CN109138002A - 一种固定测斜仪及其测斜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固定测斜仪，其塑性外管内部垂向间隔均匀地布置有多个通过拉绳相连的内管，每个内管的外周壁的上部和下部的径向两侧与塑性外管之间设有横向的弹簧，为内管提供横向支撑力；每个内管的内部装有横向的测斜筒，测斜筒内部设有可沿测斜筒滚动的重力球，测斜筒内部位于重力球两侧的分别设有与重力球接触的压力传感器，所有压力传感器的数据线沿内管由下至上延伸至与读数仪连接，读数仪集成有第一无线通信模块，当测斜筒随塑性外管发生相应倾斜时，重力球对下倾一侧的压力传感器产生压力，并由压力传感器感受后通过第一无线通信模块将压力数据发送到外部的数据分析显示装置，无须在现场测量，实现远程监控，可大幅度提高监测效率。

Description

一种固定测斜仪及其测斜方法
技术领域
本发明涉及岩土工程测斜技术领域，特别涉及一种固定测斜仪及其测斜方法。
背景技术
测斜仪是一种用于监测基坑、地基基础、墙体和边坡等岩土工程构筑物的顶角、方位角的监测仪器，其通过测定钻孔倾斜角从而求得土层的水平位移变化，在保证岩土工程设计、施工及其使用安全中，发挥了重要的作用。
如授权公告号为“CN 201721364843”的实用新型专利所公开的活动式测斜仪，为现有技术中较为常见的测斜仪。其基本上能满足监测要求，但是，仍存在不足之处。例如，每次测量均需在现场人工拉动测斜仪，使测斜仪沿测斜导管内的导槽自下而上逐段滑动测量，以依次得到每个深度段L的倾斜数据，然后再通过计算得出每个深度段L的正弦函数，以得到每个深度段L的水平位移量，最终将所有深度段L的水平位移量累加得到土层水平位移。但是，这种通过人工在现场拉动测斜仪，使测斜仪沿测斜导管内导槽自下而上逐段滑动测量，以依次得到每个深度段L的倾斜数据的过程，需要耗费较多的人力和时间，相应的测量效率低且测量成本高。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种固定测斜仪及其测斜方法，旨在提高监测效率。
为实现上述目的，本发明提出一种固定测斜仪，包括可埋入垂直钻孔中的封底塑性外管，所述塑性外管内部垂向间隔均匀地布置有多个内管，垂向相邻的内管之间通过拉绳相连，且位于最上方的内管通过拉绳悬挂于塑性外管的顶壁中心，每个所述内管的外周壁的上部和下部的径向两侧与塑性外管之间设有横向的弹簧，每个弹簧的一端与内管相连，另一端与塑性外管相连并为内管提供横向支撑力，以使内管的轴线与塑性外管的轴线重合；每个内管的内部装有横向的测斜筒，测斜筒内部设有可沿测斜筒滚动的重力球，测斜筒内部位于重力球两侧的分别设有与重力球接触的压力传感器，所有压力传感器的数据线沿内管由下至上延伸至与读数仪连接，读数仪集成有第一无线通信模块，当测斜筒随塑性外管发生相应倾斜时，重力球对下倾一侧的压力传感器产生压力，并由压力传感器感受后通过第一无线通信模块将压力数据发送到外部的数据分析显示装置。
本发明还提出一种测斜方法，包括如下步骤：
S1、在多个测斜筒分别放入重力球，并在每个测斜筒内部位于重力球两侧的位置分别安装与重力球相接触的压力传感器；
S2、将多个所述测斜筒装于相应数量的内管中，并将多个内管通过拉绳间隔均匀地相连后，通过拉绳悬挂于封底塑性外管顶壁的中心位置，以使多个所述内管垂向间隔均匀分布，并使所有压力传感器的数据线沿内管由下至上延伸至与集成有第一无线通信模块的读数仪连接；
S3、在每个所述内管的外周壁的上部和下部的径向两侧与塑性外管之间设置横向的弹簧，使每个弹簧的一端与内管相连，另一端与塑性外管相连并为内管提供横向支撑力，以使内管的轴线与塑性外管的轴线重合；
