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石忠高速南主塔墩基礎(chǔ)施工技術(shù)

1樁基、承臺(tái)和流速施工史忠高速公路忠縣大橋位于忠縣縣城8公里處。主橋?yàn)?05m460m205m。經(jīng)過(guò)完全的浮動(dòng)系統(tǒng),平臺(tái)頂部的上述橋墩高度為247.5米。南主塔墩基礎(chǔ)為低樁承臺(tái)結(jié)構(gòu),由19根直徑3m的鉆孔灌注樁及圓柱形承臺(tái)構(gòu)成,鉆孔灌注樁樁長(zhǎng)37m,承臺(tái)直徑為33m,高6m。采用雙壁自浮式鋼圍堰進(jìn)行樁基和承臺(tái)的施工,樁基施工時(shí)在36m直徑鋼圍堰頂部搭設(shè)鉆孔平臺(tái),采用沖擊鉆成孔工藝。該墩基礎(chǔ)布置及施工編號(hào)見(jiàn)圖1。2003年6月三峽水庫(kù)蓄水至+139m(吳淞高程)后,水面加寬,水流平緩,橋址水位在+136.77~+138.18m間變動(dòng)時(shí),江面寬約1160m,水深約17m。2003年7月對(duì)橋區(qū)河段進(jìn)行流速流向等觀測(cè)表明,主流線順直,表面流速在1.2~2.1m/s之間,橋軸線附近表面流速在1.5~1.7m/s之間。南主塔墩位于長(zhǎng)江河床中部,覆蓋層為卵石,最大直徑16cm,多為5~12cm,卵石間空隙由細(xì)-粗砂充填,主要為細(xì)-中砂,厚度3.0~5.3m,頂面高程+119.74~+120.68m,頂面坡角2°~4°。2施工條件和重點(diǎn)難點(diǎn)分析2.1施工條件總結(jié)2.1.1地質(zhì)條件(1)頂面高程和巖塊天然抗壓強(qiáng)度根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料,南主塔墩位區(qū)下伏基巖為侏羅紀(jì)上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J)紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及細(xì)砂巖。強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖頂面高程+114.72~+117.16m,層厚0.40~6.80m;弱風(fēng)化細(xì)砂巖層厚4.41~8.50m,巖塊天然抗壓強(qiáng)度為57~70MPa;弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層厚3.94~8.99m,巖塊天然抗壓強(qiáng)度為31MPa;微風(fēng)化細(xì)砂巖層厚大于16.99m,巖塊天然抗壓強(qiáng)度為51~71MPa。具體地質(zhì)分布見(jiàn)表1。(2)砂卵巖干吸泥長(zhǎng)度在圍堰下沉和封底混凝土的實(shí)施中,通過(guò)潛水員對(duì)河床底部進(jìn)行實(shí)探中,發(fā)現(xiàn)在北側(cè)兩排樁位處河床面斜向貫穿有一條V形槽,沉積密實(shí)的砂卵石用大功率吸泥機(jī)長(zhǎng)時(shí)間均無(wú)法完全吸除。沉積密實(shí)的砂卵石帶大致分布見(jiàn)圖1中平面的陰影部分。2.1.2施工環(huán)境條件在樁基施工時(shí),鋼圍堰已經(jīng)下沉就位,封底混凝土澆注完成。鉆孔平臺(tái)在圍堰頂面搭設(shè)而成。2.1.3水面寬度長(zhǎng)江由南向北流經(jīng)橋位區(qū),三峽蓄水至+139m(吳淞高程)后,水面加寬,水流平緩。根據(jù)長(zhǎng)江三峽委員會(huì)安排,2006年6月要完成三峽三期蓄水,蓄水最高水位為+154m,比鋼圍堰頂口標(biāo)高高出3m多。