CN113898346A - 盾构工作井底板温控防裂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种盾构工作井底板温控防裂方法,即:A、在底板浇筑模板内,按水平排距×竖直层距为1.0m×0.75m布置通水冷却水管;B、严格控制浇筑的混凝土温度:C、浇筑完毕后,采用动态调控的通水冷却方式进行水冷,保证混凝土内部的温度≤56℃;降温幅度≤1℃/d,控制混凝土内外温差≤20℃;D、通水冷却结束后,在底板的表面铺设保温层,继续养护;保温时间是4天龄期后,保温时间不少于28天,降温速率≤1℃/d;保温材料拆除时需满足混凝土内部温度与环境温度最大温差小于20℃。工程实践证明,本发明提供的底板温控防裂效果显著。
Description
技术领域
本发明涉及一种温控防裂方法,具体地说,涉及一种针对盾构工作井底板的温控防裂方法。本发明属于水利工程技术领域。
背景技术
我国地大物博自然资源丰富,特别是水利资源极为丰富。珠江三角洲水资源配置工程是国务院批准的《珠江流域综合规划(2012-2030年)》提出的重要水资源配置工程,也是国务院要求加快建设的全国172项节水供水重大水利工程之一。珠江三角洲水资源配置工程是指从西江水系向珠江三角洲东部地区引水,解决城市生活生产缺水问题,提高供水保证程度。该工程由一条输水主干线、两条分干线、一条支线、三座泵站、四座水库组成,工程设计引水流量80立方米每秒,输水线路全长约113.1公里,其中干线长90.3公里。
为修建全长约113.1公里长的输水线路,沿途需要修改五十多个盾构工作井,以便盾构机开挖输水管线。如图1和图2所示,常见的盾构工作井1为直径约26.5m-36.9m的圆形井,井深约43m-67m,盾构工作井由外圈的连续墙2和内圈的内衬墙3组成,在盾构工作井的下部为洞门墙4和底板5。
由于构成盾构工作井的底板5为钢筋混凝土结构,混凝土结构在施工期产生裂缝一直较为普遍,严重困扰工程界。同时,由于愈来愈多的施工承包商采用高性能泵输送混凝土,其施工优点和较大经济效益得到施工承包商喜欢,但是,由于高性能泵输送混凝土具有施工速度快、水泥用量多、坍落度大、水化反应剧烈、热量多且早期集中释放、弹性模量大和体积变形大等特点,致使浇筑的钢筋砼结构开裂现象更加普遍、更是防不胜防!
因此,如何有效地防止盾构工作井底板开裂成为困扰工程建设者和施工方的问题,也成为全国水利行业学术界和工程界特别关注的问题。
发明内容
鉴于上述原因,本发明的目的是提供一种针对盾构工作井底板的温控防裂方法。
为实现上述发明目的,本发明采用以下技术方案:一种盾构工作井底板温控防裂方法,它包括如下内容:
A、在底板浇筑模板内,按水平排距×竖直层距为1.0m×0.75m布置通水冷却水管,冷却水管采用内径为28.50mm、壁厚为2.60mm的钢管,供水主管管径为40mm;预埋的冷却水管单根长度控制在100m-120m;
冷却水管为蛇形双层布置,水管层间间距1m,蛇形冷却水管管路距离结构边线1m;
B、严格控制浇筑的混凝土温度:
所述浇筑的混凝土温度按下式考虑:
Tp=T1+Δθ+(Ta-Δθ-T1)(φ1+φ2) (1)
