CN117536635A - 盾构机内对溶洞的超前探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及隧道盾构领域,尤其是涉及一种盾构机内对溶洞的超前探测装置及方法,包括第一探测腔、第二探测腔和传动组件,第一探测腔和第二探测腔都位于盾构机内,第一探测腔为盾构机提供物探功能,第二探测腔为盾构机提供钻探功能,当盾构机进行开挖掘进时,每挖掘一定距离时,现场工作人员可以暂停挖掘,对待开挖的隧道前方进行物探,当物探到前方疑似有可能有溶洞时,通过传动组件进一步进行钻探,通过钻探结果来确定是否需要停工来对前方进行处理,当钻探的结果表明前方危险不会影响隧道的主体结构时,则可继续施工。本申请具有实现了盾构机在掘进的过程中能够边掘进边进行超前探测,节省了进行超前探测的时间,从而缩短了施工周期的效果。
Description
技术领域
本申请涉及隧道盾构领域,尤其是涉及一种盾构机内对溶洞的超前探测装置及方法。
背景技术
盾构机是一种用于地下隧道建设的专业工程机械设备。盾构机的工作原理是通过旋转刀盘或掘进头来挖掘土壤和岩石,然后将挖出的材料通过输送带或螺旋输送机送到地面。同时,盾构机会安装预制的隧道衬砌,以保持隧道的稳定性。它通常用于挖掘地下隧道,例如地铁隧道、水利工程中的输水隧道、道路隧道等。盾构机的主要特点和功能包括地下挖掘、隧道光滑壁面、安全且高效、环保等。基于盾构机的这些优点,盾构机在城市建设中起到了重要作用,因为它能够减少对地面交通和城市生活的干扰,同时加速隧道建设进程。这使得地下交通系统和基础设施更容易实现,有助于改善城市的可持续性和交通流动性。
在盾构机使用的过程中,可能会面临各种问题和挑战,这些问题的严重程度和性质取决于多种因素,包括地质条件、设计规范、施工技术和设备性能等,如若遇到问题处理不好,容易导致地质条件不稳定、隧道倒塌、与地下设施冲突,严重的甚至会造成人员伤亡的问题。因此,在盾构机进行隧道开挖的过程中,进行超前探测是必要的,只有对隧道围岩进行超前地质探测,才能够有效地减小问题发生的可能性。特别是对于隧道围岩质量较差的情况,如果盾构机在开挖的过程中遇到了溶洞,将会严重地影响整个工程的质量和工期,严重的还会造成人员伤亡的问题。
相关技术中,关于如何通过超前探测来探测前方是否有溶洞的方法已经相对成熟且多种多样。然而,相关技术中,基本都是先对隧道前方是否有溶洞进行探测,再使用盾构机对隧道进行开挖,难以实现边开挖边探测,进而一定程度上影响了隧道的施工周期。
发明内容
为了解决相关技术中,基本都是先对隧道前方是否有溶洞进行探测,再使用盾构机对隧道进行开挖,难以实现边开挖边探测,进而一定程度上影响了隧道的施工周期的问题,本申请提供一种盾构机内对溶洞的超前探测装置及方法。
第一方面,本申请提供的一种盾构机内对溶洞的超前探测装置采用如下的技术方案:
一种盾构机内对溶洞的超前探测装置,包括:
第一探测腔,所述第一探测腔开设在所述刀盘上,所述第一探测腔内设置有物探组件,所述物探组件用于对隧道进行物探;
第二探测腔,所述第二探测腔开设在所述刀盘上,所述第二探测腔内设置有钻探组件,所述钻探组件用于对隧道进行钻探;以及
传动组件,所述传动组件用于将所述物探组件的探测结果传递给所述钻探组件。