2.2成孔時(shí)間及期望時(shí)間該項(xiàng)目在前期的施工中,在36m超大直徑的鋼圍堰下沉封底后,鉆孔樁的實(shí)施時(shí)已是2005年12月,后續(xù)承臺(tái)和+154m以下的22.22m墩身施工需約3個(gè)月時(shí)間,即樁基礎(chǔ)的施工容許時(shí)間不到4個(gè)月,而樁基的施工關(guān)鍵在于成孔環(huán)節(jié)。樁基采用沖擊鉆成孔工藝。對(duì)于三峽庫(kù)區(qū)的特殊地質(zhì)和施工環(huán)境,其實(shí)施的重難點(diǎn)主要在設(shè)備選型,以及結(jié)合特殊地質(zhì)情況和施工環(huán)境采取特殊的工藝和有效的工法,以確保整個(gè)群樁基礎(chǔ)各樁成孔的順利實(shí)施。(1)基巖面和巖面面沖孔設(shè)備的選型,主要考慮樁徑、樁長(zhǎng)、地質(zhì)構(gòu)造和巖石強(qiáng)度。該墩位3m的特大直徑,樁長(zhǎng)37m,基巖面以下部分約30m,天然抗壓強(qiáng)度為51~71MPa的巖石約占20m。選擇多大型號(hào)的鉆機(jī)、沖擊錘和配套鋼絲繩成為樁孔沖擊效果和進(jìn)程的最重要因素。(2)重型設(shè)備起重設(shè)備主要考慮在鉆機(jī)選型確定后,能保證鉆機(jī)及樁錘在施工區(qū)域的吊裝和轉(zhuǎn)運(yùn)需要,吊距和吊重為主要選型參數(shù)。(3)平臺(tái)施工施工平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要考慮鉆機(jī)自重、樁錘沖擊時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)荷載和施工輔助工器具等普通荷載;另外平臺(tái)的設(shè)置高度也要考慮樁孔沖擊沖程影響。(4)施工工藝施工工藝的設(shè)計(jì)上,主要考慮特殊地質(zhì)情況,河床局部高低不平,不同構(gòu)造巖石強(qiáng)度分層明顯,在開(kāi)孔、沖程環(huán)節(jié)需要及時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。(5)石帶沖孔的控制該墩位的一條從上下游貫穿基礎(chǔ)區(qū)域的V形沉積密實(shí)砂卵石帶,在開(kāi)孔沖擊后將成為最不利因素,V形槽深度前期難以準(zhǔn)確把握,在沖擊振動(dòng)作用下易造成塌孔、串孔等問(wèn)題,如何采取措施進(jìn)行處理成為沖孔能否順利實(shí)施的控制因素。(6)解決問(wèn)題對(duì)沖擊鉆成孔工藝,常見(jiàn)問(wèn)題主要有鋼絲繩拉斷、掉錘、卡鉆、塌孔、串孔等。針對(duì)常見(jiàn)問(wèn)題,采取應(yīng)急預(yù)案,確保在問(wèn)題出現(xiàn)后能及時(shí)地得到解決。3挖掘機(jī)設(shè)備的選擇結(jié)合3m的特大直徑樁孔、37m樁長(zhǎng)、基巖面以下部分約30m、巖石天然抗壓強(qiáng)度最高達(dá)71MPa的技術(shù)需求,對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行選型。3.1worm類(lèi)型鉆機(jī)主要性能參數(shù)見(jiàn)表2。3.2樁錘的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為采用十字沖錘,單錘重量11t,十字形狀,外徑為2.98m,樁錘底面交錯(cuò)布置合金鋼錘牙。樁錘的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。鋼絲繩采用優(yōu)質(zhì)鍍鋅18×7-36型鋼絲繩。