S4、将塑性外管埋入预先成型于土层的垂直钻孔中，并使测斜筒的轴线方向与土层的预测倾斜方向一致；
S5、将读数仪的第一无线通信模块与集成有第二无线通信模块的外部的数据分析显示装置实现通信，由数据分析显示装置读取并显示相应测斜筒内的压力传感器输出的压力数据F传，并依次通过公式和di＝L sinθ计算得出土层不同深度段L的横向水平位移增量di，其中，深度段L指两两相邻的测斜筒的轴线之间的间距，G为重力球的重力；
S6、根据公式计算得到土层的j个深度段总的横向水平位移增量Dj。
本发明技术方案在塑性外管内部通过拉绳悬挂有多个垂向间隔均匀分布的内管，在每个内管上部和下部的径向两侧分别设置两端分别与内管和塑性外管的横向弹簧，在装于内管内部的横向测斜筒内部设置重力球以及位于重力球两侧并与重力球相接触的压力传感器，并通过集成于读数仪的第一无线通信模块和集成于外部的数据分析显示装置的第二无线通信模块将压力传感器感受的压力数据传送给外部的数据分析显示装置，当土层发生横向水平位移时，埋设于垂直钻孔中的塑性外管会在土层的作用下出现横向倾斜，每个测斜筒内的重力球会对下倾一侧的压力传感器产生压力，并由压力传感器感受相应的压力，需要测量相应土层横向的水平位移时，可直接由数据分析显示装置读取相应压力传感器感受到的压力数据F传；接着，依次通过公式和di＝L sinθ计算得出土层不同深度段L(其中，深度段L指两两相邻的测斜筒的轴线之间的间距，G为重力球的重力)的横向水平位移增量di，然后，再通过公式计算得到土层的j个深度段总的横向水平位移增量Dj，完成一次土层水平位移的测量。与现有技术需在现场人工拉动测斜仪并使测斜仪沿测斜导管内导槽自下而上逐段滑动测量的低效率方式相比。本发明将数据分析显示装置与读数仪通过第二无线通信模块和第一无线通信模块连接即可直接获取每个深度段L的倾斜数据，无须在现场测量，实现远程监控，可大幅度节省测量时间，从而大幅度提高相应的测量效率并降低测量成本。
附图说明
图1为本发明的示意图；
图2为测斜筒与压力传感器和重力球的配合示意图；
图3为测斜筒倾斜时，重力球的工作原理图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底、内、外、垂向、横向、纵向，逆时针、顺时针、周向、径向、轴向……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”或者“第二”等的描述，则该“第一”或者“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种固定测斜仪。
本发明实施例中，如图1至3所示，该固定测斜仪包括可埋入垂直钻孔(未图示)中的封底塑性外管1，所述塑性外管1内部垂向间隔均匀地布置有多个内管2，垂向相邻的内管2之间通过拉绳3相连，且位于最上方的内管2通过拉绳3悬挂于塑性外管1的顶壁11中心，每个所述内管2的外周壁的上部和下部的径向两侧与塑性外管1之间设有横向的弹簧4，每个弹簧4的一端与内管2相连，另一端与塑性外管1相连并为内管2提供横向支撑力，以使内管2的轴线与塑性外管1的轴线重合；每个内管2的内部装有横向的测斜筒5，测斜筒5内部设有可沿测斜筒5滚动的重力球6，重力球6的球径略小于测斜筒5的内径，测斜筒5内部位于重力球6两侧的分别设有与重力球6接触的压力传感器7，压力传感器7应当固设于测斜筒5内，以避免工作过程中压力传感器7沿侧斜筒移动，所有压力传感器7的数据线沿内管由下至上延伸至与读数仪8连接，读数仪8集成有第一无线通信模块(未图示)，当测斜筒5随塑性外管1发生相应倾斜时，重力球6对下倾一侧的压力传感器7产生压力，并由压力传感器感受后，从而由压力传感器7将感受到的压力信号转换成可通过其数据线71输出的电信号，然后由读数仪读取后通过第一无线通信模块将压力数据发送到外部的数据分析显示装置9。