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大面積圍海造陸創(chuàng)新技術(shù)及工程實(shí)踐董志良;張功新;李燕;胡珩;羅彥【摘要】伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,圍海造陸技術(shù)在我國(guó)取得了蓬勃的發(fā)展,大量新技術(shù)、新成果應(yīng)用于圍海造陸工程中,有力地促進(jìn)了我國(guó)圍海造陸技術(shù)水平的提高.文章詳細(xì)介紹了中交四航工程研究院有限公司近幾年在圍海造陸技術(shù)方面取得的創(chuàng)新成果以及技術(shù)成果在工程中的應(yīng)用情況,系統(tǒng)闡述了圍海造陸3個(gè)關(guān)鍵技術(shù):圍堰形成技術(shù)、陸域形成技術(shù)和軟基加固技術(shù).期刊名稱】《水運(yùn)工程》年(卷),期】2010(000)010【總頁(yè)數(shù)】14頁(yè)(P54-67)【關(guān)鍵詞】圍海造地;特點(diǎn);創(chuàng)新;圍堰形成;陸域形成;軟基加固【作者】董志良;張功新;李燕;胡珩;羅彥【作者單位】中交四航工程研究院有限公司,廣東,廣州,510230;中交四航工程研究院有限公司,廣東,廣州,510230;中交四航工程研究院有限公司,廣東,廣州,510230;中交四航工程研究院有限公司,廣東,廣州,510230;中交四航工程研究院有限公司,廣東,廣州,510230【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】U655.54圍海造陸在我國(guó)有著悠久的歷史。早在漢代就有圍海造陸的記載;到了唐、宋時(shí)期,江浙一帶曾有圍海百里長(zhǎng)堤;20世紀(jì)60、70年代,我國(guó)東部沿海大量圍墾海涂擴(kuò)建農(nóng)業(yè)用地,番禺區(qū)有80%的土地是歷代圍墾形成的。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展,特別是改革開放以來(lái),沿海地區(qū)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,建設(shè)用地越來(lái)越緊張,為此向海要地成為解決沿海地區(qū)因城市建設(shè)和拓展造成土地緊張問(wèn)題的主要途徑,圍海造陸因此得到了快速發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),從2005年開始,我國(guó)每年“向大海要地”都在100km2以上,至2007年底,我國(guó)圍海造地用海確切面積已達(dá)540km2,天津?yàn)I海新區(qū)成為目前我國(guó)最大的圍海造陸工程,預(yù)計(jì)至2012年,將完成一期80km2的圍海造陸工程。圍海造陸是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,涉及到多方面技術(shù)應(yīng)用,對(duì)施工設(shè)備、施工工藝、工程材料等都有較高的要求。經(jīng)過(guò)多年的積累和發(fā)展,我國(guó)也基本形成了具有中國(guó)特色的圍海造陸工程技術(shù),適應(yīng)了目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展的需要。按施工工藝可以將圍海造陸分為3個(gè)部分:圍堰形成技術(shù)、陸域形成技術(shù)、軟基處理技術(shù)?,F(xiàn)階段圍海造陸特點(diǎn)現(xiàn)階段,我國(guó)圍海造陸工程不同于歷史上的圍墾擴(kuò)展農(nóng)業(yè)用地,以及人類改善生存條件的圍海工程,其根本是為經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù),因此,現(xiàn)階段圍海造陸工程具有鮮明的時(shí)代特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。歸納起來(lái),現(xiàn)階段圍海造陸工程有如下特點(diǎn):1) 用途明確。多作為工業(yè)發(fā)展用地,與以往的圍墾擴(kuò)展農(nóng)業(yè)用地有著顯著的區(qū)別,兩者功能要求不同也直接決定了對(duì)所造陸地具有不同的承載力、變形要求。2) 圍海造陸工程面積大。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)土地的迫切需要,現(xiàn)階段圍海造陸不能再按以前的一點(diǎn)點(diǎn)推進(jìn)的方式進(jìn)行,而是進(jìn)行大面積的圍海造陸,以滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要,一次性圍海造陸面積達(dá)上百萬(wàn)平方米。3) 圍海造陸速度快。這是經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)土地的迫切需要,要求必須快速造陸,在最短時(shí)間內(nèi)形成滿足使用要求的陸域,已經(jīng)由以往十幾年縮短至幾年內(nèi)完成,現(xiàn)在還有進(jìn)一步加速的趨勢(shì)。4) 圍海造陸難度大。現(xiàn)階段圍海造陸不僅要在淺水、灘涂區(qū)域進(jìn)行,還逐步向深水、外海區(qū)域發(fā)展,如上海洋山深水港工程、港珠澳大橋人工島工程、山東龍口人工島群工程等,其難度顯而易見,對(duì)我國(guó)圍海造陸技術(shù)提出了很高要求。5)圍海造陸技術(shù)含量高。