4工藝設(shè)計(jì)和措施4.1根樁沖孔情況根據(jù)不到4個(gè)月的樁基施工工期壓力,考慮前期準(zhǔn)備、混凝土澆注和后期拆除工作,結(jié)合相鄰樁不同時(shí)開(kāi)孔的原則,19根樁總體上按兩輪沖孔完成。鉆孔順序?yàn)?第一輪:10-1號(hào),10-3號(hào),10-4號(hào),10-6號(hào),10-8號(hào),10-12號(hào),10-14號(hào),10-16號(hào),10-17號(hào),10-19號(hào)。第二輪:10-2號(hào),10-5號(hào),10-7號(hào),10-9號(hào),10-10號(hào),10-11號(hào),10-13號(hào),10-15號(hào),10-18號(hào)。4.2單孔工藝結(jié)合沖擊鉆成孔施工方法,采用泥漿反循環(huán)除渣,氣舉反循環(huán)清孔施工工藝。4.2.1基巖微膠囊?guī)r微膠囊技術(shù)根據(jù)樁位地質(zhì)情況,部分樁位開(kāi)孔處存在砂卵石層,開(kāi)孔段基巖為強(qiáng)風(fēng)化層,而樁孔大部分為完整巖層,泥漿的護(hù)孔作用主要是保證開(kāi)孔段不產(chǎn)生塌孔,還需滿(mǎn)足排渣需要,泥漿技術(shù)指標(biāo)主要考慮相對(duì)密度,具體參數(shù)見(jiàn)表3。4.2.2除渣工藝的配置除渣清孔系統(tǒng)主要清除沖孔產(chǎn)生的巖石碎渣和可能出現(xiàn)的卵石,主要用準(zhǔn)300mm導(dǎo)管配置20m3的大功率空壓機(jī)組成,采用氣舉反循環(huán)清孔的除渣工藝。4.2.3沖孔程序控制結(jié)合開(kāi)孔段不良地質(zhì)和巖層強(qiáng)度分層明顯的特點(diǎn),單孔沖孔過(guò)程中進(jìn)行以下控制:(1)反復(fù)沖擊造漿:護(hù)筒底腳以下文開(kāi)孔具有導(dǎo)向作用,因此開(kāi)孔的孔位必須準(zhǔn)確。開(kāi)鉆時(shí)向護(hù)筒內(nèi)直接投入粘土,用沖擊錐以小沖程反復(fù)沖擊造漿。護(hù)筒底腳以下2~3m范圍內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化層巖石比較松散,采用濃泥漿、小沖程、高頻率反復(fù)沖砸,使孔壁堅(jiān)實(shí)不坍不漏。針對(duì)局部樁位存在砂卵石夾槽的特殊不利情況,在開(kāi)孔段投放一定數(shù)量的干拌袋裝混凝土,使之能部分?jǐn)D壓至砂卵石層,以保證該部分孔壁的穩(wěn)定性。(2)巖塊及沖程的重要性分析強(qiáng)風(fēng)化層開(kāi)孔完畢后,剩余巖層分層厚度為:弱風(fēng)化細(xì)砂巖層厚4.41~8.50m,巖塊天然抗壓強(qiáng)度為57~70MPa→弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層厚3.94~8.99m,巖塊天然抗壓強(qiáng)度為31MPa→微風(fēng)化細(xì)砂巖層厚大于16.99m,巖塊天然抗壓強(qiáng)度為51~71MPa。(1)弱(微)風(fēng)化細(xì)砂巖:該兩部分巖層比較堅(jiān)硬,強(qiáng)度接近,占據(jù)樁孔大部分巖石,采用4~5m的大沖程,但為防止卡鉆、沖壞孔壁或使孔壁不圓等問(wèn)題發(fā)生,最大沖程不得超過(guò)6m。(2)弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖:該部分為弱風(fēng)化和微風(fēng)化細(xì)砂巖的夾層,強(qiáng)度中等,采用3~4m的中等沖程。