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仓街站-东环路站区间隧道设计摘要:本段线路在苏州古城区内,沿干将东路由西向东走向。线路自仓街站始沿干将东路东行,穿过苏州监狱围墙及岗亭下、横穿外城河、相门桥立交船坞、相门人行立桥、茄子桥到达东环路站。该区间沿干将路,由仓街站至东环路站,工程设计范围为CK14+103.200~CK15+072.000,左线总长969.983米,右线总长968.8米。在里程(左CK14+599.035)处设联络通道兼作区间泵房与集水池。本段区间隧道主要位于干将河及两侧的干将路下,干将路交通繁忙,管线复杂,干将河为一景观河,水位较浅。该段区间为苏州老城区,两侧多为住宅、商业还有监狱、学校。该区间采用盾构法施工对地面交通及管线影响最小。区间线路最小埋深约9.00m,最大埋深约15.4m。本工程设计基准期为100年。本设计隧道管片内径为5500mm,环宽为1200mm,厚度为300mm。管片衬砌采用单层衬砌,管片形式采用平板形管片。管片分块采用3A+2B+K模式,即3块标准块+2块邻接块+1块封顶块,衬砌环组合形式为标准衬砌环+左转弯衬砌环+右转弯衬砌环,衬砌采用错缝拼装并且使用弯螺栓连接。首先,进行区间地铁隧道的路线设计,横断面设计和盾构机选型。在内力计算中,本设计采用均质圆环模型,先采用手算法进行内力计算,再用同济曙光电算校核,对比计算结果。在配筋计算中,本设计采用手算结果对最不利情况进行结构配筋和裂缝宽度验算。采用Peck法进行沉降分析并在右线CK12+850.000处设计联络通道。关键词:盾构隧道;结构设计;沉降分析;联络通道;DesignofTunnelbetweenCangStreetStationandEastRingRoadStationAbstract:thissectionofthelineintheancientcityofSuzhou,alongtheGanJiangEastRoadfromwesttoeast.LinefromCangjieStationalongGanJiangEastRoadeastbound,throughtheSuzhouprisonwallandundertheguardbox,acrosstheoutercityriver,Xiangmenqiaointerchangedock,Xiangmenpedestrianbridge,eggplantbridgetotheEastRingRoadStation.Thesectionalongthetrunkroad,fromCangjieStationtoEastRingRoadStation,theengineeringdesignscopeisCK14+103.200~CK15CK14+072.000,thetotallengthoftheleftlineis969.983meters,thetotallengthoftherightlineis968.8meters.Atthemileage(leftCK14+599.035),thecontactchannelissetupastheintervalpumproomandcatchmentpool.ThetunnelinthissectionismainlylocatedunderGanJiangRiverandGanJiangRoadonbothsides.GanJiangRoadhasheavytrafficandcomplexpipeline.GanJiangRiverisalandscaperiverwithshallowwaterlevel.ThissectionistheoldcityofSuzhou,thetwosidesaremostlyresidential,commercialandprison,schools.Inthissection,shieldconstructionhastheleasteffectongroundtrafficandpipeline.Theminimumburieddepthisabout9.00m,themaximumburieddepthisabout15.4m..Theengineeringdesignbaseperiodis100years.Designtunnelsegmentdiameter5500mm,1200mm,widemm.300thicknessThesegmentliningadoptssinglelayerlining,Thesegmentformadoptsflatplatetubesheet.Thesegmentisdividedinto3A+2BA+Kmode,Threestandardblocks+twoadjacentblocks+onetopblock,Theliningringcombinationformisstandardliningring+leftturnliningring+rightturnliningring,Theliningisassembledbystaggeredjointsandconnectedbybendingbolts.First,Todesigntherouteofthetunnel,crosssectiondesignandshieldmachineselection.Ininternalforcecalculations,Thisdesignadoptshomogeneousringmodel,Firstusethehandalgorithmtocalculatetheinternalforce,ThencheckwithTongjiShuguangcomputer,Comparetheresults.Inreinforcementcalculations,Thisdesignusesthehandcalculationresulttocarryonthestructurereinforcementandthecrackwidthcheckingcalculationtothemostunfavorablesituation.thePeckmethodwasusedforsettlementanalysisandthecontactchannelwasdesignedCK12+850.000ontherightline.Keywords:Shieldtunnel;Structuredesign;Settlementanalysis;Contactchannel;1总则1.1设计依据、原则及标准1.1.1设计依据a)地铁设计规范(GB50157-2013);b)建筑结构荷载规范GB5009-2012);c)混凝土结构设计规范(GB50010-2010);d)铁路隧道设计规范(TB10003-2016);e)公路隧道设计规范(JTD70-2014);f)《苏州市轨道交通一号线工程总体设计第三册土建》;g)《苏州市轨道交通一号线工程初步设计技术要求(修改稿)》;h)地下铁道工程施工及验收规范(GB50299-2003)。