一种TBM平导洞扩挖施工方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 1102848 A(43)申请公布日 2019.09.27

(21)申请号 201910546767.7(22)申请日 2019.06.24

(71)申请人 中铁隧道局集团有限公司

地址 510000 广东省广州市南沙区明珠湾

起步区工业四路西侧自编2号

申请人 盾构及掘进技术国家重点实验室

E21D 9/12(2006.01)E21D 9/00(2006.01)E21D 11/10(2006.01)E21D 11/15(2006.01)E21D 11/18(2006.01)E21D 20/02(2006.01)

(72)发明人 孙振川　张兵　李凤远　赵海雷　

牛健　王雅文　陈桥　秦银萍　李宏波　王利明　翟乾智　韩伟锋　(74)专利代理机构 郑州浩翔专利代理事务所

(特殊普通合伙) 41149

代理人 靳锦　边延松(51)Int.Cl.

E21D 9/01(2006.01)E21D 9/087(2006.01)

权利要求书2页 说明书5页 附图3页

(54)发明名称

一种TBM平导洞扩挖施工方法(57)摘要

本发明公开了一种TBM平导洞扩挖施工方法，在待扩挖的TBM平导段中，将既有的平导TBM圆形掘进洞或近圆形步进洞作为超前中导坑，扩挖施工为马蹄形隧道衬砌断面，在围岩级别不同的情况下，采用不同的施工方法，施工工序合理优化，施工过程便于操作，拱顶结构更加稳定，针对不同级别的围岩采用不同的施工工序，能够有效减少围岩的扰动、防坍塌，增加了增建扩挖过程中的安全性，提高扩挖效率。

CN 1102848 ACN 1102848 A

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1.一种TBM平导洞扩挖施工方法，其特征在于，在待扩挖的TBM平导段中，将既有的平导TBM圆形掘进洞或近圆形步进洞作为超前中导坑，扩挖施工为马蹄形隧道衬砌断面，且周围为Ⅱ、Ⅲ级围岩；施工方法包括下列步骤：（1）拆除既有TBM平导洞的仰拱预制块，拆除平导钢架；（2）将既有TBM平导洞横断面的外部待扩挖部分记为A部，开挖A部，并施做A部周边的初期支护；（3）对扩挖后的底部底板即仰拱部分和边墙基础进行整幅灌筑；（4）待步骤（3）中灌注的仰拱砼初凝后，灌筑底板上部的隧底填充部至设计高度；（5）清理好初期支护基面，初期支护与二次衬砌之间的拱墙铺设塑料防水板加土工布；（6）待围岩和初期支护变形稳定后，利用衬砌台车一次性灌筑A部外侧的拱墙的二次衬砌部分，并于拱顶预埋PVC注浆管；待砼达到设计强度后，进行充填注浆。

2.根据权利要求1所述的TBM平导洞扩挖施工方法，其特征在于，步骤（2）中的初期支护步骤为：初喷砼，再铺设钢筋网，然后钻设径向锚杆，再复喷砼至设计厚度。

3.根据权利要求1所述的TBM平导洞扩挖施工方法，其特征在于，步骤（5）中二次衬砌背后设环、纵向透水盲沟。

4.一种TBM平导洞扩挖施工方法，其特征在于，在待扩挖的TBM平导段中，将既有的平导TBM圆形掘进洞或近圆形步进洞作为超前中导坑，扩挖施工为马蹄形隧道衬砌断面，且周围为Ⅳ、Ⅴ级围岩；施工方法包括下列步骤：（1）拆除既有TBM平导洞的仰拱预制块，拆除平导钢架；（2）将既有TBM平导洞横断面的拱部外侧待扩挖部分记为A部，开挖A部，利用洞碴形成上台阶；（3）施做A部上台阶周边的初期支护；（4）在滞后A部一段距离后，清除洞碴，拆除下台阶范围内的平导钢架；（5）将既有TBM平导洞横断面的下部外侧待扩挖部分记为B部，开挖B部，施做B部台阶周边的初期支护；（6）对扩挖后的底部底板即仰拱部分和边墙基础进行整幅灌筑；（7）待步骤（6）中灌注的仰拱砼初凝后，灌筑底板上部的隧底填充部至设计高度；（8）清理好初期支护基面，初期支护与二次衬砌之间的拱墙铺设塑料防水板加土工布；（9）待围岩和初期支护变形稳定后，利用衬砌台车一次性灌筑A部外侧的拱墙的二次衬砌部分，并于拱顶预埋PVC注浆管；待砼达到设计强度后，进行充填注浆。

