CN109441469A - 一种拟合自由断面的自行式盾构机成套设备和隧道施工方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种拟合自由断面的自行式盾构机成套设备，与现有技术相比，包括：设置于盾构机主体前端的内支撑组件；设置于所述内支撑组件上，用于挖开掌子面土体的开挖机组，用于输送渣土的出渣机构，用于拟合自由断面及支护土体的外支护模块；用于立拱架的钢拱架拼装机，用于打锚杆的锚杆钻机，用于喷混的喷混桥，用于衬砌、养护作业的衬砌作业设备等。本申请提供的成套设备，相较于现有技术而言，外支护模块能够拟合出自由断面，设备重复利用率高，适应性广；集开挖、出渣、衬砌、养护等作业于一体，能有效降低施工成本，提高施工安全与效率。本申请还提供一种应用到上述设备的隧道施工方法，同样具有上述有益效果。
Description
技术领域
本申请涉及隧道施工装备技术领域，更具体地说，尤其涉及一种拟合自由断面的自行式盾构机成套设备，本申请还涉及一种隧道施工方法。
背景技术
目前，在隧道施工领域中，采用盾构机对隧道进行掘进是尤为重要的一步。常见的隧道施工方法主要包括：矿山法施工以及普通盾构法施工(如圆形盾构、矩形盾构、马蹄形盾构等)。矿山法施工机械简单，施工速度慢，施工作业环境差，且隧道容易坍塌造成人员安全事故。普通盾构法施工一般需要预制管片衬砌，形成衬砌环，为盾构机提供推进的支反力，管片衬砌增加了施工成本，且受管片密封、管片拼装质量因素影响隧道存在漏浆、漏水等情况，隧道成型质量差。
然而，普通盾构法全断面刀盘开挖施工一般为单一开挖断面，当开挖断面变化之后，盾构机得重新设计制造，盾构机重复利用率差；当掌子面前方出现障碍物等障碍时，很难处理；且盾构机设备复杂，设备成本高；盾构机掘进时需要向开挖的渣土注入泡沫、膨润土等改良剂以改良渣土，排出来的渣土携带改良剂容易污染环境。
因此，提供一种拟合自由断面的自行式盾构机成套设备，可以拟合各种自由断面，提高设备的重复利用率，增加设备的适应性，降低施工成本，有效提高施工安全以及施工效率。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请提供一种拟合自由断面的自行式盾构机成套设备，其能拟合各种自由断面，适应多种开挖断面，设备重复利用率高、适应性广，显著提高设备的重复利用率，增加设备的适应性，降低施工成本，提高施工效率以及施工安全。本申请还提供一种隧道施工方法，同样具有上述有益效果。
本申请提供的技术方案如下：
一种拟合自由断面的自行式盾构机成套设备，包括：设置于盾构机主体前端的内支撑组件；设置于内支撑组件上，用于挖开掌子面土体的开挖机组；设置于内支撑组件上，用于输送渣土的出渣机构；设置于内支撑组件上，用于拟合自由断面以及支护土体的外支护模块。
进一步地，在本发明一种优选的方式中，外支护模块包括：设置于内支撑组件上弧段，且可伸缩的顶部插刀机构；设置于内支撑组件侧弧段，且可伸缩的侧部插刀机构；设置于内支撑组件下弧段，且可伸缩的底部插刀机构。
更进一步地，外支护模块还包括水平设置于内支撑组件中部，且可伸缩的中部插刀机构；
更进一步地，顶部插刀机构、侧部插刀机构、底部插刀机构按圆弧状曲线排列分布。
进一步地，在本发明一种优选的方式中，顶部插刀机构包括：用于***待挖掘土体的顶部插刀；设置于内支撑组件上，用于控制顶部插刀前后伸缩的顶部推进油缸；侧部插刀机构包括：用于***待挖掘土体的侧部插刀；设置于内支撑组件上，用于控制侧部插刀前后伸缩的侧部推进油缸；底部插刀机构包括：用于***待挖掘土体的底部插刀；设置于内支撑组件上，用于控制底部插刀前后伸缩的底部推进油缸；中部插刀机构包括：用于***待挖掘土体的中部插刀；设置于内支撑组件上，用于控制中部插刀前后伸缩的中部推进油缸。
进一步地，在本发明一种优选的方式中，顶部插刀的长度一致，底部插刀的长度一致；顶部插刀的长度大于底部插刀的长度；侧部插刀的长度介于顶部插刀的长度及底部插刀的长度之间；侧部插刀的长度沿顶部插刀机构的一侧到底部插刀机构的一侧递减；中部插刀的长度一致。