通过采用上述技术方案,将超前探测装置设置为第一探测腔、第二探测腔以及传动组件的组合,使得当盾构机在对隧道进行掘进时,现场工作人员能够通过第一探测腔内的物探组件对隧道进行物探,当物探组件没有发现继续掘进存在着溶洞的风险,则盾构机可以继续掘进,当物探组件发现继续掘进存在着溶洞的风险,则需要通过第二探测腔内的钻探组件对隧道进行更进一步的探测,当钻探组件确认了物探组件的探测结果,确定了前方的确有溶洞,则应立即停止盾构机的掘进工作,确保施工的安全,本申请一定程度上具有解决相关技术中,基本都是先对隧道前方是否有溶洞进行探测,再使用盾构机对隧道进行开挖,难以实现边开挖边探测,进而一定程度上影响了隧道的施工周期的问题的效果。
可选的,所述物探组件包括支撑架和地质雷达,所述支撑架架设在所述第一探测腔内,所述地质雷达可拆卸连接在所述支撑架上,所述地质雷达的控制器设置在盾构机的控制室内。
通过采用上述技术方案,将物探组件设置成支撑架和地质雷达的组合,使得当对不同围岩等级的隧道进行掘进时,可以将不同的地质雷达架设在支撑架上,同时将地质雷达的控制器设置在盾构机的控制室内,更加便于现场工作人员进行探测操作。
可选的,所述钻探组件包括钻探机和钻探杆,所述钻探机固定设置在所述第二探测腔内,所述钻探杆转动连接在所述钻探机上。
通过采用上述技术方案,将钻探组件设置成钻探机和钻探杆的组合,使得本申请的超前探测装置能够有效地在掘进的过程中对隧道进行钻探操作。
可选的,所述传动组件包括第一磁铁和第二磁铁,所述第一磁铁设置在所述钻探机开关上,所述第二磁铁设置在所述第二探测腔的侧壁上,所述第二磁铁为电磁铁,所述第二磁铁与所述地质雷达的控制器蓝牙连接。
通过采用上述技术方案,将传动组件设置成第一磁铁和第二磁铁的组合,使得当物探组件探测到隧道前方有存在溶洞的可能的时候,能够及时对通过传动组件的调整,让钻探组件快速进行钻探操作。
可选的,所述钻探杆为电动伸缩杆,所述电动伸缩杆与所述地质雷达的控制器蓝牙连接。
通过采用上述技术方案,将钻探杆设置为电动伸缩杆,其一使得钻探杆能够在不使用时收纳在第二容纳腔内,其二使得钻探杆能够适应不同深度的钻探需求。
可选的,所述第一探测腔靠近待开挖断面的一端覆盖有保护层。
通过采用上述技术方案,保护层的设置,有效地减小了盾构机掘进的过程中对地质雷达造成破坏的可能性。
可选的,所述第一探测腔开设有多个,所述第二探测腔开设有多个,多个所述第一探测腔与多个所述第二探测腔一一对应。
通过采用上述技术方案,将第一探测腔开设有多个、第二探测腔开设有多个,确保了本申请能够在隧道的开挖断面上尽可能覆盖到尽可能大的范围。
第二方面,本申请还提供一种探测方法,包括以下步骤:
B1、提供盾构机,将物探组件设置在第一探测腔内,将钻探组件设置在第二探测腔内,同时将传动组件设置好,与此同时将物探组件、钻探组件以及传动组件都调试好;
B2、启动盾构机,对隧道进行开挖掘进,掘进至10m时,暂停掘进,启动物探组件,操作人员探测前方15m距离内是否疑似有溶洞;
B3、所述B2中如果物探组件探测到前方15m范围内疑似有溶洞,则启动传动组件,传动组件将信号传递至钻探组件,钻探组件对前方进行钻探;
B4、所述B2中如果物探组件探测到前方15m范围内没有溶洞,则停止探测,启动盾构机,继续向前开挖掘进10m;
B5、重复所述B2-B4步骤,直至隧道贯通。
通过采用上述技术方案,B1、B2、B3、B4、B5这五个步骤的设置,使得当在使用盾构机进行开挖掘进的过程中,只需按照上述步骤来进行操作,既能够实现边掘进边进行超前探测的效果,减少了盾构机开挖掘进一端距离就需要停工一段时间来进行超前探测的情况,只需要短暂停机,使用盾构机内的超前探测装置来对隧道前方进行超前探测即可。
可选的,所述B1之前还设置有B0,使用超前探测设备在隧道初始断面处进行超前探测,探测距离大于15m,探测范围大于隧道结构外3m。
