改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工安全性分析

郭 杰

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院深圳研究設(shè)計(jì)院，廣東深圳 5 18000)

0 引言

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在當(dāng)前隧道施工過程中應(yīng)用較為廣泛，而傳統(tǒng)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法存在施工工序較多、施工速度較慢、施工循環(huán)距離較長(zhǎng)、臨時(shí)支撐較多、斷面閉合時(shí)間較長(zhǎng)等不足，對(duì)該工法進(jìn)一步改進(jìn)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前就雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工安全與關(guān)鍵施工技術(shù)問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要是采用理論、數(shù)值分析法進(jìn)行研究和對(duì)施工工法應(yīng)用進(jìn)行探討。文獻(xiàn)［1-5］主要通過對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程進(jìn)行理論分析后建立模型，采用釋放荷載法，通過數(shù)值模擬分析找出工法中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和步驟，提出相應(yīng)的技術(shù)措施;文獻(xiàn)［6-7］主要通過有限元模擬等數(shù)值方法分析圍巖的變形、應(yīng)力及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀況，對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法各工序的作用機(jī)制和效果進(jìn)行研究，旨在為設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù);文獻(xiàn)［8-9］主要是在工程實(shí)例經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，通過在雙側(cè)壁導(dǎo)坑法增加橫通道等措施，對(duì)開挖工序進(jìn)行優(yōu)化分析，并對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行了對(duì)比;文獻(xiàn)［10-12］主要是對(duì)繁華城區(qū)、超大斷面、大跨度等特殊條件下應(yīng)用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，如控制爆破技術(shù)、留核心巖臺(tái)的整體式襯砌技術(shù)、監(jiān)控量測(cè)技術(shù)以及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等技術(shù)。而對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的改進(jìn)，并從數(shù)值分析和工程實(shí)例論證2方面進(jìn)行研究的論文較少。

本文以深圳市紅棉路隧道工程為背景，在傳統(tǒng)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的基礎(chǔ)上對(duì)隧道的開挖分部進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整改進(jìn)，進(jìn)一步通過二維數(shù)值模擬計(jì)算分析論證該開挖工法的施工安全性，并對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

1 改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工介紹

1．1 傳統(tǒng)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工順序

見圖1。

其具體施工工序?yàn)?1)施工超前大管棚、超前小導(dǎo)管;2)左側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階開挖支護(hù);3)左側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階開挖支護(hù);4)右側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階開挖支護(hù);5)右側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階開挖支護(hù);6)中部上臺(tái)階核心土開挖支護(hù);7)中部下臺(tái)階核心土開挖支護(hù);8)拆除臨時(shí)支護(hù);9)二次襯砌施工。

1．2 改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工順序

見圖2。

圖2 改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序圖Fig．2 Construction sequence of optimized double side drift method

其具體施工工序?yàn)?1)施工超前大管棚、小導(dǎo)管;2)左側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階開挖支護(hù);3)右側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階開挖支護(hù);4)中部核心土上臺(tái)階開挖支護(hù);5)中部核心土中、下臺(tái)階開挖;6)左側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階開挖支護(hù);7)右側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階開挖支護(hù);8)中部下臺(tái)階核心土開挖支護(hù)、拆除臨時(shí)支撐;9)二次襯砌施工。

1．3 兩者不同點(diǎn)

改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法不同于傳統(tǒng)的施工方法，主要體現(xiàn)在以下方面。

1)從整個(gè)隧道開挖斷面的分塊上，上半斷面與傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法一致，但下半斷面開挖分塊明顯不同，左、右兩側(cè)的下導(dǎo)坑開挖面積很小，保證能夠施作下半斷面隧道邊墻的初期支護(hù)即可。

2)從整個(gè)開挖斷面臨時(shí)支護(hù)的施作上，僅在上半斷面各開挖分部施工時(shí)施作臨時(shí)豎向支撐和水平仰拱。

3)從開挖順序上，先開挖上半斷面左、右兩側(cè)的導(dǎo)坑，再開挖上半斷面中部的核心土，而后再開挖下半斷面左、右兩側(cè)的導(dǎo)坑，最后開挖下半斷面中部的核心土。