因?yàn)槭褂靡蟛煌?,而且圍海造陸具有面積大、速度快、難度大等特點(diǎn),所以現(xiàn)階段圍海造陸工程具有更高的技術(shù)含量,不再是古人所采取的傳統(tǒng)、古老的方法,而是最新科研技術(shù)成果,如綜合地基加固技術(shù)及快速造陸技術(shù)、淺表層快速加固技術(shù)、水上插板工藝、真空預(yù)壓聯(lián)合強(qiáng)夯加固疏浚土技術(shù)、無(wú)砂墊層排水固結(jié)法等圍海造陸新技術(shù)都已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中。從20世紀(jì)90年代以來(lái),伴隨著圍海造陸工程的蓬勃發(fā)展,我國(guó)的高校、科研院所、工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量的理論研究、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、技術(shù)創(chuàng)新,大大提高了我國(guó)圍海造陸技術(shù)的整體水平,也為大面積圍海造陸工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。其中,中交四航工程研究院有限公司(原交通部第四航務(wù)工程局科研所)就是其中杰出的一員,為我國(guó)圍海造陸技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步做出了突出貢獻(xiàn)。理論創(chuàng)新理論創(chuàng)新是技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ),對(duì)于指導(dǎo)工程實(shí)踐有著積極的意義,也一直是圍海造陸工程研究的重要內(nèi)容。近20年來(lái),我國(guó)在圍海造陸理論研究方面取得了豐碩的成果,為工程應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。1992年,董志良[1]通過(guò)等應(yīng)變條件、徑豎向滲流可分別考慮、同一深度具有相同超孔隙水壓力等一系列基本假定,建立了砂井地基徑向固結(jié)在正壓、負(fù)壓、正負(fù)壓3種情況下的固結(jié)解析解,得到了正負(fù)壓砂井地基與正壓、負(fù)壓作用時(shí)具有相同表達(dá)式。該解析解考慮了井阻和涂抹效應(yīng),經(jīng)多個(gè)真空預(yù)壓和真空聯(lián)合堆載預(yù)壓工程驗(yàn)證,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合程度良好,如圖1,2。在此基礎(chǔ)上,董志良[2]于1993年推導(dǎo)了排水固結(jié)加固地基滲流量計(jì)算公式,將加固區(qū)滲流總量分成3部分:排水板滲流總量Q總板、地基豎向滲流總量Q總豎、加固區(qū)內(nèi)外滲流總量Q總滲。該計(jì)算方法與實(shí)測(cè)值吻合程度良好(圖3),為優(yōu)化設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)奠定了理論基礎(chǔ),并得到多項(xiàng)工程驗(yàn)證。2001年,董志良[3]根據(jù)真空及堆載預(yù)壓過(guò)程中超孔隙水壓力變化情況,對(duì)地下水位情況進(jìn)行分析。建立了沒有豎向排水體、理想砂井地基條件下加載后的地下水位計(jì)算公式。沒有豎向排水體情況理想砂井地基情況2005年,董志良[4]通過(guò)對(duì)真空有真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法的加固機(jī)理、設(shè)計(jì)方法、施工工藝的深入研究,提出:真空預(yù)壓過(guò)程實(shí)際是地下水、氣被抽出的同時(shí),真空度不斷向地基土中傳遞、擴(kuò)散并在地基土中形成一定的真空負(fù)壓及其負(fù)壓力梯度的過(guò)程,真空預(yù)壓是地下水位不斷降低的過(guò)程,造成地下水位以上土體處于非飽和的真空負(fù)壓狀態(tài),也即地下水位以上的土體符合真空預(yù)壓的加固機(jī)理,而地下水位線以下的土體仍處于飽水的真空負(fù)壓狀態(tài),雖然該部分土體中也有真空度,但真空負(fù)壓是由土體中的孔隙水所承擔(dān),并未轉(zhuǎn)化為土體的有效應(yīng)力,土體有效應(yīng)力的增加,實(shí)際上是由于上部水位下降區(qū)土體的浮密度與濕密度轉(zhuǎn)化所增加的自質(zhì)量引起的,因此地下水位以下的土體符合真空降水預(yù)壓的加固機(jī)理。技術(shù)創(chuàng)新從20世紀(jì)90年代,中交四航工程研究院有限公司參與了大量圍海造陸工程的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)工作,積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。在工程建設(shè)中,不斷對(duì)原有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展,還針對(duì)特定的地質(zhì)條件、施工環(huán)境開發(fā)了一系列新工藝和新技術(shù),有力地促進(jìn)了我國(guó)圍海造陸技術(shù)的發(fā)展。90年代初,中交四航工程研究院有限公司在珠海、深圳進(jìn)行了綜合地基加固技術(shù)及快速造陸技術(shù)開發(fā)研究。1992年首次在珠海前山港區(qū)采用圍堰充水的方法,利用水荷載進(jìn)行堆載預(yù)壓,充水高度達(dá)4.15m,荷載的損失率約為2kPa/d,每天抽4h的水即可維持水壓,解決現(xiàn)場(chǎng)堆載料不足的問(wèn)題,提出用水作為堆載的新思路[5];隨后又在深圳采用三相荷載(3m回填砂荷載、2m水荷載、90kPa真空荷載)聯(lián)合加固潮間帶海淤,取得了較好的加固效果。