通过采用上述技术方案,B0的设置,一定程度上确保了盾构机进行初始开挖过程的安全性。
可选的,所述B1中所述第一探测腔不少于六个,所述第二探测腔不少于六个。
通过采用上述技术方案,B1中第一探测腔不少于六个、第二探测腔不少于六个的设置,使得探测组件能够充分地对待开挖的隧道的前方及下方进行有效的探测。
综上所述,本申请包括以下至少一种有益技术效果:
1.将超前探测装置设置为第一探测腔、第二探测腔以及传动组件的组合,使得当盾构机在对隧道进行掘进时,能够持续性地工作,减少了盾构机因需要进行超前地质探测而停机的时间,本申请一定程度上具有解决相关技术中,基本都是先对隧道前方是否有溶洞进行探测,再使用盾构机对隧道进行开挖,难以实现边开挖边探测,进而一定程度上影响了隧道的施工周期的问题的效果;
2.通过将传动组件设置成第一磁铁和第二磁铁的组合,使得当物探组件探测到隧道前方有存在溶洞的可能的时候,能够及时对通过传动组件的调整,让钻探组件快速进行钻探操作;
3.通过B1、B2、B3、B4、B5这五个步骤的设置,使得当在使用盾构机进行开挖掘进的过程中,只需按照上述步骤来进行操作,既能够实现边掘进边进行超前探测的效果。
附图说明
图1是本申请实施例盾构机内对溶洞的超前探测装置的结构示意图。
图2是本申请实施例盾构机内对溶洞的超前探测装置的另一视角的结构示意图。
图3是图2中A区域的结构示意图。
图4是本申请实施例盾构机内对溶洞的超前探测装置的钻探组件的结构详图。
附图标记说明:
1、盾构机;2、刀盘;3、第一探测腔;4、物探组件;41、支撑架;42、地质雷达;5、第二探测腔;6、钻探组件;61、钻探机;62、钻探杆;7、传动组件;71、第一磁铁;72、第二磁铁。
具体实施方式
以下结合附图1-4对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种盾构机内对溶洞的超前探测装置及方法。
需要说明的是,在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、 “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和简化描述,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。
还需要说明的是,本申请实施例中使用何种盾构机是根据实际的施工现场以及所需要开挖的隧道情况来选用的,无论使用哪种盾构机,都需要在刀盘处做出相适用的改变调整。具体的,本申请实施例中所使用的盾构机型号是Herrenknecht EPB Shield S-300,这种盾构机刀盘直径约9.7米、盾构机总长度约110米、总重量约为1600吨、电机功率约4000千瓦、切割头转速在每分钟6-8转之间。
最后,还需要说明的是,本申请实施例中,不对整个盾构机进行展示,因为盾构机的长度长达百米,且本申请的发明点不在于对盾构机进行改进,因此也不能理解为对本发明的限制。
第一方面,本申请提一种供盾构机1内对溶洞的超前探测装置。
盾构机1内对溶洞的超前探测装置包括第一探测腔3、第二探测腔5和传动组件7,第一探测腔3和第二探测腔5都位于盾构机1内,第一探测腔3为盾构机1提供物探功能,第二探测腔5为盾构机1提供钻探功能,当盾构机1进行开挖掘进时,每挖掘一定距离时,现场工作人员可以暂停挖掘,对待开挖的隧道前方进行物探,当物探到前方疑似有可能有溶洞时,通过传动组件7进一步进行钻探,通过钻探结果来确定是否需要停工来对前方进行处理,当钻探的结果表明前方危险不会影响隧道的主体结构时,则可继续施工,从而实现了盾构机1在掘进的过程中能够边掘进边进行超前探测,节省了大量专门进行超前探测的时间,从而缩短了施工周期。