4)為縮短開挖工作面與隧道二次襯砌的距離，各施工工作面基本呈直立狀，同時(shí)為保證隧道工作面的穩(wěn)定性，對(duì)施工工作面進(jìn)行了加固處理。

2 改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法安全性分析

2．1 計(jì)算模型及參數(shù)

2．1．1 計(jì)算模型

計(jì)算模型為:距離隧道開挖外緣3倍洞跨作為左右邊界，距離底板底3．5倍開挖高度作為下邊界，地表作為上邊界。有限元模型如圖3所示。模型高60 m，寬120 m(隧道居中)。位移邊界取模型的側(cè)面和底面，水平位移由側(cè)面限制，垂直移動(dòng)由底部限制，地面為頂面。

圖3 二維計(jì)算模型網(wǎng)格圖Fig．3 2D calculation model

2．1．2 計(jì)算參數(shù)

以深圳市紅棉路市政工程為實(shí)例，其設(shè)計(jì)參數(shù)為:初期支護(hù)采用C20噴射混凝土加錨桿，雙層鋼筋網(wǎng)和格柵鋼架支撐(縱向間距為0．5 m)支護(hù)，噴層厚度為35 cm，臨時(shí)支護(hù)厚度為25 cm;錨桿長(zhǎng)度為4．0 m，直徑25 mm;預(yù)支護(hù)系統(tǒng)采用φ159 mm大管棚+超前小導(dǎo)管注漿進(jìn)行支護(hù);二次襯砌采用C30模筑混凝土。圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)采用的計(jì)算參數(shù)如表1和表2所示。計(jì)算模型中，采用平面應(yīng)變單元、Mohr-Coulomb材料模擬地層;采用梁?jiǎn)卧M初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，彈性材料模擬;采用平面應(yīng)變單元、彈性材料模擬二次襯砌。

2．1．3 路面荷載

參考C JJ77—1998《城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)》，根據(jù)隧道跨度，取跨度為2～20 m城-A級(jí)荷載，并考慮汽車沖擊荷載，選取沖擊系數(shù)為0．4，組合得到最終路面超載模式及量值如圖4所示。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters of rocks

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表Table 2 Physical and mechanical parameters of supporting structure

圖4 路面荷載Fig．4 Road surface load

2．2 計(jì)算結(jié)果與分析

2．2．1 豎向位移計(jì)算結(jié)果與分析

改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法各主要施工步完成后豎向位移如圖5所示，并選取了地表中點(diǎn)和拱頂特征點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，豎向位移變化如圖6所示。

圖5 改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法主要施工部豎向位移云圖Fig．5 Contour of vertical displacement induced by main construction steps of double side drift method

圖6 改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)法地表中點(diǎn)及拱頂特征點(diǎn)豎向位移隨施工步變化曲線圖Fig．6 Vertical displacement of central point of ground surface and crown point of optimized double side drift method Vs construction steps

1)施作二次襯砌以后隧道上方地表出現(xiàn)明顯的沉降槽曲線，寬度約為66 m(約4倍洞跨)，地表沉降最大值為223．76 mm，出現(xiàn)在隧道上方地表中點(diǎn)。

2)總體上地表中點(diǎn)和拱頂特征點(diǎn)的沉降隨施工步進(jìn)行逐漸增大，開挖中間上部核心土上臺(tái)階、左、右側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階、右側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階這幾個(gè)工序引起的地表和中部拱頂?shù)某两递^大，為位移控制的關(guān)鍵工序。左、右側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階施工時(shí)產(chǎn)生較大沉降的原因在于計(jì)算中沒有考慮拱腳鎖腳錨桿的作用影響，開挖后造成上部支護(hù)結(jié)構(gòu)懸空，導(dǎo)坑上部拱腳隨荷載釋放而產(chǎn)生較大沉降。

3)影響左導(dǎo)坑拱頂沉降最大的工序是開挖左側(cè)導(dǎo)坑上、下臺(tái)階，占累計(jì)沉降量的82．69%;影響右導(dǎo)坑拱頂沉降最大的工序是開挖右側(cè)導(dǎo)坑上、下臺(tái)階以及臨時(shí)支護(hù)拆除，占累計(jì)沉降量的86．96%。