5.根据权利要求4所述的TBM平导洞扩挖施工方法，其特征在于，步骤（3）中的初期支护步骤为：初喷砼，再铺设钢筋网，架立钢架，设锁脚锚管或锚杆，然后钻设径向锚杆，再复喷砼至设计厚度；所述钢架的纵向间距为1-1.2m。

6.根据权利要求5所述的TBM平导洞扩挖施工方法，其特征在于，步骤（3）中初期支护完毕后，施做下一循环拱部超前支护，采用φ60超前中管棚或φ42超前小导管，长3.5-4.0m，环向间距40-50cm，外插角为10-15°。

7.根据权利要求6所述的TBM平导洞扩挖施工方法，其特征在于，采用超前小导管支护的施工方法包括下列步骤：

a.小导管采用直径为φ42，厚3.5mm的热轧无缝钢管，长3.5m/根。小导管环向间距

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40cm、纵向相邻两排的水平投影搭接长度不小于150cm，外插角为5～10°；

b.小导管前端加工成锥形，以便插打，并防止浆液前冲；小导管中间部位钻φ10mm的注浆孔，注浆孔呈梅花形布置，间距为15mm，尾部1m范围内不钻孔以防漏浆，末端焊直径为6mm的环形箍筋；

c.在预定的位置用风动凿岩机钻孔，把小导管插入孔内，带好丝扣保护帽，专用顶头顶入到要求的深度，使麻丝柱塞与孔壁充分挤压紧，然后再用CS胶泥填充孔口，注浆管的外露长度为30cm；

d.浆液采用水泥浆液，水灰重量比为1:0.8-1.1，使用不低于42.5强度的水泥；注浆范围按开挖轮廓线外0.3～0.5m设计并且浆液在地层中均匀扩散；

e.浆液单孔注入量Q的值为：Q=πR2Lη(m3)；式中：R—浆液扩散半径(m)；L—压浆段长度(m)；η—岩层孔隙率，砂土取40%，粘土20%，断层破碎带5%；注浆压力为0.5～1Mpa，止浆盘为5～10cm厚喷射砼封闭，防止跑浆。8.根据权利要求4所述的TBM平导洞扩挖施工方法，其特征在于，步骤（5）中的初期支护步骤为：初喷砼，再铺设钢筋网，架立钢架，设锁脚锚杆，然后钻设径向锚杆，再复喷砼至设计厚度；锁脚锚杆的外插角为20°。

9.根据权利要求4所述的TBM平导洞扩挖施工方法，其特征在于，步骤（8）中二次衬砌背后设环、纵向透水盲沟。

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一种TBM平导洞扩挖施工方法

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技术领域

[0001]本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种TBM平导洞扩挖施工方法。背景技术

[0002]有些山体隧道在施工时，出口段通常采用TBM工法施工，同时包括洞口钻爆段及洞身断层钻爆法迂回施工段。正洞和平导TBM施工段通常敞开式硬岩掘进机掘进施工，采用有轨运输，皮带机出碴方式，铺设仰拱块，正洞同步进行拱墙二次衬砌模筑砼施工，隧道贯通后，在隧道内实施拆机。有些隧道工程段需要在平导段进行扩挖施工，在平导段TBM拆机完成后开始实施，利用出口车站段平导进行扩挖施工，施工过程中要根据周围围岩级别的不同，采用不同的扩挖施工方法。发明内容

[0003]本发明要解决的技术问题是提供一种拱顶施工更加稳定、二次衬砌更加牢固、便于操作的TBM平导洞扩挖施工方法。[0004]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种TBM平导洞扩挖施工方法，在待扩挖的TBM平导段中，将既有的平导TBM圆形掘进洞或近圆形步进洞作为超前中导坑，扩挖施工为马蹄形隧道衬砌断面，且周围为Ⅱ、Ⅲ级围岩；施工方法包括下列步骤：