1.1.2设计原则a)综合考虑当地城市道路及其各种市政管网的分布情况,客流量的大小和地铁所通过的地区的地面建筑物的疏密程度。b)地下结构设计应满足施工、运营、城市规划、防水、防腐蚀的要求。应保证结构在施工及使用期间具有足够的强度、刚度、稳定性,并根据环境类别,按设计使用年限为100年得要求进行耐久性设计。c)盾构隧道的净空尺寸应该要满足建筑限界和施工空间的要求,并且要考虑到土体的变形,结构的变形的影响,保证施工期间的安全性。d)地下结构的设计要参考各种各样的地质勘查资料,根据现行国家标准《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》按不同设计阶段的任务和目的确定工程勘察的内容和范围,根据各地的不同地质条件,比选出最适宜该地区施工的施工方案,并通过施工观察和监测反馈来验证,确保各个阶段能安全高效进行。e)结构的设计应要结合沿线不同地段的工程与水文地质还有城市的总体规划要求,应当考虑沿线的交通状况以及通过对经济,环保,功能等多个方面来进行比对,选出最合适的施工方法和结构构型,尽量减少对环境的不利影响。1.1.3设计标准遵循地铁设计规范的相关规定,工程结构安全等级为一级,结构按六度抗震设防,混凝土管片的裂缝允许有一定的开展,但裂缝的宽度应不大于0.2mm。此外,结构的安全等级应该按照一级安全等级考虑,在进行防水设计时,要求当环缝和纵缝的宽度为6mm时,在外水压力为0.6MPa时,保证其不漏水。1.2工程概况本段线路在苏州古城区内,沿干将东路由西向东走向。线路自仓街站始沿干将东路东行,穿过苏州监狱围墙及岗亭下、横穿外城河、相门桥立交船坞、相门人行立交桥、茄子桥到达东环路站。本段区间隧道主要位于干将河及两侧的干将路下,干将路交通繁忙,管线复杂,干将河为一景观河,水位较浅。该段区间为苏州老城区,两侧多为住宅、商业还有监狱、学校。该区间采用盾构法施工对地面交通及管线影响最小。1.2.1工程范围工程范围包括区间圆形隧道工程及联络通道、泵站和相应的洞门,具体见表1-1。表1-1工程范围区间工程名称里程(m)长度(m)仓街站~东环路站区间隧道左线:CK14+103.200~CK15+072.000969.983右线:CK14+103.200~CK15+072.000968.8联络通道CK14+599.03513.0001.2.2工程地质及水文地质概况苏州市地处江南水网区,属长江流域太湖水系,区内地表水系极其发育,主要有太湖、阳澄湖群及大小规模不等的河渠组成。湖泊之间河汊通连,构成水力联系密切的群体。本区间地层沉积从中生代开始,基底构造就一直趋于持续下降过程中,第四系发育齐全,具有自西向东逐渐增厚的变化规律,河、湖、海沉积交替进行,成因比较复杂。具体工程地质、水文地质情况详见任务书。2地铁总体设计2.1地铁隧道线型设计2.1.1线路设计原则依据《地铁设计规范》(GB50157-2013),地铁选线设计应遵循以下原则。a)要符合城市的整体设计规划b)符合城市轨道交通线网规划c)节约城市土地资源d)减少城市拆迁工程2.1.2线路设计方案根据地形、技术、经济情况的比较和《地铁设计规范》规定,区间线路沿干将河由西向东,线间距由12米渐变至14米,左右线均设1000米半径曲线、700米半径曲线、650米半径曲线、2000米半径曲线。在区间中部设联络通道,考虑与泵站合建,偏于西侧布置。本设计处在苏州古城区,需考虑城市环境,风景名胜和文物保护的要求,规避不良工程地质、水文地质地段,减少施工对周围敏感点的影响。先选定车站的位置,然后定线,通过点线结合确定最终方案。地铁线路的选线是路网规划和保证地铁以后能正常运行的关键阶段,也是可行性研究的内容,线路的选线包括线路的走线,线路的分布,线路的路由和车站布置,还有交叉路口的设置的和线敷设方式。在选线过程中应该重点关注以下几个因素,首先是客流分布和客流流向,因为客流分布和客流流向能,很便利的方便,人们的出行效率提高,地铁的运行速度和地铁的运行效率,其次是城市道路管网的分布情况,再一次是一个城市的经济实力和当地的地形条件.2.2隧道纵断面设计2.2.1设计原则a)在进行地铁隧道的纵坡面设计时,首先应该满足列车能安全平稳运行和保证乘客乘车的舒适度,其次线路的纵坡面设计b)在进行地铁隧道的纵坡面设计时,首先应该满足列车能安全平稳运行和保证乘客乘车的舒适度,其次线路的纵坡面设计c)在进行设计时,尽量设计成符合列车运行规律的节能型坡道一般来说,车站应设计在整条线路,地势稍高一点的地方,区间隧道设计在相对地势较为平缓的地方,这样既能保证列车能平稳运行,又能在列车靠站的时候减少列车的制动时间,提高列车的运行效率和安全性能.2.2.2设计标准及注意事项根据相关资料,参考表2-1,本段区间出仓街站后以25‰及7‰的坡度至最低点后又以16.2‰的坡度上行至东环路站,区间线路最大覆土埋深约15.4m。在区间最低点设泵站。泵站与联络通道合建。表2-1竖曲线半径线路一般情况(m)困难情况(m)正线区间50003000车站端部300020002.3隧道横断面设计的一般规定和设计原则隧道断面的设计应该符合相关规范的要求,并且要同时满足车辆的行驶界限,,能保证列车安全运行。2.4地铁隧道限界的定义表2-2城市轨道交通车辆基本参数表地铁的隧道的限界是一种轮廓线,在该轮廓线以内能保证列车平稳运行,不会发生安全事故,隧道横断面的大小都是根据隧道界限来确定和设计的,一般来说,界限越大,列车行驶时的安全度越高,但是也意味着会使工程造价提高。所以,要确定一个既不会影响车辆的运行,也不会增加工程量的合理的地铁隧道限界。制定限界目的就是要确定一个既能保证列车运行安全,又不增大桥隧或路基断面的经济空间,以防止车辆在直线或曲线上运行时与各种建筑物及设备发生接触、碰撞。2.4.1建筑界限计算轨道交通的限界是根据车辆外轮廓线及技术参数、轨道特性、各种误差和变形,并考虑列车的运动状态等因素,经分析计算确定。建筑限界是行车隧道最小横断面有效轮廓线,可以按照相关规定,结合列车的行驶速度加以确定,根据相关资料规定,苏州地区的地铁列车为B2型车。2.4.2建筑限界的确定根据苏州轨道交通的现状,本设计采用80km/h进行设计。图2-1为根据不同功能确定的车辆界限、设备界限,确定的建筑限界图,综合各种条件,最后确定该隧道的建筑界限为φ5200mm。图2-2为B2型车隧道内直线地段限界图。圆形区间隧道建筑限界为φ5200的圆,按已有的设计、施工经验,综合考虑隧道轴线的施工误差(包括测量误差)为±100mm、地铁建筑界限均匀沉降±50mm,则隧道的内径可定为5500mm。图2-1车辆隧道横断面建筑限界表2-3直线段车辆轮廓线坐标值(mm)控制点01234567262728298X0250500850103113001365141214251481150714521500Y3800379037593677362335043416331330783064262126051800控制点9101112131415161718192021X150015001400125011201120811.5811.5708.5708.5676.5676.5626Y113052052023423417017000-28-28160160控制点222324250s1s2s3s4s0k1k2kX626450450003256156878500466772Y959516016040404040402239923856384238423780图2-2B2型车直线地段限界图(隧道内)3管片方案选择3.1管片衬砌选择目前在国内城市地铁隧道中,越来越多地开始使用预制混凝土管片作为永久衬砌。