淺埋暗挖大跨黃土隧道下穿地下行包通道沉降分析及對(duì)策

唐新權(quán)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西 西安　710043)

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淺埋暗挖大跨黃土隧道下穿地下行包通道沉降分析及對(duì)策

唐新權(quán)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西 西安710043)

摘要：機(jī)場(chǎng)地下行包通道沉降控制要求高，且不能中斷運(yùn)行，新建淺埋暗挖大跨黃土隧道下穿施工風(fēng)險(xiǎn)高，施工不當(dāng)會(huì)引起地下行包通道沉降、變形，甚至引起混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。為找出下穿隧道施工過(guò)程中引起通道底沉降的關(guān)鍵步序，更好地控制沉降，采用三維數(shù)值模擬方法對(duì)新建隧道下穿機(jī)場(chǎng)地下行包通道進(jìn)行了沉降分析，并通過(guò)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中洞內(nèi)采用分步開(kāi)挖、大直徑管棚超前預(yù)支護(hù)、初期支護(hù)和二次襯砌背后回填壓漿等沉降控制措施，將通道底板沉降控制在3 mm左右，并在施工過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，能夠保證既有地下行包通道的結(jié)構(gòu)安全。

關(guān)鍵詞：大跨黃土隧道； 下穿地下行包通道； 淺埋暗挖法； 三維數(shù)值模擬； 沉降分析； 雙側(cè)壁導(dǎo)坑； 大管棚； 回填壓漿

0引言

地鐵區(qū)間隧道一般走行于城市繁華地段城市道路下方，臨近建筑物密集，尤其是一些地下人行通道、人防工程等。隨著各大城市地鐵規(guī)?；ㄔO(shè)和網(wǎng)格化發(fā)展，地鐵隧道下穿既有建筑是不可避免的。下穿既有建筑物段隧道施工時(shí)，必然會(huì)引起周圍土體的變形，當(dāng)變形超過(guò)一定范圍時(shí)，會(huì)嚴(yán)重危及臨近建筑物的安全。在已經(jīng)實(shí)施的眾多隧道下穿既有建筑物的工程實(shí)例中，大部分以盾構(gòu)法下穿，盾構(gòu)法施工沉降控制好，對(duì)既有建筑物影響小，施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低[1]。部分下穿既有建筑物時(shí)采用了礦山法施工，并做了不同程度地分析研究，采取了必要的輔助措施。文獻(xiàn)[1]利用MIDAS GTS軟件進(jìn)行三維模擬分析，研究礦山法在隧道下穿既有建筑物工程中的可行性；文獻(xiàn)[2]以MIDAS(GTS)軟件為工具，運(yùn)用三維數(shù)值分析方法分析了淺埋暗挖隧道施工過(guò)程的穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[3]通過(guò)對(duì)某地鐵隧道下穿既有人行地下通道的數(shù)值模擬分析，討論了大跨隧道分部開(kāi)挖施工方法對(duì)通道結(jié)構(gòu)的影響。由于下穿既有建筑物時(shí)，各工程項(xiàng)目中隧道埋深、地層情況、隧道跨度以及隧道結(jié)構(gòu)與既有建筑物間的凈距等差異較大，遇到類似問(wèn)題還需進(jìn)行有針對(duì)性的分析、研究。

西安北客站至機(jī)場(chǎng)城際軌道項(xiàng)目機(jī)場(chǎng)站站后折返線區(qū)間隧道緊鄰機(jī)場(chǎng)站設(shè)置，先后下穿機(jī)場(chǎng)2條地下行包通道。區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)頂與地下行包通道底最小間距僅1.94 m，且洞身所處地層為濕陷性黃土地層，隧道洞頂埋深不足1倍洞徑，施工風(fēng)險(xiǎn)極高，國(guó)內(nèi)類似工程也不多見(jiàn)。本文以此工程項(xiàng)目為依托，采用三維數(shù)值模擬方法對(duì)新建隧道下穿機(jī)場(chǎng)地下行包通道進(jìn)行了沉降分析，并采取了有針對(duì)性的沉降控制措施。

