CCS水電站輸水隧洞工程地質(zhì)條件分析與處理

楊繼華　齊三紅　楊風威　苗棟

摘要：為保證CCS水電站輸水隧洞雙護盾TBM施工正常進行，開展了圍巖分類與穩(wěn)定性評價及隧洞超前地質(zhì)預報，研究了施工方法，提出了施工技術(shù)建議。在雙護盾TBM施工過程中，可見的圍巖范圍較小，無法進行地質(zhì)素描，根據(jù)雙護盾TBM施工的技術(shù)特點，選擇了隧洞掌子面及洞壁小范圍的圍巖觀察、TBM掘進參數(shù)分析、局部巖石回彈值測試、巖渣性狀分析、地下水特征分析等多種方法獲取圍巖地質(zhì)信息，從而對圍巖進行分類和穩(wěn)定性評價。選擇了隧洞宏觀地質(zhì)條件分析、施工過程地質(zhì)條件分析、以地震法和電法為主的物探方法、掌子面超前水平鉆探等綜合方法對掌子面前方圍巖進行探測和預報，根據(jù)預報結(jié)果有針對性地采取處理措施。針對TBM施工過程中出現(xiàn)的涌水、砂巖砂化、斷層破碎帶等不良地質(zhì)條件，建議施工單位采取了超前地質(zhì)預報及調(diào)整掘進參數(shù)、堵水、超前灌漿加固圍巖等施工方法和技術(shù)，TBM順利通過了不良地質(zhì)段。

關(guān)鍵詞：輸水隧洞：雙護盾TBM;施工地質(zhì);CCS水電站

中圖分類號：TV554+.1

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2019.06.021

1 工程概況

南美洲厄瓜多爾CCS水電站為引水式電站，其主要建筑物包括首部樞紐、輸水隧洞、調(diào)蓄水庫、引水豎井、地下廠房等，電站總裝機容量1500 MW，是厄瓜多爾最大的水電站。其中輸水隧洞全長約24.8 km，為CCS水電站的控制性工程，采用以2臺雙護盾TBM施]二為主、鉆爆法施工為輔的施工方法，其中TBM施工長度約23.8 km，鉆爆法施工長度約1.0 km。TBM施工段開挖洞徑9.11 m，采用預制鋼筋混凝土管片襯砌，管片厚度為0.30 m，管片外徑8.80 m，內(nèi)徑8.20 m，管片與洞壁之間的空隙采用豆礫石充填并進行水泥灌漿[1-4]。

2 工程地質(zhì)條件

隧洞進口邊坡高程約1 250 m，天然岸坡坡度約430，此處河谷寬100 m左右。輸水隧洞穿越區(qū)內(nèi)，河流眾多，溝谷比降較大，岸坡陡峻。地勢總體西高東低，西部最高海拔2 000 m左右，東西部平均相對高差約600 m。東部隧洞出口處海拔約1 204 m，位于Q.Granadillas河谷中游，出口邊坡較平緩。

隧洞穿越的地層巖性如下：白堊系下統(tǒng)Hollin地層（Kh）巖性主要為頁巖、砂巖互層，往往浸漬瀝青;侏羅系一白堊系Misahualli地層（J—K）巖性主要為英安巖、安山巖、粗面巖、玄武巖、流紋巖、火山角礫巖和火山凝灰?guī)r等;花崗侵入巖（G）影響所有地層，巖性以花崗巖或花崗閃長巖為主。

輸水隧洞的地下水類型主要為Hollin地層及Mis-ahualli地層的含水巖層及構(gòu)造裂隙水。由于工程區(qū)降雨量大，年均降雨量在5 000 mm左右，且地面多為連續(xù)森林和具有高存儲水性的土壤覆蓋，地下水補給來源豐富，因此預測在斷層破碎或節(jié)理密集帶可能發(fā)生較大規(guī)模的涌水。

采用國際通用的RMR[5-6]圍巖工程地質(zhì)分類法對隧洞圍巖進行了分類，由分類結(jié)果可知：Ⅱ類圍巖洞段長度為2 544.25 m，約占10.26%：Ⅲ類圍巖洞段長度為20 910. 91 m，約占84. 2g%：Ⅳ類圍巖洞段長度為1 305.42 m，約占5.26%;V類圍巖洞段長度為46.4 m，約占0.l9%。