管片通常由专业的厂家提前制作,按其功能通常分为两种:a标准环:用于直线段b转弯环:用于曲线段c通用环:用于直线、曲线段标准环与转弯环配合使用就可以拼装各种线性的隧道。管片选型直接关系到隧道线路、隧道质量等一系列隧道的关键指标。因此管片选型是否正确,将决定盾构工程的成败。装配式衬砌圆环一般是由分块的预制管片在盾尾拼装而成的,按照管片所在位置及拼装顺序不同可将管片划分为标准块,邻接块和封顶块,根据工程需要组成衬面的预制构件有铸铁、钢、混凝土、钢筋混凝管片和固块之分。我国目前广泛使用的是钢筋混凝土管片或砌块。装配式衬砌与整体式(模筑)衬砌比较,可以减轻工人的劳动强度,节约劳动力,降低建筑材料消耗和提高衬砌质量。一般地说,装配式衬砌的造价较低,施工进度也较快。由于衬砌拼装就位后,几乎就能够立即承重,拼装工作可以紧接隧道开挖面进行,因而缩短了坑道开挖后毛洞的暴露时间,使地层压力不致过大;而且不用临时支撑,有助于机械化快速施工和工业化生产。采用装配式衬砌是地下工程的发展方向之一-。在用盾构法施工的圆形隧道中,广泛采用了装配式管片衬砌。在施工阶段作为临时支撑使用,并承受盾构千斤顶顶力和其他施工荷载;竣工后则作为永久性承重结构,并防止泥水渗入。必要时可在其内部灌筑混凝土或钢筋混凝土内衬,以提高隧道的防水能力,修正施工误差,并起装饰作用。近年来,国外发展有在盾尾后现浇混凝土的挤压式衬砌工艺,即在盾尾刚浇捣而未硬化的混凝土处在高压作用下,作为盾尾推进的后座,盾尾在推进的过程中,不产生建筑空隙,空隙由注人的混凝土直接填充。挤压混凝土衬砌工法的基本特征:a)构筑高质量的衬砌体;b)合理的衬砌形式具有广泛的适用性;c)控制地基沉降;d)节省施工预算,缩短施工期限。综合以上分析,再结合相关工程经验和苏州当地土层性质,最后选用装配式钢筋混凝土管片3.2管片参数设计3.2.1管片厚度选择结合区域设计经验,在软土地区(上海,南京),管件厚度为350mm。从简单的结构应力分析来看,当隧道埋深在15m以内时,可以优化到300mm;但是,当埋深超过20m时,300mm厚的管板厚度相对较小,钢筋的直径相对较大。考虑到苏州地区处于快速发展时期,地铁沿线环境不稳定,建设日新月异。降水引起的额外地基荷载和水压降低都会对管段结构产生不利影响,因此管段结构必须保持一定的安全储备,本设计采用管片厚度为350mm。3.2.2管片宽度选择根据国内外中径盾构隧道管段宽度的应用,一般来说,可以使用1.2m~1.5m宽的管段。管片宽度增大的好处是能够减少管片接缝的数量,从而减少了防水材料和连接器的数量,并且可以加快施工进度,提高施工效率,有利于间隔防水。但考虑到该区间是软土并且选择1.5m宽的管片在施工技术和材料质量上有更高的要求并且国内暂无1.5m宽软土管段的应用经验,所以,综合各方面来说本设计采用1.2m宽的管片3.2.3衬砌形式选择大致可分为单尽义双层衬砌两种形式。修建在饱和含水软土地层内的隧道,由于目前对隧道防水(特别是接缝防水),还没有得到完善的解决,影响了使用要求,因此较多的还是选择双层衬砌结构,外层是装配式衬砌结构,内层是内衬混凝土或钢筋混凝土层。例如,在地下铁道的区间隧道以及此市政管道也已采用了这种双层衬砌结构形式。由于采用了双层衬砌,导致了下列的一系列问题:开挖断面增大,增加了出土量;施工工序复杂,延长了施工期限,导致了隧道建设成本的增加。为此目前不少国家正在研究解决单层衬砌的防水技术和使用效果,以逐步取代双层衬砌结构。另一种做法是在目前隧道防水尚未得到较为满意解决的条件下,把外层衬砌视作一施

工临时支撑结构,这样就简化

了外层衬砌的要求。在内层现浇衬砌施工前,对外层衬砌进行清理.堵漏,做必要的结构构造处理,然后再浇捣内衬层,并使内层衬砌与外层衬砌连成起视作一整体结构。且用单层衬砌,施工工艺单一、工程实施周期短、投资省,可确保苏州地铁一号线工程如期贯通的目标,因此选用单层衬砌能较好的适应工程建设的需要,3.2.4隧道衬砌内径与外径隧道内径的确定主要取决于地下铁道的限界(包括车辆限界、设备限界、建筑限界、受电弓限界),同时还要考虑施工误差、测量误差、设计拟合误差、不均匀沉降等诸多因素。圆形区间隧道建筑限界为φ5200的圆,按已有的设计、施工经验,综合考虑隧道轴线的施工误差(包括测量误差)为±100mm、隧道后期不均匀沉降±50mm,则隧道的内径可定为5500mm。苏州市的地层多为饱和含水软粘、砂性土,初步确定管片的厚度为350mm,则隧道管片的外径为D外径=5500+350+350=6200mm,环宽1200mm。综上所述可知所以选择单侧钢筋混凝土装配式衬砌。3.3工程材料1)圆形区间隧道普通衬砌环由钢筋混凝土管片构成,混凝土强度等级为C50,抗渗等级S10,钢筋采用HPB235、HRB335。管片连接螺栓的性能等级为4.6级、5.8级,唯特殊衬砌环部分采用高强度螺栓连接。预埋件用Q235钢。所有外露铁件均需进行防腐蚀处理。2)衬砌环钢筋混凝土管片混凝土强度等级为C50,抗渗等级S10,钢筋为HPB235、HRB335。钢管片材料为Q235。3)排水泵站、联络通道暗挖段混凝土强度等级为C30,抗渗等级为S8,钢筋采用HPB235、HRB335。4)防水材料EPDM、遇水膨胀橡胶、EVA等。衬砌环拼装图见图3-3所示,图3-4为管片纵缝结构图图3-3衬砌环拼装示意图图3-4管片纵缝接缝构造3.4盾构机选型根据苏州的地层松软,地下水丰富,应选用封闭式的盾构进行区间隧道的施工。在封闭式盾构中,目前最主要的为泥水平衡式盾构机和土压平衡式盾构机。下面就这两种盾构机型式结合苏州地铁一号线的情况,从土质适应情况、施工控制、工期、场地条件、环境保护、成本等方面进行比选,综合比较见表3-5。已有的盾构施工工程类比经验表明,完全可以采用土压平衡盾构。现在的土压平衡盾构功能已比较全面,地层适应性也强。推荐环保性相对较好的土压平衡盾构。表3-5泥水盾构和土压盾构比较表比较项目泥水盾构土压盾构本区间适应情况土质适用情况地层适应范围很广,尤其在全断面砂砾等地层中有优势适用于有一定细颗粒含量的地层(根据经验一般小于粒径0.074mm的颗粒含量要>25%);但可通过辅助工法扩大使用范围根据苏州地层情况,土压盾构优于泥水盾构施工控制施工平稳,扰动较小施工控制较难,扰动较大,但通过合理的辅助工法可以实现平稳施工控制对于苏州市皆可使用工期工期较固定,对于整条线施工而言,要求工期安排严密,环节间相互影响工期较固定,对于整条线施工而言,要求工期安排严密,环节间相互影响二者相同场地条件需要有较大的泥水制备和处理的场地需要场地较小由于该设计区间位于苏州市市区,则土压盾构更优环境保护对环境影响大,控制不好,极易产生水污染,影响城市市容和交通等对环境的影响很小,仅限于始发和接收的小范围内为保证苏州市环境,土压盾构更占优势成本设备造价高,且施工成本亦高于土压盾构工法设备造价较低,且施工成本亦低于泥水盾构工法土压盾构优势明显因此,根据苏州的地层情况、场地条件及环境保护的要求,应选用土压平衡盾构机,同时配置合理的辅助工法确保重难点地段的施工。