CN113774896B - 一种海上风电筒型基础顶部旋进式注浆防冲刷装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及海上风电技术领域，特别是涉及一种海上风电筒型基础顶部旋进式注浆防冲刷装置及方法，包括混凝土底板，混凝土底板底部与海床地基相接触，混凝土底板底部固接有若干基础筒体，基础筒体深入海床地基内部，混凝土底板顶面固接有单柱，单柱两侧壁固接有升降滑轨，升降滑轨滑动连接有升降式注浆系统，升降式注浆系统底部铰接有若干旋进式注浆管的一端，旋进式注浆管另一端套接有滑动式限位系统，滑动式限位系统底部与混凝土底板边部滑动连接。本发明可深入海床地基内部进行注浆达到强有力的加固效果，增加了临近冲刷影响范围内地基土的防冲刷效果。

Description

一种海上风电筒型基础顶部旋进式注浆防冲刷装置及方法
技术领域
本发明涉及海上风电技术领域，特别是涉及一种海上风电筒型基础顶部旋进式注浆防冲刷装置及方法。
背景技术
近年来我国海上风电得到了大规模开发，近海风力发电技术成为近年来研究和应用的热点，截止2020年，中国的海上风电新增装机容量超3GW，占全球新增装机的50.45％。国内外常见的海上风力发电基础结构形式主要包括：单桩基础、导管架式基础、高桩承台基础及筒型基础等。而筒型基础作为一种新型的宽浅式海上风电基础结构型式，其抗倾覆能力强，适用于软弱地基，现已成功应用到江苏沿海的风电开发中。但较传统的桩基础等深基础海上风电结构型式，筒型基础周围地基的冲刷破坏对风机结构体系安全性的影响更加明显。海上风电筒型基础长期处于海洋环境中，承受复杂的波流共同作用，引起基础周围床面的冲刷，而基础的局部冲刷减小了基础的入土深度，不但降低了基础的承载能力，还使整体结构的自振频率发生改变，对海上风电筒型基础的整体结构稳定性及动力响应造成严重影响。
目前对海床基础冲刷防护多采取抛石、膜袋砂护底、增设四面体透水框架群等被动覆盖措施以提高海床地基的抗冲刷性能，但上述工程措施的施工成本较高，且只能对表层海床地基土体进行防护，一旦覆盖体发生破损将会导致深层地基土体发生更加严重的冲刷破坏，后续维护费用巨大。而注浆作为较为成熟的地基加固措施，其主要是通过注浆管将具有胶凝作用的浆液传输到指定部位以达到加固目的。目前将注浆加固应用于海上风电基础防冲刷的专利相对较少，如 CN108589798B等，但这类专利的应用范围均限于单桩，且注浆加固范围均为表层地基土，未涉及深部土体的加固防护；对于专利 CN112663616A、CN107882058B等，但上述专利主要针对海上风电基础与海床地基土接触面这一狭小区域进行注浆加固，对基础临近冲刷影响范围内地基土的防冲刷效果不佳。因此，有必要提出一种海上风电筒型基础顶部旋进式注浆防冲刷装置及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种海上风电筒型基础顶部旋进式注浆防冲刷装置及方法，以解决上述问题，本发明可深入海床地基内部进行注浆达到强有力的加固效果，增加了临近冲刷影响范围内地基土的防冲刷效果。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种海上风电筒型基础顶部旋进式注浆防冲刷装置，包括混凝土底板，所述混凝土底板底部与海床地基相接触，所述混凝土底板底部固接有若干基础筒体，所述基础筒体深入海床地基内部，所述混凝土底板顶面固接有单柱，所述单柱两侧壁固接有升降滑轨，所述升降滑轨滑动连接有升降式注浆系统，所述升降式注浆系统底部铰接有若干旋进式注浆管的一端，所述旋进式注浆管另一端套接有滑动式限位系统，所述滑动式限位系统底部与所述混凝土底板边部滑动连接。