隧洞施工過程中可能遇到的工程地質(zhì)問題主要有：斷層破碎帶、節(jié)理密集帶的圍巖穩(wěn)定性問題，白堊系地層軟巖變形及巖石崩解砂化問題，涌水問題等。3隧洞施工地質(zhì)工作

與鉆爆法相同，TBM隧洞施工過程中的地質(zhì)工作主要包括3個方面：圍巖分類和穩(wěn)定性評價，超前地質(zhì)預報，施工方法和施工技術(shù)建議。但TBM對地質(zhì)條件敏感，對不良地質(zhì)條件的適宜性較差，因此對施工地質(zhì)工作提出了更高的要求。

3.1 圍巖分類及穩(wěn)定性評價

在設(shè)計階段隧洞圍巖分類和穩(wěn)定性評價一般較為粗略，在隧洞施工過程中應根據(jù)開挖揭露的地質(zhì)情況對圍巖進行精確分類和穩(wěn)定性評價，以便根據(jù)分類和評價結(jié)果選擇合適的支護、襯砌型式和其他處理措施。

3.2 隧洞超前地質(zhì)預報

在隧洞工程特別是TBM施工的長大隧洞前期工程地質(zhì)勘察過程中，只能有選擇性地在一些點上布置鉆孔，兩個鉆孔之間的地層特性只能靠鉆孔編錄資料進行推測。由于地層變化較為復雜，不可避免地存在一些“盲區(qū)”，導致無法完全查明所有工程地質(zhì)條件，因此有必要在施工過程中進行超前地質(zhì)預報，TBM隧洞施工超前地質(zhì)預報的目的在于準確預報隧洞掌子面前方的地質(zhì)情況，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，預報掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、分布范圍等，并為預防地質(zhì)災害提供信息，使工程單位提前做好施工準備，保證施工安全。

3.3 施工方法及施工技術(shù)建議

隧洞地質(zhì)條件具有復雜性、多變性及難以預測性的特點，當出現(xiàn)施工預案中未考慮到的工程地質(zhì)問題時，常規(guī)的施工方法難以實施.這就需要根據(jù)地質(zhì)條件，結(jié)合施工機械設(shè)備、隧洞特征等因素，對隧洞施工方法和施工技術(shù)提出合適的處理措施。

4 圍巖分類及穩(wěn)定性評價

4.1 圍巖分類及穩(wěn)定性評價難點

在傳統(tǒng)的隧洞圍巖分類和穩(wěn)定性評價中，一般依據(jù)RMR法、Q系統(tǒng)、水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范分類法等，采用地質(zhì)素描的方法獲取圍巖地質(zhì)信息，如巖石強度、巖體RQD、節(jié)理密度、節(jié)理性狀、地下水情況等指標，通過評分對圍巖進行分類，根據(jù)分類結(jié)果對圍巖進行穩(wěn)定性評價。

雙護盾TBM掘進過程中，人員處于管片、護盾和刀盤組成的基本“封閉”空間中，能直接觀測到的圍巖非常有限，無法采用傳統(tǒng)地質(zhì)素描的方法獲取地質(zhì)信息、實現(xiàn)圍巖分類和穩(wěn)定性評價。

4.2 圍巖分類及穩(wěn)定性評價指標選取

根據(jù)雙護盾TBM施工的技術(shù)特點及RMR圍巖分類法，參考國內(nèi)外相關(guān)工程經(jīng)驗，在CCS水電站輸水隧洞雙護盾TBM施工過程中，選擇了在隧洞掌子面及洞壁小范圍進行圍巖觀察、TBM掘進參數(shù)分析、局部巖石回彈值測試、巖渣性狀分析、地下水特征分析等綜合獲取圍巖地質(zhì)信息[7-9]。

（1）掌子面及洞壁圍巖觀察。在TBM停機維護時間或圍巖發(fā)生變化停機處理時，地質(zhì)工程師進入刀盤處對掌子面進行圍巖觀測，通過刀盤的刀孔、鏟斗或進人孔進行查看，至少查看3個部位。觀測內(nèi)容包括巖性、掌子面完整性、節(jié)理斷層發(fā)育情況、地下水狀態(tài)、是否塌方及塌方量、塌方部位等。另外，TBM伸縮護盾間隙及護盾觀察窗口有小范圍的圍巖暴露，也可進行圍巖觀察。