在土压平衡盾构机采购和设计过程中,应重点强调以下几个方面的设备的配置和辅助工法的使用:(1)确保工作面稳定和减少扰动的的设备的选型与配备,如添加剂的注入(主要为泡沫、Polymer等亲水性高分子聚合物)与控制设备,加气与调节设备等。(2)适应高水压地层的出土设备及控制设施。(3)超前预加固设备的配置。(4)控制地表沉降的同步注浆和二次注浆设施。4.管片结构计算与分析4.1计算原则在进行结构计算时,首先应该确定结构的安全系数,还有选择最不利情况进行计算。计算,从而确定隧道的结构设计参数。4.2工程材料a.混凝土强度等级:C50;b.钢筋:Ⅰ级钢筋——A3(Q235)钢;Ⅱ级钢筋——20MnSi钢;c.钢管片与预埋件:A3钢。4.3计算模式和方法本次计算中,选择三种荷载工况分别用不计抗力的自由变形圆环、考虑抗力的自由变形圆环、修正惯用法计算模式进行计算。4.3.1荷载分类表计算荷载,可分为施工阶段和竣工阶段的,在施工阶段的时候,主要考虑恒载,附加荷载和一些特殊荷载,根据恒载和特殊荷载,然后再根据隧道相关的计算公式,可以得出隧道在不同工况下面的内力,然后再根据这些内力进行组合,进而进行隧道的横断面结构设计。4.3.2计算模型由于本次设计采用错缝拼装的方式,则考虑选择不同工况分别用不计三角抗力的自由变形均质圆环、计三角抗力的自由变形均质圆环法及修正惯用法(法)进行计算,计算模型如图4-1。图4-1均质圆环法计算模型图4.3.3计算荷载a.地面超载:一般情况按计,若邻近或隧道上方直接有建筑物时,还应考虑按其基底荷载计算;b.结构自重:(管片容重;管片厚度)(4-1)c.竖向地层压力:(4-2)竖向土压:(4-3)式中,衬砌顶部以上各个土层的容重;衬砌顶部以上各个土层的厚度。(4-4)式中,衬砌圆环计算轴线半径;土层的容重。d.侧向地层压力:(4-5)式中,静止侧压力系数按取值;土体泊松比。(4-6)(为衬砌圆环侧向各土层土的容重、内摩檫角、内聚力的加权平均值)侧向三角形主动土压:(4-7)e.侧向地层抗力:(4-8)式中,衬砌圆环侧向地层地基抗力系数;衬砌圆环在直径处的变形量。(4-9)为刚度有效率,f.水压:①竖向水压:(4-10)②水平向水压:(4-11)(4-12)③拱底水压力:(4-13)g.拱底反力:(4-14)4.3.4内力计算根据4.3.3公式计算。a.考虑到拱肩荷载的影响,竖向总荷载引起的内力b.水平均布荷载引起的内力c.水平三角形分布荷载引起的内力d.管片自重荷载引起的内力e.地基反力引起的内力f.水平土层抗力引起的内力g.隧道内部荷载车辆载荷及其冲击力对隧道的影响可以忽略不计。荷载分为四种类型:永久荷载、活荷载、附加荷载和特殊荷载。a.永久荷载b.活载地面活载按20计算;c.特殊荷载阶段再考虑地震力的方向按动载进行计算;人防荷载:按六级人防;荷载取荷载组合:组合1:永久荷载+活载;组合2:永久荷载+特殊荷载;1:1.01.2;对于组合2:结构重要性系数按1.0取值,荷载综合分项系数1.0。盐城工学院本科生毕业设计说明书2019盐城工学院本科生毕业设计说明书2019III不计三角抗力计入三角抗力MvNvMh1Nh1Mh0Nh0MgNgMkNkMpkNpkMNMN904.40-109.62-421.90576.96-189.91193.5437.43-12.80-159.73118.13-99.78101.36170.29766.2270.52867.58853.93-76.77-396.46559.56-181.28190.5735.73-11.83-154.48116.34-95.2799.82157.44777.8762.17877.69708.1517.96-323.19509.47-155.70181.3430.75-8.97-138.89111.01-81.9095.25121.12810.8139.22906.06483.35163.60-210.95432.72-114.22165.2122.85-4.38-113.44102.31-60.0687.7867.60859.457.54947.23204.51343.30-73.26338.57-59.06141.7812.591.68-78.8990.50-30.4177.655.89915.83-24.52993.47-97.63536.3873.26238.385.89111.730.768.88-36.3075.936.1365.15-54.02971.31-47.901036.46-390.19720.77210.95144.2474.8377.45-11.7516.8113.0459.0748.4650.68-103.121018.34-54.651069.02-642.03875.65323.1967.49140.2243.31-23.8925.0167.6340.4095.3034.67-134.871051.85-39.571086.52-827.32983.89396.4617.40193.4515.28-34.5832.97125.8120.51145.2217.60-146.191070.05-0.971087.65-928.601034.10421.900.00226.080.00-42.7340.20185.810.00196.700.00-137.541074.3159.161074.31-938.671021.96396.4617.40231.453.37-47.3146.21245.81-20.51248.18-17.60-112.271068.42135.921050.82-861.35950.63323.1967.49206.1529.03-47.3950.55303.99-40.40298.10-34.67-75.401057.29222.701022.63-710.82830.39210.95144.24151.2577.14-42.2152.82358.58-59.07344.94-50.68-32.251045.52312.69994.84-509.82677.3073.26238.3872.63143.76-31.2052.71407.92-75.93387.27-65.1512.801036.21400.08971.06-286.71511.24-73.26338.57-19.45221.08-14.0450.00450.51-90.50423.81-77.6557.041030.39480.85952.75-71.99353.46-210.95432.72-111.87298.559.2844.58485.06-102.31453.46-87.7899.541027.00553.00939.22105.58223.97-323.19509.47-190.68364.6738.5336.47510.51-111.01475.30-95.25140.751023.57616.05928.32222.42139.13-396.46559.56-243.61409.1373.1525.79526.10-116.34488.67-99.82181.611017.27670.28917.455.4.2内力计算图工况二内力计算图见图5-8。