式中:Tp是混凝土浇筑温度;T1是混凝土入仓温度;Ta是环境温度;Δθ是混凝土水化反映引起的温度升高;φ1是平仓作用影响系数;φ2是坯层间歇影响系数;
平仓作用影响系数φ1按下式计算:
φ1=kt+φ′ (2)
式中:t是混凝土入仓后到平仓前所经历的时间,以分钟计;k是经验系数,建议根据实测资料确定,缺乏资料时小型人工振捣工程k=0.003,大型机械化振捣工程k=0.0005,也可按照式(3)计算:
式中:λ是混凝土导热系数;β是混凝土表面放热系数;是混凝土导热系数和表面放热系数的比值,取值为500;c是比热,取值范围0.6~1.2,超过上下限范围的按上下限范围考虑;φ′是振捣所带来的温度回升,取值在0.012到0.018之间;坯层间歇影响系数φ2按下式计算:
式中:是混凝土导热系数和表面放热系数的比值,取值范围为超过上下限范围的按上下限考虑;c是比热,取值范围为0.6~1.2,超过上下限范围的按上下限范围考虑;Δτ是平仓结束至坯层再次被覆盖的时间,单位:小时;
C、浇筑完毕后,采用动态调控的通水冷却方式进行水冷,通水冷却时间为5~8天,通水水温为20℃,通水流量2.1m3/h~2.4m3/h,水流方向每24h变换一次;其目的是保证混凝土内部的温度≤56℃;降温幅度≤1℃/d,控制混凝土内外温差≤20℃;
D、通水冷却结束后,在底板的表面铺设保温系数β=5kJ/(m2.h.℃)、导热系数λ=0.16kJ/(m2.h.℃)的保温层,继续养护;保温时间是4天龄期后,保温时间不少于28天,降温速率≤1℃/d;保温材料拆除时需满足混凝土内部温度与环境温度最大温差小于20℃。
在本发明较佳实施例中,当混凝土浇筑时间为每年的4月份--10月份,所述浇筑的混凝土温度≤23℃;浇筑时间为当年的11月份--来年的3月份,所述浇筑的混凝土温度≤18℃。
在本发明较佳实施例中,在浇筑混凝土时,严格控制混凝土浇筑温度与出机口温度之差小于5℃,且避免高温时段浇筑混凝土,充分利用低温季节和早晚及夜间气温低的时段浇筑。
在本发明较佳实施例中,在混凝土浇筑完毕6~18h后,对混凝土表面进行保湿养护,保持混凝土表面湿润;向混凝土表面喷雾/喷淋,水温不低于20℃;连续保湿养护不少于28天。
在本发明较佳实施例中,当井内气温高于23℃时,向盾构工作井内喷雾降温;
当遇气温骤降的情况,对盾构工作井进行保温,保证井内温度波动不大于6℃。
在本发明较佳实施例中,为保证盾构工作井底板施工质量,在底板混凝土每仓浇筑前:
B1、将仓面内的积水全部排净,并采用淡水将仓内所有钢筋及基岩面,冲洗干净,在砼入仓前保证仓面无积水;
B2、基岩面和新老混凝土施工缝面在浇筑第一坯混凝土前,宜先铺一层2-3cm厚的水泥砂浆,或同强度的小级配混凝土或富砂浆混凝土,保证新混凝土与基岩或新老混凝土施工缝面结合良好;
B3、混凝土浇筑,采用平铺法,对称均匀上升,保持浇筑层面平整,并控制浇筑上升速度,逐层振捣,严禁出现欠振、过振、漏振现象;
B4、底板砼浇筑层厚按1.5m~3m控制,每相邻两层间歇时间5天。
在本发明较佳实施例中,在拆除底板模板时,选择高温时段拆除,且拆模时间不低于3天;当气温骤降来临时,应推迟拆模时间。
工程实践证明,本发明提供的底板温控防裂效果显著!