通過(guò)以上2次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,相繼研發(fā)出聚乙烯現(xiàn)場(chǎng)粘接工藝、開發(fā)了充水預(yù)壓施工工藝,最終形成了綜合地基加固技術(shù)及快速造陸技術(shù)[6]。1996年,針對(duì)潮間帶的軟基處理問(wèn)題,中交四航工程研究院有限公司首次開發(fā)了潮間帶真空預(yù)壓施工技術(shù),解決了潮間帶插板以及潮水漲落對(duì)真空預(yù)壓密封系統(tǒng)沖刷的問(wèn)題,證明真空預(yù)壓技術(shù)同樣適用于潮間帶軟基處理。該項(xiàng)技術(shù)已成功應(yīng)用于順德桂伴海水利樞紐工程、深圳河二期治理工程、寧波大榭招商國(guó)際集裝箱碼頭陸域及圍堤形成工程,特別適合于大面積圍海造陸工程,具有較好的應(yīng)用前景。1999年,董志良[7]在排水固結(jié)加固地基滲流量計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,提出塑料排水板加固地基排水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)排水滲流量計(jì)算、排水板的選用和布置,以及水平排水砂墊層的設(shè)計(jì)等都提出具體的操作方法,在隨后軟基設(shè)計(jì)、施工中都得到充分應(yīng)用。2003年,中交四航工程研究院有限公司首次將真空預(yù)壓技術(shù)應(yīng)用在圍海吹填造地形成的超地基加固工程中并取得成功,創(chuàng)造了單塊和單個(gè)真空預(yù)壓工程全國(guó)和世界之最。2005年在南沙港區(qū)真空預(yù)壓施工中,通過(guò)在濾管之間增加水平排水板[8],有效提高了水平排水系統(tǒng)的性能,取得了較好的改進(jìn)效果,施工工藝如圖4。2006年又提出無(wú)砂墊層排水固結(jié)法,用水平排水管路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的排水砂墊層,直接將水平排水管路與垂直排水板相連,大大降低了真空能量的沿程損失,提高了真空預(yù)壓效能(圖5)。2004年,中交四航工程研究院有限公司開發(fā)了加固水下軟基施工技術(shù),主要包括:水上鋪設(shè)砂被、軟體排工藝、水上插板工藝(圖6)。并結(jié)合不同施工環(huán)境,開發(fā)了不同水深條件下(淺水區(qū)、深水區(qū)、潮間帶)的施工工藝。此外,為了滿足水上插板的需要,自行改建了2條水上專用插板船:一艘為雙底船改建而成,樁架高達(dá)50m,用于深水區(qū)作業(yè);另一艘由3000t方駁船改建而成,由8臺(tái)插板機(jī)組成,樁架高度達(dá)38m,用于淺水區(qū)作業(yè)。圖7,圖8為改裝成的插板船和鋪排船。由于真空預(yù)壓分塊抽真空時(shí)間存在差異,同時(shí)淤泥攪拌樁受到雙向真空吸力作用,會(huì)引起淤泥攪拌樁失水,表層沉陷,并形成較深的空洞,大大降低密封效果。針對(duì)軟土層含夾砂層的情況,對(duì)淤泥攪拌樁密封墻施工工藝提出許多改進(jìn)措施和新的施工方法[9],包括雙排長(zhǎng)短樁相結(jié)合密封墻和單排淤泥密封墻、共用淤泥攪拌墻樁帽技術(shù),具體方法如圖9,圖10所示。1998年,中交四航工程研究院有限公司提出考慮工程施工對(duì)周邊影響及其保護(hù)的環(huán)境巖土工程概論,是國(guó)內(nèi)較早將環(huán)境巖土工程概念引入到圍海造陸工程的單位,對(duì)真空預(yù)壓施工對(duì)周邊環(huán)境影響及防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。董志良[10]在深圳河二期治理工程中提出用格柵型水泥土攪拌樁的防護(hù)技術(shù),并取得了較好的防護(hù)效果。張功新[11]介紹了該防護(hù)技術(shù)在南沙港區(qū)二期軟基理中的應(yīng)用,具體工藝如下:水泥土攪拌樁的樁長(zhǎng)為18m,水泥摻入比為15%,同時(shí)摻4%早強(qiáng)劑,水泥土直徑均為600mm,搭接200mm,格柵邊長(zhǎng)為2mx2m,打設(shè)深度為18m,進(jìn)入黏土質(zhì)砂層。圖11為格柵型水泥攪拌樁。創(chuàng)新成果自20世紀(jì)90年代以來(lái),中交四航工程研究院有限公司依托多項(xiàng)大型圍海造陸工程,對(duì)施工創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和歸納,形成了多項(xiàng)新工法,包括水下拋石基床爆破夯實(shí)工法、控制加載爆炸擠淤置換施工工法、真空聯(lián)合堆載預(yù)壓施工工法真空預(yù)壓聯(lián)合強(qiáng)夯快速加固疏浚土工法、淺表層超軟弱土快速加固施工工法等。其中,控制加載爆炸擠淤置換施工工法、真空預(yù)壓聯(lián)合強(qiáng)夯快速加固疏浚土工法、淺表層超軟弱土快速加固施工工法3項(xiàng)工法被評(píng)為國(guó)家級(jí)工法,具有較高的應(yīng)用價(jià)值和良好的推廣前景。除了工法成果外,中交四航工程研究院有限公司在圍海造陸技術(shù)上還取得了多項(xiàng)發(fā)明及實(shí)用新型專利技術(shù)。這些成果都是在大量圍海造陸工程實(shí)踐中不斷創(chuàng)新所取得的,多數(shù)成果已被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中。主要成果如表1所示。上述的理論創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新成果突破了傳統(tǒng)圍海造陸技術(shù)的約束,適應(yīng)新時(shí)代條件下圍海造陸工程的需要,具有顯著的時(shí)代特征,推動(dòng)了我國(guó)圍海造陸技術(shù)的進(jìn)步。