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1、大断面湿陷性黄土隧道开挖施工技术总结第20页 共20页郑西铁路客运专线大断面湿陷陷性黄土土隧道开开挖施工工技术总总结编制:苏杰杰审核:李东东红中铁二十三三局集团团第四工工程有限限公司郑西线四项项目部目 录录TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc1736497801引言 PAGEREF _Toc173649780 h 3 HYPERLINK l _Toc1736497812隧道区工工程地质质特征 PAGEREF _Toc173649781 h 33 HYPERLINK l _Toc1736497823施工方法法的选择择 PAGEREF _Toc173649782 h 4

2、 HYPERLINK l _Toc1736497834弧形导坑坑法开挖挖 PAGEREF _Toc173649783 h 5 HYPERLINK l _Toc1736497844.1工法法简介 PAGEREF _Toc173649784 h 55 HYPERLINK l _Toc1736497854.2实例例分析 PAGEREF _Toc173649785 h 55 HYPERLINK l _Toc1736497864.3施工工机具及及劳力组组织 PAGEREF _Toc173649786 h 7 HYPERLINK l _Toc1736497874.4施工工要点 PAGEREF _Toc17

3、3649787 h 88 HYPERLINK l _Toc1736497885CRD法法 PAGEREF _Toc173649788 h 9 HYPERLINK l _Toc1736497895.1工法法简介 PAGEREF _Toc173649789 h 99 HYPERLINK l _Toc1736497905.2实例例分析 PAGEREF _Toc173649790 h 110 HYPERLINK l _Toc1736497916监控量测测 PAGEREF _Toc173649791 h 13 HYPERLINK l _Toc1736497926.1量测测的项目目及主要要方法 PAGER

4、EF _Toc173649792 h 114 HYPERLINK l _Toc1736497936.2量测测的施做做要点 PAGEREF _Toc173649793 h 114 HYPERLINK l _Toc1736497946.3实际际量测结结论 PAGEREF _Toc173649794 h 155 HYPERLINK l _Toc1736497957隧道地基基湿陷性性的处理理 PAGEREF _Toc173649795 h 18 HYPERLINK l _Toc1736497967.1地质质情况 PAGEREF _Toc173649796 h 118 HYPERLINK l _Toc1

5、736497977.2施工工参数 PAGEREF _Toc173649797 h 118 HYPERLINK l _Toc1736497987.3施工工方法及及结论 PAGEREF _Toc173649798 h 118 HYPERLINK l _Toc1736497998主要结论论 PAGEREF _Toc173649799 h 18大断面湿陷陷性黄土土隧道开开挖施工工技术摘要:本文文是在结结合郑西西客运专专线凤凰凰岭隧道道进口和和高桥隧隧道出口口11220m的的施工基基础上,对大断断面湿陷陷性黄土土隧道施施工开挖挖技术进进行总结结。重点点阐述了了弧形导导坑法和和CRD法的适适用条件件、施工

6、工工艺及及具体施施工要点点,同时通通过监控控量测分分析了黄黄土隧道道的部分分变形规规律,指指出该法法较好地地解决了了黄土隧隧道施工工中的诸诸多技术术难题,是是目前大大断面黄黄土隧道道施工中中行之有有效的施施工方法法,值得得推广。引言郑西铁路客客运专线线隧道工工程有两两个显著著的特点点:(1)是我我国第一一条穿越越黄土地地区的高高速铁路路隧道,(2)按照设计时速350km的要求隧道轨面以上有效内净空面积100m2,开挖面积高达164m2。黄土是我国国北方地地区常见见的一种种特殊土土,是第第四纪干干旱、半半干旱气气候条件件下形成成的,其其基本色色调是黄黄色。颗颗粒成分分以粉粒粒为主,一一般无明明显

7、层理理。具柱柱状节理理,垂直直节理发发育,直直立性强强,新黄土土多具湿湿陷性。由由于受对对黄土认认识的局局限及缺缺少大断断面隧道道施工的的经验,研研究大断断面黄土土隧道的的施工方方法,控控制围岩岩变形是是有其现现实意义义的。隧道区工程程地质特特征凤凰岭隧道道进口段段和高桥桥隧道出出口段通过区区范围地地层岩性性简单,为I级黄土台塬区,洞口及表层为第四系上更新统风积砂质黄土(Q3eol3),下伏第四系中更新统风积砂质黄土(Q2eol3),中间夹有数层古土壤层。具体描述如下: (1)砂质黄土(Q3eol3)属新黄土,:淡黄色,厚度3040m,土质均一,粉土质,下部含有少量白色钙丝及蜗牛壳,其中03m