附图说明
图1是盾构工作井立体结构示意图;
图2是盾构工作井内部结构示意图;
图3是盾构工作井内部底板位置示意图;
图4是本发明实施例B2标GS02#盾构工作井底板温度过程线;
图5是本发明实施例B2标GS02#盾构工作井底板应力过程线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的结构及特征进行详细说明。需要说明的是,可以对此处公开的实施例做出各种修改,因此,说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制,而仅是作为实施例的范例,其目的是使本发明的特征显而易见。
如图1和图2所示,常见的盾构工作井1为一直径约26.5m~36.9m的圆形井,井深约43m~67m,其由外圈的连续墙2和内圈的内衬墙3组成,在盾构工作井的下部浇筑有洞门墙4,在盾构工作井的底部浇筑有底板5。
所述底板5的厚度约3.0~6.5m,为钢筋混凝土结构。由于底板5的厚度较薄,且混凝土浇筑后短时间内,其内部绝对温升较大,所以,如不采取严格的温控措施,底板5表面极易开裂!针对施工期已出现的盾构工作井底板裂缝现象,本发明人选取出现裂缝的典型部位,结合盾构工作井及底板的结构形式、浇筑时间、浇筑过程、浇筑温度和实际裂缝分布,对这些已浇筑的混凝土的施工过程进行全过程精细分析,认为不同的浇筑温度、不同的浇筑季节、不同的分层形式、不同的保温形式、不同的水管冷却方式下,混凝土的温度、应力发展变化是不同的,故,本发明提出了如下的盾构工作井底板温控防裂方法:
1、在底板浇筑模板内,按1.0m×0.75m(水平排距×竖直层距)布置通水冷却水管,冷却水管采用内径28.50mm、壁厚2.60mm的钢管,供水主管管径为40mm;预埋的冷却水管单根长度控制在100m左右,最长不大于120m;
冷却水管蛇形双层布置,水管层间间距1m,蛇形冷却水管管路距离结构边线1m。
2、严格控制浇筑的混凝土温度:
浇筑的混凝土温度按下式考虑:
Tp=T1+Δθ+(Ta-Δθ-T1)(φ1+φ2) (1)
式中:Tp是混凝土浇筑温度;T1是混凝土入仓温度;Ta是环境温度;Δθ是水泥水化反映引起的温度升高;φ1是平仓作用影响系数;φ2是坯层间歇影响系数;
系数φ1按下式计算:
φ1=kt+φ' (2)
式中:t是混凝土入仓后到平仓前所经历的时间,以分钟计;k是经验系数,建议根据实测资料确定,缺乏资料时小型人工振捣工程k=0.003(1℃/min);大型机械化振捣工程k=0.0005(1℃/min),也可按照式(3)计算:
式中:是混凝土导热系数(单位:kJ/m·d·℃)和混凝土表面放热系数(单位是kJ/m2·d·℃)的比值,建议取值为500;c是比热,0.6~1.2,超过上下限范围的按上下限范围考虑,单位:kJ/(kg/m3)。φ'是振捣所带来的温度回升,取值在0.012到0.018之间。
系数φ2按下式计算:
式中:是混凝土导热系数(单位:kJ/m·d·℃)和表面放热系数(单位:kJ/m2·d·℃)的比值,取值范围为超过上下限范围的按上下限考虑;缺少资料时,如间歇期间仓面不覆盖保温材料,表面放热系数取值700kJ/m2·d·℃,如覆盖保温材料取值为350kJ/m2·d·℃;c是比热,取值范围为0.6~1.2,超过上下限范围的按上下限范围考虑,单位:kJ/(kg/m3)。Δτ是平仓结束至坯层再次被覆盖的时间,单位:h。
通常,当浇筑时间为每年的4月份--10月份,浇筑的混凝土温度不能超过23℃;浇筑时间为当年的11月份--来年的3月份,浇筑的混凝土温度不能超过18℃。
3、浇筑完毕后,采用动态调控的通水冷却方式进行水冷,通水冷却时间为5~8天,通水水温为20℃,通水流量2.1m3/h~2.4m3/h,水流方向每24h变换一次;其目的是保证混凝土内部的温度不能超过56℃;降温幅度不大于1℃/d,控制混凝土内外温差≤20℃。
4、通水冷却结束后,在底板的表面铺设保温系数β=5kJ/(m2.h.℃)、导热系数λ=0.16kJ/(m2.h.℃)的保温层,继续养护;保温时间是4天龄期后,保温时间不少于28天,降温速率不大于1℃/d;保温材料拆除时需满足混凝土内部温度与环境温度最大温差小于20℃。
表面保温结束后,保温材料拆除应避免选择在气温较低的时段进行,防止产生冷击。
在浇筑混凝土时,应严格控制混凝土浇筑温度与出机口温度之差小于5℃,且尽量避免高温时段浇筑混凝土,应充分利用低温季节和早晚及夜间气温低的时段浇筑。冬季浇筑的混凝土应有保温措施。
