CN110924978B - 一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法,包括步骤:一、布置地表监测点;二、安装注浆锚固导管;三、确定注浆压力和注浆量;四、带压注浆;五、判断地表是否隆起;六、判断注浆压力和注浆量是否达到设计值;七、故障排查;八、停止带压注浆并封堵吊装孔;九、在待监测隧道区段逐环对形成工作面的同环的隧道管片进行加固。本发明有效补充高灵敏度地层条件下盾构掘进同步注浆的不足,对壁后进行二次充填,增大隧道管片壁后注浆充填加固范围,提高管片承受外力的能力,抵御隧道沉降变形,同时注浆锚固导管可给衬砌管片提供有效的支撑力,提高盾构隧道的整体稳定性,有效遏制盾构隧道在施工及运营阶段变形失稳的风险。
Description
技术领域
本发明属于预防隧道失稳技术领域,具体涉及一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法。
背景技术
地层中若含有大量的饱和粉细砂、淤泥,形成软弱地层,透水性强且具有高压缩性,该类地层被称为高灵敏度地层,高灵敏度地层具有触变特性,在动力作用下极易造成土体破坏变形,开挖面不稳,造成地面沉降。随着中国大力发展地下空间和立体交通线网,盾构行业取得了长足发展,但是工程风险与质量隐患依然较大,影响工程顺利建设及安全运营。盾构隧道在高灵敏度地层掘进及盾构接收时由于突发涌水、透水造成管片变形、失稳,隧道损毁的事情屡有发生,营运隧道沉降变形超标影响运营安全的事情开始凸显,严重影响周边环境及人民生命财产安全。目前,国内盾构法施工隧道结构多为预制拼装管片,并在壁后填充注浆,一般盾构法施工隧道无论是设计还是施工规范,均未对高灵敏度富水地层制定针对性措施,仍然是按照常规措施处理,即在管片外面大约150mm范围内进行壁后注浆,规范要求充填系数宜为1.3~2.5,这种结构在高灵敏度复杂地质条件下的整体稳定性略显不足,在施工和营运阶段易发生隧道突涌、变形并导致成型隧道管片失稳坍塌损毁事故。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法,有效补充高灵敏度地层条件下盾构掘进同步注浆的不足,对壁后进行二次充填,增大隧道管片壁后注浆充填加固范围,提高管片承受外力的能力,抵御隧道沉降变形,同时注浆锚固导管可给衬砌管片提供有效的支撑力,提高盾构隧道的整体稳定性,有效遏制盾构隧道在施工及运营阶段变形失稳的风险,且投入成本低,便于推广使用。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤一、布置地表监测点:在待监测隧道区段正对的地面上阵列式的埋设多个位置传感器,多个位置传感器围成的地表面积覆盖待监测隧道区段及其锚固区域在地面的投影面积;
所述待监测隧道区段为盾构始发隧道的前N环衬砌管片区段和盾构接收端隧道的后N环衬砌管片区段,其中,N为正整数;
步骤二、安装注浆锚固导管:在待监测隧道区段形成工作面的同环的隧道管片上压入六根注浆锚固导管,过程如下:
步骤201、在同环的隧道管片周向方向上的多个吊装孔中选取六个吊装孔,该六个吊装孔中任一吊装孔的圆心与当前环隧道圆心的连线的延长线均不与水平面垂直;
步骤202、在步骤201中的六个吊装孔中分别安装截止阀,注浆锚固导管穿过截止阀和吊装孔压入隧道管片后侧的高灵敏度地层中;
当注浆锚固导管中有地层水土流出,则关闭截止阀;当注浆锚固导管中未有地层水土流出,则截止阀为开启状态;
所述注浆锚固导管包括依次设置且一体加工的锥头、注浆管段和预留止浆管段,所述注浆管段的长度方向上开设有多个注浆孔;