8、结构疏松,具孔隙,垂直节理发育,坚硬,eq oac(,)级普通土,为松软土,。=120kPa;3m以下,结构较紧密,局部含有少量针状孔隙,坚硬, eq oac(,)级普通土,。=150kPa。具湿陷性,湿陷土层厚30m。土体总体上属中压缩性土,局部(地表以下至5米范围内)属高压缩性土。 (2)砂质黄土(Q2eol3):浅棕黄-浅黄色,厚度大于25 m,中间夹有12层1.02.0m厚的棕红色古土壤层,该层厚薄不一,呈层状分布于砂质黄土中。砂质黄土,粉土质,土质均一,含零星蜗牛壳和白色钙质菌丝,结构较致密,古土壤层为砂质黄土,内含较多的白色钙质网膜和钙质结核,坚硬,eq oac(,)级硬土,。=2

9、20kPa。属中压缩性土。施工方法的的选择除下穿等影影响地表表建筑物物地段需需考虑地地表沉降降外,大大断面黄黄土隧道道的开挖挖施工控控制重点点主要是是要有效效地控制制围岩变变形,因因此围岩岩的情况况决定了了隧道施施工方法法的选择择。大断面隧道道开挖控控制变形形保证围围岩稳定定的方法法原则上上就是化化大为小小,采用用分步开开挖。断断面开挖挖时,如如果掌子子面稳定定,无较较大掉块、垮垮塌,无无推移和和挤出现现象,初初期支护护刚度足足够,则则可以采采用弧形形导坑预预留核心心土开挖挖的方法法。如果果掌子面面开挖后后不稳定定则应缩缩小断面面,加设设中隔壁壁即CD法,在CD法的基基础上再再加设横横撑就变变

10、为CRD法。对于埋深较较大的IV级老黄土土围岩,由于黄黄土具有有直立性性好、宜宜成型的的特点,在在适用短短进尺的的条件下下,有一一定的围围岩稳定定时间,保保证在围围岩未有有大的变变形掉块块的情况况下有足足够的立立架和喷喷锚作业业时间,从从而保证证施工安安全,可可采用弧弧形导坑坑法;洞口浅埋段段及V级围岩岩主要是是新黄土土,竖向向节理发发育,土土质松软软,土颗颗粒间黏黏性差,围围岩自稳稳能力差差,土体体受扰动动后产生生应力重重分布,上上部土体体宜沿破破裂面形形成楔形形漏斗,造造成拱顶顶失稳,为为了保证证安全开开挖断面面应尽量量缩小宜宜采用CRD法。弧形导坑法法开挖工法简介洞身开挖采采用弧形形导坑

11、预预留核心心土施工工,是指指在隧道道开挖过过程中分分上中下下和仰拱拱四部分分,以前前后六个个不同的的开挖面面相互错错开同时时开挖,然然后分部部同时支支护,形形成支护护整体,缩缩短作业业循环时时间,逐逐步向纵纵深推进进的作业业方法。其实质为台阶法的一种,拱部采用环形导坑开挖,利用核心土施压掌子面,下部开挖也是先开挖两侧保持中部土体不动,其核心是保证掌子面稳定。实例分析高桥隧道和和凤凰岭岭隧道IIV级围岩岩采用弧弧形导坑坑法开挖挖。上导导坑核心心土距拱拱顶1.552.0m,核核心土两两侧距开开挖面约约2m,上上导坑开开挖高度度4.22m,开开挖跨度度13.86m,矢跨跨比为0.334,开挖挖面积为

12、为47.96mm2;中部开开挖高度度4.331m,开开挖面积积为622.766m2;下部部开挖高高度2.05mm。上导导坑型钢钢拱架由由3个单元元组成,每每个单元元长度为为5.9975mm,各单单元钢架架之间采采用16的钢板板通过四四套M24高强螺螺栓连接接。具体施工步步骤如下下:上导坑开挖挖首先在拱部部1200范围打设设42超前小小导管,相相关施工工参数:壁厚33.5mmm,L=3.5m,环环向间距距40ccm,外外插角5110,搭接接长度1.55m。之之后采用用弧形开开挖法预预留核心心土开挖挖上导坑坑,每循循环开挖挖长度控控制在00.8mm即一榀榀钢拱架架的间距距,开挖挖后及时时喷射44c