应当说明的是，所述数据分析显示装置9集成有第二无线通信模块(未图示)，数据分析显示装置可通过第二无线通信模块与第一无线通信模块实现通信，以获取第一无线通信模块发送的压力数据，数据分析显示装置至少具有读取和显示第一无线通信模块输出的压力数据的功能。
将本发明固定测斜仪埋入垂直钻孔并使测斜筒5的轴线方向与土层的预测倾斜方向(或者说土层的预测水平位移方向)一致后，需要测量相应土层横向的水平位移时，可直接由数据分析显示装置9读取相应压力传感器7感受到的压力数据F传；接着，依次通过公式和di＝L sinθ计算得出土层不同深度段L(其中，深度段L指两两相邻的测斜筒5的轴线之间的间距，G为重力球6的重力)的横向水平位移增量di，然后，再通过公式计算得到土层的j个深度段总的横向水平位移增量Dj，完成一次土层水平位移的测量(应当说明的是，首次得到的横向水平位移增量Dj可以作为原始参照值，以供后续测量得到的数据进行比对)。与现有技术需在现场人工拉动测斜仪并使测斜仪沿测斜导管内导槽自下而上逐段滑动测量的低效率方式相比。本发明将数据分析显示装置与读数仪通过第二无线通信模块和第一无线通信模块连接即可直接获取每个深度段L的倾斜数据，无须在现场测量，实现远程监控，可大幅度节省测量时间，从而大幅度提高相应的测量效率并降低测量成本。
可以选择地，所有压力传感器7的数据线71可沿内管2由下至上延伸至塑性外管1的顶壁11，且数据线71的数据接口72可位于塑性外管1外侧，以方便连接读数仪8，读数仪可设置在塑性外管1的内壁(但应注意不要与内管接触)，也可以设置在塑性外管1的外侧。数据分析显示装置9可设置在远离现场的监控室内，实现远程监测。
可以理解地，土层不同深度段L的横向水平位移增量di和土层的j个深度段总的横向水平位移增量Dj可人工根据数据分析显示装置获取的压力数据，依次通过公式di＝L sinθ和计算得出。当然，在数据分析显示装置9具备计算功能的情况下，数据分析显示装置9可根据获取的压力数据，通过预先设定的公式di＝L sinθ和自动计算得出所述土层不同深度段L的横向水平位移增量di和土层的j个深度段总的横向水平位移增量Dj。进一步地，在数据分析显示装置具备自动计算所述土层不同深度段L的横向水平位移增量di和土层的j个深度段总的横向水平位移增量Dj的情况下，本发明固定测斜仪还包括自动报警装置10，自动报警装置10与数据分析显示装置9连接，当数据分析显示装置9计算得到的j个深度段总的横向水平位移增量Dj的超出设定的安全范围时，自动报警装置10启动并报警(可以是通过亮红灯，或者通过出警报声等人眼或者人耳可识别的警示信号报警)。以提示监测管理人员作出是否采取相应措施(例如对土层进行加固并及时撤离在其上施工的人员)的决定。
应当说明的是，弹簧4最好采用劲度系数较大的金属弹簧，以能保证内管2随塑性外管1倾斜时，内管2及其内的测斜筒5、压力传感器7和重力球6的重力不会对下倾侧的弹簧4产生明显压缩(或者说最好能保证塑性外管1倾斜时，内管2及其内的测斜筒5、压力传感器7和重力球6的重力对下倾侧的弹簧4的压缩量小到可以忽略的地步)为准，从而使内管2的轴线保持与塑性外管1的轴线基本重合，进而保证测量精度，至于弹簧4的两端如何与内管2和塑性外管1相连，本技术领域的技术人员看到本申请的记载的，即可以想到如何连接，且连接方式有多种，这里不再进行赘述。