2．2．2 水平位移分析

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改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法水平位移如圖7所示。

表3 改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法地表中點(diǎn)及拱頂特征點(diǎn)豎向位移變化情況Table 3 Variation of vertical displacement of central point of ground surface and crown point of optimized double side drift method

由圖7可知:

1)開挖左、右側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階、中間上部核心土過程中最大水平位移位于臨時(shí)支護(hù)中間位置，且隨施工進(jìn)行有所變化。

2)開挖左側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階和右側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階時(shí)，由于沒有臨時(shí)支護(hù)對(duì)核心土側(cè)向變形的控制，可能導(dǎo)致核心土側(cè)土體產(chǎn)生較大的擠入水平位移，存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。但由于這2個(gè)工序開挖面積較小，且最終核心土?xí)煌诔?dāng)導(dǎo)坑上臺(tái)階開挖、及時(shí)支護(hù)并施作鎖腳錨桿后造成的地表沉降量應(yīng)大為減小，只要工序施工時(shí)確保快速，根據(jù)實(shí)際位移變化情況采取噴錨支護(hù)等適當(dāng)措施控制凈空收斂位移，可以確保施工安全。

3)開挖中間下部核心土、拆除臨時(shí)支護(hù)并施作仰拱初期支護(hù)以后邊墻處的水平位移最大，左邊墻最大水平位移為 245．82 mm，右邊墻最大水平位移為247．36 mm。施作二次襯砌以后，水平位移基本沒有變化，最大水平位移為245．76 mm。

4)在模擬施工過程中，由于邊墻錨桿僅作為安全儲(chǔ)備，所以計(jì)算得到的水平位移偏大。

2．2．3 圍巖塑性區(qū)分析

改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法圍巖塑性區(qū)分布如圖8所示。由圖8可知:

1)由于隧道所處軟土地層，圍巖強(qiáng)度很低，開挖對(duì)圍巖產(chǎn)生較大擾動(dòng)，使隧道周邊較大范圍內(nèi)的土體應(yīng)力重分布，開挖輪廓周邊很大范圍內(nèi)的土體達(dá)到應(yīng)力屈服狀態(tài)，形成的塑性區(qū)范圍較大，易造成失穩(wěn)破壞。

2)拱腳和墻角的圍巖由于應(yīng)力集中作用，一直處于屈服狀態(tài)。拱腳塑性區(qū)向外擴(kuò)展范圍大，開挖中間上部核心土中、下臺(tái)階時(shí)最為突出。拱腳不穩(wěn)下沉很容易造成圍巖和支護(hù)的整體下沉，對(duì)控制地層位移非常不利。因此，應(yīng)及時(shí)施作鎖腳錨桿，確保施工安全。

3)開挖隧道下半斷面以后，邊墻部位也出現(xiàn)了較大的塑性區(qū)，應(yīng)當(dāng)重視邊墻錨桿和注漿對(duì)邊墻圍巖的加固作用，防止塑形變形不斷發(fā)展，使水平位移過大，造成侵限。

2．2．4 支護(hù)內(nèi)力分析

改進(jìn)的隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩分布如圖9和圖10所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)各特征部位在臨時(shí)支護(hù)拆除前后內(nèi)力值分布如表4和表5所示。

圖7 改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法主要施工步水平位移云圖Fig．7 Cloud of horizontal displacement induced by main construction steps of optimized double side drift method

由表4和表5計(jì)算結(jié)果可以得出:

1)改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法臨時(shí)支護(hù)拆除后，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力、彎矩絕對(duì)值均增大明顯。拆除臨時(shí)支護(hù)過程中應(yīng)密切關(guān)注支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變化，分段拆除。

2)改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法臨時(shí)支護(hù)拆除前后，初期支護(hù)軸力從拱頂?shù)焦澳_都比較均勻，且均受壓，在左、右導(dǎo)坑拱腳偏上方軸力達(dá)到最大。初期支護(hù)彎矩最大值在臨時(shí)支護(hù)拆除前后都位于墻腳處，可見墻腳處由于圍巖應(yīng)力集中對(duì)此處支護(hù)受力產(chǎn)生不利影響。