优选的，所述升降式注浆系统包括若干传动滚轮，所述传动滚轮边部与所述升降滑轨接触设置，所述传动滚轮由可程式电机提供动力，所述可程式电机外壁固接有传动装置保护箱，所述传动装置保护箱外壁固接有注浆系统防护箱，所述注浆系统防护箱顶部开设有浆液注入口，所述注浆系统防护箱底部转动连接有转盘，所述旋进式注浆管顶端与所述转盘铰接，所述旋进式注浆管穿过所述转盘与所述注浆系统防护箱内部连通。
优选的，所述旋进式注浆管包括连接器，所述连接器边部与所述转盘铰接，所述连接器一端与所述注浆系统防护箱内部连通，所述连接器另一端固接有互相套接的若干根伸缩式外管，所述伸缩式外管内壁开设有对称设置的内嵌式滑动槽，所述内嵌式滑动槽两侧壁转动连接有若干滑动滚轮，相邻的两根伸缩式外管中，仅直径较小的伸缩式外管的外壁与滑动滚轮滑动连接，所述伸缩式外管连接处固接有橡胶保护套，所述伸缩式外管中部固接有钻孔组件，所述伸缩式外管外壁与所述滑动式限位系统套接。
优选的，所述钻孔组件包括若干根首尾依次连接的旋进式钻杆，所述旋进式钻杆外壁与所述伸缩式外管固接，相邻的两根所述旋进式钻杆由钻杆延长连接头可拆卸连接，远离所述连接器的旋进式钻杆端部固接有旋进式钻头，所述旋进式钻杆为中空结构，所述旋进式钻杆和所述旋进式钻头中轴线处固接有注浆管，所述注浆管一端与所述连接器连通，所述注浆管另一端与所述旋进式钻头连通。
优选的，所述滑动式限位系统包括限位环，所述限位环内壁与所述伸缩式外管套接，所述限位环底部转动连接有滑块，所述混凝土底板边部固接有滑轨，所述滑块内壁与所述滑轨外壁滑动连接，所述滑块边部开设有若干外限位孔，所述滑轨外壁开设有若干内限位孔，所述外限位孔与所述内限位孔位置向对应，所述外限位孔和所述内限位孔共同插接有限位杆。
一种海上风电筒型基础顶部旋进式注浆防冲刷方法，应用于一种海上风电筒型基础顶部旋进式注浆防冲刷装置，包括以下步骤：
步骤一：确定桶型基础四周待加固区域的基本信息；
步骤二：对基本信息进行离散化处理，获得离散参数；
步骤三：由离散参数计算得出注浆参数。
优选的，步骤一中的基本信息包括目标注浆宽度S0、目标注浆深度H0和注浆压力；步骤二中对目标注浆宽度S0和目标注浆深度H0进行离散化处理。
优选的，步骤二中离散参数包括m和n，将待加固目标注浆深度 H0离散为n个等高度(高度＝H0/n)微元，对应节点可视为一个注浆完成深度节点，共计n个，并计算出注浆完成深度节点对应注浆管入泥位置；将待加固目标注浆宽度S0离散为m个等角度(角度＝360度/m) 微元，对应节点可视为一个注浆完成宽度节点，共计m个；步骤三中由m和n计算得出注浆参数。
优选的，步骤三中由m和n可确定升降式注浆系统由混凝土底板向上抬升的距离依次为
Figure GDA0003515992960000051
(其中D为混凝土底板的半径、T0为混凝土底板的厚度)，则升降式注浆系统每上升到一个高度Zi对应的注浆次数为m，而升降式注浆系统需累计上升n个高度，共计需要进行m×n次注浆。
本发明具有如下技术效果：混凝土底板与海床地基相接触，混凝土底板与海床地基有较大的接触面积，用于承载整个海上风力发电系统的压力，混凝土底板下方的基础筒体深入海床地基内部用于加固混凝土底板，混凝土底板上方的单柱用于安装海上风力发电系统和升降式注浆系统，升降式注浆系统可沿单柱上下滑动，带动旋进式注浆管顶部运动，并向旋进式注浆管提供砂浆，旋进式注浆管不仅可以在表层地基进行注浆，还可深入海床地基内部进行注浆达到强有力的加固效果，增加了临近冲刷影响范围内地基土的防冲刷效果；滑动式限位系统可带动旋进式注浆管底部绕单柱转动，使旋进式注浆管在混凝土底板周边进行注浆作业。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构示意图；