1工程概況

1.1隧道概況

西安北客站至機(jī)場(chǎng)城際軌道項(xiàng)目全長(zhǎng)27.33 km，共設(shè)9座車站，機(jī)場(chǎng)站為終點(diǎn)站，站后設(shè)折返線。折返線隧道總長(zhǎng)256.45 m，線間距為4.8 m，采用淺埋暗挖法施工。折返線隧道先后下穿機(jī)場(chǎng)北連接樓下2條地下行包通道,該通道沉降控制要求高，且不能中斷運(yùn)行，新建淺埋暗挖大跨黃土隧道下穿施工風(fēng)險(xiǎn)高，如何采取合理的沉降控制措施，保證既有通道的安全運(yùn)營(yíng)是該區(qū)間施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1.2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

機(jī)場(chǎng)站站后折返線地形略有起伏，場(chǎng)地地貌單元屬黃土塬。隧道所處地層從上至下依次為人工填筑土、第四系上更新統(tǒng)風(fēng)成黃土、殘積古土壤、中更新統(tǒng)晚期風(fēng)成黃土和殘積古土壤。濕陷性土層在場(chǎng)地內(nèi)連續(xù)分布，厚度一般為15～20 m，屬自重濕陷性黃土場(chǎng)地，濕陷性等級(jí)為Ⅲ級(jí)(嚴(yán)重)。地下水主要為第四系孔隙潛水，富存于中更新統(tǒng)黃土中。實(shí)測(cè)穩(wěn)定水位埋深為26.5～34.6 m，地下水主要的補(bǔ)給來(lái)源是大氣降水。

1.3隧道與通道的位置關(guān)系

區(qū)間隧道下穿的地下行包通道共有2條(見(jiàn)圖1)，均與T3A航站樓連接，由地下負(fù)一層至機(jī)場(chǎng)場(chǎng)坪，走行于T3A航站樓與T2航站樓的連接樓下。

圖1　隧道行包通道位置關(guān)系平面圖(單位： cm)

行包通道均為雙孔鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，外輪廓尺寸為4.37 m×10.9 m(高×寬)。行包通道采用明挖法施工，基底采用1 m厚三七灰土和1 m厚的素填土換填。

下穿段區(qū)間隧道為單洞雙線大跨馬蹄形斷面，淺埋暗挖法施工，隧道跨度為11.88 m，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)頂與地下行包通道底最小間距僅1.94 m(見(jiàn)圖2)。

圖2　隧道與通道位置關(guān)系橫剖面圖(單位： cm)

2沉降控制措施

下穿段區(qū)間隧道處于黃土地層中，而黃土具有顯著的垂直節(jié)理，土質(zhì)疏松，在干燥時(shí)較堅(jiān)硬，一旦遇水浸泡，通常具有容易剝落、侵蝕和濕陷的特性，尤其在隧道跨度較大時(shí)，容易發(fā)生塌方、變形、引起既有建筑物沉降、開(kāi)裂等風(fēng)險(xiǎn)。

為確保行包通道結(jié)構(gòu)及區(qū)間隧道施工安全，每循環(huán)開(kāi)挖前應(yīng)做好超前預(yù)支護(hù)，選擇合理的注漿材料加固圍巖，并適當(dāng)增大預(yù)支護(hù)剛度；洞內(nèi)開(kāi)挖時(shí)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分步開(kāi)挖，短進(jìn)尺，及早封閉初期支護(hù)，并根據(jù)監(jiān)控量測(cè)情況，及時(shí)施作二次襯砌；初期支護(hù)及二次襯砌封閉后及時(shí)進(jìn)行回填壓漿，嚴(yán)格控制行包通道沉降、變形。

2.1超前預(yù)支護(hù)

大管棚及小導(dǎo)管等超前預(yù)支護(hù)是洞身開(kāi)挖過(guò)程中的主要承載結(jié)構(gòu)，可以提高開(kāi)挖時(shí)洞周的穩(wěn)定性，防止圍巖松弛引起塌方[4]。

圖3新建隧道與行包通道位置關(guān)系縱剖面圖(單位： cm)

Fig. 3Longitudinal profile of tunnel and baggage-dedicated gallery(cm)