步骤三、确定每根注浆锚固导管的注浆压力和注浆量:根据高灵敏度地层地质参数中的被动土压力值确定每根注浆锚固导管的注浆压力,每根注浆锚固导管的注浆压力不大于对应地层中高灵敏度地层的被动土压力值;
根据公式Q=πr2αβLn,确定每根注浆锚固导管的注浆量Q,其中,r为注浆扩散半径,α为高灵敏度地层的地层充满系数,β为浆液消耗系数,L为注浆锚固导管的注浆长度且L=H-h,n为高灵敏度地层的地层孔隙率;
步骤四、带压注浆:保持截止阀为开启状态,利用注浆锚固导管向高灵敏度地层带压注浆,注入高灵敏度地层中的水泥浆液与对应位置处的高灵敏度地层形成水泥加固体;
步骤五、判断地表是否隆起:利用多个位置传感器实时采集地面的地表位置,当未有位置传感器采集的数据变化范围超过预设的位置超限阈值时,执行步骤六;当存在位置传感器采集的数据变化范围超过预设的位置超限阈值时,执行步骤七;
步骤六、判断注浆压力和注浆量是否达到设计值:实时监测每根注浆锚固导管的注浆压力和注浆量变化,当注浆锚固导管的注浆压力和注浆量未达到各自的设计值时,循环步骤四;当注浆锚固导管的注浆压力和注浆量达到各自的设计值时,执行步骤八;
步骤七、故障排查:停止带压注浆,分析故障原因,找出故障点,并排除故障,待故障排查完毕,循环步骤四;
步骤八、停止带压注浆并封堵吊装孔:注浆锚固导管的注浆压力和注浆量达到各自的设计值后,停止带压注浆,将注浆锚固导管与隧道管片的预埋钢板焊接成一体,封堵吊装孔,使注浆锚固导管埋设在高灵敏度地层中;
步骤九、多次循环步骤二至步骤八,在待监测隧道区段并沿隧道里程方向逐环对形成工作面的同环的隧道管片进行加固,实现与盾构法隧道施工过程同步。
上述的一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法,其特征在于:步骤四中所述水泥浆液的颗粒直径小于高灵敏度地层的土体孔隙直径的三分之一;水泥浆液的注浆压力不大于2Mpa。
上述的一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法,其特征在于:步骤三中注浆扩散半径r取0.3m,高灵敏度地层的地层充满系数α取1.3~2.5,浆液消耗系数β取1.1。
上述的一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法,其特征在于:步骤202中多个注浆孔在所述注浆管段的长度方向上呈梅花型布设,相邻两个注浆孔之间的距离为10cm,注浆孔的孔径为8mm;预留止浆管段与截止阀配合的一端设置有防止打压注浆锚固导管时漏水的注浆接头;注浆锚固导管为厚3.5mm的热轧无缝钢管。
上述的一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法,其特征在于:步骤202中注浆锚固导管通过锤击或钻机压入高灵敏度地层内。
上述的一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法,其特征在于:所述N的取值范围为10~20。
上述的一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法,其特征在于:步骤七中所述故障原因包括高灵敏度地层的地层充满系数选取不正确、浆液消耗系数选取不正确、高灵敏度地层的地层孔隙率选取不正确、高灵敏度地层地质参数中的被动土压力值计算不正确、或高灵敏度地层的土体孔隙直径获取不正确。
上述的一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法,其特征在于:所述位置传感器为直线位移传感器。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