在開(kāi)孔及整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中,認(rèn)真填寫(xiě)施工記錄,每鉆進(jìn)2m和在地層變化處均應(yīng)撈取渣樣,以便與勘察設(shè)計(jì)時(shí)的地質(zhì)剖面圖進(jìn)行核對(duì),同時(shí)也為沖程、泥漿、樁錘和鉆進(jìn)速度等技術(shù)指標(biāo)選擇提供更為直接的參考數(shù)據(jù)。在鉆進(jìn)過(guò)程中孔內(nèi)水位要求保持1.5~2.0m水頭高度,清孔時(shí)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)水。(3)最后一個(gè)孔將至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)改用小沖程,檢查樁基嵌入微風(fēng)化巖層的深度和基底巖石強(qiáng)度。滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求后,停止鉆孔,撈取渣樣并進(jìn)行檢孔。(4)兩次進(jìn)行進(jìn)行根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn),混凝土的澆注采用在清水孔條件下灌注,因此清孔分兩次進(jìn)行。第一次主清孔為終孔時(shí),采用氣舉清孔;第二次輔清孔在混凝土澆注前,以混凝土灌注導(dǎo)管清孔。清孔控制指標(biāo)為孔內(nèi)泥漿全被置換為清水且孔底沉渣<5cm,若該條件滿(mǎn)足不再進(jìn)行二次清孔。(5)孔檢測(cè)第一次清孔完畢后,采用檢孔器檢查樁徑、傾斜度、孔深等,根據(jù)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求,成孔控制質(zhì)量指標(biāo)見(jiàn)表4。4.3影響和處理常見(jiàn)孔及案例的準(zhǔn)備4.3.1鋼絲繩損壞采用打撈勾打撈鉆頭,打撈勾上系準(zhǔn)40mm的鋼絲繩,將打撈勾放入孔底邊,緩慢拖動(dòng)至另一邊,確認(rèn)勾住后,打撈出鉆頭。4.3.2鉆頭向非孔道開(kāi)接入沖錘被卡主要有以下兩種情況:(1)孔徑不圓。鉆頭向下有活動(dòng)余地,可使鉆頭向下活動(dòng)并轉(zhuǎn)動(dòng)至孔徑較大方向提起鉆頭,換新鉆頭將此處擴(kuò)孔,直至鉆頭可以自由升落。(2)孔徑變小。平時(shí)及時(shí)修補(bǔ)沖擊鉆頭,若孔已變小,應(yīng)嚴(yán)格控制鉆頭直徑,并在鉆頭撈起后,拋填小塊石,反復(fù)沖刮孔壁,以增大孔徑。4.3.3小沖程沖擊擠壓裝置塌孔可能出現(xiàn)在開(kāi)孔段,對(duì)于局部小范圍的塌孔,采用投放袋裝干混凝土進(jìn)行小沖程沖擊擠壓;出現(xiàn)大面積塌孔則采用灌注低標(biāo)號(hào)水下混凝土回填后重新開(kāi)孔沖擊。4.3.4砂研磨層的影響由于部分樁位砂卵石夾槽的存在,在沖孔中樁錘振動(dòng)和孔內(nèi)外水頭差的共同作用下,可能會(huì)造成砂卵石層的松動(dòng)導(dǎo)致串孔問(wèn)題出現(xiàn),其后果是泥漿滲漏和后期混凝土澆注時(shí)外漏。如果出現(xiàn)必須及時(shí)處理,其方法是采用袋裝干混凝土進(jìn)行堵洞后用水下低標(biāo)號(hào)混凝土回填,重新開(kāi)孔進(jìn)行沖擊。4.4管流平臺(tái)搭設(shè)鉆孔平臺(tái)設(shè)計(jì)荷載為單輪沖孔的10臺(tái)鉆機(jī)和樁錘自重、鉆機(jī)沖擊荷載、泥漿制備系統(tǒng)、清孔空壓機(jī)及導(dǎo)管配套、常用材料機(jī)具等。平臺(tái)搭設(shè)在圍堰頂口。平臺(tái)主梁用貝雷梁,上鋪設(shè)I56型鋼形成鉆孔平臺(tái)。由于鋼圍堰內(nèi)徑達(dá)到33m,為減小梁系凈跨距,在鋼護(hù)筒外壁口采用鋼桁架接高作為梁系的中部支撐,鉆孔平臺(tái)布置示意見(jiàn)圖3。