（1）拆除既有TBM平导洞的仰拱预制块，拆除平导钢架；（2）将既有TBM平导洞横断面的外部待扩挖部分记为A部，开挖A部，并施做A部周边的初期支护；

（3）对扩挖后的底部底板即仰拱部分和边墙基础进行整幅灌筑；（4）待步骤（3）中灌注的仰拱砼初凝后，灌筑底板上部的隧底填充部至设计高度；（5）清理好初期支护基面，初期支护与二次衬砌之间的拱墙铺设塑料防水板加土工布；（6）待围岩和初期支护变形稳定后，利用衬砌台车一次性灌筑A部外侧的拱墙的二次衬砌部分，并于拱顶预埋PVC注浆管；待砼达到设计强度后，进行充填注浆。[0005]优选的，步骤（2）中的初期支护步骤为：初喷砼，再铺设钢筋网，然后钻设径向锚杆，再复喷砼至设计厚度。[0006]优选的，步骤（5）中二次衬砌背后设环、纵向透水盲沟。[0007]本发明还涉及一种TBM平导洞扩挖施工方法，在待扩挖的TBM平导段中，将既有的平导TBM圆形掘进洞或近圆形步进洞作为超前中导坑，扩挖施工为马蹄形隧道衬砌断面，且周围为Ⅳ、Ⅴ级围岩；施工方法包括下列步骤：

（1）拆除既有TBM平导洞的仰拱预制块，拆除平导钢架；（2）将既有TBM平导洞横断面的拱部外侧待扩挖部分记为A部，开挖A部，利用洞碴形成上台阶；

（3）施做A部上台阶周边的初期支护；

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（4）在滞后A部一段距离后，清除洞碴，拆除下台阶范围内的平导钢架；（5）将既有TBM平导洞横断面的下部外侧待扩挖部分记为B部，开挖B部，施做B部台阶周边的初期支护；

（6）对扩挖后的底部底板即仰拱部分和边墙基础进行整幅灌筑；（7）待步骤（6）中灌注的仰拱砼初凝后，灌筑底板上部的隧底填充部至设计高度；（8）清理好初期支护基面，初期支护与二次衬砌之间的拱墙铺设塑料防水板加土工布；（9）待围岩和初期支护变形稳定后，利用衬砌台车一次性灌筑A部外侧的拱墙的二次衬砌部分，并于拱顶预埋PVC注浆管；待砼达到设计强度后，进行充填注浆。[0008]优选的，步骤（3）中的初期支护步骤为：初喷砼，再铺设钢筋网，架立钢架，设锁脚锚管或锚杆，然后钻设径向锚杆，再复喷砼至设计厚度；所述钢架的纵向间距为1-1.2m。[0009]优选的，当需要设置拱部超前支护时，步骤（3）中初期支护完毕后，施做下一循环拱部超前支护，采用φ60超前中管棚或φ42超前小导管，长3.5-4.0m，环向间距40-50cm，外插角为10-15°。

[0010]采用超前小导管支护的施工方法包括下列步骤：

a.小导管采用直径为φ42，厚3.5mm的热轧无缝钢管，长3.5m/根。小导管环向间距40cm、纵向相邻两排的水平投影搭接长度不小于150cm，外插角为5～10°；

b.小导管前端加工成锥形，以便插打，并防止浆液前冲；小导管中间部位钻φ10mm的注浆孔，注浆孔呈梅花形布置，间距为15mm，尾部1m范围内不钻孔以防漏浆，末端焊直径为6mm的环形箍筋；

c.在预定的位置用风动凿岩机钻孔，把小导管插入孔内，带好丝扣保护帽，专用顶头顶入到要求的深度，使麻丝柱塞与孔壁充分挤压紧，然后再用CS胶泥填充孔口，注浆管的外露长度为30cm；