（2）掘進參數(shù)分析。在TBM掘進過程中，掘進參數(shù)與圍巖條件密切相關(guān)[10-13]，根據(jù)掘進參數(shù)的變化，可以判斷圍巖的地質(zhì)情況。掘進時，掘進參數(shù)在控制系統(tǒng)屏幕上實時顯示，可實時判斷掌子面圍巖情況：也可以在掘進停止時，拷貝出掘進參數(shù)，進行掘進參數(shù)與圍巖的相關(guān)性分析。掘進參數(shù)主要有：①掘進模式。雙護盾TBM具有兩種掘進模式，一般在穩(wěn)定性好的I、Ⅱ、Ⅲ類圍巖地層中采用雙護盾模式掘進，在穩(wěn)定性差的Ⅳ、V類圍巖地層中采用單護盾模式掘進。②刀盤推力。刀盤推力根據(jù)圍巖情況確定，一般在完整硬巖條件下采用高推力掘進，在破碎軟弱圍巖條件下采用低推力掘進。③刀盤扭矩。刀盤扭矩在掘進過程中不能單獨控制。當圍巖完整堅硬時刀盤扭矩較小，當圍巖軟弱破碎時刀盤扭矩較大。④貫人度。在相同圍巖條件下，貫人度隨著刀盤推力的增大而增大。⑤掘進速度。對于I類、Ⅱ類圍巖，其完整堅硬，一般掘進速度較低;對于Ⅳ類、V類圍巖，為減少掘進時的擾動，一般會改變掘進參數(shù)，使得掘進速度降低。國內(nèi)外TBM施工實踐表明，TBM在Ⅲ類圍巖中能獲得較高的掘進速度。

（3）巖石回彈值測試。高強回彈儀多用于混凝土強度測試，經(jīng)相關(guān)科研及技術(shù)工作者研究發(fā)現(xiàn)其同樣適用于巖石強度測試[14-15]。在CCS水電站輸水隧洞雙護盾TBM施工過程中，采用高強回彈儀在洞內(nèi)通過刀盤滾刀間隙、刀盤人形閘口、護盾觀察窗口或伸縮護盾間隙對掌子面或洞壁進行原位回彈測試，再根據(jù)回彈值換算成巖石的單軸抗壓強度值。

（4）巖渣分析。TBM掘進過程中產(chǎn)生的巖渣與圍巖有一定的相關(guān)性[12-13.16]。當圍巖為I類、Ⅱ類時，巖渣多呈片狀及粉狀，少見塊狀;當圍巖為Ⅲ類時，巖渣由片狀、塊狀及粉狀組成;當圍巖為Ⅳ類、V類時，巖渣以塊狀及粉狀為主，少見片狀。

巖渣分析的內(nèi)容包括：巖性、風化程度;巖塊、巖片、巖粉的粒徑大小及含量;巖渣節(jié)理形態(tài)及其充填物;巖塊是集中輸出、間斷輸出，還是均勻連續(xù)輸出;出渣量與掘進量之間的關(guān)系等。

（5）地下水流量觀測。巖渣判斷：硬巖巖渣呈濕潤狀或皮帶機上有流水，白堊系軟巖巖渣呈現(xiàn)砂狀或泥狀。其他判斷：在前、后護盾連接處下方會有地下水匯聚，護盾左、右觀測窗口及掌子面圍巖有滲水或流水現(xiàn)象。流量測定：管片襯砌后隧洞為標準斷面，洞內(nèi)滲水或流水通過洞底集中排出，可選擇在距離掌子面附近洞底的三個斷面進行流速測定，再根據(jù)流速和斷面面積計算流量，或用量水堰進行精確量測。