1、本发明将吊装孔兼做二次管片注浆孔,无需对衬砌管片额外打孔,且在待监测隧道区段并沿隧道里程方向逐环对形成工作面的同环的隧道管片进行加固,与盾构法隧道施工过程同步,便于施工,且能够保证施工的安全,不染污地下环境,施工投入成本低,提高隧道的整体稳定性,不对周边环境造成破坏,不影响工期,便于推广使用。
2、本发明注浆锚固导管起到引导水泥浆液扩散的作用,在同环的隧道管片周向方向上的多个吊装孔中选取六个吊装孔,该六个吊装孔中任一吊装孔的圆心与当前环隧道圆心的连线的延长线均不与水平面垂直,避免后期注浆时,水泥浆液直接向上扩散,对地表造成严重快速的隆起破坏,引导水泥浆液沿隧道宽度方向扩散,有效补充高灵敏度地层条件下盾构掘进同步注浆的不足,对壁后进行二次充填,增大隧道管片壁后注浆充填加固范围,提高管片承受外力的能力,同时注浆锚固导管可给衬砌管片提供有效的支撑力,提高盾构隧道的整体稳定性,有效遏制盾构隧道在施工及运营阶段变形失稳的风险;另外,注浆锚固导管中注浆管段远离隧道、而预留止浆管段靠近隧道,仅在注浆管段上开设多个注浆孔,预留止浆管段上未开设注浆孔,且预留止浆管段的长度占注浆锚固导管总长度的三分之一,实现管片壁后注浆与隧道锚固注浆隔离,避免隧道锚固注浆对管片壁后注浆的干扰,进而避免隧道锚固注浆对隧道管片的挤压,避免隧道变形失稳,使用效果好。
3、本发明在衬砌环背后形成有一定范围的环箍和锚固区,从而起到止水和限制隧道沉降变形的作用,提高管片承受外力的能力,抵御隧道沉降变形,可靠稳定。
4、本发明方法步骤简单,通过在地面布置地表监测点且多个位置传感器围成的地表面积覆盖待监测隧道区段及其锚固区域在地面的投影面积,实时对注浆过程进行监测,避免对周边环境造成破坏,影响工期,通过实时监测每根注浆锚固导管的注浆压力和注浆量变化,获知当前注浆情况,避免注浆过程中存在的故障对隧道以及地表造成的破坏,在待监测隧道区段并沿隧道里程方向逐环对形成工作面的同环的隧道管片进行加固,实现与盾构法隧道施工过程同步,不影响工期,增强盾构法施工地铁隧道的稳定性的同时,降低了盾构隧道施工乃至后期运营时的风险,便于推广使用。
综上所述,本发明有效补充高灵敏度地层条件下盾构掘进同步注浆的不足,对壁后进行二次充填,增大隧道管片壁后注浆充填加固范围,提高管片承受外力的能力,抵御隧道沉降变形,同时注浆锚固导管可给衬砌管片提供有效的支撑力,提高盾构隧道的整体稳定性,有效遏制盾构隧道在施工及运营阶段变形失稳的风险,且投入成本低,便于推广使用。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程框图。
图2为本发明预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳采用的结构示意图。
图3为图2中A处的局部放大图。
图4为本发明注浆锚固导管的结构示意图。
附图标记说明:
1—地面; 2—高灵敏度地层; 3—隧道管片;
4—预埋钢板; 5—注浆锚固导管; 5-1—锥头;
5-2—注浆管段; 5-3—预留止浆管段; 5-4—注浆孔;
6—水泥加固体; 7—位置传感器; 8—吊装孔。
具体实施方式
如图1至图4所示,本发明的一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法,包括以下步骤:
步骤一、布置地表监测点:在待监测隧道区段正对的地面1上阵列式的埋设多个位置传感器7,多个位置传感器7围成的地表面积覆盖待监测隧道区段及其锚固区域在地面的投影面积;
所述待监测隧道区段为盾构始发隧道的前N环衬砌管片区段和盾构接收端隧道的后N环衬砌管片区段,其中,N为正整数;