4.5塔錘安裝位置由于圍堰外徑36m,平臺(tái)在圍堰頂口搭設(shè),起重設(shè)備主要考慮要滿(mǎn)足11t的樁錘和鉆機(jī)進(jìn)出孔位需求為控制,安裝位置考慮在圍堰外側(cè),起重吊距不小于33m。在圍堰下沉施工時(shí),采用2臺(tái)800t甲板駁拼裝的平臺(tái)上安裝有1臺(tái)WQ4070型桅桿吊,起重能力能滿(mǎn)足需要。5墩沖孔效果根據(jù)各根樁孔的實(shí)際沖擊進(jìn)程,以時(shí)間和沖擊孔深為坐標(biāo)軸繪制沖擊進(jìn)程曲線,10號(hào)墩全部19根樁的兩輪沖孔效果見(jiàn)圖4。繪制時(shí)孔深的起算點(diǎn)為原圍堰封底混凝土的設(shè)計(jì)底標(biāo)高,至設(shè)計(jì)樁底孔深為30m,第一根樁的開(kāi)孔為2005年11月27日,末樁的終孔為2006年3月14日,全部樁孔的沖孔總歷時(shí)108d,總耗時(shí)見(jiàn)表5。5.1沖孔效率分析根據(jù)描繪的曲線圖,沖孔效果有以下特點(diǎn):(1)第一輪沖孔曲線斜率明顯比第二輪小,第一輪平均時(shí)間56.8d,每天進(jìn)尺約0.5m;第二輪平均為33.9d,每天進(jìn)尺約1m,第二輪的效率得到明顯提高。(2)圖中共4根曲線出現(xiàn)進(jìn)尺倒退,說(shuō)明該4根樁在沖孔中出現(xiàn)了問(wèn)題。第一輪3根,進(jìn)尺全部曾倒退為0,其中8號(hào)樁孔曾2次倒退為0,根據(jù)解決問(wèn)題的預(yù)案,采取的是回填處理,說(shuō)明該部分樁孔出現(xiàn)了塌孔或串孔,8號(hào)樁和10號(hào)樁是該輪沖孔總時(shí)的主要影響因素;第二輪7號(hào)樁出現(xiàn)倒退但未回填到基巖面標(biāo)高,其影響因素為樁孔不規(guī)范導(dǎo)致卡錘,局部回填重新沖擊的結(jié)果,其耗時(shí)對(duì)本樁和本輪的沖孔時(shí)間影響不大。(3)大部分效果曲線較順暢,其中部分較平緩,其效果未達(dá)到最佳,其原因也值得分析。5.2效果分析結(jié)合效果曲線和施工實(shí)際對(duì)影響因素進(jìn)行總結(jié)分析。5.2.1舊設(shè)備運(yùn)行性能差通過(guò)最佳效果,沖孔進(jìn)尺平均能達(dá)1m/d,說(shuō)明鉆機(jī)選型能滿(mǎn)足需求。但所有設(shè)備不是全新,其中14號(hào)、16號(hào)樁孔為舊設(shè)備,故障也較多,其運(yùn)轉(zhuǎn)性能低于新設(shè)備,在第一輪后期已影響到15號(hào)樁孔的開(kāi)孔時(shí)間;另外8號(hào)樁孔由于其前期問(wèn)題原因影響到相鄰的7號(hào)樁開(kāi)孔時(shí)間,最后的7號(hào)、15號(hào)孔均采用了新購(gòu)鉆機(jī),最終保障了該兩樁孔分別為32、33d的沖孔時(shí)間。5.2.2錘磨和補(bǔ)焊影響第一階段沖孔沖錘在施工中未出現(xiàn)異常,主要措施是加強(qiáng)錘徑及捶牙磨損情況的頻繁檢查,并采用2個(gè)備用錘隨時(shí)對(duì)磨損錘進(jìn)行更換和補(bǔ)焊。鋼絲繩原方案設(shè)計(jì)時(shí)按過(guò)去施工經(jīng)驗(yàn)采用準(zhǔn)36mm規(guī)格,在第一輪的實(shí)施中鋼絲繩拉斷問(wèn)題出現(xiàn)頻繁,打撈沖捶和換繩占據(jù)較多時(shí)間,成為影響第一輪沖孔時(shí)間的主要因素之一。后及時(shí)采用準(zhǔn)40mm規(guī)格鋼絲繩,有效杜絕了該問(wèn)題的出現(xiàn)。5.2.3微砂帶將進(jìn)入較低的檔案泥漿因素在第一輪后期中有一定影響,而泥漿指標(biāo)的主要因素體現(xiàn)為相對(duì)密度。