左半圆为弯矩图,右半圆为轴力图。图5-8工况二计算结果图5.4.3工况二电算本电算使用“同济曙光”软件进行计算,计算结果如下所示。A.电算模型及参数本工况所建计算模型及参数如图5-9。图5-9工况二电算模型图该模型中各项参数见如下:本工况中设计参数除下列两项外的其余基本参数皆与工况一相同;地表至隧道顶部的距离H(m):15.4地下水面至隧道顶部的距离Hw(m):13.4B.电算分析结果a.水土压力电算结果水土压力电算结果见表5-7。表5-7水土压力电算结果表参数名参数值(kN/m2)参数名参数值(kN/m2)顶部土压力P1218.36顶部水压力Pw1131.32底部土压力P2218.36底部水压力Pw2131.32侧向顶部土压力Q1109.18侧向顶部水压力Qw1133.04侧向底部土压力Q2109.18侧向底部水压力Qw2190.37b.内力电算结果内力计算结果图如图5-10、5-11。图5-10弯矩图图5-11轴力图电算所得详细内力结果见表5-8。表5-8工况二内力电算表角度(°)弯矩(kN.m/m)轴力(kN/m)剪力(kN/m)位移(mm)角度(°)弯矩(kN.m)轴力(kN/m)剪力(kN/m)位移(mm)0.0-187.521271.767.873.413190.0-174.501270.35-31.283.22310.0-184.511264.17-17.373.290200.0-145.251258.32-57.662.78720.0-162.971246.15-49.042.900210.0-98.481234.38-81.972.23230.0-119.331214.29-81.292.353220.0-37.901200.58-99.091.86840.0-56.381169.61-106.841.952230.030.281161.06-104.192.05650.019.281116.55-118.482.103240.096.871123.32-94.072.67460.096.501064.22-111.032.742250.0152.391092.52-70.863.34370.0162.891020.21-85.833.461260.0188.601072.70-37.863.81880.0207.10991.26-46.553.980270.0201.841065.510.003.99690.0223.42980.630.004.176280.0188.601072.7037.863.818100.0207.10991.2646.553.980290.0152.391092.5270.863.343110.0162.891020.2185.833.461300.096.871123.3294.072.674120.096.501064.22111.032.742310.030.281161.06104.192.056130.019.281116.55118.482.103320.0-37.901200.5899.091.868140.0-56.381169.61106.841.952330.0-98.481234.3881.972.232150.0-119.331214.2981.292.353340.0-145.251258.3257.662.787160.0-162.971246.1549.042.900350.0-174.501270.3531.283.223170.0-184.511264.1717.373.290360.0-187.521271.767.873.413180.0-187.521271.76-7.873.4135.5工况三内力计算工况三的计算模型见图5-14。图5-14工况模型图5.5.1荷载计算拱背土压:侧向均匀主动土压:侧向三角形主动土压:①②③根据内力计算公式用Excel表格计算出不计三角抗力以及计入三角抗力的内力,计算结果见表5-7。MvNvMh1Nh1Mh0Nh0MgNgMkNkMpkNpkMNMN939.14-113.83-398.22544.58-168.38171.6037.43-12.80-165.42122.34-116.07117.91244.55711.90128.48829.80886.73-79.72-374.21528.16-160.73168.9635.73-11.83-159.99120.49-110.83116.12227.54726.06116.71842.17735.3518.65-305.06480.87-138.04160.7830.75-8.97-143.84114.97-95.27110.80179.16766.3083.89877.10501.92169.88-199.11408.43-101.27146.4822.85-4.38-117.48105.95-69.86102.11106.91826.3637.05928.47212.37356.48-69.15319.57-52.37125.7012.591.68-81.7093.72-35.3890.3221.74897.16-13.64987.48-101.38556.9869.15225.015.2299.060.768.88-37.5978.647.1375.79-63.85968.57-56.721044.36-405.18748.46199.11136.1466.3568.67-11.7516.8113.5061.1756.3758.95-137.961031.25-81.591090.21-666.69909.28305.0663.70124.3238.39-23.8925.0170.0441.84110.8640.33-191.151078.23-80.301118.56-859.101021.68374.2116.42171.5113.55-34.5832.97130.2921.24168.9320.47-217.671105.86-48.741126.34-964.271073.83398.220.00200.450.00-42.7340.20192.430.00228.820.00-215.901114.0312.921114.03-974.731061.21374.2116.42205.212.99-47.3146.21254.57-21.24288.70-20.47-188.061105.59100.651085.11-894.43987.14305.0663.70182.7825.74-47.3950.55314.83-41.84346