中交四航工程研究院有限公司多項(xiàng)成果獲得了省部級(jí)、集團(tuán)大獎(jiǎng),成為推動(dòng)我國(guó)圍海造陸技術(shù)發(fā)展的重要力量。在地基處理方面獲得的主要獎(jiǎng)項(xiàng)有:《深井降水聯(lián)合強(qiáng)夯軟基加固技術(shù)研究》獲得了2010年度中交集團(tuán)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng);《淺表層超軟弱土快速加固技術(shù)研究》獲得了2009年度中交集團(tuán)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和2009年度中國(guó)航海學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng);《真空預(yù)壓處理大面積軟弱地基及其對(duì)周邊的影響與防護(hù)技術(shù)研究》獲得了2008年度中國(guó)港口協(xié)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng);《廣州港南沙區(qū)軟基處理技術(shù)研究》獲得了2005年度中國(guó)航海學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng);《圍海造陸形成的復(fù)雜地基的加固處理研究》獲得了2005年度中國(guó)航海學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎(jiǎng)。圍堰形成是指在海上通過(guò)人工圍堰的方式形成一定造陸界限,為后期的吹填、造陸作準(zhǔn)備,是圍海造陸工程的基礎(chǔ)。按其施工方法的不同,目前我國(guó)的圍堰形成技術(shù)可大致分為4類:1)拋石圍堰;2)模袋圍堰;3)復(fù)合圍堰;4)臨時(shí)圍堰。下面分別介紹幾種圍堰。拋石圍堰拋石圍堰是通過(guò)向海中拋擲一定的石料,石料在自重或外力的作用下堆積密實(shí),露出水面,形成人工的分隔帶,將圍海造陸區(qū)域與海域進(jìn)行分隔,以便后續(xù)吹填施工。拋石圍堰是一種傳統(tǒng)的圍堰施工技術(shù),具有施工進(jìn)度快、穩(wěn)定性強(qiáng)、工程壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于港口工程及水利工程中。根據(jù)拋石的作業(yè)方式可分為水拋和陸拋:水拋法是利用自帶吊機(jī)的運(yùn)輸船(如方駁、開底駁等)運(yùn)輸石料,采用GPS定位裝卸石料在水上進(jìn)行拋填,如圖12a);陸拋法主要是自卸汽車運(yùn)輸,挖掘機(jī)和推土機(jī)配合施工,在陸上進(jìn)行逐步推進(jìn)式拋填,如圖12b)。對(duì)于沿海地區(qū)建設(shè)土地資源匱乏而開山塊石充足的拋石填海加固軟土地基而言,強(qiáng)夯塊石墩具有強(qiáng)夯置換和排水固結(jié)法的特點(diǎn),采用塊石在陸上拋填的方法,在深圳沿海地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。由于水拋施工具有施工效果高、相互干擾少、多點(diǎn)同時(shí)開工等特點(diǎn),工程應(yīng)用較為廣泛。目前,水拋施工都是通過(guò)拋石專用船只來(lái)實(shí)施的,主要有2類船舶:一種是自航平板駁(配反鏟),通過(guò)反鏟挖掘機(jī)將平板駁上石料拋填海中,如圖13a);另一種是開體駁,開體駁到達(dá)指定拋點(diǎn)位置后,打開底部艙門,石料即填入海中,完成拋石,如圖13b)。陸拋施工主要是通過(guò)自卸汽車運(yùn)輸,挖掘機(jī)和推土機(jī)配合實(shí)施,不受水深條件及波浪的影響,施工較方便。圍堰形成還應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件合理選取施工工藝。當(dāng)水下淤泥厚度小于5m時(shí),可以采用拋石擠淤法,結(jié)合合理施工工藝可以保證質(zhì)量,常用于處理流塑態(tài)的淤泥或淤泥質(zhì)土地基,即直接將塊石拋在需進(jìn)行處理的淤泥或淤泥質(zhì)土地基中,利用塊石的自身重量,即可以將原基礎(chǔ)處的淤泥或淤泥質(zhì)土擠走,實(shí)現(xiàn)置換。拋填方向根據(jù)軟土下臥地層橫坡而定,橫坡平坦時(shí)自地基中部漸次向兩側(cè)擴(kuò)展;橫坡陡于1:10時(shí),自高側(cè)向低側(cè)拋填。當(dāng)水下淤泥厚度大于5m時(shí),可以結(jié)合水下強(qiáng)夯擠淤法、爆破擠淤法,利用外力的作用加強(qiáng)塊石置換的深度。水下強(qiáng)夯擠淤法是利用夯錘錘擊塊石,在強(qiáng)大外力作用下,進(jìn)一步擠壓淤泥,從而達(dá)到置換深處淤泥的目的;爆破擠淤法是在拋石體外緣一定距離和深度的淤泥質(zhì)軟基中埋放藥包群,起爆瞬間在淤泥中形成空腔,拋石體隨即充填空腔形成“石舌”,達(dá)到置換淤泥的目的,其擠淤深度可以達(dá)到10m。陽(yáng)江核電防波堤工程、寧德核電一期防波堤工程、招商局前灣填海造陸圍堰工程等均采用該方法。當(dāng)軟土層厚度在10-20m范圍內(nèi)時(shí),一般需要先清淤再拋石,造價(jià)相對(duì)較高,主要用于主圍堤部分。當(dāng)軟土層厚度大于20m時(shí),清淤拋石往往不經(jīng)濟(jì)或技術(shù)不可行,就需要考慮其他形式圍堰,如模袋圍堰。大砂袋圍堰大砂袋圍堰是一種新型圍堰形成技術(shù),其施工原理是先將防老化編織土工布縫制成袋形,再用水力吹填的方法,將砂土填充到模袋中,最后構(gòu)筑成定型的圍堰。大砂袋圍堰具有造價(jià)低廉、取材方便、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于圍海造陸工程、水利工程、海防工程等中,如圖14。