图2为混凝土底板和滑动式限位系统结构示意图；
图3为旋进式注浆管结构示意图；
图4为旋进式注浆管截面示意图；
图5为伸缩式外管结构示意图；
图6为钻孔组件结构示意图；
图7为升降式注浆系统结构示意图；
图8为本发明工作状态示意图；
图9为本发明等深度方向离散示意图；
图10为本发明等宽度方向离散示意图；
图11为本发明连接器和转盘连接关系示意图；
图12为本发明实施例2等宽度方向离散示意图；
其中，1、单柱；2、混凝土底板；3、基础筒体；4、升降滑轨； 5、升降式注浆系统；6、旋进式注浆管；7、滑动式限位系统；8、滑轨；702、滑块；703、限位环；704、外限位孔；705、内限位孔；706、限位杆；601、连接器；602、伸缩式外管；603、橡胶保护套；604、旋进式钻杆；605、注浆管；606、内嵌式滑动槽；607、滑动滚轮； 608、钻杆延长连接头；609、旋进式钻头；501、可程式电机；502、传动滚轮；503、传动装置保护箱；504、注浆系统防护箱；505、浆液注入口；506、转盘。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
参照图1-11，本实施例提供一种海上风电筒型基础顶部旋进式注浆防冲刷装置，包括混凝土底板2，混凝土底板2底部与海床地基相接触，混凝土底板2底部固接有若干基础筒体3，基础筒体3深入海床地基内部，混凝土底板2顶面固接有单柱1，单柱1两侧壁固接有升降滑轨4，升降滑轨4滑动连接有升降式注浆系统5，升降式注浆系统5底部铰接有若干旋进式注浆管6的一端，旋进式注浆管6另一端套接有滑动式限位系统7，滑动式限位系统7底部与混凝土底板 2边部滑动连接。
混凝土底板2与海床地基相接触，混凝土底板2与海床地基有较大的接触面积，用于承载整个海上风力发电系统的压力，混凝土底板 2下方的基础筒体3深入海床地基内部用于加固混凝土底板2，混凝土底板2上方的单柱1用于安装海上风力发电系统和升降式注浆系统 5，升降式注浆系统5可沿单柱1上下滑动，带动旋进式注浆管6顶部运动，并向旋进式注浆管6提供砂浆，旋进式注浆管6不仅可以在表层地基进行注浆，还可深入海床地基内部进行注浆达到强有力的加固效果，增加了临近冲刷影响范围内地基土的防冲刷效果；滑动式限位系统7可带动旋进式注浆管6底部绕单柱1转动，使旋进式注浆管 6在混凝土底板2周边进行注浆作业。
进一步优化方案，升降式注浆系统5包括若干传动滚轮502，传动滚轮502边部与升降滑轨4接触设置，传动滚轮502由可程式电机 501提供动力，可程式电机501外壁固接有传动装置保护箱503，传动装置保护箱503外壁固接有注浆系统防护箱504，注浆系统防护箱504顶部开设有浆液注入口505，注浆系统防护箱504底部转动连接有转盘506，旋进式注浆管6顶端与转盘506铰接，旋进式注浆管6 穿过转盘506与注浆系统防护箱504内部连通。
升降式注浆系统5中的传动滚轮502与升降滑轨4相配合，由可程式电机501提供动力，使升降式注浆系统5整体可以沿单柱1上下滑动，砂浆通过浆液注入口505注入注浆系统防护箱504中，由于旋进式注浆管6穿过转盘506与注浆系统防护箱504内部连通，砂浆可流入旋进式注浆管6中，转盘506与旋进式注浆管6铰接，以适应旋进式注浆管6下降过程中角度的变化，转盘506边部与减速电机传动 (图中未画出)连接，减速电机控制转盘506转动，转盘506带动旋进式注浆管6转动，使旋进式注浆管6绕单柱1做平动，旋进式注浆管6顶部和底部旋转速率相同，使旋进式注浆管6在混凝土底板2周边不同位置进行注浆。