.77-40.33-139.161085.29207.611044.96-738.12862.28199.11136.14134.1068.39-42.2152.82371.36-61.17401.26-58.95-75.761058.47325.50999.51-529.40703.3169.15225.0164.40127.46-31.2052.71422.46-78.64450.50-75.79-4.591029.85445.91954.06-297.73530.87-69.15319.57-17.25196.01-14.0450.00466.57-93.72493.01-90.3268.401002.74561.41912.41-74.75367.03-199.11408.43-99.18264.709.2844.58502.35-105.95527.49-102.11138.59978.79666.08876.68109.63232.57-305.06480.87-169.06323.3238.5336.47528.71-114.97552.90-110.80202.76958.27755.66847.48230.96144.48-374.21528.16-215.99362.7473.1525.79544.85-120.49568.46-116.12258.77940.68827.23824.56273.26113.83-398.22544.58-232.52376.64112.2912.80550.29-122.34573.70-117.91305.10925.49878.80807.585.5.2内力计算图工况三内力计算图见图5-13。图5-13工况三计算结果图5.5.3工况三电算本电算使用“同济曙光”软件进行计算,计算结果如下所示。A.电算模型及参数本工况所建计算模型及参数如图5-14。图5-14工况三电算模型图该模型中各项参数见如下:本工况中设计参数除下列三项外的其余基本参数皆与工况一相同;地表至隧道顶部的距离H(m):13.00地下水面至隧道顶部的距离Hw(m):11.00地面超载:q=60Kn/m2B.电算分析结果a.水土压力电算结果水土压力电算结果见表5-10。表5-10水土压力电算结果表参数名参数值(kN/m2)参数名参数值(kN/m2)顶部土压力P1218.50顶部水压力Pw1107.80底部土压力P2218.50底部水压力Pw2107.80侧向顶部土压力Q1109.25侧向顶部水压力Qw1109.52侧向底部土压力Q2109.25侧向底部水压力Qw2166.85b.内力电算结果内力计算结果图如图5-15、5-16。图5-15弯矩图图5-16轴力图电算所得详细内力结果见表5-11。表5-11工况三内力电算表角度(°)弯矩(kN.m/m)轴力(kN/m)剪力(kN/m)位移(mm)角度(°)弯矩(kN.m)轴力(kN/m)剪力(kN/m)位移(mm)0.0-187.651189.707.873.436190.0-174.621188.28-31.303.24610.0-184.631182.10-17.393.312200.0-145.351176.24-57.692.80820.0-163.081164.08-49.082.921210.0-98.561152.29-82.032.24830.0-119.401132.19-81.342.370220.0-37.941118.45-99.161.87440.0-56.421087.49-106.911.959230.030.291078.90-104.262.04850.019.291034.40-118.562.096240.096.941041.12-94.142.66060.096.57982.03-111.102.727250.0152.501010.30-70.913.32670.0163.00937.99-85.893.444260.0188.74990.46-37.893.80080.0207.24909.02-46.583.963270.0201.99983.260.003.97890.0223.57898.380.004.158280.0188.74990.4637.893.800100.0207.24909.0246.583.963290.0152.501010.3070.913.326110.0163.00937.9985.893.444300.096.941041.1294.142.660120.096.57982.03111.102.727310.030.291078.90104.262.048130.019.291034.40118.562.096320.0-37.941118.4599.161.874140.0-56.421087.49106.911.959330.0-98.561152.2982.032.248150.0-119.401132.1981.342.370340.0-145.351176.2457.692.808160.0-163.081164.0849.082.921350.0-174.621188.2831.303.246170.0-184.631182.1017.393.312360.0-187.651189.707.873.436180.0-187.651189.70-7.873.4365.6计算结果与检验在本次计算时分别使用不计三角抗力的自由变形圆环(计算模式一)、考虑抗力的自由变形圆环(计算模式二)、修正惯用法(计算模式三)三种计算方法进行计算。分析这三种方法的计算结果,可以得到:在不考虑三角抗力的自由变形圆环(计算模式一)时计算结果最大,而后面两种方法计算结果较小且十分相近。故采用考虑抗力的自由变形圆环(计算模式二)、修正惯用法(计算模式三)中的计算结果最大值作为控制内力。表5-9基本组合下管片横向计算结果计算模式计算工况单位计算模式一计算模式二计算模式三顶部计算工况一弯矩kN·m143.9669.64-173.73轴力kN460.26535.76999.10计算工况二弯矩kN·m170.2970.52-187.52轴力kN766.22867.581271.76计算工况三弯矩kN·m244.55128.48-187.65轴力kN711.90829.801189.70中部计算工况一弯矩kN·m-122.1624.36207.24轴力kN712.31712.31727.37计算工况二弯矩kN·m-137.5459.16223.42轴力kN1074.311074.31980.63计算工况三弯矩kN·m-215.9012.92223.57轴力kN1114.031114.03898.38底部计算工况一弯矩kN·m218.22585.59-173.73轴力kN630.06554.56999.10计算工况二弯矩kN·m222.64715.82-187.52轴力kN1006.04904.681271.76计算工况三弯矩kN·m305.10878.80-187.65轴力kN925.49807.581189.705.7管片强度及裂缝开展计算管片强度配筋按照钢筋混凝土偏心受压构件截面来计算,配筋内力取基本组合系数1.2后计算。