进一步地，在本发明一种优选的方式中，拟合自由断面的自行式盾构机成套设备还包括：设置于内支撑组件上的挡土机构；挡土机构包括：用于阻挡松软土体坍塌的挡土板；用于推进挡土板的伸缩机构。
进一步地，在本发明一种优选的方式中，拟合自由断面的自行式盾构机成套设备还包括：设置于内支撑组件后端，用于支撑土体的尾盾，尾盾通过伸缩油缸与内支撑组件连接。
进一步地，在本发明一种优选的方式中，拟合自由断面的自行式盾构机成套设备还包括：设置于尾盾上，用于搭建拱架的钢拱架拼装机。
进一步地，在本发明一种优选的方式中，拟合自由断面的自行式盾构机成套设备还包括：设置于尾盾后端用于打锚杆的锚杆钻机。
进一步地，在本发明一种优选的方式中，拟合自由断面的自行式盾构机成套设备还包括：设置于锚杆钻机后端用于喷混的喷混桥。
进一步地，在本发明一种优选的方式中，拟合自由断面的自行式盾构机成套设备还包括：设置于喷混桥后端的衬砌作业设备。
此外，本申请还提供一种应用上述盾构机进行隧道施工的方法，具体包括如下步骤：
步骤1：施工准备：在始发井内组装并调试盾构机，使其具备始发条件；
步骤2：推出顶部、侧部及中部插刀模块：油缸伸出，依次推出顶部插刀、侧部插刀及中部插刀模块，形成支护前檐；
步骤3：伸出挡土机构：开挖挡土机构前方土体，伸出挡板机构；
步骤4：开挖出土：开挖机构开挖土体，开挖出的土体通过出渣机构运出；
步骤5：推出底部插刀：开挖完成后推出底部插刀；
步骤6：内支撑组件跟进：所有插刀上的油缸同步回缩，依靠插刀外壳和土层的摩擦力作为支反力,因为钢对土的摩擦系数大于钢对刚的摩擦系数，所以插刀与土层之间的摩擦力大于插刀和内支撑组件的摩擦力，拉动内支撑组件前移一个行程距离，来实现盾构机前进；
步骤7：立拱、喷混、二衬：在开挖土体同时，拱架拼装机立拱、锚杆钻机打锚杆、喷混桥喷混凝土，对隧道断面形成初期支护，以及利用衬砌作业设备在离主机一定距离同时进行二次衬砌；
步骤8：隧道成型：按上述步骤S1至S7循环作业，至掘进完成，隧道成型；
步骤9：接收盾构机：可以不设置接收井，在预设位置拆卸，实现洞内拆卸回退施工。
本发明提供的一种拟合自由断面的自行式盾构机成套设备，与现有技术相比，包括：设置于盾构机主体前端的内支撑组件，内支撑组件上设置有用于挖开掌子面土体的开挖机组、用于输送渣土的出渣机构以及用于***待挖掘土体且支撑挖掘区域土体的外支护模块。其中涉及的外支护模块可用于拟合自由断面以及支护土体，其能够针对不同的开挖断面拟合出多种断面，可使设备重复利用率高，适应性广；此外，本申请中通过外支护模块的设置，可对超前的开外面进行支撑，方便开挖机组对待开挖土体进行挖掘，极大程度上提高了施工安全性以及施工效率，降低了施工成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的拟合自由断面的自行式盾构机成套设备的整体示意图；
图2为本发明实施例提供的顶部插刀机构或底部插刀机构或侧部插刀机构或中部插刀机构的细节示意图；
图3为本发明实施例提供的平行开挖面插刀机构和挡土机构装配位置示意图；
图4为本发明实施例提供的顶部、侧部、中部插刀机构伸出示意图；
图5为本发明实施例提供的挡土机构伸出示意图；
图6为本发明实施例提供的挡土机构伸出正面示意图；
图7为本发明实施例提供的开挖土体及出渣示意图；
图8为本发明实施例提供的底部插刀机构伸出示意图；
图9为本发明实施例提供的内支撑组件跟进，主机前移示意图；
图10为本发明实施例提供的立拱、喷混、二衬工序示意图。