下穿段分別通過(guò)機(jī)場(chǎng)站和區(qū)間端頭地下風(fēng)機(jī)房施工，即在YDK27+904～+910和YDK27+975～+981設(shè)置2處管棚工作室(見(jiàn)圖3)，拱部150°范圍相向各打設(shè)1環(huán)φ203(壁厚8 mm)大管棚，大管棚長(zhǎng)35 m，外插角為0～1°，環(huán)向間距0.3 m[5]；邊墻設(shè)置φ42超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長(zhǎng)3.5 m，壁厚3.5 mm，環(huán)向間距0.3 m，縱向間距2.0 m，外插角10°。考慮洞身所處為黃土地層，為防止注漿時(shí)漿液中的水分流失引起黃土的濕陷，注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿。水玻璃濃度35 Be′，水泥漿與水玻璃漿液體積比為1∶1～1∶0.6，注漿施工前，先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，確定合理的漿液配合比，控制好凝結(jié)時(shí)間，確保注漿加固效果。注漿壓力初壓宜控制在0.5～1.0 MPa，終壓宜控制在2.0 MPa。注漿過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)下行包通道的隆起及變形監(jiān)測(cè)，可適當(dāng)調(diào)整注漿壓力，防止注漿引起通道隆起或開(kāi)裂。注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量、注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并繼續(xù)注漿10 min以上后可結(jié)束注漿；注漿過(guò)程中要隨時(shí)觀察注漿壓力及注漿泵排漿量的變化，分析注漿情況，防止堵管、跑漿、漏漿，做好注漿記錄，以便分析注漿效果。

2.2分部開(kāi)挖

由于本隧道為淺埋黃土隧道，跨度較大，為更好地控制沉降，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖(見(jiàn)圖4)，上臺(tái)階預(yù)留核心土，掌子面噴混凝土封閉。左、右洞室前后錯(cuò)開(kāi)15 m，上下臺(tái)階縱向錯(cuò)開(kāi)3 m左右。

圖4　雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖示意圖

施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照 “管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”十八字方針組織實(shí)施暗挖施工并嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施作鎖腳錨桿，確保每榀鋼架腳步的穩(wěn)定。側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖后，及時(shí)施工初期支護(hù)并盡早形成封閉環(huán)。

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算分析，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工在拆除內(nèi)部臨時(shí)支撐施作二次襯砌時(shí)，變形較大。因此，施工時(shí)嚴(yán)格控制一次拆撐范圍，臨時(shí)支撐分部拆除，二次襯砌混凝土分次澆筑。

首先，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況，分段(4～6 m)鑿除臨時(shí)中隔壁底部噴混凝土(保留型鋼，澆入二次襯砌以保證中隔壁的支撐作用)，施工仰拱范圍的防水板及混凝土保護(hù)層，澆筑仰拱混凝土(見(jiàn)圖5)。

然后，縱向分段(4～6 m)拆除①和②導(dǎo)洞之間的中隔板，施作邊墻襯砌(見(jiàn)圖6)。新澆混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%后，架設(shè)臨時(shí)支撐(可采用型鋼或鋼管支撐)，頂緊邊墻襯砌。由于襯砌內(nèi)表面為弧形，考慮后期方便支頂連接，可在襯砌澆筑時(shí)在襯砌表面預(yù)埋t=20 mm的鋼板。

圖5　分段施作仰拱襯砌

圖6　分段施作邊墻襯砌

最后，拆除剩余的中隔板和中隔壁，敷設(shè)防水層，施作拱部二次襯砌，二次襯砌封閉成環(huán)(見(jiàn)圖7)。拱部襯砌達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除襯砌臨時(shí)支撐，施作仰拱填充混凝土[6]。

圖7　分段澆筑拱部襯砌

2.3回填壓漿

初期支護(hù)施工時(shí)，在拱部會(huì)留下部分空隙，使初期支護(hù)與圍巖不能完全密貼。另外，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)在初期支護(hù)和二次襯砌之間設(shè)有一層全封閉的防水層，使初期支護(hù)和二次襯砌之間無(wú)法做到嚴(yán)密無(wú)縫，加之在混凝土灌注時(shí)，拱部會(huì)存在一定的空隙，對(duì)控制沉降變形很不利。因此，需采取回填壓漿措施，確保圍巖、初期支護(hù)及二次襯砌共同受力。

2.3.1初期支護(hù)背后注漿

初期支護(hù)施作時(shí)，在拱部150°范圍預(yù)埋φ42注漿管,長(zhǎng)500 mm，環(huán)、縱向間距分別為1.0、6.0 m , 當(dāng)初期支護(hù)閉合成環(huán)一定長(zhǎng)度后,應(yīng)及時(shí)對(duì)初襯背后回填注漿加固。漿液采用普通水泥漿，水灰質(zhì)量比為1∶1～1∶1.5，注漿壓力不宜過(guò)高，宜控制在0.3～0.4 MPa。