5.7.1计算浅埋段a)计算最大正弯矩情况偏心受压类:,轴力,故属于大偏心受压构件取,所以,b)计算最大负弯矩情况偏心受压类:,轴力,故属于大偏心受压构件取,所以,最终管片按照计算结果进行配筋,受拉钢筋取7Φ25,实际As=3436mm2。c)验算裂缝宽度满足要求。5.7.2计算上部有建筑物段a)计算最大正弯矩情况偏心受压类:,轴力,故属于大偏心受压构件取,所以,b)计算最大负弯矩情况偏心受压类:,轴力,故属于大偏心受压构件取,所以,最终管片按照计算结果进行配筋,受拉钢筋取8Φ28,实际As=4926mm2。c)验算裂缝宽度满足要求。5.7.3计算结果整理计算结果详见表5-10及表5-11。表5-10管片横向计算结果验算浅埋段计算项目组合基本组合基本组合控制内力弯矩(kN.m)261.86轴力(kN)756.07强度验算7Φ25抗裂验算配筋7Φ25裂缝宽度<0.2mm表5-11管片横向计算结果验算上部有建筑物段计算项目组合基本组合基本组合控制内力弯矩(kN.m)366.12轴力(kN)1110.59强度验算8Φ28抗裂验算配筋8Φ28裂缝宽度<0.2mm5.7.4计算结论通过对区间隧道进行的横向计算分析,可以得出:对于管片的横向受力情况,基本组合下的强度配筋较小,抗裂要求控制着结构的最终配筋,最后配筋取。图5-19配筋示意图6沉降分析6.1地层变形对环境和工程结构的影响在盾构机开挖隧道的过程中,由于盾构机端头的千斤顶向前顶进的作用,以及注浆压力的作用会对周围沿途题产生一定的扰动,导致岩土体的孔隙水压力发生变化。进而会破坏岩土体自身的结构特性,使地表发生不均匀沉降,导致地面上的建筑物墙体倾斜,开裂,造成重大的损失。6.2盾构施工引起的地层变形特征分析地面沉降规律是反映盾构掘进时,沿掘进轴线方向对地层的影响,同时它也能反映盾构掘进时不同因素、盾构机不同部位对地层的作用,包括正面土压力、摩擦力及盾尾间隙等。地表沉降横向分布见图5-1。盾构推进引起的地面沉降可分为初期沉降、开挖面沉降、尾部沉降、尾部空隙沉降、长期延续沉降这五个阶段。6.2.1地表沉降的发展过程盾构推进引起的地面沉降可分为初期沉降、开挖面沉降、尾部沉降、尾部空隙沉降、长期延续沉降等五个阶段。图6-1地表沉降纵向分布图图6-2地表沉降横向分布图图6-3地基变形模型图隧道中第二条隧道带来的沉降较第一条隧道相比较大。就单条隧道来说,沉降槽曲线类似正态分布曲线,peck法是沉降计算的典型代表,而两条隧道的沉降曲线就类似两个单线的叠加。图6-4沉降槽曲线图由盾构开挖的隧道,其引起沉降的原因主要有两个,一是在开挖过程中,盾构机会造成地面隆起从而造成地面更大的沉降,二是盾尾空隙也会引起沉降,除此之外,盾构机也会粘附一定的土体,增大地面的沉降。地面变形的一般规律见图6-5。图6-5地面变形的一般规律引起地面沉降的因素除了地层条件外,还有许多其他原因,例如盾构机的掘进速度、注浆量、注浆时间、推进压力还有平衡土压等,所以沉降量是很难去预测和计算的。6.3盾构施工引起的地表沉降的原因及变形机理盾构施工会引起地表的变形,这些变形主要分为五种类型,每种类型的沉降产生的原因及机理见表6-1。可以看出,位移主要是由地层扰动引起的应力变化导致的。对于苏州地铁仓街站—东环路站来说,由于区间隧道穿越的地层主要是粉土~粉砂、粉质粘土,而且隧道的埋深较大,所以大部分变形以表中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类沉降为主。表6-1盾构施工引起位移的原因与机理沉降类型主要原因应力扰动变形机理Ⅰ初始沉降围岩而压密孔隙水压力减少,有效应力增加孔隙比减小,固结Ⅱ盾构工作面前方变形工作面处施加压力:过大—隆起,过小—沉降孔隙水压力增加,总应力增加围岩(土体)压缩产生弹塑性变形Ⅲ盾构通过时的沉降施工扰动,盾构与围岩(土体)间剪切错动,出渣应力释放弹塑性变形Ⅳ盾构空隙沉降围岩(土体)失去盾构支撑,管片背后注浆不及时应力释放弹塑性变形Ⅴ固结沉降围岩(土体)后续失效变形应力松弛蠕变压缩从上表可以看出,在盾构施工的初始沉降阶段,由于盾构机的挤压作用,隧道周围的岩土体变得越来越紧密,土体开始固结,因此导致土体的孔隙水压力减少,有效应力增加。最终沉降的机理可以归结为,盾构开挖面的应力释放和附近应力的变化导致土层的变形。*6.4地层变形预测与分析本区间段的地面沉降分析采用的是peck法,采用peck法计算盾构隧道的地面沉降量及沉陷槽计算公式如下,沉陷槽横向分布图见图6-6。图6-6沉陷槽横向分布图 (6-1) (6-2) (6-3)根据苏州地铁盾构标段的地质条件和埋深等,得i=7.66m,由此根据以往的工程实践以及经验公式,沉陷槽宽度B≈5i,可得单个隧道盾构推进引起的地表横向沉陷槽宽度约为38.3m,两座隧道盾构推进引起的地表横向沉陷曲线叠加后其沉陷槽宽度约为50m,并且沉陷槽的主要范围在隧道轴线两侧6m范围内,离轴线3m的沉降量约为最大沉降量的60%~70%,离轴线6m的沉降量约为最大沉降量的25%。地层损失V值主要是由盾尾空隙引起的土体损失量,它与盾构机盾壳厚度、盾构推进时粘附在盾构上的土体厚度以及注浆量等有关,即 (6-4)盾构推进时贴附在盾构钢板上的土体厚度约为20~40mm,盾构厚度为7cm,则: (6-5)式中,为折减系数;为同步注浆的充填系数。取得当时由此可得地表最大沉陷值:最大斜率:6.5地表沉降控制标准及措施6.5.1地表沉降控制标准可以将盾构在掘进100m作为一个试验段,按照地表监测所得到的数据和盾构施工中所配置的参数来进行相应的调整,保证盾构在掘进的过程中能随着土层性质,隧道埋深,等不同环境因素做相应的调整优化,并且将地面沉降控制在+1cm和-3cm范围内。盾构在穿越密集建筑群或重要工程控制点时,更应运用优化盾构施工参数的方法,控制隧道的沉降曲线特征,保证能保护周边环境和建筑物的安全。6.5.2地表沉降控制措施在盾构掘进的过程中,现在的工法做不到完全防止地面沉降,但可以减少地表的变形,即使使地表下沉得到控制,防止重大工程事故的发生a)盾构推进前,先进行盾构掘进过程中所波及到的位置的地表建筑物的保护,和所能涉及到的各种管线,高架桥,地下建筑物进行保护,确保盾构的顺利掘进。b)可以将盾构在掘进100m作为一个试验段,按照地表监测所得到的数据和盾构施工中所配置的参数来进行相应的调整,保证盾构在掘进的过程中能随着土层性质,隧道埋深,等不同环境因素做相应的调整优化,并且将地面沉降控制在+1cm和-3cm范围内。盾构在穿越密集建筑群或重要工程控制点时,更应运用优化盾构施工参数的方法,控制隧道的沉降曲线特征,保证能保护周边环境。c)采用灵活合理的正面支撑结构,或适当的压缩空气压力来疏干开挖面土层,以此方法来保持开挖面的稳定性。d)提高隧道施工速度,减少盾构在地下的停搁时间,尤其要避免长时间停搁。为了减少纠偏推进对土层的扰动,应限制盾构推进时每环的纠偏量。盾构隧道的沉降是不可避免的,当隧道衬砌成环,离开盾壳后,便开始出现沉降现象,随时间推移沉降量逐渐减小,并稳定下来。