大砂袋圍堰施工主要采用拋填袋裝砂和充灌袋裝砂2種工藝:拋填袋裝砂主要包括翻板拋袋和網(wǎng)絡(luò)拋袋2種施工工藝,充灌袋裝砂分為水下充灌和水上對(duì)拉充灌2種工藝。充灌砂袋的方法有2種:一是直接利用低潮時(shí)人工在灘地上鋪展、固定大砂袋進(jìn)行充灌,該工藝已相當(dāng)成熟,如圖15a);二是利用船機(jī)設(shè)備在水深相對(duì)較深區(qū)域進(jìn)行水下充灌砂袋,施工時(shí)先將砂袋卷在施工船舶滾筒上,砂袋另一端入水,然后邊充灌邊移船同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒以沉放砂袋,直至砂袋充灌成型,沉放到位,如圖15b)。這2種充灌砂袋的施工工藝適合于水深較淺、河床泥面較平、水流風(fēng)浪條件較好的淺水區(qū)域以及灘地施工。對(duì)于水深較大、袋裝砂工程量大、堤心成型斷面大、水流風(fēng)浪條件差的區(qū)域,可以采用翻板拋袋和網(wǎng)兜拋袋2種施工工藝。大砂袋圍堰的施工工藝還應(yīng)結(jié)合施工區(qū)域的地質(zhì)條件合理選取。當(dāng)下部為軟弱土層時(shí),還應(yīng)對(duì)軟土進(jìn)行加固處理;當(dāng)下部無(wú)軟弱土層,則可以按正常的工序進(jìn)行模袋施工。水上鋪排施工應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水深條件進(jìn)行。1)深水區(qū),水深達(dá)到2.5m以上,可以由運(yùn)砂船直接對(duì)鋪排船供砂,如圖16a)。2)潮間帶,鋪排船和砂船都不能進(jìn)行,則依靠工人趁退潮時(shí)間內(nèi)進(jìn)行陸上人工鋪排,如圖16b)。3)淺水區(qū),水深在0.5~2.5m之間,鋪排船可以進(jìn)入,但運(yùn)砂船和人都無(wú)法進(jìn)入施工,可以采用PVC管由岸上向鋪排船供砂,如圖16c)。當(dāng)圍堰下部為軟弱土層時(shí),水深條件無(wú)法滿足一般施工船舶時(shí),可采用鋪設(shè)砂被、打設(shè)排水板等工藝,以達(dá)到排水固結(jié)的目的。中交四航工程研究院有限公司在寧波大榭招商國(guó)際集裝箱碼頭圍堤造陸工程中,基礎(chǔ)護(hù)底結(jié)構(gòu)采用鋪設(shè)砂被、施打排水板,袋充砂通長(zhǎng)袋及軟體排作加筋層,圍堤上部為水拋鎮(zhèn)腳棱體、陸拋堤心石,關(guān)鍵工藝如圖17。復(fù)合圍堰復(fù)合圍堰由2種或2種以上結(jié)構(gòu)組合而成,如模袋圍堰結(jié)合拋石圍堰、土石圍堰結(jié)合土工織物、土工格柵,等等。該類結(jié)構(gòu)形式結(jié)合土工合成材料的特性,發(fā)揮土工材料的優(yōu)勢(shì),具有結(jié)構(gòu)形式靈活、整體性好、對(duì)復(fù)雜地基適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),被越來(lái)越多的工程所采用,成為圍海造陸工程圍堰的一個(gè)重要發(fā)展方向。臨時(shí)圍堰當(dāng)圍海造陸面積較小,特別是進(jìn)行試驗(yàn)性研究時(shí),或局部圍堰需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理時(shí),可以采用臨時(shí)性圍堰。臨時(shí)圍堰不同于其他圍堰,其本身要求不高,在滿足工程使用要求的前提下,其變形量可能較大,但可以有效節(jié)約建設(shè)成本,是一種經(jīng)濟(jì)適用的圍堰形式,已經(jīng)在圍海造陸工程中得到一定應(yīng)用。竹筋支擋、竹筋砂袋就是2種臨時(shí)圍堰形式。圖18為中交四航工程研究院有限公司在深圳媽灣電廠采用竹筋支擋形式的輔壩,其由多層竹筋相互綁扎固定,外面用土工布包裹,竹筋底部插入軟土層,其有一定彎曲能力,適應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)使用要求。圖19為我院在深圳河二期處理工程中采用竹筋砂袋修筑圍堰,作為吹填砂防護(hù)措施,有效減小了潮汐漲落對(duì)回填料造成沖刷和侵蝕,起到了很好的保護(hù)作用,整個(gè)加固過(guò)程,竹筋砂袋圍堰性能良好,沒有發(fā)生破壞。臨時(shí)圍堰技術(shù)滿足了工程建設(shè)的需要,同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)性,更適應(yīng)了新時(shí)期條件下環(huán)保對(duì)工程建設(shè)的要求,符合環(huán)境巖土工程發(fā)展方向,是未來(lái)巖土工程發(fā)展的趨勢(shì),值得進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。陸域形成,即在圍堰范圍以內(nèi)填入一定的土石等,從而達(dá)到形成陸域的目的。按施工工藝的不同,可以分成吹填、拋填、推填等。目前應(yīng)用較為廣泛的是吹填砂或淤泥、拋填開山(土)石法。吹填法吹砂填方,又稱為水力吹砂回填或水力沖填,簡(jiǎn)稱吹填,包括吹砂、吹泥,或吹填土,等等。吹砂填方,是指利用水力機(jī)械沖攪泥砂,將一定濃度的泥漿通過(guò)事先鋪設(shè)的管道泵送至四周筑有圍堤的擬吹填區(qū)域。若吹填區(qū)離取土區(qū)較遠(yuǎn),通常采用接力泵送的方式。我國(guó)常用的吹填方法有4種,如圖20所示,工程中以絞吸式挖泥船直接吹填和耙吸式挖泥船自挖自吹采用最多。吹填法按吹填的方法不同,又可以分為直接吹填工藝、吸運(yùn)吹工藝、自挖自吹工藝等。拋填法大面積陸域形成拋填施工方法可分為陸上拋填和水上拋填。