本申请实施例中,第一探测腔3开设在刀盘2上,第一探测腔3内设置有物探组件4,物探组件4用于对隧道进行物探。具体的,物探组件4包括支撑架41和地质雷达42,支撑架41架设在第一探测腔3内,地质雷达42可拆卸连接在支撑架41上,地质雷达42的控制器设置在盾构机1的控制室内。
需要注意的是,关于如何在刀盘2上开设第一探测腔3,这是需要盾构机1在运输至现场之前就需要预开设的,至于如何开设,主要的原则是避开刀盘2上的刀盘2或刀头即可,也即不能够影响刀盘2对土体的切割。与此同时支撑架41是固定焊接在第一探测腔3的内侧壁上的,具体的,本申请实施例中,支撑架41焊接完毕后呈方形结构,地质雷达42的发射器能够固定设置在方形结构内。至于地质雷达42的发射器是如何固定在方形结构内的,这对于本领域技术人员而言,是较为简单常规的手段,因此不在本申请实施例中做过多的赘述。
将物探组件4设置成支撑架41和地质雷达42的组合,使得当对不同围岩等级的隧道进行掘进时,可以将不同的地质雷达42架设在支撑架41上,同时将地质雷达42的接收器和控制器设置在盾构机1的控制室内,更加便于现场工作人员进行探测操作。
第一探测腔3靠近待开挖断面的一端覆盖有保护层。关于保护层的选择,本申请实施例中采用的是木质板层。在其他实施例中,也能够选择其他形式的材料来作为保护层,但无论何种材料,都不建议采用金属材料制作,因为金属材料会严重干扰地质雷达42波的发射,进而严重影响了探测结果。另外,为了便于表达,本申请实施例中不对保护层做具体展示。
保护层的设置,有效地减小了盾构机1掘进的过程中对地质雷达42造成破坏的可能性。
本申请实施例中,第二探测腔5开设在刀盘2上,第二探测腔5内设置有钻探组件6,钻探组件6用于对隧道进行钻探。具体的,钻探组件6包括钻探机61和钻探杆62,钻探机61固定设置在第二探测腔5内,钻探杆62转动连接在钻探机61上。
需要注意的是,与第一探测腔3的开设类似,第二探测腔5的开设也需要盾构机1在运输至现场之前就需要预开设的,至于如何开设,主要的原则是避开刀盘2上的刀盘2或刀头即可,也即不能够影响刀盘2对土体的切割。
还需要注意的是,关于钻探机61是如何固定设置在第二探测腔5内的,本申请实施例中采用的是焊接的方式。在其他实施例中,也能够采用其他固定连接的方式,都是本申请较佳的实施例。
将钻探组件6设置成钻探机61和钻探杆62的组合,使得本申请的超前探测装置能够有效地在掘进的过程中对隧道进行钻探操作,具体的,使用的时候,通常钻探杆62是不会突出刀盘2的,也就是说钻探杆62首先是收纳在盾构机1内的,至于钻探杆62是如何与钻探机61转动连接,钻探杆62是如何收纳在盾构机1内的,这对于本领域技术人员而言,都是较为简单的手段,因此不在本申请实施例中做过多的赘述。
本申请实施例中,钻探杆62为电动伸缩杆,电动伸缩杆与地质雷达42的控制器蓝牙连接。
关于钻探杆62如何与地质雷达42的控制器蓝牙连接,这对于本领域的技术人员而言只需要选择适当的硬件、使用合适的蓝牙协议和通信协议,开发用于控制钻探杆62的应用程序、最后进行测试和优化即可。同时这也不是本申请的发明点所在,因此此处不做过多的赘述,也不应作为对本发明的限制。
将钻探杆62设置为电动伸缩杆,其一使得钻探杆62能够在不使用时收纳在第二容纳腔内,其二使得钻探杆62能够适应不同深度的钻探需求。