圖8 改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法主要施工步塑性區(qū)分布圖Fig．8 Distribution of plasticized zone induced by main construction steps of optimized double side drift method

由上述分析可知，采用改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工時(shí)，在一定程度上能減少地表沉降，而水平位移則卻有一定程度的增大，但可以采取措施控制，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力處于安全狀態(tài)，采用改進(jìn)工法進(jìn)行施工時(shí)隧道的施工安全能夠得到保證。

3 改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法應(yīng)用效果分析

1)縮短了施工循環(huán)長(zhǎng)度，減小了對(duì)地面的影響范圍。采用傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)施工循環(huán)距離一般為45～50 m。而采用改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)工序進(jìn)行改進(jìn)以后，將左、右側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階掌子面錯(cuò)距縮小為4 m左右，上半斷面中部核心土上臺(tái)階掌子面只滯后后開挖導(dǎo)坑上臺(tái)階掌子面4 m左右，左、右側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階掌子面再依次滯后2 m，中部下臺(tái)階核心土掌子面錯(cuò)開后開挖側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階4 m，拆撐和二次襯砌保持緊跟，再依次滯后2 m和2 m。這樣總的施工循環(huán)距離大約為16 m，與傳統(tǒng)工法相比施工循環(huán)距離縮短了一半，由隧道開挖施工引起的地面沉降等影響范圍也大大減小。

圖9 改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法臨時(shí)支護(hù)拆除前后軸力分布云圖Fig．9 Contour of distribution of axial force of tunnel constructed by optimized double side drift method before and after temporary support dismantling

圖10 改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法臨時(shí)支護(hù)拆除前后彎矩分布云圖Fig．10 Contour of distribution of bending moment of tunnel constructed by optimized double side drift method before and after temporary support dismantling

2)減小了下半斷面左、右導(dǎo)坑的開挖面積，縮短了斷面閉合時(shí)間，控制地面沉降、增強(qiáng)隧道施工安全效果明顯。左、右兩側(cè)下導(dǎo)坑開挖施工過程中，上半斷面初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)處于懸空狀態(tài)，此時(shí)極易導(dǎo)致隧道產(chǎn)生較大的整體下沉，下導(dǎo)坑開挖面積越大，所需的開挖時(shí)間就越長(zhǎng)，產(chǎn)生變形和下沉的風(fēng)險(xiǎn)就越高。改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法減小了下半斷面左、右導(dǎo)坑的開挖面積，能夠加快下導(dǎo)坑邊墻初期支護(hù)的施作，有利于整個(gè)隧道的施工安全;各施工工作面開挖基本呈直立狀，縮短了工作面至二次襯砌的距離;同時(shí)，該工法大大縮短了整個(gè)隧道斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)的閉合時(shí)間，對(duì)控制地面沉降、增強(qiáng)隧道施工安全效果明顯。

表4 改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拆除臨時(shí)支護(hù)前后特征部位初期支護(hù)軸力Table 4 Axial force at critical points of primary support of tunnel constructed by optimized double side drift method before and after temporary support dismantling kN

表5 改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拆除臨時(shí)支護(hù)后特征部位初期支護(hù)彎矩Table 5 Bending moment at critical points of primary support of tunnel constructed by optimized double side drift method after temporary support dismantling kN·m

3)加快了施工進(jìn)度，降低了工程投資。在進(jìn)行下半斷面開挖施工時(shí)，由于下半斷面的豎向臨時(shí)支撐不再施作，故大大減少臨時(shí)支護(hù)工程量，加快了施工進(jìn)度，降低了工程投資。