本实施例中,所述N的取值范围为10~20。
本实施例中,所述位置传感器7为直线位移传感器。
步骤二、安装注浆锚固导管:在待监测隧道区段形成工作面的同环的隧道管片3上压入六根注浆锚固导管5,过程如下:
步骤201、在同环的隧道管片3周向方向上的多个吊装孔8中选取六个吊装孔8,该六个吊装孔8中任一吊装孔8的圆心与当前环隧道圆心的连线的延长线均不与水平面垂直;
步骤202、在步骤201中的六个吊装孔8中分别安装截止阀,注浆锚固导管5穿过截止阀和吊装孔8压入隧道管片3后侧的高灵敏度地层2中;
当注浆锚固导管5中有地层水土流出,则关闭截止阀;当注浆锚固导管5中未有地层水土流出,则截止阀为开启状态;
所述注浆锚固导管5包括依次设置且一体加工的锥头5-1、注浆管段5-2和预留止浆管段5-3,所述注浆管段5-2的长度方向上开设有多个注浆孔5-4;
本实施例中,步骤202中多个注浆孔5-4在所述注浆管段5-2的长度方向上呈梅花型布设,相邻两个注浆孔5-4之间的距离为10cm,注浆孔5-4的孔径为8mm;预留止浆管段5-3与截止阀配合的一端设置有防止打压注浆锚固导管5时漏水的注浆接头;注浆锚固导管5为厚3.5mm的热轧无缝钢管。
本实施例中,步骤202中注浆锚固导管5通过锤击或钻机压入高灵敏度地层2内。
需要说明的是,将吊装孔兼做二次管片注浆孔,无需对衬砌管片额外打孔,且在待监测隧道区段并沿隧道里程方向逐环对形成工作面的同环的隧道管片进行加固,与盾构法隧道施工过程同步,便于施工,且能够保证施工的安全,不染污地下环境,施工投入成本低,提高隧道的整体稳定性,不对周边环境造成破坏,不影响工期。
实际使用时,注浆锚固导管起到引导水泥浆液扩散的作用,在同环的隧道管片周向方向上的多个吊装孔中选取六个吊装孔,该六个吊装孔中任一吊装孔的圆心与当前环隧道圆心的连线的延长线均不与水平面垂直,避免后期注浆时,水泥浆液直接向上扩散,对地表造成严重快速的隆起破坏,引导水泥浆液沿隧道宽度方向扩散,有效补充高灵敏度地层条件下盾构掘进同步注浆的不足,对壁后进行二次充填,增大隧道管片壁后注浆充填加固范围,提高管片承受外力的能力,同时注浆锚固导管可给衬砌管片提供有效的支撑力,提高盾构隧道的整体稳定性,有效遏制盾构隧道在施工及运营阶段变形失稳的风险;另外,注浆锚固导管中注浆管段远离隧道、而预留止浆管段靠近隧道,仅在注浆管段上开设多个注浆孔,预留止浆管段上未开设注浆孔,且预留止浆管段的长度占注浆锚固导管总长度的三分之一,实现管片壁后注浆与隧道锚固注浆隔离,避免隧道锚固注浆对管片壁后注浆的干扰,进而避免隧道锚固注浆对隧道管片的挤压,避免隧道变形失稳。
步骤三、确定每根注浆锚固导管的注浆压力和注浆量:根据高灵敏度地层2地质参数中的被动土压力值确定每根注浆锚固导管的注浆压力,每根注浆锚固导管的注浆压力不大于对应地层中高灵敏度地层2的被动土压力值;
根据公式Q=πr2αβLn,确定每根注浆锚固导管的注浆量Q,其中,r为注浆扩散半径,α为高灵敏度地层2的地层充满系数,β为浆液消耗系数,L为注浆锚固导管5的注浆长度且L=H-h,n为高灵敏度地层2的地层孔隙率;
本实施例中,步骤三中注浆扩散半径r取0.3m,高灵敏度地层2的地层充满系数α取1.3~2.5,浆液消耗系数β取1.1。
步骤四、带压注浆:保持截止阀为开启状态,利用注浆锚固导管5向高灵敏度地层2带压注浆,注入高灵敏度地层2中的水泥浆液与对应位置处的高灵敏度地层2形成水泥加固体6;
本实施例中,步骤四中所述水泥浆液的颗粒直径小于高灵敏度地层2的土体孔隙直径的三分之一;水泥浆液的注浆压力不大于2MPa。
