鄭州市下穿中州大道超大斷面矩形頂管隧道施工沉降控制技術(shù)

榮　亮, 楊紅軍

(中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州　450000)

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鄭州市下穿中州大道超大斷面矩形頂管隧道施工沉降控制技術(shù)

榮亮, 楊紅軍

(中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州450000)

摘要：鄭州市下穿中州大道矩形頂管隧道工程具有斷面超大、覆土淺、4條隧道平行布置、凈間距小等特點(diǎn)，地表沉降控制難度大。為有效控制地表沉降，采取同步注漿及二次注漿、渣土改良及出渣量、頂管機(jī)防背土、6刀盤控制及盲區(qū)處理、頂管隧道止退等關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)踐表明，超大斷面矩形頂管在覆土淺、凈間距小、地層多次擾動(dòng)等復(fù)雜情況下，選擇合適的注漿參數(shù)、精細(xì)化地控制出渣量及6刀盤操控、實(shí)施有效地止退等技術(shù)控制地表沉降是切實(shí)有效的。

關(guān)鍵詞：超大矩形頂管； 沉降控制； 下穿城市道路； 小間距; 6刀盤控制； 覆土淺

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通變得越來(lái)越擁堵，地下隧道交通建設(shè)已成為城市發(fā)展的新方向。部分城市繁華市區(qū)，受周邊建筑、地下管線、周圍交通等諸多條件限制，地下空間不足，空間利用率較高的矩形斷面隧道越來(lái)越多地用于地下隧道的建設(shè)。由于地下隧道多處于城市繁華區(qū)，對(duì)地層沉降要求相對(duì)較高。目前對(duì)圓形隧道地層沉降控制研究較多，而對(duì)矩形頂管隧道研究較少。文獻(xiàn)[1-2]研究了頂管施工對(duì)周圍土體的影響；文獻(xiàn)[3-4]介紹了頂管施工造成地層沉降的規(guī)律及預(yù)測(cè)；文獻(xiàn)[5-6]分析了頂管施工造成路基沉降的問(wèn)題及路基面沉降規(guī)律；文獻(xiàn)[7-8]介紹了曲線頂管沉降的監(jiān)測(cè)及控制；文獻(xiàn)[9-10]介紹了頂管施工中大堤、地下管線的沉降控制；文獻(xiàn)[11-12]介紹頂管沉降的分析及控制措施。以上研究針對(duì)頂管施工沉降規(guī)律的研究較多，但對(duì)沉降控制措施的研究較少。本文以鄭州市下穿中州大道工程為背景，介紹同步注漿及二次注漿、渣土改良及出渣量、頂管機(jī)防背土、6刀盤控制及盲區(qū)處理、頂管隧道止退、置換注漿等頂管施工沉降控制措施。

1工程概況

紅專路下穿隧道起始點(diǎn)位于紅專路與姚寨路交叉口處，沿紅專路向東，下穿中州大道，終點(diǎn)位于紅專路與龍湖外環(huán)路交叉口處，工程全長(zhǎng)801.263 m。其中下穿中州大道段采用矩形土壓平衡頂管法進(jìn)行施工，長(zhǎng)度為105 m。頂管段隧道為4條隧道平行布置，中間2孔斷面為10.10 m×7.25 m，兩側(cè)2孔斷面為7.50 m×5.40 m。頂管段隧道橫斷面圖見(jiàn)圖1。

圖1　頂管段隧道橫斷面圖(單位：m)

Fig. 1Cross-section of tunnel constructed by pipe-jacking method (m)

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，本工程所處地貌單元為黃河沖積平原，地形起伏較小?？碧缴疃确秶鷥?nèi)地基土屬第四系(Q)沉積地層分布較為規(guī)律，其縱橫向展布較均勻，起伏變化不大，主要為人工填土、第四系全新統(tǒng)(Q4)粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂及細(xì)砂等。頂管隧道縱斷面見(jiàn)圖2。