d.浆液采用水泥浆液，水灰重量比为1:0.8-1.1，使用不低于42.5强度的水泥；注浆范围按开挖轮廓线外0.3～0.5m设计并且浆液在地层中均匀扩散；

e.浆液单孔注入量Q的值为：Q=πR2Lη(m3)；式中：R—浆液扩散半径(m)；L—压浆段长度(m)；η—岩层孔隙率，砂土取40%，粘土20%，断层破碎带5%；注浆压力为0.5～1Mpa，止浆盘为5～10cm厚喷射砼封闭，防止跑浆。[0011]优选的，步骤（5）中的初期支护步骤为：初喷砼，再铺设钢筋网，架立钢架，设锁脚锚杆，然后钻设径向锚杆，再复喷砼至设计厚度；锁脚锚杆的外插角为20°。[0012]优选的，步骤（8）中二次衬砌背后设环、纵向透水盲沟。[0013]本发明的有益效果在于：

1.在开挖前先拆除仰拱块，TBM掘导扩挖采用多功能作业台架开挖，Ⅱ、Ⅲ级围岩地段光面爆破，Ⅳ、Ⅴ级围岩采用控制爆破、弱爆破，以减少对围岩的扰动、防坍塌，使得拱顶结构更加稳定。出碴采用装碴机装碴，自卸汽车运碴，直接拉运至弃碴场弃碴。[0014]2.初期支护采用锚网喷支护，Ⅳ、Ⅴ级围岩增加钢拱架支撑，对于断层地段、蚀变岩、节理密集带以及洞口凹子地滑坡段等Ⅴ级围岩破碎软弱地段采用φ60超前中管棚或φ

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42超前小导管加强支护，喷砼采用砼罐车运输，机械手喷射。衬砌段采用12m全断面液压模板台车、泵送砼入模的方式施工，仰拱采用栈桥跨越方式全幅一次性浇筑完成，使得仰拱结构更加坚固。

[0015]3.本发明TBM平导洞扩挖施工方法，将既有的平导TBM圆形掘进洞或近圆形步进洞作为超前中导坑，扩挖施工为马蹄形隧道衬砌断面，施工工序合理优化，施工过程便于操作，拱顶结构更加稳定，针对不同级别的围岩采用不同的施工工序，能够有效减少围岩的扰动、防坍塌，增加了增建扩挖过程中的安全性，提高扩挖效率。附图说明

[0016]图1是TBM平导段Ⅱ、Ⅲ级围岩扩挖工序横断面示意图；

图2是TBM平导段Ⅱ、Ⅲ级围岩扩挖工序纵断面示意图；图3是TBM平导段Ⅳ、Ⅴ级围岩扩挖工序横断面示意图；图4是TBM平导段Ⅳ、Ⅴ级围岩扩挖工序纵断面示意图图中标号：1既有TBM平导洞，2仰拱部分，3隧底填充部，4二次衬砌，5径向锚杆；6锁脚锚杆，7拱部超前支护，8上台阶，9钢架。具体实施方式

[0017]下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式本发明的范围。在以下实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件；所涉及的工业原料如无特别说明，均为市售常规工业原料。[0018]实施例1：一种TBM平导洞扩挖施工方法，其特征在于，在待扩挖的TBM平导段中，将既有的平导TBM圆形掘进洞或近圆形步进洞作为超前中导坑，扩挖施工为马蹄形隧道衬砌断面，且周围为Ⅱ、Ⅲ级围岩；施工方法包括下列步骤：

（1）拆除既有TBM平导洞的仰拱预制块，拆除平导钢架；（2）将既有TBM平导洞横断面的外部待扩挖部分记为A部，开挖A部，并施做A部周边的初期支护；初期支护步骤为：初喷砼，再铺设钢筋网，然后钻设径向锚杆，再复喷砼至设计厚度。