1)開底駁或開體駁運(yùn)砂船拋填,采用民船運(yùn)砂進(jìn)入拋填區(qū),然后打開底板直接將砂自卸拋入水面下進(jìn)入回填;2)皮帶運(yùn)砂船拋填,在運(yùn)砂船上安裝有皮帶運(yùn)輸裝置,運(yùn)砂船航行停靠拋填區(qū)邊線旁,采用皮帶運(yùn)輸將砂拋入拋填區(qū);3)帶抓斗的運(yùn)砂船拋填,在運(yùn)砂船上安裝抓斗,運(yùn)砂船靠拋填區(qū)周邊邊線???,采用抓斗將砂抓取后拋入回填區(qū)內(nèi)。推填法推填法施工適用于砂、一般土和開山石作為回填材料進(jìn)行填海造陸工程的施工。由于現(xiàn)階段圍海造陸工程不同于以往的圍墾擴(kuò)展農(nóng)業(yè)用地,多數(shù)是工業(yè)用地,對(duì)地基強(qiáng)度和穩(wěn)定性都有更高的要求,因此,圍海造陸形成的陸域必須進(jìn)行處理才能滿足使用要求。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,我國(guó)的地基處理技術(shù)已取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,有力地促進(jìn)了我國(guó)圍海造陸的快速發(fā)展,成為圍海造陸工程的重要組成部分。4.1傳統(tǒng)地基處理方法排水固結(jié)法是通過(guò)在地基土設(shè)置豎向排水通道,利用建筑物本身重量分級(jí)逐漸加載,或在建筑物建造前在場(chǎng)地先行加載預(yù)壓,使土體中的孔隙水排出,有效應(yīng)力增加,土體逐漸固結(jié),地基發(fā)生沉降,從而提高地基的承載力和穩(wěn)定性,是解決圍海造陸吹填淤泥或淤泥質(zhì)土的重要方法。近年來(lái),中交四航工程研究院有限公司相繼開發(fā)的綜合地基加固技術(shù)及快速造陸技術(shù)、潮間帶真空預(yù)壓技術(shù)、水體預(yù)壓加固技術(shù)、水上插板工藝、真空預(yù)壓施工防護(hù)技術(shù)、無(wú)砂墊層排水固結(jié)法都有力地促進(jìn)了排水固結(jié)法的發(fā)展,適應(yīng)新形勢(shì)下我國(guó)圍海造陸工程的需要。強(qiáng)夯法是將10-40t的重錘以10-40m的落距,對(duì)地基土施加強(qiáng)大的沖擊能,在地基土中形成沖擊波和動(dòng)應(yīng)力,使地基土得以壓實(shí)和振密,達(dá)到提高強(qiáng)度、減小沉降、改善砂土抗液化性能的目的,是解決圍海造陸吹填砂地基的重要方法。至目前為止,國(guó)內(nèi)強(qiáng)夯最大夯擊能已經(jīng)達(dá)15000kN?m。近幾年,強(qiáng)夯法也有向飽和地基土推廣應(yīng)用的趨勢(shì),相繼發(fā)展了塑料排水板聯(lián)合強(qiáng)夯處理飽和淤泥質(zhì)地基土技術(shù),以及袋裝砂井聯(lián)合強(qiáng)夯處理飽和淤泥質(zhì)地基土技術(shù)。同時(shí)在強(qiáng)夯法的基礎(chǔ)上,中交四航工程研究院有限公司吸取了其它地基處理方法的優(yōu)點(diǎn),開發(fā)出了真空預(yù)壓聯(lián)合強(qiáng)夯、深井降水聯(lián)合強(qiáng)夯等地基處理新技術(shù),提高了強(qiáng)夯法的適用性,拓寬了強(qiáng)夯法的應(yīng)用范圍,開啟了靜-動(dòng)相結(jié)合的地基處理新思路。振沖擠密法是利用振動(dòng)和水沖力來(lái)振密松砂地基,由于該法具有工藝簡(jiǎn)單、施工便捷、工期短、經(jīng)濟(jì)實(shí)用和效果顯著等優(yōu)點(diǎn),是處理圍海造陸工程吹填砂地基的一種有效方法。近20年,振沖法的施工工藝、施工設(shè)備都取得了新的發(fā)展,相繼開發(fā)了“雙向振動(dòng)器”工藝,無(wú)填料振沖法等,振動(dòng)器功率也由最初的30kW發(fā)展到180kW,振沖擠密法的有效加固深度已經(jīng)達(dá)到30m。滿足工程建設(shè)發(fā)展需要。排水固結(jié)法、強(qiáng)夯法、振沖擠密法作為傳統(tǒng)的地基處理方法,在圍海造陸工程中有著廣泛的應(yīng)用,隨著施工工藝、施工設(shè)備等的不斷改進(jìn),為滿足圍海造陸工程新的發(fā)展需要,可以預(yù)見,在未來(lái)的相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間里,這些處理方法仍然會(huì)是圍海造陸工程地基處理中最主要的方法。吹填土處理新方法隨著我國(guó)圍海造陸規(guī)模的不斷擴(kuò)大,有大量的新近吹填土需要處理,面對(duì)緊迫的工期要求以及吹填土的新特點(diǎn),原有地基處理方法已經(jīng)無(wú)法滿足工程建設(shè)需要,需要工程技術(shù)人員突破傳統(tǒng),開創(chuàng)性提出新的處理思路,以適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要。正是在這樣的大背景下,一批地基處理新工藝、新方法應(yīng)運(yùn)而生,中交四航工程研究院有限公司開發(fā)的淺表層快速加固技術(shù)、真空預(yù)壓聯(lián)合強(qiáng)夯快速加固技術(shù)、深井降水聯(lián)合強(qiáng)夯加固技術(shù)(WDDC)就是其中的杰出代表。1)淺表層快速加固技術(shù)[12]。近年來(lái),我國(guó)東部沿海地區(qū)有大量的新近吹填軟土地基需要處理,此類軟土具有含水率高(>85%)、壓縮性高、孔隙比高,強(qiáng)度和承載力極低的特性,基本呈流泥-浮泥狀,一切工程機(jī)械設(shè)備都無(wú)法在其上進(jìn)行施工,如按傳統(tǒng)的做法,需要3~5a自然晾曬、待表層具有一定強(qiáng)度時(shí)再進(jìn)行后續(xù)的加固處理。在這樣的背景下,工程技術(shù)人員創(chuàng)造性地提出變一次完成加固為分階段加固,先對(duì)表層軟土進(jìn)行加固處理,使其形成一定厚度的硬殼層,滿足機(jī)械設(shè)備施工操作的需要,再對(duì)深層土體進(jìn)行加固處理,大大縮短了軟基處理的工期,變不可能為可能,滿足了經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)土地的緊迫需要。