可以选择地，垂向两两相邻的测斜筒5的轴线之间的间距相等，便于后续的计算。具体地，垂向两两相邻的测斜筒5的轴线之间的间距可以均为0.4～0.6m，例如，0.4m、0.45m、0.5m、0.55m或者0.6m等，优选0.5m。
可以理解地，垂直钻孔一般会穿过不稳定土层至下部稳定地层，垂直钻孔的内径优选与塑性外管1的外径相适，以保证塑性外管1的初始角度与垂直钻孔一致，至于垂直钻孔具体如何成钻设，为现有技术，且非本申请所要求保护的范围，这里不再进行赘述。塑性外管1最好能从垂直钻孔的底部延伸至顶部或者部分伸出垂直钻孔，塑性外管1优选塑料或者铝合金制成，避免在土层的挤压下出现破碎。重力球6优选金属(例如钢)或者陶瓷制成。
具体地，所述拉绳3可以为钢丝绳或者强度较高的塑料绳，拉绳3的上端连接于其上方的内管2底壁或者塑性外管1顶壁11的中心位置，拉绳3的下端连接于位于其下方的内管2顶壁的中心位置，以使垂向相邻的内管2处于塑性外管1径向中心位置。
具体地，所述第一无线通信模块和第二无线通信模块均可以为WIFI通信模块、GPRS通信模块或者蓝牙通信模块中的一种，也可以为同时具有WIFI通信功能、GPRS通信功能或者蓝牙通信功能中的两种或者三种的组合通信模块。
应当说明的是，读数仪一般具有读取并存储压力传感器7输出的压力数据的功能，其为现有技术，且不是本发明所要求保护的范围，这里不对读数仪的具体结构以及工作原理进行赘述。
本发明还提出一种测斜方法，如图1至图3所示，该测斜方法，包括如下步骤：
S1、在多个测斜筒5分别放入重力球6，并在每个测斜筒5内部位于重力球6两侧的位置分别安装与重力球6相接触的压力传感器7。
具体地，重力球6的球径略小于测斜筒5的内径，但注意不应该过小，以免影响测量精度，重力球6优选金属(例如钢)或者陶瓷制成，压力传感器7应当固设于测斜筒5内，以避免工作过程中压力传感器7沿侧斜筒移动。
S2、将多个所述测斜筒5装于相应数量的内管2中(即一个测斜筒5装于一个内管2中)，并将多个内管2通过拉绳3间隔均匀地相连后，通过拉绳3悬挂于封底塑性外管1顶壁11的中心位置，以使多个所述内管2垂向间隔均匀分布，并使所有压力传感器7的数据线71沿内管2由下至上延伸至与集成有第一无线通信模块的读数仪8连接。
可以选择地，所有压力传感器7的数据线71可沿内管2由下至上延伸至塑性外管1的顶壁11，且数据线71的数据接口72位于塑性外管1外侧，以方便连接读数仪8，读数仪可设置在塑性外管1的内壁(但应注意不要与内管接触)，也可以设置在塑性外管1的外侧。数据分析显示装置可设置在远离现场的监控室内，可远程监测。
具体地，所述拉绳3可以为钢丝绳或者强度较高的塑料绳，拉绳3的上端连接于其上方的内管2底壁或者塑性外管1顶壁11的中心位置，拉绳3的下端连接于位于其下方的内管2顶壁的中心位置，以使垂向相邻的内管2处于塑性外管1径向中心位置。
垂向两两相邻的测斜筒5的轴线之间的间距相等，便于后续的计算。具体地，垂向两两相邻的测斜筒5的轴线之间的间距可以均为0.4～0.6m，例如，0.4m、0.45m、0.5m、0.55m或者0.6m等，优选0.5m。
S3、在每个所述内管2的外周壁的上部和下部的径向两侧与塑性外管1之间设置横向的弹簧4，使每个弹簧4的一端与内管2相连，另一端与塑性外管1相连并为内管2提供横向支撑力，以使内管2的轴线与塑性外管1的轴线重合。