[0019]（3）对扩挖后的底部底板即仰拱部分和边墙基础进行整幅灌筑；

（4）待步骤（3）中灌注的仰拱砼初凝后，灌筑底板上部的隧底填充部至设计高度；（5）清理好初期支护基面，初期支护与二次衬砌之间的拱墙铺设塑料防水板加土工布；二次衬砌背后设环、纵向透水盲沟。[0020]（6）待围岩和初期支护变形稳定后，利用衬砌台车一次性灌筑A部外侧的拱墙的二次衬砌部分，并于拱顶预埋PVC注浆管；待砼达到设计强度后，进行充填注浆。[0021]实施例2：一种TBM平导洞扩挖施工方法，其特征在于，在待扩挖的TBM平导段中，将既有的平导TBM圆形掘进洞或近圆形步进洞作为超前中导坑，扩挖施工为马蹄形隧道衬砌断面，且周围为Ⅳ、Ⅴ级围岩；施工方法包括下列步骤：

（1）拆除既有TBM平导洞的仰拱预制块，拆除平导钢架；（2）将既有TBM平导洞横断面的拱部外侧待扩挖部分记为A部，开挖A部，利用洞碴形成上台阶；

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（3）施做A部上台阶周边的初期支护；初期支护步骤为：初喷砼，再铺设钢筋网，架立钢架，设锁脚锚管或锚杆，然后钻设径向锚杆，再复喷砼至设计厚度；所述钢架的纵向间距为1-1.2m。

[0022]在需要超前支护的情况下，初期支护完毕后，施做下一循环拱部超前支护，采用φ60超前中管棚或φ42超前小导管，长3.5-4.0m，环向间距40-50cm，外插角为10-15°。[0023]本实施例中，小导管采用直径为φ42，厚3.5mm的热轧无缝钢管，长3.5m/根。小导管环向间距40cm、纵向相邻两排的水平投影搭接长度不小于150cm，外插角为5～10°。[0024]小导管前端加工成锥形，以便插打，并防止浆液前冲。小导管中间部位钻φ10mm的注浆孔，注浆孔呈梅花形布置(防止注浆出现死角)，间距为15mm，尾部1m范围内不钻孔以防漏浆，末端焊直径为6mm的环形箍筋，以防打设小导管时端部开裂，影响注浆管联接。[0025]在预定的位置用风动凿岩机钻孔，把小导管插入孔内，带好丝扣保护帽，专用顶头顶入到要求的深度，使麻丝柱塞与孔壁充分挤压紧。然后再用CS胶泥填充孔口。注浆管的外露长度为30cm。以便连接孔口阀门和管路。顶管时注意保护钢管尾部不被损坏，以便与高压注浆管连接。

[0026]浆液采用水泥浆液，水灰比1:0.8-1.1（重量比），施工时由试验室选定，使用不低于42.5强度的水泥。为获得良好的固结效果，确保有效扩散范围，注浆范围按开挖轮廓线外0.3～0.5m设计并且浆液在地层中均匀扩散。

[0027]浆液单孔注入量Q和围岩的孔隙率有关，根据扩散半径及岩层的裂隙进行估算，其值为：

Q=πR2Lη(m3)，式中：R—浆液扩散半径(m)；L—压浆段长度(m)；η—岩层孔隙率，砂土取40%，粘土20%，断层破碎带5%。[0028]注浆压力为0.5～1Mpa，施工中根据施工现场试验确定较合理的注浆参数。由于采用低压加固注浆，止浆盘为5～10cm厚喷射砼封闭，防止跑浆。[0029]注浆前检查注浆泵、管路及接头牢固程度，防止浆液冲出伤人。[0030]注浆时密切监视压力变化，发现异常及时处理。[0031]注浆时注意防止串浆和跑浆，若发生串浆和跑浆要停止注浆，分析原因随时解决。做好注浆压力、注浆量、注浆时间等各项记录。[0032]（4）在滞后A部一段距离后，清除洞碴，拆除下台阶范围内的平导钢架；

（5）将既有TBM平导洞横断面的下部外侧待扩挖部分记为B部，开挖B部，施做B部台阶周边的初期支护；初期支护步骤为：初喷砼，再铺设钢筋网，架立钢架，设锁脚锚杆，然后钻设径向锚杆，再复喷砼至设计厚度；锁脚锚杆的外插角为20°。[0033]（6）对扩挖后的底部底板即仰拱部分和边墙基础进行整幅灌筑；