淺表層快速加固技術(shù)與真空預(yù)壓法的加固機(jī)理是相同的,但2種方法的加固目標(biāo)存在顯著的差異:淺表層快速加固技術(shù)僅僅需要將新近吹填土形成具有足夠強(qiáng)度的上部硬殼層,滿足后續(xù)施工要求即可,無(wú)需過(guò)多考慮軟土的變形,這就決定了淺表層快速加固技術(shù)與真空預(yù)壓法在施工工藝、施工方法方面具有明顯的差異和不同的要求。目前,中交四航工程研究院有限公司已經(jīng)成功開發(fā)淺表層快速加固整套技術(shù),其加固裝置由密封膜、排水墊層、抽真空濾管、排水板或袋裝砂井、格柵層等構(gòu)成,具體施工工藝如圖21所示。2)真空預(yù)壓聯(lián)合強(qiáng)夯快速加固技術(shù)。目前,大量的圍海造陸工程均采用真空預(yù)壓法加固軟土地基,真空預(yù)壓法加固軟土的特點(diǎn)是加固前期發(fā)生的沉降較大,而后期則較小,其費(fèi)用基本上是隨抽真空的時(shí)間延長(zhǎng)而成比例增長(zhǎng),因此加固后期技術(shù)經(jīng)濟(jì)性差。強(qiáng)夯法一般適用于非飽和土,其特點(diǎn)是可以快速形成一個(gè)硬殼層,施工工期短,表層加固效果好,但加固深度有限。室內(nèi)試驗(yàn)表明,在采用真空預(yù)壓加固軟土?xí)r,輔加動(dòng)力,會(huì)增加軟土的滲透性,加速排水固結(jié),將真空預(yù)壓與強(qiáng)夯相聯(lián)合,將靜力排水固結(jié)和強(qiáng)夯的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合,二者具有明顯的互補(bǔ)性。真空預(yù)壓聯(lián)合強(qiáng)夯加固技術(shù)利用真空預(yù)壓初期固結(jié)速率快的優(yōu)點(diǎn),通過(guò)短時(shí)間的真空預(yù)壓達(dá)到一定的固結(jié)度(50%~70%),快速提高了淺層地基的承載力和強(qiáng)度,為強(qiáng)夯施工創(chuàng)造必要的施工條件。真空預(yù)壓處理達(dá)到預(yù)定的固結(jié)度后,再聯(lián)合強(qiáng)夯法,利用已有的塑料排水板和砂墊層所形成的良好排水條件,有利于提高強(qiáng)夯過(guò)程中超靜孔隙水壓力的消散速度。地基在重錘沖擊能作用下,經(jīng)過(guò)能量轉(zhuǎn)換、固結(jié)壓密和觸變固化3個(gè)階段后,承載力和強(qiáng)度得以進(jìn)一步提高,充分發(fā)揮了強(qiáng)夯法加固地基快速、經(jīng)濟(jì)、高效的優(yōu)勢(shì)。具體的施工工藝如下:首先對(duì)疏浚土等軟土地基進(jìn)行真空預(yù)壓處理30d(預(yù)估值)左右,等土體的固結(jié)度達(dá)到50%-70%時(shí),即可以真空預(yù)壓卸載并揭除密封膜,然后進(jìn)行強(qiáng)夯加固處理。施工工藝流程如圖22所示。3)深井降水聯(lián)合強(qiáng)夯加固技術(shù)(WDDC)[13]。深井降水聯(lián)合強(qiáng)夯加固技術(shù)(WDDC)是中交四航工程研究院有限公司發(fā)展的一種新型地基加固方法。WDDC通過(guò)設(shè)置降水手段,在軟土地基內(nèi)設(shè)置強(qiáng)制排水系統(tǒng),強(qiáng)夯前先期排出軟土地基部分的水體,當(dāng)?shù)叵滤幌陆颠_(dá)5m以上時(shí),即可以同時(shí)開展強(qiáng)夯施工,形成“上-下”雙層加固模式。巨大的強(qiáng)夯沖擊荷載,對(duì)表層非飽和軟土層進(jìn)行壓密加固,并促使淺部和深部的軟土層產(chǎn)生超孔隙水壓力,超孔隙水壓力發(fā)生多次快速升降,孔隙水不斷排出,土體強(qiáng)度得以提高,并能大大消除殘余沉降和不均勻沉降,取得很好的加固效果。適用于圍海造陸中所形成的地下水位較高的飽和淤泥、淤泥質(zhì)軟黏土地基。WDDC工藝概括為如下幾道工序:砂墊層施工、塑料排水板插設(shè)、泥漿攪拌墻施工、深井井點(diǎn)打設(shè)、深水潛水泵安裝、抽水預(yù)壓及維護(hù)、強(qiáng)夯施工和場(chǎng)地整平,如圖23所示。上述地基處理新技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于圍海造陸工程實(shí)踐中,并取得了較好的加固效果,解決了工程建設(shè)技術(shù)難題,開創(chuàng)了地基處理新方法。實(shí)踐表明:淺表層快速加固技術(shù)對(duì)于解決新近吹填表層超軟弱土處理方面有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì),真空預(yù)壓聯(lián)合強(qiáng)夯快速加固技術(shù)、深井降水預(yù)壓聯(lián)合強(qiáng)夯加固技術(shù)解決了強(qiáng)夯法應(yīng)用于飽和軟黏土的技術(shù)難題,2項(xiàng)技術(shù)在圍海造陸工程中具有廣闊的應(yīng)用前景,值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用5.1廈門港海滄港區(qū)#14~#19泊位后方圍埝軟基處理試驗(yàn)工程原場(chǎng)地為灘涂地基,水域開闊,水深0.0~8.0m不等,原泥面高程為2.17~-3.29m,由北向南微傾,地基承載力低,陸域形成吹填施工主要是在原泥面上吹填浮泥或細(xì)砂,陸域形成的軟弱地基分為吹砂區(qū)和吹泥區(qū),其中吹砂區(qū)約為25萬(wàn)m2,吹泥區(qū)約為55萬(wàn)m2,均須進(jìn)行軟基處理。