步骤五、判断地表是否隆起:利用多个位置传感器7实时采集地面1的地表位置,当未有位置传感器7采集的数据变化范围超过预设的位置超限阈值时,执行步骤六;当存在位置传感器7采集的数据变化范围超过预设的位置超限阈值时,执行步骤七;
步骤六、判断注浆压力和注浆量是否达到设计值:实时监测每根注浆锚固导管的注浆压力和注浆量变化,当注浆锚固导管的注浆压力和注浆量未达到各自的设计值时,循环步骤四;当注浆锚固导管的注浆压力和注浆量达到各自的设计值时,执行步骤八;
需要说明的是,在衬砌环背后形成有一定范围的环箍和锚固区,从而起到止水和限制隧道沉降变形的作用,提高管片承受外力的能力,抵御隧道沉降变形,可靠稳定。
步骤七、故障排查:停止带压注浆,分析故障原因,找出故障点,并排除故障,待故障排查完毕,循环步骤四;
本实施例中,步骤七中所述故障原因包括高灵敏度地层2的地层充满系数选取不正确、浆液消耗系数选取不正确、高灵敏度地层2的地层孔隙率选取不正确、高灵敏度地层2地质参数中的被动土压力值计算不正确、或高灵敏度地层2的土体孔隙直径获取不正确。
步骤八、停止带压注浆并封堵吊装孔:注浆锚固导管的注浆压力和注浆量达到各自的设计值后,停止带压注浆,将注浆锚固导管5与隧道管片3的预埋钢板4焊接成一体,封堵吊装孔8,使注浆锚固导管5埋设在高灵敏度地层2中;
步骤九、多次循环步骤二至步骤八,在待监测隧道区段并沿隧道里程方向逐环对形成工作面的同环的隧道管片3进行加固,实现与盾构法隧道施工过程同步。
本发明使用时,通过在地面布置地表监测点且多个位置传感器围成的地表面积覆盖待监测隧道区段及其锚固区域在地面的投影面积,实时对注浆过程进行监测,避免对周边环境造成破坏,影响工期,通过实时监测每根注浆锚固导管的注浆压力和注浆量变化,获知当前注浆情况,避免注浆过程中存在的故障对隧道以及地表造成的破坏,在待监测隧道区段并沿隧道里程方向逐环对形成工作面的同环的隧道管片进行加固,实现与盾构法隧道施工过程同步,不影响工期,增强盾构法施工地铁隧道的稳定性的同时,降低了盾构隧道施工乃至后期运营时的风险。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤一、布置地表监测点:在待监测隧道区段正对的地面(1)上阵列式的埋设多个位置传感器(7),多个位置传感器(7)围成的地表面积覆盖待监测隧道区段及其锚固区域在地面的投影面积;
所述待监测隧道区段为盾构始发隧道的前N环衬砌管片区段和盾构接收端隧道的后N环衬砌管片区段,其中,N为正整数;
步骤二、安装注浆锚固导管:在待监测隧道区段形成工作面的同环的隧道管片(3)上压入六根注浆锚固导管(5),过程如下:
步骤201、在同环的隧道管片(3)周向方向上的多个吊装孔(8)中选取六个吊装孔(8),该六个吊装孔(8)中任一吊装孔(8)的圆心与当前环隧道圆心的连线的延长线均不与水平面垂直;
步骤202、在步骤201中的六个吊装孔(8)中分别安装截止阀,注浆锚固导管(5)穿过截止阀和吊装孔(8)压入隧道管片(3)后侧的高灵敏度地层(2)中;
当注浆锚固导管(5)中有地层水土流出,则关闭截止阀;当注浆锚固导管(5)中未有地层水土流出,则截止阀为开启状态;
所述注浆锚固导管(5)包括依次设置且一体加工的锥头(5-1)、注浆管段(5-2)和预留止浆管段(5-3),所述注浆管段(5-2)的长度方向上开设有多个注浆孔(5-4);
步骤三、确定每根注浆锚固导管的注浆压力和注浆量:根据高灵敏度地层(2)地质参数中的被动土压力值确定每根注浆锚固导管的注浆压力,每根注浆锚固导管的注浆压力不大于对应地层中高灵敏度地层(2)的被动土压力值;
根据公式Q=πr2αβLn,确定每根注浆锚固导管的注浆量Q,其中,r为注浆扩散半径,α为高灵敏度地层(2)的地层充满系数,β为浆液消耗系数,L为注浆锚固导管(5)的注浆长度且L=H-h,n为高灵敏度地层(2)的地层孔隙率;