圖2　頂管隧道地質(zhì)縱斷面圖

Fig. 2Longitudinal profile of tunnel constructed by pipe-jacking method

本場(chǎng)地勘察期間，地下水位埋深在地表下7.7～9.0 m處。根據(jù)區(qū)域資料，場(chǎng)地地下水位年變幅為1～2 m。

2頂管機(jī)簡(jiǎn)介

4條頂管隧道采用2臺(tái)頂管機(jī)進(jìn)行施工，其中機(jī)動(dòng)車道頂管機(jī)斷面為10.12 m×7.52 m，非機(jī)動(dòng)車道頂管機(jī)斷面為7.52 m×5.42 m。頂管機(jī)出廠照片見(jiàn)圖3和圖4。2臺(tái)頂管機(jī)均采用土壓平衡模式，刀盤為6刀盤形式(3凸3凹)，采用兩螺機(jī)出土、前盾設(shè)置“帽檐結(jié)構(gòu)”(防背土裝置)。

3頂管隧道特點(diǎn)及沉降控制重難點(diǎn)

1)斷面超大。機(jī)動(dòng)車道頂管隧道斷面為10.12 m×7.27 m，為目前國(guó)內(nèi)乃至國(guó)外最大斷面矩形土壓平衡直拱頂管隧道。

圖3　大頂管機(jī)工廠組裝照片

圖4　小頂管機(jī)工廠組裝照片

2)覆土淺。隧道覆土厚度在3.0～4.2 m，覆跨比僅0.3。

3)凈間距小。4條隧道平行布置，隧道間凈間距僅1.0 m，施工期間相互擾動(dòng)大。

4)地表沉降控制要求高。頂管隧道下穿中州大道，中州大道總寬100 m，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km。

超大斷面矩形頂管沉降控制的重難點(diǎn)在于：

1)頂管隧道斷面為矩形，上覆土形成的受力拱拱面與頂管盾殼面間的面積較大，較大土體靠盾殼支撐，對(duì)地層擾動(dòng)較大，地層變形大。

2)在埋深相同的條件下，隨著頂管盾殼面積的增大，上覆土形成受力拱的作用大大減弱，上覆土發(fā)生沉降的敏感度大大增強(qiáng)。同時(shí)盡管存在泥漿套的減摩作用，盾殼與上覆土間的摩擦力也逐漸增大，“背土效應(yīng)”也逐漸明顯。

3)隨著頂管開挖斷面的增大，出現(xiàn)渣土改良的不均性、土艙內(nèi)各點(diǎn)壓力差別較大等風(fēng)險(xiǎn)的概率較大，對(duì)開挖面的穩(wěn)定帶來(lái)不利影響。

4)4條隧道平行布置，且凈間距較小，施工期間相互擾動(dòng)較大，且對(duì)地層進(jìn)行多次擾動(dòng)，地層沉降控制難度大大增加。

5)矩形頂管采用6刀盤開挖，頂管機(jī)的控制難度增加，開挖面可能出現(xiàn)局部超挖、壓力控制不均等。

4沉降控制技術(shù)措施

4.1同步注漿及二次注漿

頂管施工與盾構(gòu)施工存在一定差異性，頂管隧道在始發(fā)井內(nèi)進(jìn)行管節(jié)拼裝，隧道掘進(jìn)過(guò)程中整條隧道在地層中移動(dòng)。為減小隧道和地層間的摩擦力，在頂管隧道貫通前，頂管同步注漿及二次注漿均不能采用水泥漿，注漿漿液為觸變泥漿。觸變泥漿在頂管施工過(guò)程中起到潤(rùn)滑減阻、支撐地層等作用。

4.1.1同步注漿

頂進(jìn)時(shí)壓漿要及時(shí)，確保形成完整、有效的泥漿套，必須遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時(shí)補(bǔ)漿”的原則。

1)注漿量。每環(huán)觸變泥漿注漿量

V=K0V L/(1-ρ)。

(1)

式中：K0為安全系數(shù)，一般為3.0～4.0，取4.0；V為管節(jié)每米的理論注漿量，V大=0.306 m3，V小=0.232 m3；L為每環(huán)管節(jié)的長(zhǎng)度，取1.5 m；ρ為觸變泥漿的收縮率，根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)行確定，取0.05。