传动组件7用于将物探组件4的探测结果传递给钻探组件6。具体的,传动组件7包括第一磁铁71和第二磁铁72,第一磁铁71设置在钻探机61开关上,第二磁铁72设置在第二探测腔5的侧壁上,第二磁铁72为电磁铁,第二磁铁72与地质雷达42的控制器蓝牙连接。
将传动组件7设置成第一磁铁71和第二磁铁72的组合,使得当物探组件4探测到隧道前方有存在溶洞的可能的时候,能够及时对通过传动组件7的调整,让钻探组件6快速进行钻探操作,具体的,当现场工作人员发现物探的前方可能存在溶洞,则对第二磁铁72通电,第二磁铁72会对第一磁铁71产生斥力,进而打开了钻探机61,同时现场工作人员通过地质雷达42的控制器来逐步伸长钻探杆62的长度,使得钻探杆62能够钻探到指定位置进行钻探取样。
本申请实施例中,第一探测腔3开设有多个,第二探测腔5开设有多个,多个第一探测腔3与多个第二探测腔5一一对应。具体的,本申请实施例中第一探测腔3设置有六个、第二探测腔5设置有六个,六个第一探测腔3和六个第二探测腔5一一对应。在其他实施例中,可以将第一探测腔3设置为两个、三个、四个、五个或者其他数量的多个,将第二探测腔5设置成两个、三个、四个、五个或者其他数量的多个,并且两个、三个、四个、五个或者其他数量的多个的第一探测腔3与两个、三个、四个、五个或者其他数量的多个的第二探测腔5一一对应,都是本申请能够实施的实施例。从而确保了至少能够对待开挖隧道的前方或者前下方是否具有溶洞进行有效地探测。
将第一探测腔3开设有多个、第二探测腔5开设有多个,确保了本申请能够在隧道的开挖断面上尽可能覆盖到尽可能大的范围。
本申请实施例一种盾构机1内对溶洞的超前探测装置的实施原理为:将超前探测装置设置为第一探测腔3、第二探测腔5以及传动组件7的组合,使得当盾构机1在对隧道进行掘进时,现场工作人员能够通过第一探测腔3内的物探组件4对隧道进行物探,当物探组件4没有发现继续掘进存在着溶洞的风险,则盾构机1可以继续掘进,当物探组件4发现继续掘进存在着溶洞的风险,则需要通过第二探测腔5内的钻探组件6对隧道进行更进一步的探测,当钻探组件6确认了物探组件4的探测结果,确定了前方的确有溶洞,则应立即停止盾构机1的掘进工作,确保施工的安全,本申请一定程度上具有解决相关技术中,基本都是先对隧道前方是否有溶洞进行探测,再使用盾构机1对隧道进行开挖,难以实现边开挖边探测,进而一定程度上影响了隧道的施工周期的问题的效果。
第二方面,本申请还提供一种用于本申请盾构机1内对溶洞的超前探测装置的探测方法,包括以下步骤:
B1之前还设置有B0,使用超前探测设备在隧道初始断面处进行超前探测,探测距离大于15m,探测范围大于隧道结构外3m。
B0的设置,一定程度上确保了盾构机1进行初始开挖过程的安全性。
B1、提供盾构机1,将物探组件4设置在第一探测腔3内,将钻探组件6设置在第二探测腔5内,同时将传动组件7设置好,与此同时将物探组件4、钻探组件6以及传动组件7都调试好。
B1中第一探测腔3不少于六个,第二探测腔5不少于六个。
B1中第一探测腔3不少于六个、第二探测腔5不少于六个的设置,使得探测组件能够充分地待对待开挖的隧道的前方及下方进行有效的探测,提高本申请的超前探测装置的准确度。
需要注意的是,关于探测如何对待开挖的隧道进行下方的探测,是因为盾构机1的刀盘2部分是能够进行一定角度的改变的,这对于本领域技术人员而言属于较为常知的结构,因此不在本申请实施例中做过多的赘述。
B2、启动盾构机1,对隧道进行开挖掘进,掘进至10m时,暂停掘进,启动物探组件4,操作人员探测前方15m距离内是否疑似有溶洞。
B2中,在岩溶地区盾构掘进前需进行超前探测,当掘进到超前探测距离前3~5m需再向前进行超前探测,即超前探测应“交叉”3~5m。