4.3 隧洞圍巖分類及穩(wěn)定性評價標準

根據(jù)CCS水電站輸水隧洞雙護盾TBM施工特點，選擇巖石回彈值、掌子面巖體完整性、刀盤推力、刀盤扭矩、片狀巖渣的質(zhì)量百分比、地下水流量共6個指標，作為圍巖穩(wěn)定性分類的評價指標，根據(jù)RMR圍巖分類方法，參考國內(nèi)外TBM施工實踐經(jīng)驗，建立了CCS水電站輸水隧洞雙護盾TBM施工圍巖穩(wěn)定性分類指標體系，見表1。根據(jù)圍巖分類和穩(wěn)定性評價標準在施工過程中選擇相對應的襯砌管片型號和其他圍巖加固處理措施，從而保證隧洞施工及通水運行期間的隧洞穩(wěn)定與安全。

5 輸水隧洞TBM施工綜合超前地質(zhì)預報

5.1 隧洞宏觀地質(zhì)條件分析

在CCS水電站輸水隧洞TBM施工之前，利用工程地質(zhì)平面圖、工程地質(zhì)剖面圖等資料，對隧洞沿線的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水條件等進行分析，初步確定巖性分界線、斷層帶、富水帶等的位置及規(guī)模，并評價其對TBM施工的影響程度，為設(shè)備制造、施工組織設(shè)計等提供參考。鑒于前期地質(zhì)勘察工作的局限性，隧洞宏觀地質(zhì)分析的精確性較差，將其作為定性預報。

5.2 施工過程地質(zhì)條件分析

在CCS水電站輸水隧洞雙護盾TBM施工過程中，根據(jù)已揭露的圍巖地質(zhì)信息，如掌子面及洞壁的圍巖情況、巖渣情況、掘進參數(shù)情況、地下水情況等，對當前開挖圍巖的巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水情況等進行判斷，并根據(jù)當前圍巖情況對掌子面前方的圍巖進行短距離預報，預報距離一般以不超過10 m為宜。

5.3 ISIS地震法超前地質(zhì)預報

ISIS（Itegrated Seismic Imaging System，綜合地震成像系統(tǒng)）是由德國GFZ公司與基爾大學合作完成的一套針對TBM快速施工的特點開發(fā)的地震法超前地質(zhì)預報系統(tǒng)，同時適用于鉆爆法施工。后來海瑞克股份公司與GFZ開展合作，對ISIS系統(tǒng)進行了改進，稱為ISP（ Integrated Seismic Prediction）綜合地震波預報系統(tǒng)[17]。其以地震法為原理（見圖1），數(shù)據(jù)處理采用Fresnel-Volume偏移成像技術(shù)完成。該方法可對隧洞及井巷工程掘進前方以及頂部的復雜地質(zhì)構(gòu)造進行較為全面的預報，可有效探測斷層、破碎帶、溶洞、涌水區(qū)等不良地質(zhì)體。ISIS系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：操作簡單;測試時間短，從開始鉆孔到測量完成只需要1-2 h：測試時不需要TBM停機，不影響TBM掘進，可以隨著TBM掘進同步預報;數(shù)據(jù)處理簡單，耗時短，只需30 - 40mm就能完成測量，可以及時提供準確的地質(zhì)預報：預報準確率高，生成的3D圖像形象直觀;探測距離長，一次測試可以預報掌子面前方100 m內(nèi)的圍巖情況。

5.4 BEAM電法超前地質(zhì)預報

BEAM （ Bore - tunnelling Electrical AheadMonitoring，隧洞掘進超前監(jiān)測）超前地質(zhì)預報技術(shù)[14-15]由德國Geohydraulik Data公司研發(fā)。BEAM技術(shù)采用激發(fā)極化原理，通過在地下巖土體中激發(fā)電場，使巖土體發(fā)生電化學變化。極化電場隨時間的增長而增強，并與人工電場相疊加，一般把人工電場稱為一次電場，把極化電場稱為二次電場，把一次電場和二次電場的疊加稱為總場，總場一般經(jīng)過數(shù)分鐘就趨于飽和狀態(tài)，此時若切斷電源，一次電場會立即消失，但二次電場不會立即消失，并隨時間的增長而逐漸衰減，衰減時間一般為幾十秒鐘至幾分鐘。通過探測巖土體中與孔隙有關(guān)的電能儲存能力參數(shù)PFE和視電阻率的變化，即可預報隧洞掌子面前方圍巖的完整性和含水性[18-19]。