13、m厚厚砼,封封闭作业业面。第第二,初初喷后架架设I20aa钢架,上上弧导分分3节安装装,环向向为钢板板螺栓连连接,纵纵向采用用42钢管连连接,环环向间距距为1.0m。安安装钢架架完毕后后立即施施作锁脚脚锚管和系统统锚杆,锁锁脚锚杆杆采用42钢管,长长度为44.0mm,每处处设置两两根,系系统锚杆杆采用22药包包锚杆,长长度为22.5mm,间距距为11mm梅花形形布置。之之后挂设设钢筋网网片,钢钢筋网片片采用8钢筋,网网格间距距为200cm。第第三,在在钢架、锚锚杆和钢钢筋网施施作完成成后及时时复喷C25砼至266cm,从从而完成成上导坑坑的施工工形成较较稳定的的承载拱拱。左侧中部和和右侧下下部

14、开挖挖在承载拱的的支护下下,交错错开挖左左侧中部部和右侧侧下部马马口,先先后按同同样方法法进行支支护,使使同一断断面处暴暴露开挖挖面仅限限于单侧侧,且不不同时处处于悬空空状态。右侧中部和和左侧下下部开挖挖(方法法同上)开挖中部上上中下台台三部分分预留土土。分段开挖仰仰拱,施施做仰拱拱支护、仰仰拱二衬衬和仰拱拱填充。施工机具及及劳力组组织开挖支护完完成一个个循环即即上导坑坑开挖一一榀、中部及及下部单单侧各两两榀,所所需时间间为8小时,共共分三段段施工,其其中机械械开挖1小时,人人工修整整挂网立立架3.5小时(其其中出碴碴平行作作业用时时0.5小时),喷喷锚3.5小时。开挖机械人人员配置置:现代代

15、320型挖掘掘机1台,司司机2人;柳工50侧翻装装载机1台,司司机2人;重重庆16吨铁马马自卸汽汽车4辆,司司机4人;G8风镐8台。开开挖用人人工共14人(不不包括司司机),其其中上部部9人,中中部3人,下下部2人。喷锚机械人人员配置置:湿喷喷机两台台,3立方罐车车两台。人人员共设设两班每每班设置置9人,其其中湿喷喷机司机机2人,喷喷锚操作作手4人(共共设喷头头2个,每每个设2人),其其它辅助助人员3人。罐罐车司机机2人。根据以上的的施工组组织,单单口每天天可完成成三个循循环,按按80ccm间距距,每天天可掘进进2.44m,月月进尺880m左左右,实实际最高高记录月月进尺达达1000m。施工要

16、点浅埋段和含含水量较较大地段段设置超超前小导导管,根根据开挖挖情况可可减小环环向设置置间距直直到消除除拱部开开挖掉块块现象为为止。深深埋和地地质情况况较好地地段开挖挖无掉块块现象可可不设。锁脚锚管是是保证初初期支护护安全的的重要措措施,通通过试验验和量测测表明断断面拱脚脚和墙脚脚位置受受到较大大的侧压压力,此此处的锚锚杆就充充当了拉拉杆作用用,以保保证工字字钢在受受到侧向向力时不不发生向向洞内的的位移变变形,同同时可以以起到抑抑制拱架架整体下下沉的作作用,从从而保证证初支结结构在施施工过程程中受力力稳定。根据实际变形情况除认真施做锁脚锚杆保证质量外,在每分节处可增设2根,即由原设计的2根增为4

17、根,根据监控量测资料该措施对控制初支变形效果显著。扩大拱墙脚脚是较少少拱顶下下沉量的的有效措措施,扩扩大拱墙墙脚增大大承压面面积,既既有利于于施工过过程中竖竖向压力力的传递递,也有有利于该该节点横横向受力力的稳定定。实际际施工中中拱脚宽宽度由设设计的880cmm扩大为为1000cm,墙墙脚由设设计的550cmm扩大为为80ccm。采用在拱墙墙脚下垫垫设槽钢钢或砼垫垫块,以以增大地地基承载载力,减减小初期期支护闭闭合前的的整体下下沉量。加密初期支支护钢架架的纵向向连接钢钢管,提提高钢架架间的整整体受力力能力,一一般可在在可从设设计的环环向间距距1.00m调整整为0.8m即即可。开挖时严格格控制超