在拆除底板模板时,要选择高温时段拆除,不宜在夜间和气温骤降期间拆模,且拆模时间不低于3天。当气温骤降(日平均气温在2~3天内连续下降累计6℃以上)来临时,应推迟拆模时间;如必须拆模,应在拆模的同时采取保护措施,减小冷击现象发生,其目的是避免混凝土表面温度变化过大。
为防止混凝土表面产生裂缝,在混凝土浇筑完毕6~18h后,混凝土表面应用连续而不是间断的进行保湿养护,以保持混凝土表面湿润。例如,向混凝土表面喷雾/喷淋,水温不低于20℃的水,让养护水流从混凝土顶面向模板与混凝土之间的缝渗流,以保证砼表面始终处于湿润状态;连续保湿养护不少于28天。
保湿养护应在浇筑模板拆除后继续进行。但是,当气温骤降期间应暂停保湿养护。
另外,为防止底板产生温度裂缝,还需要注意盾构工作井内的温度,当井内气温高于23℃情况时,应向盾构工作井内喷雾降温,并做好通风。当遇气温骤降如单日内气温降幅≥6℃的情况,应加强对盾构工作井内温度的保温,如在盾构工作井口采用土工布覆盖的措施,保证井内温度波动不大于6℃。
为保证盾构工作井底板施工质量,在底板混凝土每仓浇筑前:
1、应将仓面内的积水全部排净,并采用淡水将仓内所有钢筋及基岩面(包括地连墙面)冲洗干净,在砼入仓前保证仓面无积水。
2、基岩面和新老混凝土施工缝面在浇筑第一坯混凝土前,宜先铺一层2~3cm厚的水泥砂浆,或同强度的小级配混凝土或富砂浆混凝土,保证新混凝土与基岩或新老混凝土施工缝面结合良好。
3、混凝土的浇筑,可采用平铺法,对称均匀上升,保持浇筑层面平整,并适当控制浇筑上升速度,逐层振捣,严禁出现欠振、过振、漏振现象。
4、底板砼浇筑层厚按1.5m~3m控制,层间间歇时间5天。
下面以珠江三角洲水资源配置工程主干线鲤鱼洲泵站-高新沙水库段A2标LG03#盾构工作井为例,验证本发明提供的盾构工作井底板温控防裂方法。
如图3所示,主干线鲤鱼洲泵站-高新沙水库段B2标GSO2#盾构工作井为外径35.9m的圆形竖井,地面平整高程2.7m,基坑底高程-58.16m,开挖深度73.98m,底板厚4.0~6.5m,采用地下连续墙+砼内衬墙支护方案。为详细掌握底板内不同位置混凝土温度,本发明在底板距离盾构工作井中心分别为0m、3m、6m、9m、12m处的表面a、中间点b和下部点c分别布设温度计,分别监测底板各处表面点a距底底板顶面0.05m、中间点b距底底板面1.5顶m和下部点c距底底板顶面2.95m的温度,底板共计埋设15支温度计。每2小时测量一次混凝土温度;做好记录,形成关于最低温度、最高温度、平均温度和降温速率的历时记录,并做好温升及降温曲线分析。
然后,按照本发明提供的底板温控防裂方法对混凝土浇筑的底板进行温控,具体如下:
浇筑温度:因浇筑时间属于11-3月,故浇筑温度为当地月均气温+3℃,但不高于18℃。
动态通水冷却:水管间距1.0m×0.75m(水平排距×竖直层距),冷却时间6d,通水水温20℃,通水流量2.1-2.4m3/h,保证混凝土内部的温度不能超过56℃;降温幅度不大于1℃/d,控制混凝土内外温差≤20℃;每24小时改变一次通水方向。
表面保温:保温系数β=5kJ/(m2.h.℃),保温时间是4天龄期后,保温时间不少于28天。
B2标GS02#盾构工作井底板采取温控措施后,浇筑完毕后第60天,监测点b处的温度、应力及安全系数如表2所示,其安全系数为1.56。
混凝土温度拉应力计算公式如下:
式中,σ是温度变化导致的最大拉应力(MPa),E(t)是龄期t时混凝土弹性模量(MPa);α是混凝土热膨胀系数(℃-1),μ是混凝土泊松比,一般取0.167;△T是混凝土最大降幅(℃);R是龄期t时外围结构对混凝土的约束系数,一般按下式(2)取值;Kc是混凝土松弛系数,取0.65。
外围介质对混凝土约束系数可下式计算:
式中,L是要施工混凝土浇筑块长度(mm);H是要施工混凝土浇筑块体厚度(mm);C是外围介质(地基或老混凝土)单位面积的水平变形刚度(N/mm3),可按下表取值。
表1水平变形刚度取值
表2推荐温控措施下底板混凝土温度和应力
工况 | 温控措施 | 特征点 | 最高温度(℃) | 龄期(d) | 应力(MPa) | 安全系数 |
计算方案 | 推荐温控措施 | b(内部) | 42.38 | 60 | 3.17 | 1.56 |
安全系数按公式(7)确定:
式中:K是安全系数;σ是混凝土温度应力之(Mpa);ε是混凝土极限拉伸值,一般工程可取(0.7-1.0)*10-4。
整个底板的温度过程线如图4所示,应力过程线如图5所示。
从上表2及图4-图5可知,采取温控防裂后,混凝土内部最高温度42.38℃,满足最高温度控制标准。第60天时,底板混凝土内部的拉应力为3.17MPa,低于混凝土的抗拉强度4.97MPa,安全系数为1.56,比较安全,不会产生影响底板质量的裂缝!