进一步优化方案，旋进式注浆管6包括连接器601，连接器601 边部与转盘506铰接，连接器601一端与注浆系统防护箱504内部连通，连接器601另一端固接有互相套接的若干根伸缩式外管602，伸缩式外管602内壁开设有对称设置的内嵌式滑动槽606，内嵌式滑动槽606两侧壁转动连接有若干滑动滚轮607，相邻的两根伸缩式外管 602中，仅直径较小的伸缩式外管的外壁与滑动滚轮607滑动连接，伸缩式外管602连接处固接有橡胶保护套603，伸缩式外管602中部固接有钻孔组件，伸缩式外管602外壁与滑动式限位系统7套接。
连接器601用于连接注浆系统防护箱504和伸缩式外管602，连接器601可相对于转盘506转动，以适应旋进式注浆管6向下运动时角度的变化，若干根伸缩式外管602组成可伸缩结构，用于深入海床地基内部，橡胶保护套603防止海水进入伸缩式外管602内部，伸缩式外管602内部的钻孔组件用于钻孔和注射砂浆。
进一步优化方案，钻孔组件包括若干根首尾依次连接的旋进式钻杆604，旋进式钻杆604外壁与伸缩式外管602固接，相邻的两根旋进式钻杆604由钻杆延长连接头608可拆卸连接，远离连接器601的旋进式钻杆604端部固接有旋进式钻头609，旋进式钻杆604为中空结构，旋进式钻杆604和旋进式钻头609中轴线处固接有注浆管605，注浆管605一端与连接器601连通，注浆管605另一端与旋进式钻头 609连通。砂浆由旋进式钻杆604和旋进式钻头609中心的注浆管605 流出，在伸缩式外管602伸长的过程中，不断向伸缩式外管602内部接入旋进式钻杆604，两根旋进式钻杆604由钻杆延长连接头608相互连接。
进一步优化方案，滑动式限位系统7包括限位环703，限位环703 内壁与伸缩式外管602套接，限位环703底部转动连接有滑块702，混凝土底板2边部固接有滑轨8，滑块702内壁与滑轨8外壁滑动连接，滑块702边部开设有若干外限位孔704，滑轨8外壁开设有若干内限位孔705，外限位孔704与内限位孔705位置向对应，外限位孔 704和内限位孔705共同插接有限位杆706。伸缩式外管602穿过限位环703，当旋进式注浆管6伸长时，伸缩式外管602的外壁沿限位环703滑动，并且滑块702可带动限位环703沿滑轨8滑动，使旋进式注浆管6在不同方向上完成注浆作业，当旋进式注浆管6到达指定注浆位置时，将限位杆706插入到外限位孔704和内限位孔705中，从而将滑块702锁定，有利于注浆作业时旋进式注浆管6的稳定。
一种海上风电筒型基础顶部旋进式注浆防冲刷方法，应用于一种海上风电筒型基础顶部旋进式注浆防冲刷装置，包括以下步骤：
步骤一：确定桶型基础四周待加固区域的基本信息；
步骤二：对基本信息进行离散化处理，获得离散参数；
步骤三：由离散参数计算得出注浆参数。
进一步优化方案，步骤一中的基本信息包括目标注浆宽度S0、目标注浆深度H0和注浆压力；步骤二中对目标注浆宽度S0和目标注浆深度H0进行离散化处理。
进一步优化方案，步骤二中离散参数包括m和n，将待加固目标注浆深度H0离散为n个等高度(高度＝H0/n)微元，对应节点可视为一个注浆完成深度节点，共计n个，并计算出注浆完成深度节点对应注浆管入泥位置；将待加固目标注浆宽度S0离散为m个等角度(角度＝360度/m)微元，对应节点可视为一个注浆完成宽度节点，共计m 个；步骤三中由m和n计算得出注浆参数。
进一步优化方案，步骤三中由m和n可确定升降式注浆系统5由混凝土底板2向上抬升的距离依次为
Figure GDA0003515992960000111
其中D为混凝土底板2的半径、T0为混凝土底板2的厚度，则升降式注浆系统5每上升到一个高度Zi对应的注浆次数为m，而升降式注浆系统5需累计上升n个高度，共计需要进行m×n次注浆。