將各值代入式(1)，得：

V大=4×0.306×1.5/(1-0.05)=1.93 m3；

V小=4×0.232×1.5/(1-0.05)=1.47 m3。

2)注漿壓力。由于頂管隧道的覆土淺，僅為3.0～4.2 m，觸變泥漿壓入地層時(shí)的壓力必須穩(wěn)定、精確，以防觸變泥漿擊穿地層。為保證觸變泥漿穩(wěn)定地注入地層，注漿設(shè)備選用壓力穩(wěn)定的螺桿泵，同時(shí)在注漿孔端部安裝壓力傳感器，以確保注漿壓力的精確。采用Rankine壓力理論公式計(jì)算地層壓力，地層壓力

p =K0γh。

(2)

式中：K0為地層的側(cè)壓力系數(shù)，粉土為0.4；γ為土的容重，取加權(quán)平均值為1.97×103kg/m3；h為地層埋深，3.0～4.2 m。

將各值代入式(2)，得：

p=0.4×1.97×103×(3.0～4.2)=0.023～0.033 MPa。

注漿壓力(漿液注入地層時(shí)的壓力)為地層壓力的1.2～1.3倍，注漿壓力控制在0.027～0.049 MPa，施工過(guò)程中根據(jù)覆土厚度、地表沉降等參數(shù)進(jìn)行確定。

3)注漿范圍及注漿管路。同步注漿的范圍一般為頂管機(jī)后方3～5環(huán)管節(jié)，具體范圍可根據(jù)地層情況、斷面尺寸和觸變泥漿性能指標(biāo)等進(jìn)行確定。本工程注漿范圍頂管機(jī)后方4環(huán)管節(jié)，管節(jié)環(huán)與環(huán)之間以及管節(jié)內(nèi)部注漿孔之間的管路均采用并聯(lián)方式(見(jiàn)圖5)，以保證每環(huán)和每個(gè)注漿孔的壓力相同或相近。

圖5　泥漿管路連接照片

4.1.2二次注漿

進(jìn)行二次注漿的作用主要有2種，根據(jù)二次注漿不同的作用，其注漿位置、注漿漿液也不同。

1)保證觸變泥漿套的完整。彌補(bǔ)同步注漿的不足，防止觸變泥漿失水、固結(jié)造成泥漿套破壞，進(jìn)而造成頂管推力增大，地表后期沉降加大。注漿范圍為拼裝完成的整條頂管隧道，注漿漿液與同步注漿漿液相同。在頂管推進(jìn)過(guò)程中，每掘進(jìn)10～15 m完成一次整條隧道的二次注漿，其注漿量可根據(jù)頂管推力、地層參數(shù)、泥漿性能、地表沉降等參數(shù)進(jìn)行確定，一般為同步注漿量的0.2～0.3倍。其注漿壓力和注漿方法與同步注漿類似。

2)補(bǔ)充地層的損失。由于頂管推進(jìn)過(guò)程中整條隧道一直移動(dòng)，管節(jié)通過(guò)地層時(shí)，會(huì)帶走部分土體，造成掘進(jìn)完成的地層渣土持續(xù)流失，必須進(jìn)行地層補(bǔ)充，防止地表沉降持續(xù)增加。在始發(fā)洞門20 m范圍內(nèi)，所有管節(jié)均要通過(guò)此地層，造成地層持續(xù)損失，地表沉降較大。在頂管推進(jìn)過(guò)程中必須進(jìn)行持續(xù)補(bǔ)充注漿，注入漿液稠度越大越好，具體稠度根據(jù)注漿泵能力進(jìn)行試驗(yàn)確定，每掘進(jìn)一環(huán)的注漿量為0.6～0.8 m3。