步骤四、带压注浆:保持截止阀为开启状态,利用注浆锚固导管(5)向高灵敏度地层(2)带压注浆,注入高灵敏度地层(2)中的水泥浆液与对应位置处的高灵敏度地层(2)形成水泥加固体(6);
步骤五、判断地表是否隆起:利用多个位置传感器(7)实时采集地面(1)的地表位置,当未有位置传感器(7)采集的数据变化范围超过预设的位置超限阈值时,执行步骤六;当存在位置传感器(7)采集的数据变化范围超过预设的位置超限阈值时,执行步骤七;
步骤六、判断注浆压力和注浆量是否达到设计值:实时监测每根注浆锚固导管的注浆压力和注浆量变化,当注浆锚固导管的注浆压力和注浆量未达到各自的设计值时,循环步骤四;当注浆锚固导管的注浆压力和注浆量达到各自的设计值时,执行步骤八;
步骤七、故障排查:停止带压注浆,分析故障原因,找出故障点,并排除故障,待故障排查完毕,循环步骤四;
步骤八、停止带压注浆并封堵吊装孔:注浆锚固导管的注浆压力和注浆量达到各自的设计值后,停止带压注浆,将注浆锚固导管(5)与隧道管片(3)的预埋钢板(4)焊接成一体,封堵吊装孔(8),使注浆锚固导管(5)埋设在高灵敏度地层(2)中;
步骤九、多次循环步骤二至步骤八,在待监测隧道区段并沿隧道里程方向逐环对形成工作面的同环的隧道管片(3)进行加固,实现与盾构法隧道施工过程同步。
2.按照权利要求1所述的一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法,其特征在于:步骤四中所述水泥浆液的颗粒直径小于高灵敏度地层(2)的土体孔隙直径的三分之一;水泥浆液的注浆压力不大于2MPa。
3.按照权利要求1所述的一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法,其特征在于:步骤三中注浆扩散半径r取0.3m,高灵敏度地层(2)的地层充满系数α取1.3~2.5,浆液消耗系数β取1.1。
4.按照权利要求1所述的一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法,其特征在于:步骤202中多个注浆孔(5-4)在所述注浆管段(5-2)的长度方向上呈梅花型布设,相邻两个注浆孔(5-4)之间的距离为10cm,注浆孔(5-4)的孔径为8mm;预留止浆管段(5-3)与截止阀配合的一端设置有防止打压注浆锚固导管(5)时漏水的注浆接头;注浆锚固导管(5)为厚3.5mm的热轧无缝钢管。
5.按照权利要求1所述的一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法,其特征在于:步骤202中注浆锚固导管(5)通过锤击或钻机压入高灵敏度地层(2)内。
6.按照权利要求1所述的一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法,其特征在于:所述N的取值范围为10~20。
7.按照权利要求2所述的一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法,其特征在于:步骤七中所述故障原因包括高灵敏度地层(2)的地层充满系数选取不正确、浆液消耗系数选取不正确、高灵敏度地层(2)的地层孔隙率选取不正确、高灵敏度地层(2)地质参数中的被动土压力值计算不正确、或高灵敏度地层(2)的土体孔隙直径获取不正确。
8.按照权利要求1所述的一种预防高灵敏度地层条件下盾构法隧道失稳的施工方法,其特征在于:所述位置传感器(7)为直线位移传感器。
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