所采取的底板温控措施为:
根据盾构工作井底板的结构特点,本发明通过大量的试验分析发现:
(1)不采取任何温控措施条件下,底板内部温度和应力都较大,超过规范允许值。因此,采取必要的温控防裂措施很有必要。
(2)浇筑温度提高会引起混凝土最高温度升高,使得基础温差加大,混凝土应力增大;底板混凝土浇筑温度每提高2℃,最高温度会提高1.5℃,60d龄期对应拉应力增大0.17MPa。因此,要严格控制混凝土的浇筑温度。
(3)一般规律而言,高温季节浇筑的盾构工作井,井内环境气温高,混凝土内部最高温度最高;低温季节浇筑的盾构工作井,井内环境气温低,混凝土内部最高温度最低。高温季节浇筑的内衬混凝土最高温度最高,基础温差最大,最大拉应力也最大。冬季浇筑的混凝土,最高温度最低,基础温差最小,最大拉应力也最小。因此,要了解浇筑时间对混凝土浇筑温度的影响。
(5)保温力度的大小对底板混凝土应力的影响较明显。保温力度越大,底板混凝土内部拉应力越小。在不影响最高温度前提下,加强保温对底板混凝体表面应力的改善有较大益处。
(6)加密冷却水管,可以降低混凝土最高温度,缩小基础温差,减小混凝土最大应力,增大安全系数;实际上最有利的冷却方式是早期削峰阶段利用较密的冷却水管降低最高温度,后期冷却采用较稀疏的冷却水管(关闭一层冷却水管)或者小流量缓慢降温的方式。
(7)通水水温降低,可以较好地削减温度峰值,降低最高温度,减小温降幅度,减小混凝土应力,增大安全系数;通水水温升高,使得削峰效果减弱,最高温度升高,温降幅度加大,应力增大,安全系数降低;冷却水水温和流量应根据现场实际情况来研究确定除满足降温需要外,也要防止流量过大和水温过低,以免在水管周边混凝土产生过大的温度梯度,而产生微裂缝。
(8)通水冷却时间太短,混凝土会出现较大的温度反弹,出现第二峰值,超过混凝土第一个温度峰值;时间太长,早期温降幅度较大,应力较大,增大早期开裂风险。对于盾构工作井底板混凝土,通水冷却时长不宜过短也不宜过长,控制在5-8天左右相对合理。
最后应说明的是:以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换;而这些修改或替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种盾构工作井底板温控防裂方法,其特征在于:它包括如下内容:
A、在底板浇筑模板内,按水平排距×竖直层距为1.0m×0.75m布置通水冷却水管,冷却水管采用内径为28.50mm、壁厚为2.60mm的钢管,供水主管管径为40mm;预埋的冷却水管单根长度控制在100m-120m;
冷却水管为蛇形双层布置,水管层间间距1m,蛇形冷却水管管路距离结构边线1m;
B、严格控制浇筑的混凝土温度:
所述浇筑的混凝土温度按下式考虑:
Tp=T1+Δθ+(Ta-Δθ-T1)(φ1+φ2) (1)
式中:Tp是混凝土浇筑温度;T1是混凝土入仓温度;Ta是环境温度;Δθ是混凝土水化反映引起的温度升高;φ1是平仓作用影响系数;φ2是坯层间歇影响系数;
平仓作用影响系数φ1按下式计算:
φ1=kt+φ' (2)
式中:t是混凝土入仓后到平仓前所经历的时间,以分钟计;k是经验系数,建议根据实测资料确定,缺乏资料时小型人工振捣工程k=0.003,大型机械化振捣工程k=0.0005,或者,经验系数k按照式(3)计算:
式中:λ是混凝土导热系数;β是混凝土表面放热系数;是混凝土导热系数和表面放热系数的比值,取值为500;c是比热,取值范围0.6~1.2,超过上下限范围的按上下限范围考虑;φ'是振捣所带来的温度回升,取值在0.012到0.018之间;坯层间歇影响系数φ2按下式计算:
式中:是混凝土导热系数和表面放热系数的比值,取值范围为超过上下限范围的按上下限考虑;c是比热,取值范围为0.6~1.2,超过上下限范围的按上下限范围考虑;Δτ是平仓结束至坯层再次被覆盖的时间,单位:小时;
C、浇筑完毕后,采用动态调控的通水冷却方式进行水冷,通水冷却时间为5~8天,通水水温为20℃,通水流量2.1m3/h~2.4m3/h,水流方向每24h变换一次;其目的是保证混凝土内部的温度≤56℃;降温幅度≤1℃/d,控制混凝土内外温差≤20℃;
D、通水冷却结束后,在底板的表面铺设保温系数β=5kJ/(m2.h.℃)、导热系数λ=0.16kJ/(m2.h.℃)的保温层,继续养护;保温时间是4天龄期后,保温时间不少于28天,降温速率≤1℃/d;保温材料拆除时需满足混凝土内部温度与环境温度最大温差小于20℃。
2.根据权利要求1所述的盾构工作井底板温控防裂方法,其特征在于:当混凝土浇筑时间为每年的4月份--10月份,所述浇筑的混凝土温度≤23℃;浇筑时间为当年的11月份--来年的3月份,所述浇筑的混凝土温度≤18℃。
3.根据权利要求1或2所述的盾构工作井底板温控防裂方法,其特征在于:在浇筑混凝土时,严格控制混凝土浇筑温度与出机口温度之差小于5℃,且避免高温时段浇筑混凝土,充分利用低温季节和早晚及夜间气温低的时段浇筑。
4.根据权利要求3所述的盾构工作井底板温控防裂方法,其特征在于:在混凝土浇筑完毕6~18h后,对混凝土表面进行保湿养护,保持混凝土表面湿润;
向混凝土表面喷雾/喷淋,水温不低于20℃;连续保湿养护不少于28天。
5.根据权利要求4所述的盾构工作井底板温控防裂方法,其特征在于:当井内气温高于23℃时,向盾构工作井内喷雾降温;
当遇气温骤降的情况,对盾构工作井进行保温,保证井内温度波动不大于6℃。
6.根据权利要求5所述的盾构工作井底板温控防裂方法,其特征在于:为保证盾构工作井底板施工质量,在底板混凝土每仓浇筑前:
B1、将仓面内的积水全部排净,并采用淡水将仓内所有钢筋及基岩面,冲洗干净,在砼入仓前保证仓面无积水;
B2、基岩面和新老混凝土施工缝面在浇筑第一坯混凝土前,宜先铺一层2-3cm厚的水泥砂浆,或同强度的小级配混凝土或富砂浆混凝土,保证新混凝土与基岩或新老混凝土施工缝面结合良好;
B3、混凝土浇筑,采用平铺法,对称均匀上升,保持浇筑层面平整,并控制浇筑上升速度,逐层振捣,严禁出现欠振、过振、漏振现象;
B4、底板砼浇筑层厚按1.5m~3m控制,每相邻两层间歇时间5天。
7.根据权利要求6所述的盾构工作井底板温控防裂方法,其特征在于:在拆除底板模板时,选择高温时段拆除,且拆模时间不低于3天;当气温骤降来临时,应推迟拆模时间。
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