針對TBM法隧洞施工，對BEAM技術(shù)進行了改進，將其所有的激發(fā)與接收裝置都安裝在TBM的刀盤和外側(cè)鋼環(huán)上，使其不受TBM護盾和管片的影響，適合雙護盾TBM施工隧洞采用。BEAM技術(shù)預報時不需要TBM停機，不占用掘進時間，可隨著TBM的掘進實時預報。采用BEAM技術(shù)最長可預報30 m，適合作為短期超前地質(zhì)預報技術(shù)，其對圍巖的完整性及含水體有良好的預報效果。

5.5 超前鉆探

掌子面超前水平鉆探對斷層破碎帶、富水帶、溶洞等具有較好的預報效果[20-22]。CCS水電站輸水隧洞的TBM上配備有超前鉆機，鉆進距離可達掌子面前方100 m。當通過地質(zhì)描述、巖渣和掘進參數(shù)分析初步判斷掌子面前方可能出現(xiàn)不良地質(zhì)體時，可采用超前鉆機通過鉆探進行確認。超前鉆機為沖擊式鉆機，在鉆進過程中通過鉆進壓力、轉(zhuǎn)速、鉆速、回水顏色等對掌子面前的圍巖情況進行判斷。

5.6 綜合超前地質(zhì)預報

在CCS水電站輸水隧洞TBM施工過程中，采用隧洞宏觀地質(zhì)條件分析對隧洞地質(zhì)條件進行定性預測。如果判斷地質(zhì)條件無明顯變化、不影響正常掘進時，采用洞內(nèi)施工地質(zhì)條件分析如掌子面及洞壁圍巖觀測、掘進參數(shù)分析、巖渣分析等對掌子面前方圍巖進行短距離預測，一般預測距離小于10 m，洞內(nèi)地質(zhì)條件分析不占用施工時間，分析成本低，在全洞段施工中采用。當掘進至斷層破碎帶、節(jié)理密集帶、富水帶等不良地質(zhì)體附近時，采用ISIS地震法和BEAM電法對不良地質(zhì)體位置、規(guī)模、含水性進行判斷，必要時采用超前鉆探對不良地質(zhì)體的巖性、穩(wěn)定性等進行確認。施工過程中，根據(jù)超前地質(zhì)預報結(jié)果，針對不同的地質(zhì)條件，采用相應的處理措施，保障TBM快速、安全掘進。CCS水電站輸水隧洞雙護盾TBM施工采用綜合超前地質(zhì)預報方法后，對大部分不良地質(zhì)條件進行了準確的預報。

6 輸水隧洞不良地質(zhì)段TBM施工處理措施

6.1 涌水段施工處理措施

在斷層破碎帶、節(jié)理密集帶及巖性接觸帶附近一般富含地下水，當掘進至這些不良地質(zhì)洞段附近時，采用綜合超前地質(zhì)預報方法對掌子面前方圍巖的含水性進行預報。如果預報的水量較小，則對施工影響較小，可正常掘進：當預報水量較大且對施工有較大影響時，可對掌子面前方進行灌漿堵水，封堵地下水滲漏通道，減少涌水量。同時在TBM主機處配置水泵，將掌子面的涌水及時排到TBM后配套以后，以降低洞內(nèi)的水位，減輕對隧洞施工的影響。

TBMI掘進至樁號K2+201.8時，揭穿了隔水巖層，斷層破碎帶內(nèi)地下水涌出，初期流量達到2 200 11s，經(jīng)過3-5 d后，涌水量逐漸穩(wěn)定到400 - 500 L/s。雖然隧洞可自流排水，但洞內(nèi)設(shè)備眾多，排水不暢，導致TBM及后配套內(nèi)水位過高，影響正常施工，此時采取了在后配套后部布置圍堰、洞內(nèi)布置水泵的措施，將地下水強制排到TBM后配套以后，從而降低TBM主機及后配套內(nèi)的水位，減輕對施工的影響。

在CCS水電站輸水隧洞TBM施工過程中，采用以上處理措施后，順利通過了多處流量大于100 L/s的涌水帶。

6.2 砂巖砂化洞段施工處理措施

白堊系地層砂巖膠結(jié)性較差，在地下水及刀盤擾動作用下，砂巖容易崩解砂化，砂巖砂化后，巖渣主要呈砂狀，在地下水的作用下，砂粒無法被TBM的刀盤鏟起，大量的砂粒被沖人洞內(nèi)，會掩埋部分TBM設(shè)備，導致無法安裝管片，降低TBM施工的效率。