附图标记说明：外支护模块1；顶部插刀机构11；侧部插刀机构12；底部插刀机构13；中部插刀机构14；推进油缸15；顶部插刀111；顶部推进油缸112；侧部插刀121；侧部推进油缸122；底部插刀131；底部推进油缸132；中部插刀141；中部推进油缸142；内支撑组件2；开挖机组3；出渣机构4；挡土机构5；尾盾6；伸缩油缸7；钢拱架拼装机8；锚杆钻机9；喷混桥10；衬砌作业设备16。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上，它可以直接在另一个元件上或者间接设置在另一个元件上；当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本申请可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本申请可实施的范畴。
请如图1至图10所示，本发明实施例提供一种拟合自由断面的自行式盾构机成套设备，包括：设置于盾构机主体前端的内支撑组件2；设置于内支撑组件2上，用于挖开掌子面土体的开挖机组3；设置于内支撑组件2上，用于输送渣土的出渣机构4；设置于内支撑组件2上，用于拟合自由断面以及支护土体的外支护模块1。
本发明实施例提供的拟合自由断面的自行式盾构机成套设备，与现有技术相比，本发明实施例涉及的拟合自由断面的自行式盾构机成套设备包括：设置于盾构机主体前端的内支撑组件2，内支撑组件2上设置有用于挖开掌子面土体的开挖机组3、用于输送渣土的出渣机构4以及用于***待挖掘土体且支撑挖掘区域土体的外支护模块1。其中涉及的外支护模块1可用于拟合自由断面以及支护土体，其能够针对不同的开挖断面拟合出多种断面，可使设备重复利用率高，适应性广；此外，本申请中通过外支护模块1的设置，可对超前的开外面进行支撑，方便开挖机组3对待开挖土体进行挖掘，极大程度上提高了施工安全性以及施工效率。
具体地，在本发明实施例中，外支护模块1包括：设置于内支撑组件2上弧段，且可伸缩的顶部插刀机构11；设置于内支撑组件2侧弧段，且可伸缩的侧部插刀机构12；设置于内支撑组件2下弧段，且可伸缩的底部插刀机构13。
更加具体地，外支护模块1还包括水平设置于内支撑组件2中部，且可伸缩的中部插刀机构14。
更具体地，顶部插刀机构11、侧部插刀机构12、底部插刀机构13按圆弧状曲线排列分布。
其中，外支护模块1能针对不同的开挖断面拟合出多种断面，中部插刀机构14成平面状，将开挖断面分割成上下两个开挖断面，既保证施工安全性且上下断面能够同时开挖，提高施工效率。当开挖断面比较小时，可以取消中部插刀机构14，根据隧道断面大小及地层不同，可以不设置或者设置1个或多个中部插刀机构，可将开挖断面分为1个、2个或多个上下部分，插刀机构形式及组合形式也不限于此。
由各种曲梁与直梁模块组成框架部件，然后拼装成内支撑组件结构，为插刀模块及其它内部各部件提供支撑。本申请涉及的内支撑组件2是模块化的，所以开挖断面形状、尺寸大小改变十分容易，只要改变一下内支撑组件2的某些尺寸大小，其余零部件只做相应的数量改变进行拼装，就可获得不同断面大小与形式的新的插刀盾构，从而实现一机多用的目的。
其中，开挖机构用于开挖掌子面土体，针对不同地质采用不同形式的开挖机构，如反铲斗、截割齿、鹰嘴铲等，根据施工速度及开挖断面大小的需要，可配备多个开挖机构；一般在中部插刀机构14上方设置有上开挖机构，用于挖开断面上部的土体；在中部插刀机构14下方设置有下开挖机构，用于挖开断面下部的土体。
其中，出渣机构4用于输送渣土，根据需要可采用不同形式的出渣机构4或方式，如皮带输送机出渣、螺旋输送机出渣、刮板输送机出渣等，形式不限。
具体地，在本发明实施例中，推进油缸15共包括顶部推进油缸112、侧部推进油缸122、底部推进油缸132、中部推进油缸142。
具体地，在本发明实施例中，顶部插刀机构11包括：用于***待挖掘土体的顶部插刀111；设置于内支撑组件2上，用于控制顶部插刀111前后伸缩的顶部推进油缸112；侧部插刀机构12包括：用于***待挖掘土体的侧部插刀121；设置于内支撑组件2上，用于控制侧部插刀121前后伸缩的侧部推进油缸122；底部插刀机构13包括：用于***待挖掘土体的底部插刀131；设置于内支撑组件2上，用于控制底部插刀131前后伸缩的底部推进油缸132；中部插刀机构14包括：用于***待挖掘土体的中部插刀141；设置于内支撑组件2上，用于控制中部插刀前后伸缩的中部推进油缸142。