引起隧道沉降的原因很多,主要有土体受到扰动后的重新固结以及防水处理不当导致的底部水土流失和土层在地下水压力作用下产生的塑性(淤泥黏土)或液化(粉细砂及细砂)。所以用此方法,能有效降低沉降量。7隧道洞门、联络通道和泵站设计7.1隧道洞门设计车站端头中预埋钢环,采用Q235钢板,钢环中设置不少于12根(均布)的Φ16钢筋与车站主筋搭接焊接,两端焊接高度6mm,长度30mm。预埋件拱底部位可根据施工单位需要适当留浇筑孔,但浇筑完毕后,应用钢板补上焊平。为了确保盾构始发和出洞的安全,首先对盾构工作井外侧一定范围内的土体进行加固,加固范围如下:盾构进洞加固长度为3米,加固宽度为盾构每侧3米,竖向加固范围为盾构上下各3米;盾构出洞加固长度为6米,其余同进洞加固。7.2联络通道和泵站设计7.1.1联络通道及泵房的设置本设计区间隧道为了满足防灾疏散及排水的要求应至少设计一个联络通道及区间泵房与集水池,考虑到本设计区间隧道线路长度较短,于是决定仅在隧道中部位置设置一个联络通道及区间泵房与集水池,同时由于区间中部有一线路最低点,因此需在区间设泵房与集水池(左CK14+599.035),考虑到节省造价,将联络通道兼作区间泵房与集水池。7.2.2联络通道的加固措施设计的联络通道所处地层为饱和含水软弱地层,该类地层地质条件欠佳。所以在联络通道开挖前需要考虑对周边的土体进行地层加固。加固方法如表7-1。表7-1加固方法比较加固方法比较内容地层冻结法洞内加固法地面加固法地层加固效果冻土强度高,冻土均匀,能够自立加固强度较高,但在两层界面处的土体加固不均匀,闭水性较差加固土体强度较低,但加固效果均匀性,闭水性较好适用的地层粉细砂层、粘质粉土进入潜水层圆砾层进入承压水粉细砂层、粘质粉土进入承压水施工精度易保证不易保证易保证风险预防抗风险能力一般抗风险能力一般抗风险能力较好实施难易程度设备复杂,实施较难工艺繁杂,实施最难工艺简单,最易实施成功工程实例有有有加固范围最小较大最大施工设备最复杂较复杂单一可靠性较可靠较可靠最可靠工期2.5个月左右2个月左右2个月左右地层加固费用较高较低较低考虑到仓街站~东环路站区间联络通道位于干将东路下,交通繁忙,不具备地面加固的条件,而洞内注浆加固加固效果相对较差,推荐采用冻结法加固形式,因此推荐采用矿山法施工。7.3.3计算模式与方法联络通道和泵站的结构设计根据初期支护和二次衬砌受力特点按不同的方法设计。初期支护按工程经验类比法设计,承受主要荷载,应具有足够的强度和刚度,以控制地表下沉及结构的变形。二次衬砌按地层结构法计算。7.3.4计算工况计算工况见图7-1。图7-1联络通道计算工况图7.3.4计算结果联络通道底至地面间土层信息见表7-2,计算结果详见图7.2联络通道模型,图7-3联络通道弯矩图,图7-4联络通道轴力图。表7-2联络通道底至地面间土层信息岩土分层土层γ(kN/m3)c(kPa)Φ(°)①填土层19.220.28.6③~1粉质粘土~粘土19.85912③~2粉质粘土19.32616.8④~1粉土19.19.426.8④-1a粉质粘土夹粉土19.19.426.8④~2粉土~粉砂19.29.531.9⑤粉质粘土1920.219图7-2联络通道模型图7-3联络通道轴力图图7-4联络通道弯矩图联络通道内力计算表ElementN[kN/m]Q[kN/m]M[kNm/m]ElementN[kN/m]Q[kN/m]M[kNm/m]1-349.74893258.97626-94.3437869-380.30967332.10092-148.93979-352.89675227.50454-55.054879-379.60875290.37519-98.378277-355.91133195.21905-20.907485-378.76448249.00599-54.551535-358.77529162.341267.9835783-377.77498208.064-17.409499-361.47127129.0926331.512669-376.63831167.6198813.0992032-361.47051129.0337931.51266910-376.64361167.6067513.099203-363.9898595.33858449.633374-375.37626127.6437237.07792-366.3950461.0140362.272779-374.0036588.1266254.605083-368.6927425.89152169.302526-372.5281849.08235265.751288-370.88962-10.19754670.584126-370.9522810.53781870.5863733-370.95501-10.53963770.58412611-370.886910.19545170.586373-372.53067-49.08387265.748767-368.68896-25.89492869.304336-374.00594-88.12775454.602347-366.39027-61.01869862.273924-375.37839-127.6444537.075031-363.9842-95.34398349.633703-376.64561-167.6071413.096225-361.46415-129.038931.512134-376.64084-167.6217213.09622512-361.46344-129.0994931.51213-377.77653-208.06692-17.412553-358.77024-162.344537.9820152-378.76581-249.01219-54.555771-355.90463-195.21574-20.908809-379.61099-290.3666-98.382368-352.88381-227.50356-55.055852-380.31437-332.03926-148.93897-349.72498-258.99848-94.3460285-331.93315379.17855-148.9389713-372.07152221.1393-94.346028-331.9851331.09077-95.68631-366.87838174.01763-62.267123-332.00602283.38182-49.594354-361.68108128.09825-37.72453-331.99915235.94252-10.638641-356.4951483.031981-20.579385-331.96774188.6636921.197966-351.3360638.469664-10.7125326-331.97701188.6278521.19796614-324.48575139.86946-10.712532-331.95778141.4318445.947745-322.971

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