TBM在樁號K23+080-K22+700段掘進時，遇到較嚴重的砂巖砂化問題，采取了以下處理措施：①調(diào)整TBM掘進參數(shù)，收回支撐靴，伸縮護盾處于收縮狀態(tài)，采用單護盾模式掘進，降低刀盤推力及轉(zhuǎn)速，以減少其對圍巖的擾動，防止掌子面和洞壁圍巖塌方：②對洞內(nèi)的集中涌水點進行封堵：③掘進時減少刀盤噴水量，減緩砂巖的崩解速度：④組織人工及時清理洞底砂粒，將砂粒裝袋后由有軌運輸機械運出洞外：⑤嚴密監(jiān)測洞底火車軌道情況，防止砂粒掩埋軌道：⑥安裝重型管片，并及時進行豆礫石回填灌漿。采取以上處理措施后，TBM慢速掘進通過了砂巖砂化洞段。

6.3 斷層破碎帶洞段施工處理措施

輸水隧洞TBM施工過程中遇到了多條規(guī)模不等的斷層破碎帶，處理措施如下：對掌子面前方圍巖進行超前地質(zhì)預報，預報斷層破碎的位置、寬度及性質(zhì)等。為減少對圍巖的擾動，降低TBM推力、刀盤轉(zhuǎn)速，慢速掘進，避免或減少圍巖塌方。當預報到掌子面前方圍巖極不穩(wěn)定時，采用超前灌漿的方法固結(jié)圍巖后再掘進;如果斷層帶富含地下水，則需要灌漿堵水;對于斷層破碎帶，安裝重型管片，保證圍巖的穩(wěn)定。采用以上措施后，TBM成功地通過了多條斷層破碎帶。

TBM掘進至樁號K16+130.0時，斷層破碎帶塌方，發(fā)生了TBM刀盤被卡的卡機事件，針對此問題，采取了以下處理措施：①拆除護盾后部隧洞兩側(cè)中上部1200內(nèi)的兩塊管片，并采用錨固的方式對頂拱管片和側(cè)壁管片進行固定：②從管片開口處向與TBM掘進方向垂直方向開挖旁洞，旁洞斷面為城門洞形，寬2.4 m、高2.0 m，在開挖2.0 m后轉(zhuǎn)為與TBM掘進方向平行直至刀盤位置，旁洞開挖時采用自進式錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土、鋼拱架等方式進行支護;③采用地質(zhì)鉆機沿與TBM掘進方向平行的方向進行水平鉆孔，同時采用地震法物探對前方進行超前預報，查明掌子面前斷層破碎帶的寬度;④由左、右兩側(cè)的旁洞向中間開挖，形成主洞上方的擴大頂拱，沿主洞軸線方向向前開挖直至穿過整個斷層破碎帶及影響帶，擴大頂拱開挖時采用自進式錨桿、超前灌漿、掛網(wǎng)、噴混凝土、鋼拱架等方式進行聯(lián)合支護：⑤擴大頂拱開挖支護完成后，啟動TBM刀盤，擴大頂拱下部的巖體由TBM掘進出渣，同時安裝重型管片，頂部管片與擴大頂拱之間的空隙采用豆礫石回填灌漿，直至通過整個斷層破碎帶。

7 結(jié)語

（1）雙護盾TBM施工時，可采用隧洞掌子面及洞壁小范圍的圍巖觀察、TBM掘進參數(shù)分析、局部巖石回彈值測試、巖渣性狀分析、地下水特征分析等多種方法獲取圍巖地質(zhì)信息，從而對圍巖進行分類和穩(wěn)定性評價。

（2）詳細、準確的地質(zhì)資料是TBM快速、安全施工的重要保證。施工期間，應采用綜合預報的方法對圍巖進行超前地質(zhì)預報，從而有針對性地采取處理措施。

（3）不良地質(zhì)條件制約著TBM快速、安全施工，施工過程中應對不良地質(zhì)條件進行評估，根據(jù)其危害性采取有效的處理措施。

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【責任編輯張華巖】