2.3.2二次襯砌背后回填壓漿

二次襯砌混凝土灌筑時(shí)在拱墻范圍預(yù)埋5根(拱頂1根，兩側(cè)邊墻各2根)φ42鋼管，長(zhǎng)800 mm，縱向間距6 m，對(duì)二次襯砌背后進(jìn)行回填注漿。漿液采用水泥漿，水灰質(zhì)量比為1∶0.4～1∶0.5，在水泥漿中添加2%～3%的微膨脹劑，注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定，但不小于0.2 MPa。

3地下行包通道沉降分析

采用MIDAS-GTS軟件對(duì)下穿行包通道段前后15 m范圍進(jìn)行了三維模擬計(jì)算，分析下部隧道施工對(duì)上部行包通道結(jié)構(gòu)的影響以及結(jié)構(gòu)自身的安全特性。計(jì)算時(shí)將圍巖視為理想彈塑性材料，符合Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)材料均采用線彈性本構(gòu)模型；假定地表面和各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布；不考慮巖體的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)[2]。

3.1數(shù)值模型

該區(qū)域地層巖性較差，沉降波及范圍較廣，應(yīng)擴(kuò)大橫向位移邊界的選取范圍，故模型橫向?qū)挾榷榧s4倍洞跨(80 m)，區(qū)間隧道縱向取30 m，豎向取值為40 m(見(jiàn)圖8)。

圖8　模型示意圖(單位： m)

洞內(nèi)開(kāi)挖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分部開(kāi)挖，上臺(tái)階長(zhǎng)度控制在3 m左右(見(jiàn)圖9)。

圖9　數(shù)值模型開(kāi)挖示意圖

支護(hù)采用板單元，圍巖及二次襯砌采用實(shí)體單元，型鋼臨時(shí)支撐采用梁?jiǎn)卧M，支護(hù)結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖10。大管棚、小導(dǎo)管及注漿等超前預(yù)支護(hù)加固的作用采用提高地層參數(shù)模擬[7]。

圖10　支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2區(qū)間結(jié)構(gòu)材料及地層參數(shù)

區(qū)間隧道初期支護(hù)及開(kāi)挖臨時(shí)支護(hù)采用C25噴射混凝土；行包通道及區(qū)間隧道襯砌采用C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，臨時(shí)支護(hù)鋼架為I22a型鋼；地層為第四系中更新統(tǒng)黃土地層。計(jì)算分析中所選用支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖的物理參數(shù)如表1所示。

表1　區(qū)間結(jié)構(gòu)材料及地層參數(shù)

3.3計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，分析各個(gè)主要施工階段關(guān)鍵位置位移及結(jié)構(gòu)應(yīng)力，根據(jù)其受力特點(diǎn)，得出各施工階段對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度[3]。全部開(kāi)挖完成并施作支護(hù)結(jié)構(gòu)后，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)累計(jì)變形和周邊土體累計(jì)變形最大(見(jiàn)圖11)。

圖11　隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖(單位： m)

從隧道結(jié)構(gòu)在施工各個(gè)階段的位移云圖、位移變化曲線及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移變化可知，對(duì)于區(qū)間隧道關(guān)鍵部位而言，在開(kāi)挖關(guān)鍵點(diǎn)周圍洞身圍巖時(shí)，對(duì)相應(yīng)處的豎向位移都有一定程度的影響，在施作二次襯砌及拆除臨時(shí)支護(hù)時(shí)，此種影響最明顯。因此，在施作二次襯砌時(shí)，應(yīng)注意各個(gè)施工工序間的銜接轉(zhuǎn)換，將其影響降到最低，水平位移在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中變化較小，最終區(qū)間隧道仰拱隆起值為27.77 mm，拱頂沉降值為5.89 mm。

對(duì)于上方行包通道而言，區(qū)間隧道開(kāi)始施工至開(kāi)挖到底板正下方圍巖過(guò)程中，下方隧道施工對(duì)上方行包通道的影響較小，之后下方隧道每步開(kāi)挖施工對(duì)其均有一定程度的影響，此后在施作二次襯砌及拆除臨時(shí)支護(hù)時(shí)，對(duì)底板的影響相對(duì)較大，最終隧道支護(hù)完成時(shí)，底板最大沉降值為2.67 mm(見(jiàn)圖12)。

圖12　支護(hù)完成通道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖(單位： m)

Fig. 12Vertical displacement of baggage-dedicated gallery after lining construction(m)