更加具体地，在本发明实施例中，顶部插刀111、侧部插刀121、底部插刀131、中部插刀141远离内支撑组件2的一端为楔形结构。插刀的楔形结构能有效帮助插刀更好的***待挖土体中，降低油泵的功耗。
具体地，在本发明实施例中，顶部插刀机构11的插刀长度一致，底部插刀机构13的插刀长度一致；顶部插刀机构11的插刀长度大于底部插刀机构13的插刀长度；侧部插刀机构12的插刀长度介于顶部插刀机构11及底部插刀机构13的插刀长度之间；侧部插刀机构12的插刀长度沿顶部插刀机构11的一侧到底部插刀机构13的一侧递减；中部插刀机构14的插刀长度一致。
更为具体地，插刀为长条形，依靠插刀与土层之间的摩擦力大于插刀和内支撑组件的摩擦力，无须外界提供支反力即能使盾构机自行推进，省去一般盾构推进所必须提供支反力的衬砌环。
具体地，在本发明实施例中，拟合自由断面的自行式盾构机成套设备还包括：设置于内支撑组件2上的挡土机构5；挡土机构5包括：用于阻挡松软土体坍塌的挡土板；用于推进挡土板的伸缩机构。
具体地，在本发明实施例中，拟合自由断面的自行式盾构机成套设备还包括：设置于内支撑组件2后端，用于支撑土体的尾盾6，尾盾6通过伸缩油缸7与内支撑组件2连接。
具体地，在本发明实施例中，拟合自由断面的自行式盾构机成套设备还包括：设置于尾盾6上，用于搭建拱架的钢拱架拼装机8。
具体地，在本发明实施例中，拟合自由断面的自行式盾构机成套设备还包括：设置于尾盾6后端用于打锚杆的锚杆钻机9。
具体地，在本发明实施例中，拟合自由断面的自行式盾构机成套设备还包括：设置于锚杆钻机9后端用于喷混的喷混桥10。
具体地，在本发明实施例中，拟合自由断面的自行式盾构机成套设备还包括：设置于喷混桥10后端的衬砌作业设备16。
此外，本发明实施例还提供一种应用上述盾构机进行隧道施工的方法，具体包括如下步骤：
步骤1：施工准备：在始发井内组装并调试盾构机，使其具备始发条件；
步骤2：推出顶部、侧部及中部插刀模块：油缸伸出，依次推出顶部插刀、侧部插刀及中部插刀模块，形成支护前檐；
步骤3：伸出挡土机构：开挖挡土机构前方土体，伸出挡板机构；
步骤4：开挖出土：开挖机构开挖土体，开挖出的土体通过出渣机构4运出；
步骤5：推出底部插刀：开挖完成后推出底部插刀；
步骤6：内支撑组件跟进：所有插刀上的油缸同步回缩，依靠插刀外壳和土层的摩擦力作为支反力,因为钢对土的摩擦系数大于钢对刚的摩擦系数，所以插刀与土层之间的摩擦力大于插刀和内支撑组件的摩擦力，拉动内支撑组件前移一个行程距离，来实现盾构机前进；
步骤7：立拱、喷混、二衬：在开挖土体同时，拱架拼装机立拱、锚杆钻机打锚杆、喷混桥喷混凝土，对隧道断面形成初期支护，以及利用衬砌作业设备在离主机一定距离同时进行二次衬砌；
步骤8：隧道成型：按上述步骤S1至S7循环作业，至掘进完成，隧道成型。
步骤9：接收盾构机：可以不设置接收井，在预设位置拆卸，实现洞内拆卸回退施工。
综上，本发明实施例涉及的拟合自由断面的自行式盾构机成套设备，具有多个插刀机构以实现拟合自由断面，并且通过对内支撑组件进行简单改造即能适应任何断面，可以是圆形，也可以是马蹄形、方形等各种断面，成套设备集开挖、出渣、衬砌、养护等作业于一体，设备重复利用率高、适应性广；通过插刀伸出可实现开挖面超前支护，机械开挖、出渣，有效提高施工安全性，提高施工效率；依靠插刀与土层之间的摩擦力大于插刀和内支撑组件的摩擦力，无须外界提供支反力即能使盾构机自行推进，省去一般盾构推进所必须提供支反力的衬砌环；现浇方式取代管片衬砌方式，降低施工成本，提高隧道质量；施工时无需向土体内注入渣土改良剂，对环境无污染；接收时无需接收井，可在原地拆卸盾构机实现可回退施工。本发明实施例还涉及一种应用上述盾构机进行隧道施工的方法，同样具有上述有益效果。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种拟合自由断面的自行式盾构机成套设备，其特征在于，包括：设置于盾构机主体前端的内支撑组件；设置于所述内支撑组件上，用于挖开掌子面土体的开挖机组；设置于所述内支撑组件上，用于输送渣土的出渣机构；设置于所述内支撑组件上，用于拟合自由断面以及支护土体的外支护模块。