18、超前挖,若若钢架背背后与围围岩不密密贴可采采用同级级砼垫块块添塞密密实或采采用注浆浆保证初初期支护护钢架背背后无空洞以利利于钢架架和围岩岩形成联联合支护护体共同同受力。严格控制钢钢架的加加工和安安装质量量,使其其线性圆圆顺避免免应力集集中,另另外钢架架间连接接牢固必必要时可可加焊钢钢筋。仰拱紧跟是是确保初初期支护护安全的的根本措措施,仰仰拱及回回填砼要要紧跟掌掌子面施施做,一一般距离离控制在在30mm以内,以以利于尽尽早形成成完整的的筒形封封闭环。根根据监控控量测数数据及时时跟进二二衬的施施工以利利于尽早早形成完完整的隧隧道受力力结构,一一般距离离控制在在距掌子子面600m以内内,特殊殊地段单

19、单独考虑虑。机械开挖时时预留330cmm由人工工开挖,较较少对围围岩的扰扰动,并并保证岩岩面圆顺顺,及时时初喷44cm砼砼以封闭闭暴露围围岩,增增强岩体体的整体体性,为为初期支支护的后后续工作作争取安安全时间间。施工工时初喷喷是在开开挖的渣渣堆上进进行的,待待把未被被渣堆覆覆盖的开开挖面初初喷完成成后再出出渣。适当给支护护预留变变形量,施施工前期期可采用用15ccm的预预留量,根根据工艺艺及措施施的优化化,通过过监控量量测及时时进行调调整。合理控制步步长,上上中下三三部分的的步长控控制在35mm,上导导坑每次次开挖一一榀钢架架的距离离,中下下部根据据地质情情况可一一次开挖挖12榀钢架架的间距距

20、,仰拱拱开挖控控制在35mm。CRD法工法简介CRD法是是大断面面隧道施施工的有有效手段段,它将将大跨度度隧道分分为若干干块进行行分布施施工,由由于将大大跨度隧隧道采用用网格状状支护在在横竖向向均进行行了支撑撑,各自自形成封封闭的筒筒形结构构,支护护体系稳稳定。实例分析凤凰岭隧道道进口1200mV级围岩岩施工采采用了CRD法施工工,该法法是用中中隔壁将将整个开开挖断面面分隔为为左右两两侧,先先开挖隧隧道一侧侧的上下下台阶并并及时施施做相应应的中隔隔壁和临临时横撑撑形成各各自单独独的封闭闭环,再再开挖另另一侧的的上下台台阶施做做相应中中隔壁和和横撑,最最后开挖挖仰拱拆拆除临时时支护体体系形成成完

21、整的的隧道初初期支护护结构,进进而施做做二衬结结构。CRD法初初支施工工参数拱部设1108超前长长管棚(L20mm,外插插角133); 洞身拱部1200范围围设42超前小小导管(壁壁厚3.5mmm,L=4.5m,=440cmm,外插插角5110,搭接接长度1.55m);系统锚锚杆拱部部1200范围设22药包锚锚杆(L=2.5m,间间距1.001.0m,梅梅花型布布置),边边墙设置置20MMnSii22砂浆锚锚杆(L=44.0,间距1.001.0m,梅梅花型布布置);拱墙脚脚处每分分部开挖挖隧道两两侧钢架架分节处处各设2根42锁脚锚锚管(L=4mm);钢架架采用I25aa型钢,钢钢架间距距榀/0

22、.66m,每每榀钢架架分8节,钢钢架间采采用42钢管连连接,环环向间距距1m;初初期支护护厚度为为35ccm,中中隔壁喷喷层厚度度为255cm;钢筋网网采用Q23358钢筋,网网格间距距2020ccm。施工步骤简简述如下下:上台阶开挖挖采用弧弧形开挖挖预留核核心土的的施工方方法,类类似于弧弧形导坑坑法的上上导坑施施工,核核心土高高度距离离拱顶1.552.0m,距距边墙和和中隔壁壁约2mm,核心心土顶部部留有11.5mm的工作作平台便便于人工工操作,核核心尾部部为1:1的斜坡坡,根据据地质情情况一次次进尺控控制在12榀钢架架间距的的距离。上部开挖高度在6.6m左右。下台阶应左左右交错错开挖,错错