綜上所述，下部區(qū)間隧道在開(kāi)挖及初期支護(hù)施工過(guò)程中，對(duì)上方的行包通道影響相對(duì)較小，在拆除臨時(shí)支護(hù)及施作二次襯砌時(shí)，其影響相對(duì)較大，但最終行包通道底板的沉降值小于3 mm，能夠滿足既有結(jié)構(gòu)的安全要求[8]。

4施工監(jiān)測(cè)

在黃土隧道施工中由于黃土具有強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差、受水影響強(qiáng)烈和圍巖變形顯著等特點(diǎn)，因而監(jiān)控量測(cè)對(duì)于該類隧道的施工安全尤為重要，尤其在下穿機(jī)場(chǎng)行包通道段施工安全風(fēng)險(xiǎn)高，施工過(guò)程中必須加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)工作，主要包括暗挖隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)、地下行包通道變形監(jiān)測(cè)及地面沉降監(jiān)測(cè)。暗挖隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)主要包括初期支護(hù)的拱頂下沉、凈空位移及隧底隆起[9](見(jiàn)圖13)。地下行包通道的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括拱頂下沉監(jiān)測(cè)、水平收斂監(jiān)測(cè)及底板變形監(jiān)測(cè)(見(jiàn)圖14)。

圖13　洞內(nèi)初期支護(hù)監(jiān)測(cè)示意圖

圖14　行包通道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)示意圖

監(jiān)控量測(cè)工作必須及時(shí)施作，密切關(guān)注暗挖隧道及地下行包通道拱頂、邊墻中部及仰拱(底板)的位移值，并及時(shí)分析整理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)變形速率增大超出警戒值時(shí)，應(yīng)立即澆筑二次襯砌或先行構(gòu)件支頂，嚴(yán)格控制變形發(fā)展[10]。

5結(jié)論與建議

淺埋暗挖大跨黃土隧道下穿地下行包通道施工風(fēng)險(xiǎn)很高，通過(guò)采用三維數(shù)值模擬方法對(duì)下穿地下行包通道沉降分析，做好關(guān)鍵步序的沉降控制，施工時(shí)通過(guò)采取加強(qiáng)超前預(yù)支護(hù)、分步開(kāi)挖及初期支護(hù)和二次襯砌背后注漿及加強(qiáng)監(jiān)測(cè)等措施，能夠保證隧道施工和既有行包通道的結(jié)構(gòu)安全，施工時(shí)注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

1)在下穿段隧道施工前，建議由業(yè)主組織專家評(píng)審，對(duì)既有地下行包通道進(jìn)行評(píng)估，確定合理的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)[11]。

2)及時(shí)施作區(qū)間隧道二次襯砌，并注意各個(gè)施工工序間的銜接轉(zhuǎn)換，將其對(duì)上部行包通道的影響降到最低。

3)新建暗挖隧道在下穿行包通道段正下方施工時(shí)，施工單位與機(jī)場(chǎng)方面協(xié)商，必要時(shí)暫停該條通道的運(yùn)營(yíng)，確保隧道施工安全及行包通道的運(yùn)營(yíng)安全。

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Settlement Analysis on and Countermeasures for Shallow-covered

Large-span Loess Tunnel Constructed by Mining Method Crossing Underneath

Baggage-dedicated Gallery of Airport

TANG Xinquan

(ChinaRailwayFirstSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Xi’an710043,Shaanxi,China)

Abstract:The settlement, deformation and concrete structure crack, may occur to the gallery due to the high construction risk and irrational construction of the shallow-covered large-span loess tunnel. In this paper, in order to satisfy the requirements of the baggage-dedicated gallery and to control the settlement, 3D numerical simulation method is used to analyze the settlement caused by new tunnel crossing underneath baggage-dedicated gallery of the airport. In addition, some effective measures, such as strengthening the monitoring and using effective technologies (including excavation step by step, advance support by means of large-diameter pipe roof and grout backfilling behind primary support and secondary lining) have been adopted to minimize the settlement of the baggage-dedicated gallery. The settlement of the gallery floor is limited to about 3 mm, which guarantees the safety of the baggage-dedicated gallery.

Keywords:large-span loess tunnel; crossing underneath baggage-dedicated gallery; shallow-cover mining method; 3D numerical simulation; settlement analysis; double-side heading; large pipe roof; backfill grouting

中圖分類號(hào)：U 455.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1672-741X(2016)01-0080-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.012

作者簡(jiǎn)介：唐新權(quán)(1978— ),男，河北撫寧人，2000年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院,隧道及地下工程專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事地下工程設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2015-07-19； 修回日期： 2015-09-24