吹泥區(qū)表層吹填浮泥-淤泥層主要物理力學(xué)指標(biāo)見表2。吹泥區(qū)位于陸域形成區(qū)域的北側(cè),表層主要為浮泥-淤泥,層厚達(dá)0~11.3m,屬于超軟弱土,含水率達(dá)70%~167%,壓縮性大、強(qiáng)度及承載力極低。為了工程工期要求,選擇采用淺表層用真空預(yù)壓快速技術(shù)對(duì)吹泥區(qū)進(jìn)行處理,以滿足機(jī)械設(shè)備使用要求,為后續(xù)軟基處理提供條件。淺表層快速加固處理塑料排水板按1.0mxl.Om正方形布置,插設(shè)深度為4.5m,外露0.7~1.0m。于2007年5月21日開始對(duì)吹泥區(qū)加固處理,3d膜下真空度達(dá)到了70kPa以上,以后的真空度穩(wěn)定在68~84kPa之間。2007年6月15日卸載,共抽真空25d。經(jīng)淺表層快速加固技術(shù)處理后,加固前表層0~6m范圍內(nèi)含水率高達(dá)77.4%~167.0%,加固后淺表層的含水率降低至63.1%~96.7%,其中0~3m范圍內(nèi)的含水率降至63.1%~66.6%,液性指數(shù)降低至1.49~1.94,加固后成為淤泥。靜力觸探試驗(yàn)和十字板試驗(yàn)表明,加固后軟弱土層的比貫入阻力和十字板強(qiáng)度均有大幅提高,其中吹填浮泥層端阻力提高605.7%,吹填流泥層端阻力提高108.9%,加固后軟弱土層的原狀土抗剪強(qiáng)度范圍為0.2~26.3kPa,平均值為7.9kPa,為加固前的9.8倍,形成了1~3m厚的硬殼層,為后續(xù)施工創(chuàng)造條件,以滿足機(jī)械設(shè)備行走的需要,達(dá)到預(yù)定的加固目的。東莞南玻工程軟基處理工程原為鄉(xiāng)村農(nóng)田、菜地、蕉地、魚塘,總處理面積6.2萬(wàn)m2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探資料揭露地層情況如下:①?zèng)_填土,層厚1.00~5.20m,平均2.75m,灰色、稍濕,松散狀,主要由粉砂、細(xì)砂及少量黏性土組成。該層標(biāo)貫擊數(shù)1~6擊;②耕植土,層厚0.50~2.80m,平均1.07m,灰色,松散狀,主要由黏性土、粉細(xì)砂和植物根系組成。該層標(biāo)貫擊數(shù)2~5擊;③淤泥、淤泥質(zhì)土,層厚0.60~13.80m,平均4.99m,灰色,飽和,流塑-軟塑狀,局部夾砂薄紋層,平均含水率為71.3%,平均孔隙比為1.935,平均壓縮系數(shù)av1-2為1.801MPa-1,壓縮模量ES為2.01MPa,平均標(biāo)貫擊數(shù)1.6擊;④粉質(zhì)黏土,層厚0.30-7.60m,平均2.92m,灰色,飽和,可塑-軟塑狀,平均含水率為24.9%,平均孔隙比為0.714,平均壓縮系數(shù)av1-2為0.297MPa-1,壓縮模量ES為6.02MPa,平均標(biāo)貫擊數(shù)5.7擊,以下依次為粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂層等。分區(qū)A、B、C區(qū)采用插板+真空預(yù)壓+強(qiáng)夯處理方法。塑料排水板按1.1m間距,按正三角形布置,平均打設(shè)深度15.7m。真空預(yù)壓結(jié)束后,進(jìn)行強(qiáng)夯施工。共進(jìn)行2遍點(diǎn)夯,1遍普夯。點(diǎn)夯以4m間距正方形布置,2遍夯點(diǎn)錯(cuò)開分布使得夯能均勻分布,夯擊能量1500-2500kN?m,2~6擊,根據(jù)試夯確定夯擊次數(shù)。第1遍夯擊完成后立即進(jìn)行夯坑整平,再按照1遍夯順序進(jìn)行2遍夯。普夯以0.75倍夯錘直徑作為夯點(diǎn)間距,夯擊能量1000kN?m。通過(guò)真空預(yù)壓聯(lián)合強(qiáng)夯處理,該場(chǎng)地取得了較好的加固效果,加固后的表層地基承載力大于100kPa,滿足設(shè)計(jì)要求。廣州港南沙港區(qū)糧食及通用碼頭軟基工程該場(chǎng)地為吹填海淤地基,根據(jù)設(shè)計(jì)鉆探資料揭露的地層情況,原場(chǎng)地自上而下可分為為:①淤泥混砂為主的近期人工回填土;②淤泥或淤泥質(zhì)黏土,流塑狀,含水率40.5%~60.2%,孔隙比1.033~1.609,液性指數(shù)1.45~1.75,層①+層②平均厚度6m,為第1個(gè)軟土層,標(biāo)貫擊數(shù)0~1擊;③混砂層,平均厚度2m;④淤泥或淤泥質(zhì)黏土,平均厚度5m,流塑狀,含水率58.7%~60.6%,孔隙比1.585~1.713,液性指數(shù)1.73~1.92,為第2個(gè)軟土層,標(biāo)貫擊數(shù)2擊;⑤中粗或中細(xì)砂層,平均厚度2m;⑥分布不均勻的粉質(zhì)黏土、黏土、砂層及硬黏土混合層,標(biāo)貫擊數(shù)4擊。地基處理方案為深井降水聯(lián)合強(qiáng)夯法,井點(diǎn)間距為30.0mx30.0m,塑料排水板間距1.1m,按正方形布置,平均打設(shè)深度20.5m。先進(jìn)行井點(diǎn)降水,當(dāng)?shù)叵滤唤瞪畈坏陀?.0m后再聯(lián)合強(qiáng)夯加固,并繼續(xù)保持井點(diǎn)降水直至施工完畢。強(qiáng)夯夯點(diǎn)按正方形跳夯布置,夯錘直徑為2.0m,夯點(diǎn)間距為5.0m,點(diǎn)夯4遍,每點(diǎn)夯4-6擊,第1遍強(qiáng)夯能量為1000kN?m,第2遍為1500.0kN?m,第3遍、第4遍為2000kN?m,即隨著遍數(shù)的增多能量逐漸增加;滿夯1遍,每點(diǎn)夯1擊,能量為500~800kN?m,間距為0.7倍夯錘直徑。經(jīng)加固后,地基6.0m以上淺部黏土層土性參數(shù)出現(xiàn)明顯變化,
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