（7）待步骤（6）中灌注的仰拱砼初凝后，灌筑底板上部的隧底填充部至设计高度；（8）清理好初期支护基面，初期支护与二次衬砌之间的拱墙铺设塑料防水板加土工布；二次衬砌背后设环、纵向透水盲沟。[0034]（9）待围岩和初期支护变形稳定后，利用衬砌台车一次性灌筑A部外侧的拱墙的二次衬砌部分，并于拱顶预埋PVC注浆管；待砼达到设计强度后，进行充填注浆。

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在本发明的技术方案中，在开挖前先拆除仰拱块，TBM掘导扩挖采用多功能作

业台架开挖，Ⅱ、Ⅲ级围岩地段光面爆破，Ⅳ、Ⅴ级围岩采用控制爆破、弱爆破，以减少对围岩的扰动、防坍塌，使得拱顶结构更加稳定。出碴采用装碴机装碴，自卸汽车运碴，直接拉运至弃碴场弃碴。

[0036]初期支护由挂钢筋网、喷射砼和锚杆组成，Ⅲ、Ⅳ级围岩拱部120°范围内增加格栅钢架加强支护；Ⅴ级围岩地段拱墙增加格栅钢架加强支护；拱部采用中空注浆锚杆，其余边墙采用砂浆锚杆。

[0037]格栅钢架在洞外按设计加工成型，洞内安装在初喷砼之后进行，与定位系筋、锚杆联接。格栅钢架间设纵向连接筋，格栅钢架间以喷砼填平。格栅钢架拱脚安放在牢固的基础上，架立时垂直隧道中线，当格栅钢架和围岩之间间隙过大时设置垫块，用喷砼喷填。[0038]喷砼采用湿喷技术，砼在洞外由砼拌和站站拌好，通过输送车向洞内送料，空压机供风。砂选用颗粒坚硬、干净的中粗砂，细度模数、含水率符合相关规范要求；碎石选用坚硬耐久、最大粒径不大于10mm的碎石；水泥用42.5R普通硅酸盐水泥；使用的外加剂主要有减水剂、速凝剂。速凝剂、减水剂均选择质优、性能优良的产品。速凝剂在使用前，要做与水泥的相容性试验及水泥净浆凝结效果试验，使用中初凝时间应小于5min，终凝时间小于10min。

[0039]为保证喷射砼的厚度和质量，喷射砼分二次完成，即初喷和复喷。喷射砼以湿喷为主，含水量较大地段采用潮喷工艺。喷射料由洞外的砼拌合站拌合，砼输送车运输。初喷在清帮、找顶后进行，喷射砼厚度4～5cm，及早快速封闭围岩，钻爆段采用轮式湿喷机械手，TBM掘进段采用TBM自带的湿喷机械手。复喷在拱架、挂网、锚杆工序作业完毕后进行。采用湿喷工艺，由喷射机械手施工。

[0040]喷射前首先要对岩面进行找顶、清帮，清除松动岩块，对个别欠挖突出部分进行凿除、对个别超挖部分用C25喷砼补平；用高压水将岩面冲洗干净，对遇水易潮解的岩层，用高压风清扫岩面；喷砼前，检查喷射机工作是否正常，并进行喷射试验，一切正常后可方可正式进行砼喷射工作。[0041]喷射砼分段、分片、分层进行，由下向上，从无水、少水向有水、多水地段集中，多水处安放导管将水排出。施喷时喷头与受喷面基本垂直，距离保持在1.5～2.0m。格栅钢架、钢拱架时，钢架与岩面之间的间隙用喷射砼充填密实，喷射顺序先下后上对称进行，先喷钢架与围岩之间空隙，后喷钢架之间，钢架应被喷射砼所覆盖，保护层不得小于4cm。喷前先找平受喷面的凹处，再将喷头成螺旋形缓慢均匀移动，每圈压前面半圈，绕圈直径约30cm，力求喷出的砼层面平顺光滑。一次喷射厚度控制在6cm以下，每段长度不超过6m，喷射回弹物不得重新用作喷射砼材料。新喷射的砼按规定洒水养生。[0042]上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

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