4.2防背土效應(yīng)控制

當(dāng)頂管機(jī)與上覆土層之間的摩擦力較大時(shí)，地層部分土體黏附在頂管機(jī)上部，隨著推進(jìn)長(zhǎng)度的加大，黏附土體越多，造成頂管推進(jìn)困難，即“背土”效應(yīng)(見(jiàn)圖6)。隨著頂管斷面的增大，出現(xiàn)的概率越大。頂管產(chǎn)生背土效應(yīng)后，造成推進(jìn)阻力大，同時(shí)地層發(fā)生較大的壟沉，嚴(yán)重時(shí)造成上覆的坍塌，施工過(guò)程中必須防止頂管出現(xiàn)“背土”。防止“背土”現(xiàn)象最有效的措施是在頂管周圍注入觸變泥漿，形成良好的泥漿套，減小頂管與地層之間的摩阻力。

頂管機(jī)設(shè)計(jì)制造時(shí)，在頂管切口環(huán)處增加帽檐結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖7)，在帽檐結(jié)構(gòu)內(nèi)和鉸接處預(yù)留觸變泥漿孔，頂管掘進(jìn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)注入觸變泥漿，形成良好的泥漿套，減小與地層的摩阻力。注漿方法與同步注漿相同。

圖6　矩形頂管產(chǎn)生背土示意圖

Fig. 6Sketch of soil carrying of rectangular pipe-jacking machine

(a)

(b)

4.3渣土改良技術(shù)

良好的渣土改良效果可保證土艙壓力的穩(wěn)定、連續(xù)、掌子面的穩(wěn)定、出渣量的精確控制。渣土改良一般以水、泡沫劑、膨潤(rùn)土、高分子聚合物和添加為主，為得到渣土良好的流動(dòng)性和塑性，通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)各種材料改良后渣土性能進(jìn)行研究，考慮到經(jīng)濟(jì)、效果等綜合因素，確定渣土改量采用泡沫劑+膨潤(rùn)土的方法進(jìn)行改良。其中泡沫溶液的配合比為水∶泡沫劑=94%∶6%，膨潤(rùn)土溶液為水∶膨潤(rùn)土∶CMC= 93.7%∶

6%∶0.3%。頂管推進(jìn)過(guò)程每方渣土加入泡沫劑溶液300～500 L，膨潤(rùn)土溶液15～30 L。具體加入量根據(jù)地質(zhì)條件及施工情況及時(shí)加以調(diào)整，膨潤(rùn)土溶液必須充分膨化后使用。現(xiàn)場(chǎng)渣土改良照片見(jiàn)圖8。

4.4出渣量控制

根據(jù)盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)可知，頂管推進(jìn)過(guò)程中的出渣量控制是地表沉降和頂管推進(jìn)施工安全的有效措施，在施工過(guò)程中必須嚴(yán)格控制出渣量。每環(huán)推進(jìn)出渣量根據(jù)理論計(jì)算和試推進(jìn)段取得的參數(shù)進(jìn)行控制。

圖8　現(xiàn)場(chǎng)渣土改良照片

4.4.1理論出渣量

機(jī)動(dòng)車道隧道理論出渣量

V大=S大L大=67.7×1.5=101.55 m3。

式中：S大為大頂管開挖面積，設(shè)計(jì)為67.7 m2；L大為每環(huán)掘進(jìn)長(zhǎng)度，為1.5 m。

非機(jī)動(dòng)車道隧道理論出渣量

V小=S小L小=38.5×1.5=57.75 m3。

式中：S小為大頂管開挖面積，設(shè)計(jì)為38.5 m2；L小為每環(huán)掘進(jìn)長(zhǎng)度，為1.5 m。

4.4.2過(guò)程控制

根據(jù)本工程試驗(yàn)段和鄭州本地同類工程進(jìn)行總結(jié)確定地層的松散系數(shù)為1.3，根據(jù)油缸的伸長(zhǎng)量，嚴(yán)格控制每環(huán)出渣量，出渣量一般控制在理論出渣量98%～102%，盾構(gòu)頂管頂進(jìn)過(guò)程中小頂管出渣量控制在73.57～76.57 m3，大頂管出渣量控制在129.46～134.65 m3。同時(shí)在施工過(guò)程中根據(jù)頂管試掘段收集的推進(jìn)參數(shù)以及渣車的每斗體積和每斗推進(jìn)的長(zhǎng)度及時(shí)調(diào)整出渣量。