2.根据权利要求1所述的拟合自由断面的自行式盾构机成套设备，其特征在于，所述外支护模块包括：设置于所述内支撑组件上弧段，且可伸缩的顶部插刀机构；设置于所述内支撑组件侧弧段，且可伸缩的侧部插刀机构；设置于所述内支撑组件下弧段，且可伸缩的底部插刀机构。
3.根据权利要求2所述的拟合自由断面的自行式盾构机成套设备，其特征在于，所述外支护模块还包括：水平设置于所述内支撑组件中部，且可伸缩的中部插刀机构。
4.根据权利要求3所述的拟合自由断面的自行式盾构机成套设备，其特征在于，所述顶部插刀机构包括：用于***待挖掘土体的顶部插刀；设置于所述内支撑组件上，用于控制所述顶部插刀前后伸缩的顶部推进油缸；所述侧部插刀机构包括：用于***待挖掘土体的侧部插刀；设置于所述内支撑组件上，用于控制所述侧部插刀前后伸缩的侧部推进油缸；所述底部插刀机构包括：用于***待挖掘土体的底部插刀；设置于所述内支撑组件上，用于控制所述底部插刀前后伸缩的底部推进油缸；所述中部插刀机构包括：用于***待挖掘土体的中部插刀；设置于所述内支撑组件上，用于控制所述中部插刀前后伸缩的中部推进油缸。
5.根据权利要求4所述的拟合自由断面的自行式盾构机成套设备，其特征在于，所述顶部插刀的长度一致，所述底部插刀的长度一致；所述顶部插刀的长度大于所述底部插刀的长度；所述侧部插刀的长度介于所述顶部插刀的长度及所述底部插刀的长度之间；所述侧部插刀的长度沿所述顶部插刀机构的一侧到所述底部插刀机构的一侧递减；所述中部插刀的长度一致。
6.根据权利要求5所述的拟合自由断面的自行式盾构机成套设备，其特征在于，拟合自由断面的自行式盾构机成套设备还包括：设置于所述内支撑组件上的挡土机构；所述挡土机构包括：用于阻挡松软土体坍塌的挡土板；用于推进所述挡土板的伸缩机构。
7.根据权利要求6所述的拟合自由断面的自行式盾构机成套设备，其特征在于，所述拟合自由断面的自行式盾构机成套设备还包括：设置于所述内支撑组件后端，用于支撑土体的尾盾，所述尾盾通过伸缩油缸与所述内支撑组件连接。
8.根据权利要求7所述的拟合自由断面的自行式盾构机成套设备，其特征在于，所述拟合自由断面的自行式盾构机成套设备还包括：设置于所述尾盾上，用于搭建拱架的钢拱架拼装机。
9.根据权利要求8所述的拟合自由断面的自行式盾构机成套设备，其特征在于，所述拟合自由断面的自行式盾构机成套设备还包括：设置于所述尾盾后端，用于打锚杆的锚杆钻机；设置于所述锚杆钻机后端，用于喷混的喷混桥；以及设置于所述喷混桥后端的衬砌作业设备。
10.一种隧道施工方法，其特征在于，应用如上权利要求1至9任意一项所述的拟合自由断面的自行式盾构机成套设备进行施工，包括以下步骤：
S1：组装并调试盾构机，使其具备始发条件；
S2：推出顶部、侧部及中部插刀机构：油缸伸出，依次推出顶部插刀、侧部插刀及中部插刀机构，形成支护前檐；
S3：伸出挡土机构，开挖挡土机构前方土体，伸出挡板机构；
S4：开挖机构开挖土体，开挖出的土体通过出渣机构运出；
S5：开挖完成后推出底部插刀；
S6：内支撑组件跟进：插刀上的油缸同步回缩，依靠插刀外壳和土层的摩擦力作为支反力，拉动内支撑组件前移一个行程距离，实现盾构机前进；
S7：立拱、喷混、二衬：在开挖土体同时，拱架拼装机立拱、锚杆钻机打锚杆、喷混桥喷混凝土，对隧道断面形成初期支护，以及利用衬砌作业设备在离主机一定距离同时进行二次衬砌；
S8：隧道成型：按上述步骤S1至S7循环作业，至掘进完成，隧道成型；
S9：接收盾构机：在预设位置拆卸，洞内拆卸回退施工。
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