(yīng)力變化范圍在1．7—2．7MPa，對(duì)于
這些應(yīng)力集中且變化較大的地方可能會(huì)出現(xiàn)裂縫。
2)梁受力分析
選取與建筑物首層A3處的柱子相鄰的梁進(jìn)行
受力情況分析，得出該梁的扭矩變化以及彎矩變
化，如圖7所示。
由圖7a可以看出，隨著盾構(gòu)隧道的開挖A3柱
表2基礎(chǔ)沉降及傾斜率
Table 2 Founda吐on settlement and incline rate
萬方數(shù)據(jù)
122 施工技術(shù)第43卷
6
4
2
O
一2
—4
6
8
10
12
200
160
120
80
40
=≮—_聲、／
10 20、30 40／50 6
V
推進(jìn)距離／m
a扭矩
一縱粱
一橫梁
：贛羹
算，隧道鄰近建筑由于盾構(gòu)施工引起的基礎(chǔ)不均勻
沉降差超過了規(guī)范允許范圍，建筑物可能會(huì)出現(xiàn)破
壞并影響其正常使用。對(duì)其軸力分析可以看出，建
筑物的梁柱采用的是c25混凝土，因此其軸心抗拉
強(qiáng)度為^=1．78MPa，而軸心拉應(yīng)力的變化范圍在
1．7—2．7MPa，對(duì)于這些應(yīng)力集中且變化較大的地
方可能會(huì)出現(xiàn)裂縫，需要在施工過程中采取防護(hù)措
施，以保證建筑物正常使用。
參考文獻(xiàn)：
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掛等，涂層保養(yǎng)7d達(dá)到使用要求。如圖2所示。
彈性環(huán)氧層氟碳保護(hù)層
丁基密封層
板
圖2堵漏體系結(jié)構(gòu)示意
Fig．2 Con協(xié)inment system stnlctⅡn magr鋤
3 結(jié)語
該體育館建筑屋面用此堵漏體系進(jìn)行堵漏后，
取得了很好的防水效果，自2009年施工完工以來，
經(jīng)過4年多的風(fēng)吹日曬雨淋，特別在暴雨季節(jié)也經(jīng)
受住了考驗(yàn)，修復(fù)部位無滲水，節(jié)點(diǎn)處無濕漬，表現(xiàn)
出良好的施工性能和防水效果，得到了業(yè)主的好
評(píng)，解決了此建筑物長(zhǎng)期的防水難題，使整個(gè)屋面
鋼結(jié)構(gòu)與柔性防水層完美結(jié)合成一體，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)
意圖，值得在同類工程滲漏治理中推廣應(yīng)用。
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