4.5土艙壓力的控制

頂管土艙上下左右及中部配置9個(gè)高靈敏度的壓力傳感器(見(jiàn)圖9)，能夠精確地顯示土艙各部位的壓力，進(jìn)行土艙壓力管理。

圖9　壓力傳感器布置圖(單位： mm)

頂管推進(jìn)中根據(jù)不同土質(zhì)和覆土厚度，結(jié)合地面監(jiān)測(cè)信息，合理調(diào)整泥漿質(zhì)量，并按推力、推進(jìn)速度和出土量的相互關(guān)系，合理控制推進(jìn)速度，保證土艙壓力和開挖面水土壓力平衡。當(dāng)土艙壓力出現(xiàn)不均時(shí)，及時(shí)檢查渣土改良效果，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤攪拌土體，直至土艙壓力均勻連續(xù)方可掘進(jìn)。

4.66刀盤控制及盲區(qū)處理

為了保證頂管機(jī)的穩(wěn)定以及減小頂管掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)地層的擾動(dòng)，6刀盤控制的原則為“上下對(duì)稱，左右對(duì)稱”。頂管掘進(jìn)過(guò)程中正常情況下必選采用如圖10所示的4種掘進(jìn)模式。當(dāng)頂管隧道兩側(cè)沉降較大時(shí)，采用模式Ⅰ、Ⅱ；中部沉降較大時(shí)，采用模式Ⅲ、Ⅳ。

(a)(b)(c)(d)

圖106刀盤控制的4種模式

Fig. 104 rotation modes of 6 cutter heads

大、小矩形盾構(gòu)配置了6個(gè)輻條式刀盤，刀盤開口率70%以上，采用3前3后平行軸式布置,相鄰刀盤的切削區(qū)域相互交叉，開挖覆蓋率能達(dá)到93%～95%?？紤]到開挖盲區(qū)，在前盾切口環(huán)全圓布置切刀，另外在土艙隔板上預(yù)留高壓水接口及連接風(fēng)鉆的萬(wàn)向接口見(jiàn)圖11，可實(shí)現(xiàn)對(duì)開挖盲區(qū)進(jìn)行輔助切削或處理，使其開挖覆蓋率接近100%。

4.7隧道止退技術(shù)

由于土壓平衡矩形盾構(gòu)頂管在頂進(jìn)中前端阻力很大，即便頂進(jìn)了較長(zhǎng)里程后，在每次拼裝管節(jié)時(shí)，主頂油缸一回縮，機(jī)頭和管節(jié)就會(huì)一起后退20～30 cm，機(jī)頭和前方土體間的土壓平衡受到破壞，土體得不到穩(wěn)定的支撐，易引起機(jī)頭前方的土體坍塌。同時(shí)管節(jié)與管節(jié)間的壓力釋放，易造成管節(jié)承插口處滲漏，極易產(chǎn)生地表局部沉降。為此，在前基座上安裝一套止退裝置(見(jiàn)圖12)，將管節(jié)和機(jī)頭穩(wěn)住，在管節(jié)環(huán)與環(huán)間安裝止退銷，以減小管節(jié)間的壓力釋放，從而使地面沉降量明顯減少。同時(shí)管節(jié)止退銷還起到管節(jié)拼裝定位，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中抗剪的作用。

(a)

(b)

圖12　止退裝置

4.8信息化施工

頂管掘進(jìn)前，對(duì)中州大道情況進(jìn)行詳細(xì)地調(diào)查，并按照設(shè)計(jì)和規(guī)范要求進(jìn)行地表、管線和建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置。監(jiān)測(cè)布置見(jiàn)圖13，主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容見(jiàn)表1。在掘進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和地表沉降情況，及時(shí)調(diào)整頂管掘進(jìn)參數(shù)和注漿參數(shù)，確保地表沉降控制在設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求范圍內(nèi)。