应当说明的是，弹簧4最好采用劲度系数较大的金属弹簧，以能保证内管2随塑性外管1倾斜时，内管2及其内的测斜筒5、压力传感器7和重力球6的重力不会对下倾侧的弹簧4产生明显压缩(或者说以能保证塑性外管1倾斜时，内管2及其内的测斜筒5、压力传感器7和重力球6的重力对下倾侧的弹簧4的压缩量小到可以忽略的地步)为准，从而使内管2的轴线保持与塑性外管1的轴线基本重合，进而保证测量精度，至于弹簧4的两端如何与内管2和塑性外管1相连，本技术领域的技术人员看到本申请的记载的，即可以想到如何连接，且连接方式有多种，这里不再进行赘述。
S4、将塑性外管1埋入预先成型于土层的垂直钻孔中，并使测斜筒5的轴线方向与土层的预测倾斜方向(或者说土层的预测水平位移方向)一致。
具体地，塑性外管1最好能从垂直钻孔的底部延伸至顶部或者部分伸出垂直钻孔，塑性外管1优选塑料或者铝合金制成，避免在土层的挤压下出现破碎。
S5、将读数仪8的第一无线通信模块(未图示)与集成有第二无线通信模块(未图示)的外部的数据分析显示装置9实现通信，由数据分析显示装置读取并显示相应测斜筒内的压力传感器输出的压力数据F传，并依次通过公式和di＝L sinθ计算得出土层不同深度段L的横向水平位移增量di，其中，深度段L指两两相邻的测斜筒5的轴线之间的间距，G为重力球6的重力。
具体地，所述第一无线通信模块和第二无线通信模块均可以为WIFI通信模块、GPRS通信模块或者蓝牙通信模块中的一种，也可以为同时具有WIFI通信功能、GPRS通信功能或者蓝牙通信功能中的两种或者三种的组合通信模块。
应当说明的是，读数仪一般具有读取并存储压力传感器7输出的压力数据的功能，其为现有技术，且不是本发明所要求保护的范围，这里不对读数仪的具体结构以及工作原理进行赘述。
S6、根据公式计算得到土层的j个深度段总的横向水平位移增量Dj。与现有技术需在现场人工拉动测斜仪并使测斜仪沿测斜导管内导槽自下而上逐段滑动测量的低效率方式相比。本发明将数据分析显示装置9与读数仪8通过第二无线通信模块和第一无线通信模块连接即可直接获取每个深度段L的倾斜数据，无须在现场测量，实现远程监控，可大幅度节省测量时间，从而大幅度提高相应的测量效率并降低。
可以理解地，土层不同深度段L的横向水平位移增量di和土层的j个深度段总的横向水平位移增量Dj可人工根据数据分析显示装置获取的压力数据，依次通过公式di＝L sinθ和计算得出。当然，在数据分析显示装置9具备计算功能的情况下，数据分析显示装置9可根据获取的压力数据，通过预先设定的公式di＝L sinθ和计算得出所述土层不同深度段L的横向水平位移增量di和土层的j个深度段总的横向水平位移增量Dj。进一步地，在数据分析显示装置具备自动计算所述土层不同深度段L的横向水平位移增量di和土层的j个深度段总的横向水平位移增量Dj的情况下，本发明测斜方法还包括将数据分析显示装置9与自动报警装置10连接，在数据分析显示装置9计算得到的j个深度段总的横向水平位移增量Dj的超出设定的安全范围时，由自动报警装置10报警(可以是通过亮红灯，或者通过出警报声等人眼或者人耳可识别的警示信号报警)。以提示监测管理人员作出是否采取相应措施(例如对土层进行加固并及时撤离在其上施工的人员)的决定的过程。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种固定测斜仪，其特征在于：包括可埋入垂直钻孔中的封底塑性外管，所述塑性外管内部垂向间隔均匀地布置有多个内管，垂向相邻的内管之间通过拉绳相连，且位于最上方的内管通过拉绳悬挂于塑性外管的顶壁中心，每个所述内管的外周壁的上部和下部的径向两侧与塑性外管之间设有横向的弹簧，每个弹簧的一端与内管相连，另一端与塑性外管相连并为内管提供横向支撑力，以使内管的轴线与塑性外管的轴线重合；每个内管的内部装有横向的测斜筒，测斜筒内部设有可沿测斜筒滚动的重力球，测斜筒内部位于重力球两侧的分别设有与重力球接触的压力传感器，所有压力传感器的数据线沿内管由下至上延伸至与读数仪连接，读数仪集成有第一无线通信模块，当测斜筒随塑性外管发生相应倾斜时，重力球对下倾一侧的压力传感器产生压力，并由压力传感器感受后通过第一无线通信模块将压力数据发送到外部的数据分析显示装置。