23、开间距距不小于于2m,先先开挖边边墙一侧侧,再开开挖中隔隔壁一侧侧,避免免上台阶阶的初支支在同一一断面处处于悬空空状态。单单侧每次次进尺控控制在23榀钢架架间距的的距离。下部开挖高度在4.2m左右。上下台阶长长度控制制在35mm,中隔隔壁左右右两侧开开挖的间间距控制制在1015mm左右。拆除下部横横撑开挖挖仰拱,开开挖可以以分左右右侧两次次施工,也也可根据据地质情情况一次次开挖成成型,每每次开挖挖长度控控制在33m以内内。底部部开挖高高度在22.5mm左右。施工要点弧形导坑法法的施工工要点在在本法中中仍然适适用,这这里重点点介绍CRD法临时时支护系系统的拆拆除。CRD法在在拆除临临时支撑撑前各

24、部部室面积积小且封封闭成环环受力结结构稳定定,有关关研究和和工程实实践表明明,作用用在中壁壁的轴力力一般较较大,这这说明中中隔壁的的功能得得到了充充分发挥挥,在施施工中中中隔壁进进行了进进一步优优化将原原设计带带曲率的的变更为为竖直的的中隔壁壁。随着着施工的的推进,作作为临时时支护的的中隔壁壁将逐步步被拆除除,支护护结构竖竖向承载载能力部部分丧失失,围岩岩压力完完全作用用在四周周的初期期支护上上,由于于隧道开开挖断面面大,大大跨度支支护结构构的内力力将有着着明显的的增加,拆除中间临时支撑时,初期支护会因突然卸载而出现较大的变形,应力需重新分布,存在较大的安全隐患,必须给予高度重视。拆除临时支支

25、护系统统首先要要考虑拆拆前整个个支护系系统是否否已稳定定,由于于隧道围围岩受力力的蠕变变特性,自自隧道开开挖至支支护受力力和围岩岩变形趋趋于稳定定需要有有一段时时间,隧隧道支护护中隔壁壁拆除必必须待隧隧道变形形稳定后后方可进进行,否否则会诱诱发围岩岩应力重重分布的的突变乃乃至围岩岩失稳、支支护结构构破坏。在非稳定状态严禁拆除反而应采取加强措施,如在中隔壁两侧采用159钢管设置竖向支撑,纵向间距50cm;横撑接头处设置45夹角的斜撑。中隔壁的拆除时机可通过围岩变形的量测来判断。其次,在加强监控量测的基础上确保下道工序的及时跟进。凤凰岭隧道道进口临临时支撑撑的拆除除实际上上是采取取了比较较保守的的

26、施工方方法,即即在施做做仰拱填填充完毕毕后再拆拆除中隔隔壁,使使部分中中隔壁埋埋置于填填充砼之之中造成成浪费,但但保险系系数较大大,在拆拆除之前前整个初初期支护护已经形形成较稳稳定的受受力结构构。施工工时根据据衬砌的的施工进进度确定定拆除的的长度和和进度,拆拆除时要要注意对对成品的的保护。施工时先破破除中隔隔壁上部部喷射砼砼,将水水平横撑撑及竖撑撑钢架和和环向钢钢架连接接处露出出,中隔隔壁钢架架采用简简易支撑撑,错开开拆除左左侧上部部和下部部间的横横撑、再再拆除右右侧上中中部之间间的横撑撑,若拆拆除所有有水平支支撑后,隧隧道仍处处于稳定定状态,则则开始进进行竖撑撑的拆除除,拆除除时应按按顺序错