方案設(shè)計(jì)時(shí)泥漿相對(duì)密度按1.20~1.40控制,但在進(jìn)入弱風(fēng)化細(xì)砂巖后發(fā)現(xiàn)進(jìn)程明顯偏低,后對(duì)泥漿相對(duì)密度按上限1.40控制,其進(jìn)程得到明顯改善。氣舉反循環(huán)的除渣清孔工藝,每次基本控制在2~3h,每天除渣1次,其效果能滿(mǎn)足正常的施工需要。5.2.4鉆機(jī)轉(zhuǎn)速性能非固定因素沖擊鉆成孔效率的特點(diǎn)就是靠單錘沖擊效果和沖擊頻率的綜合作用。除鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速性能為固定因素外,其它都是可以通過(guò)臨時(shí)調(diào)節(jié)來(lái)解決這一矛盾。通過(guò)本項(xiàng)目實(shí)踐,原設(shè)計(jì)的針對(duì)不同地質(zhì)巖層的沖程是滿(mǎn)足需要的,在沖擊頻率上和該項(xiàng)目鉆機(jī)、沖程相匹配的最佳效果為8次/min。5.2.5基巖面沖孔特征該項(xiàng)目特殊地質(zhì)為砂卵石層的影響。原估計(jì)為部分砂卵石帶夾槽的影響,事實(shí)上其范圍和深度比估計(jì)更加嚴(yán)重。第一輪在靠上游的8號(hào)、16號(hào)、19號(hào)孔均出現(xiàn)塌孔,問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)是基于護(hù)筒內(nèi)泥漿位下降至圍堰外側(cè)江水平面,說(shuō)明已經(jīng)與江水串通。經(jīng)分析為圍堰下沉實(shí)施時(shí)河床基巖面有向上游側(cè)傾斜的斜坡,下游已著床而上游刃腳大部分在砂卵石層上,加上帶V形的夾槽,密實(shí)的砂卵石在圍堰封底時(shí)未完全吸除,在沖擊振動(dòng)、護(hù)筒內(nèi)外水頭差壓力及上游流水沖刷的共同作用下,導(dǎo)致靠上游的樁孔和圍堰外側(cè)江水串通,泥漿質(zhì)量無(wú)法保證致使沖孔進(jìn)程受阻。其處理的方法仍按潛水堵孔再澆注低標(biāo)號(hào)混凝土回填的預(yù)案,其效果是明顯的,16號(hào)和19號(hào)樁孔皆一次處理完成,8號(hào)樁主要因V形夾槽的砂卵石帶較深,在第一次未將砂卵石帶處理徹底的情況下導(dǎo)致二次穿孔再處理的后果。對(duì)該問(wèn)題的處理16號(hào)孔累計(jì)耗時(shí)10d,19號(hào)孔累計(jì)耗時(shí)8d,8號(hào)孔耗時(shí)累計(jì)超1個(gè)月,直接影響到11號(hào)和15號(hào)孔的開(kāi)孔時(shí)間,成為了本項(xiàng)目樁基施工工期的影響因素。最后迫于受蓄水壓力的工期因素,采取了對(duì)相鄰的11號(hào)、15號(hào)同時(shí)沖孔的措施,由于前期的回填處理得當(dāng),后未造成塌孔串孔問(wèn)題的發(fā)生。5.2.6錘子由于對(duì)樁錘檢查和修補(bǔ)及時(shí),兩輪沖孔僅在7號(hào)樁孔出現(xiàn)過(guò)一次卡錘,采用放小炮的措施及時(shí)處理,回填碎石重新沖孔,對(duì)該孔進(jìn)程無(wú)大影響。5.2.7未其它影響工效的因素原方案的施工平臺(tái)及起重設(shè)備等能滿(mǎn)足施工需要,未有其它對(duì)工效產(chǎn)生影響的因素發(fā)生。最終通過(guò)超聲波檢測(cè)儀對(duì)樁孔進(jìn)行檢查,19根樁孔的孔深、孔徑、垂直度和樁底承載力等均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。6沖擊鉆成孔影響因素研究

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