本实施例的工作过程如下：通过上述方法确定注浆点位和注浆路径，注浆过程从单柱1下部开始，可程式电机501控制传动滚轮502 转动，传动滚轮502沿升降滑轨4上行，传动滚轮502带动整体升降式注浆系统5上行，升降式注浆系统5带动旋进式注浆管6向上运动，旋进式注浆管6与混凝土底板2的夹角逐渐增大，在注浆之前，将限位杆706插入到外限位孔704和内限位孔705中，锁定旋进式注浆管 6的位置，旋进式注浆管6伸长，旋进式钻杆604深入至海床中，砂浆由注浆系统防护箱504经注浆管605流出，进行注浆作业，待深度方向第i层地基土注浆加固完成后注浆系统上升至高度进行至Zi+1高度，直至注浆深度达到加固目标深度H0后完成本次注浆加固过程。随后升降式注浆系统5降至单柱1底部，浆液注入口自动关闭，注浆管 605伸缩到初始状态。需要说明，后续如发现加固区域地基土出现松动迹象，可再次开启本升降式注浆系统5，完成基础四周地基土的二次注浆加固。
当升降式注浆系统5上升至指定高度后，伸缩式外管602逐渐向海底伸长，伴随着旋进式钻杆604的向前掘进，待旋进式钻杆604到达预定位置，浆液通过其内部中空的注浆管6开始注入地基土，随后旋进式钻杆604连同伸缩式外管602开始向后缩短，伴随着浆液的持续注入，待旋进式钻杆604脱离地基土后停止浆液注入，同时移动限位环703下部的滑块702并移至下一个指定点位，随后开始下一次注浆。
实施例2
参照图12，本实施例与实施例1的区别仅在于对注浆点位进行优化，将待加固目标注浆宽度S0离散为m/2个等角度(角度＝180度 /m)微元，相邻抬升距离错开角度180度/m进行水平点位计算，优化后共计需要进行(m/2)×n次注浆。
在实际操作过程中，考虑到注浆成本、现场操作时间窗口、现场海况等多方面原因，步骤一到三中的注浆点位过多，因此需要进行优化，以提高工效率，缩短施工时间，加快施工进度，待加固目标注浆宽度S0离散微元数可根据实际情况进行优化。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“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发明，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发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种海上风电筒型基础顶部旋进式注浆防冲刷装置，包括混凝土底板(2)，所述混凝土底板(2)底部与海床地基相接触，所述混凝土底板(2)底部固接有若干基础筒体(3)，所述基础筒体(3)深入海床地基内部，所述混凝土底板(2)顶面固接有单柱(1)，所述单柱(1)两侧壁固接有升降滑轨(4)，所述升降滑轨(4)滑动连接有升降式注浆系统(5)，所述升降式注浆系统(5)底部铰接有若干旋进式注浆管(6)的一端，所述旋进式注浆管(6)另一端套接有滑动式限位系统(7)，所述滑动式限位系统(7)底部与所述混凝土底板(2)边部滑动连接；
所述升降式注浆系统(5)包括若干传动滚轮(502)，所述传动滚轮(502)边部与所述升降滑轨(4)接触设置，所述传动滚轮(502)由可程式电机(501)提供动力，所述可程式电机(501)外壁固接有传动装置保护箱(503)，所述传动装置保护箱(503)外壁固接有注浆系统防护箱(504)，所述注浆系统防护箱(504)顶部开设有浆液注入口(505)，所述注浆系统防护箱(504)底部转动连接有转盘(506)，所述旋进式注浆管(6)顶端与所述转盘(506)铰接，所述旋进式注浆管(6)穿过所述转盘(506)与所述注浆系统防护箱(504)内部连通；