27、错开进行行拆除。同时加强变变形观测测,一旦旦发生变变形异常常应立即即停止拆拆除并采采用加设设临时竖竖撑进行行加强处处理,避避免变形形过大产产生坍塌塌。施工机具及及劳力组组织主要施工机机械:挖挖掘机1台,装装载机2台,出出渣车4台,湿湿喷机4台,风风枪4台,风风镐10把,空空压机2台。施工人员:开挖224人,喷锚18人,司司机10人,电电工1人。按照以上机机械人员员配置凤凤凰岭隧隧道进口口每月开开挖进尺尺为2530mm。监控量测现场监控量量测是“新奥法”设计施施工的重重要组成成部分,施施工须根根据监控控量测情情况实行行动态控控制,通通过分析析量测数数据判定定围岩在在开挖过过程中的的动态变变化和支

28、支护结构构的稳定定状态,预预测并据据此确定定相应的的施工措措施,确确保支护护体系的的稳定及及施工人人员的安安全。量测的项目目及主要要方法洞内外观测测洞内观察分分为开挖挖工作面面观察和和已施做做段观察察两部分分。洞外外观察包包括地表表开裂、地地表沉陷陷、边坡坡及仰坡坡稳定状状态等情情况。水平净空收收敛量测测CRD法分分布多、断断面小,且且各部分分断面形形式多,且且有临时时支撑的的影响,适适用全站站仪视线线受阻。故故选用JSSS30AA型收敛敛计进行行量测;IV级弧形形导坑法法考虑断断面较大大、尤其其上部高高度较高高,后期期挂设收收敛计等等仪器困困难大,还还有使用用其它辅辅助工具具,另外外水平收收

29、敛和拱拱顶下沉沉要分开开量测,花花费时间间多;容容易和其其它施工工工序发发生冲突突,抗施施工干扰扰能力差差,效率率低,因因此采用用徕卡TCRR7022全站仪仪进行无无尺量测测。拱顶下沉量量测为了便于数数据的采采集两种种开挖方方法均采采用无尺尺量测。地表下沉量量测隧道浅埋地地段地表表下沉量量测与洞洞内净空空变化和和拱顶下下沉在同同一横断断面内。地地表下沉沉量测应应在开挖挖工作面面前方,隧隧道埋深深及隧道道开挖高高度之和和处开始始,直至至二衬结结构封闭闭、下沉沉基本结结束为止止,观测测频率与与洞内形形同。现现场实际际由第一勘勘察设计计院完成成。量测的施做做要点及时设置各各种观测测标志。及时收集各各

30、观测的的初始数数据。及时将各项项量测观观察到的的数据进进行分析析,并绘绘制位移移与时间间的关系系曲线及及位移与与开挖面面距离的的关系曲曲线。实际量测结结论时间性在与时间相相关的规规律表现现上,隧隧道较明明显的变变形主要要发生在在掌子面面开挖后后的35天,此后后一周内内逐渐趋趋于稳定定,一周周后只有有微小的的变形。如如下列图图1图4所示。图1图2图3图4工序相关性性隧道变形情情况,尤尤其是拱拱顶沉降降和净空空收敛这这两项与与施工工工序有很很强的相相关性,大大于75的沉沉降量发发生在隧隧道上部部导坑和和中部开开挖的过过程中,隧隧道封闭闭成环基基本可以以停止隧隧道变形形。具体体数据参参看表1。隧道变

31、形情情况汇总总表(单单位:mm) 表1围岩类型VIV变形值开挖步骤最大值最小值平均值开挖步骤最大值最小值平均值左上导坑5/21/121/12/13/6/44上导坑14/666/2221/8/114/36/2左下导坑11/188/32/1/228/14/3中部左侧11/188/1332/4/116/15/1右上导坑6/8/443/1/112/7/22中部右侧10/222/51/3/118/4/11右下导坑5/20/31/13/34/10/3下部左侧12/200/31/2/007/10/1左仰拱3/14/22/4/003/6/11下部右侧13/211/42/5/118/6/22右仰拱3/11/33/5/003/5/11仰拱5/51/43/5/004/17/1总值127/2200/3833/366/846/855/144总值67/1998/33110/399/337/888/8说明:1)表中的的数值“a/bb/c”具体含含义为:a代表地地表沉降降值、b代表拱拱顶沉降降值、c代表净净空收敛敛值2)“总值值”一项并并非对表表中上面面对应的的数据的的汇总,而而是相应应值(地地表沉降降、拱顶顶沉降、净净空收敛敛)的总总量的最最大、最最小、平平均值3)V级围围岩的变变形值的的总值包包括了中中隔壁拆拆除后的的沉降值值和

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