在每次完成一條隧道掘進(jìn)后，及時(shí)收集原始數(shù)據(jù)，并匯總分析，總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化施工參數(shù)，為下一步的頂管隧道掘進(jìn)提供經(jīng)驗(yàn)。

圖13　頂管段橫斷面監(jiān)測(cè)布置圖(單位： mm)

4.9置換注漿技術(shù)

頂管掘進(jìn)過(guò)程中，壓注大量的觸變泥漿，隧道貫通后，觸變泥漿勢(shì)必會(huì)失水、收縮和固結(jié)，造成地表后期持續(xù)沉降。為減小隧道貫通后的地表沉降、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的變形和保證隧道的整體防水，在頂管隧道貫通后及時(shí)從預(yù)留的注漿孔中壓注水泥漿，置換或填充施工過(guò)程中壓注的觸變泥漿，固結(jié)隧道。置換或填充注漿順序?yàn)椋?環(huán)向?yàn)閺墓芄?jié)的頂部對(duì)稱向下部進(jìn)行施工，軸向?yàn)閺乃淼赖囊粋€(gè)洞門處順序注漿至另一個(gè)洞門。

5工程沉降控制情況

4條頂管隧道于2014年8月30日全部貫通，地表沉降控制在規(guī)范和設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，具體沉降曲線見(jiàn)圖14。

圖14　4條頂管隧道沉降曲線圖

6結(jié)論與討論

1)下穿中州大道隧道工程首次將頂管施工應(yīng)用于城市主干道，在超大矩形斷面、淺覆土、小間距、地層多次擾動(dòng)等復(fù)雜情況下，地表沉降控制在規(guī)范和設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，對(duì)頂管施工工法有很大的推廣意義。

2)頂管施工過(guò)程中，選擇合適的同步及二次補(bǔ)充注漿參數(shù)，做好渣土改良、出渣量控制、6刀盤操控及隧道止退，可有效地控制頂管隧道施工沉降。

3)頂管施工前，要進(jìn)行觸變泥漿試驗(yàn)，根據(jù)工程地質(zhì)情況確定合適的觸變泥漿配合比。

4)頂管施工過(guò)程中注漿、渣土改良配合比、出渣量控制等參數(shù)要根據(jù)工程概況、地質(zhì)參數(shù)、現(xiàn)有條件等進(jìn)行選取，并參照國(guó)內(nèi)外同類工程。

5)隨著頂管斷面的加大，地表沉降控制難度增加，如何提前預(yù)測(cè)地層變形、地面沉降，提前采取控制措施有待進(jìn)一步研究。

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Settlement Control Technology for Tunnel Crossing

Underneath Zhongzhou Avenue in Zhengzhou Constructed by

Super-large Rectangular Cross-section Pipe-jacking Machine

RONG Liang, YANG Hongjun

(ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,Henan,China)

Abstract:The tunnel crossing underneath Zhongzhou Avenue in Zhengzhou has such features as super-large cross-section, shallow cover, 4 parallel tunnel tubes and small spacing between the tunnel tubes, therefore there is great difficulty in the settlement control. Countermeasures, including simultaneous grouting, secondary grouting, ground conditioning, muck discharge control, soil carrying prevention, control of 6 cutter heads, blind area treatment and backward movement prevention are taken to control the ground settlement. In the end, the settlement is well controlled. The practice shows that the countermeasures taken are feasible and effective.

Keywords:super-large rectangular cross-section pipe-jacking machine; settlement control; tunneling underneath existing urban road; small spacing; control of 6 cutter heads; shallow soil cover

中圖分類號(hào)：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1672-741X(2015)12-1338-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.016

作者簡(jiǎn)介：第一 榮亮(1984—)，男，河南商丘人，2007年畢業(yè)于北京交通大學(xué)，土木工程專業(yè)，本科，工程師，現(xiàn)從事地下工程施工技術(shù)管理工作。

收稿日期：2015-06-20; 修回日期: 2015-10-20