2.如权利要求1所述的固定测斜仪，其特征在于：垂向两两相邻的测斜筒的轴线之间的间距相等。
3.如权利要求2所述的固定测斜仪，其特征在于：垂向两两相邻的测斜筒的轴线之间的间距均为0.5m。
4.如权利要求1所述的固定测斜仪，其特征在于：压力传感器固设于测斜筒内。
5.如权利要求1所述的固定测斜仪，其特征在于：垂直钻孔穿过不稳定土层至下部稳定地层，垂直钻孔的内径与塑性外管的外径相适，塑性外管从垂直钻孔的底部延伸至顶部或者部分伸出垂直钻孔。
6.如权利要求1所述的固定测斜仪，其特征在于：拉绳的上端连接于其上方的内管底壁或者塑性外管顶壁的中心位置，拉绳的下端连接于位于其下方的内管顶壁的中心位置。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的固定测斜仪，其特征在于：数据分析显示装置可根据获取的压力数据，通过预先设定的公式di＝L sinθ和自动计算得出所述土层不同深度段L的横向水平位移增量di和土层的j个深度段总的横向水平位移增量Dj，其中，深度段L指两两相邻的测斜筒的轴线之间的间距，G为重力球的重力，F传为相应的压力传感器感受到的压力数据。
8.如权利要求1所述的固定测斜仪，其特征在于：还包括自动报警装置，自动报警装置与数据分析显示装置接，当数据分析显示装置计算得到的j个深度段总的横向水平位移增量Dj的超出设定的安全范围时，自动报警装置启动并报警。
9.一种测斜方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在多个测斜筒分别放入重力球，并在每个测斜筒内部位于重力球两侧的位置分别安装与重力球相接触的压力传感器；
S2、将多个所述测斜筒装于相应数量的内管中，并将多个内管通过拉绳间隔均匀地相连后，通过拉绳悬挂于封底塑性外管顶壁的中心位置，以使多个所述内管垂向间隔均匀分布，并使所有压力传感器的数据线沿内管由下至上延伸至与集成有第一无线通信模块的读数仪连接；
S3、在每个所述内管的外周壁的上部和下部的径向两侧与塑性外管之间设置横向的弹簧，使每个弹簧的一端与内管相连，另一端与塑性外管相连并为内管提供横向支撑力，以使内管的轴线与塑性外管的轴线重合；
S4、将塑性外管埋入预先成型于土层的垂直钻孔中，并使测斜筒的轴线方向与土层的预测倾斜方向一致；
S5、将读数仪的第一无线通信模块与集成有第二无线通信模块的外部的数据分析显示装置实现通信，由数据分析显示装置读取并显示相应测斜筒内的压力传感器输出的压力数据F传，并依次通过公式和di＝L sinθ计算得出土层不同深度段L的横向水平位移增量di，其中，深度段L指两两相邻的测斜筒的轴线之间的间距，G为重力球的重力；
S6、根据公式计算得到土层的j个深度段总的横向水平位移增量Dj。
10.如权利要求9所述的测斜方法，其特征在于：还包括将数据分析显示装置与自动报警装置连接，在数据分析显示装置自动计算得到的j个深度段总的横向水平位移增量Dj的超出设定的安全范围时，由自动报警装置报警，以提示监测管理人员作出是否采取相应措施的决定的过程。
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