4 工程實(shí)例

深圳市紅棉路隧道工程下穿機(jī)荷高速公路收費(fèi)站，隧道為上下行雙洞六車道。隧道中線與高速公路為45°～58°夾角斜交，左線長(zhǎng)約 175 m、右線長(zhǎng)約190 m，如此長(zhǎng)距離下穿高速公路，在國(guó)內(nèi)尚屬首例。隧道中心間距為38．3～43．5 m ，埋深6～8 m，暗洞口位于公路邊坡上，埋深2～3 m。隧道斷面為橢圓形，跨度16 m，高12 m。一般認(rèn)為，隧道覆跨比(H/D)小于0．6時(shí)為超淺埋，故該隧道屬大跨度超淺埋隧道。

地質(zhì)情況主要為人工素填土、第四系沖洪積淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、粗砂及殘積黏土，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，松散或松軟結(jié)構(gòu)。地下水小股流水或可出現(xiàn)股狀流水，少量滲水，圍巖開挖后無(wú)自穩(wěn)能力、易坍塌，需進(jìn)行支護(hù)和采取防水措施。隧道洞身基本處在高速公路回填路基內(nèi)，局部存在軟土地基，隧道圍巖為Ⅵ級(jí)，屬于軟弱破碎圍巖。

針對(duì)紅棉路隧道下穿高速公路距離長(zhǎng)、開挖跨度大、埋深淺、圍巖軟弱、施工難度高、安全風(fēng)險(xiǎn)大、對(duì)周圍環(huán)境影響顯著等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用在超前大管棚和注漿小導(dǎo)管的保護(hù)下雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法。在工程實(shí)踐中，經(jīng)歷了2個(gè)階段:第1階段采取傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，地表沉降累計(jì)最大值為432．79 mm，凈空收斂最大值為74．55 mm，拱頂下沉累計(jì)最大值為135．72 mm;第2階段經(jīng)過研究和試驗(yàn)驗(yàn)證后，采用了改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工。第2階段與第1階段相比，取得了良好的效果。施工過程中，典型斷面地表最大沉降為251．83 mm，最大凈空收斂為 10．31 mm，拱頂最大下沉量為23．92 mm。監(jiān)測(cè)量測(cè)數(shù)據(jù)反映的地面沉降、拱頂沉降和隧道收斂如圖11—13所示。

圖11 典型斷面地表累計(jì)沉降變化曲線圖Fig．11 Curves of accumulated ground surface settlement of typical cross-section

圖12 典型斷面拱頂累計(jì)沉降變化曲線圖Fig．12 Curves of accumulated crown settlement of typical cross-section

圖13 典型斷面隧道收斂累計(jì)沉降變化曲線圖Fig．13 Curves of accumulated convergence of typical cross-section

5 結(jié)論與探討

1)在傳統(tǒng)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。該工法下半斷面左、右兩側(cè)的導(dǎo)坑只要能保證施作邊墻的初期支護(hù)即可，因此開挖面積較小;下半斷面開挖過程中不再施作開挖斷面下部2道臨時(shí)支撐;另外縮短了開挖工作面與隧道二次襯砌的距離，各施工工作面基本呈直立狀。

2)通過數(shù)值計(jì)算分析得出，在該地層條件下，采用改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工時(shí)，與采用傳統(tǒng)工法相比，地表沉降有所減小，而水平位移則有一定程度的增大，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力處于安全狀態(tài)，在較硬質(zhì)地層或風(fēng)化巖層中能夠保證隧道的施工安全。

3)通過工程實(shí)踐可知，改進(jìn)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法縮短了施工斷面閉合時(shí)間和施工循環(huán)距離，對(duì)減小地面沉降和影響范圍效果明顯，臨時(shí)支護(hù)工程量的減少節(jié)省了工程投資，能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也加快了施工速度。

改進(jìn)后的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)豐富隧道施工技術(shù)具有一定的實(shí)際意義，并可為其他類似環(huán)境下的隧道施工提供參考。本文對(duì)該工法進(jìn)行安全性分析暫時(shí)只考慮在較硬質(zhì)地層或較好的風(fēng)化巖層中，并不適用于第四紀(jì)地層中。另外，在長(zhǎng)距離超淺埋下穿高速公路的情況下，地面車輛動(dòng)荷載對(duì)隧道采用該工法開挖時(shí)產(chǎn)生的影響，以及在施工進(jìn)度指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益分析方面，還有待進(jìn)一步探討。

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