所述旋进式注浆管(6)包括连接器(601)，所述连接器(601)边部与所述转盘(506)铰接，所述连接器(601)一端与所述注浆系统防护箱(504)内部连通，所述连接器(601)另一端固接有互相套接的若干根伸缩式外管(602)，所述伸缩式外管(602)内壁开设有对称设置的内嵌式滑动槽(606)，所述内嵌式滑动槽(606)两侧壁转动连接有若干滑动滚轮(607)，相邻的两根伸缩式外管(602)中，仅直径较小的伸缩式外管的外壁与滑动滚轮(607)滑动连接，所述伸缩式外管(602)连接处固接有橡胶保护套(603)，所述伸缩式外管(602)中部固接有钻孔组件，所述伸缩式外管(602)外壁与所述滑动式限位系统(7)套接。
2.根据权利要求1所述一种海上风电筒型基础顶部旋进式注浆防冲刷装置，其特征在于：所述钻孔组件包括若干根首尾依次连接的旋进式钻杆(604)，所述旋进式钻杆(604)外壁与所述伸缩式外管(602)固接，相邻的两根所述旋进式钻杆(604)由钻杆延长连接头(608)可拆卸连接，远离所述连接器(601)的旋进式钻杆(604)端部固接有旋进式钻头(609)，所述旋进式钻杆(604)为中空结构，所述旋进式钻杆(604)和所述旋进式钻头(609)中轴线处固接有注浆管(605)，所述注浆管(605)一端与所述连接器(601)连通，所述注浆管(605)另一端与所述旋进式钻头(609)连通。
3.根据权利要求1所述一种海上风电筒型基础顶部旋进式注浆防冲刷装置，其特征在于：所述滑动式限位系统(7)包括限位环(703)，所述限位环(703)内壁与所述伸缩式外管(602)套接，所述限位环(703)底部转动连接有滑块(702)，所述混凝土底板(2)边部固接有滑轨(8)，所述滑块(702)内壁与所述滑轨(8)外壁滑动连接，所述滑块(702)边部开设有若干外限位孔(704)，所述滑轨(8)外壁开设有若干内限位孔(705)，所述外限位孔(704)与所述内限位孔(705)位置向对应，所述外限位孔(704)和所述内限位孔(705)共同插接有限位杆(706)。
4.一种海上风电筒型基础顶部旋进式注浆防冲刷方法，应用于权利要求1-3任一项所述的一种海上风电筒型基础顶部旋进式注浆防冲刷装置，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：确定筒型基础四周待加固区域的基本信息；
步骤二：对基本信息进行离散化处理，获得离散参数；
步骤三：由离散参数计算得出注浆参数；
步骤一中的基本信息包括目标注浆宽度S0、目标注浆深度H0和注浆压力；步骤二中对目标注浆宽度S0和目标注浆深度H0进行离散化处理；
步骤二中离散参数包括m和n，将待加固目标注浆深度H0离散为n个等高度(高度＝H0/n)微元，对应节点可视为一个注浆完成深度节点，共计n个，并计算出注浆完成深度节点对应注浆管入泥位置；将待加固目标注浆宽度S0离散为m个等角度(角度＝360度/m)微元，对应节点可视为一个注浆完成宽度节点，共计m个；步骤三中由m和n计算得出注浆参数；
步骤三中由m和n可确定升降式注浆系统(5)由混凝土底板(2)向上抬升的距离依次为
Figure FDA0003515992950000031
(其中D为混凝土底板(2)的半径、T0为混凝土底板(2)的厚度)，则升降式注浆系统(5)每上升到一个高度Zi对应的注浆次数为m，而升降式注浆系统(5)需累计上升n个高度，共计需要进行m×n次注浆。
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