B3、B2中如果物探组件4探测到前方15m范围内疑似有溶洞,则启动传动组件7,传动组件7将信号传递至钻探组件6,钻探组件6对前方进行钻探。
B3中,超前探测发现并确认需处理的溶土洞时,可根据实际施工条件选择地面或洞(机)内处理方法,在有条件时,优先采用地面处理方法。
B4、B2中如果物探组件4探测到前方15m范围内没有溶洞,则停止探测,启动盾构机1,继续向前开挖掘进10m。
B5、重复B2-B4步骤,直至隧道贯通。
B1、B2、B3、B4、B5这五个步骤的设置,使得当在使用盾构机1进行开挖掘进的过程中,只需按照上述步骤来进行操作,既能够实现边掘进边进行超前探测的效果,减少了盾构机1开挖掘进一端距离就需要停工一段时间来进行超前探测的情况,只需要短暂停机,使用盾构机1内的超前探测装置来对隧道前方进行超前探测即可。
以上均为本申请的较佳实施例,并非依此限制本申请的保护范围,故:凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化,均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种盾构机内对溶洞的超前探测装置,设置在盾构机(1)的刀盘(2)上,其特征在于,包括:
第一探测腔(3),所述第一探测腔(3)开设在所述刀盘(2)上,所述第一探测腔(3)内设置有物探组件(4),所述物探组件(4)用于对隧道进行物探;
第二探测腔(5),所述第二探测腔(5)开设在所述刀盘(2)上,所述第二探测腔(5)内设置有钻探组件(6),所述钻探组件(6)用于对隧道进行钻探;以及
传动组件(7),所述传动组件(7)用于将所述物探组件(4)的探测结果传递给所述钻探组件(6)。
2.根据权利要求1所述的盾构机内对溶洞的超前探测装置,其特征在于,所述物探组件(4)包括支撑架(41)和地质雷达(42),所述支撑架(41)架设在所述第一探测腔(3)内,所述地质雷达(42)可拆卸连接在所述支撑架(41)上,所述地质雷达(42)的控制器设置在盾构机(1)的控制室内。
3.根据权利要求2所述的盾构机内对溶洞的超前探测装置,其特征在于,所述钻探组件(6)包括钻探机(61)和钻探杆(62),所述钻探机(61)固定设置在所述第二探测腔(5)内,所述钻探杆(62)转动连接在所述钻探机(61)上。
4.根据权利要求3所述的盾构机内对溶洞的超前探测装置,其特征在于,所述传动组件(7)包括第一磁铁(71)和第二磁铁(72),所述第一磁铁(71)设置在所述钻探机(61)开关上,所述第二磁铁(72)设置在所述第二探测腔(5)的侧壁上,所述第二磁铁(72)为电磁铁,所述第二磁铁(72)与所述地质雷达(42)的控制器蓝牙连接。
5.根据权利要求3所述的盾构机内对溶洞的超前探测装置,其特征在于,所述钻探杆(62)为电动伸缩杆,所述电动伸缩杆与所述地质雷达(42)的控制器蓝牙连接。
6.根据权利要求1所述的盾构机内对溶洞的超前探测装置,其特征在于,所述第一探测腔(3)靠近待开挖断面的一端覆盖有保护层。
7.根据权利要求1所述的盾构机内对溶洞的超前探测装置,其特征在于,所述第一探测腔(3)开设有多个,所述第二探测腔(5)开设有多个,多个所述第一探测腔(3)与多个所述第二探测腔(5)一一对应。
8.一种探测方法,用于权利要求1-7中任意一项所述的盾构机内对溶洞的超前探测装置,其特征在于,包括以下步骤:
B1、提供盾构机(1),将物探组件(4)设置在第一探测腔(3)内,将钻探组件(6)设置在第二探测腔(5)内,同时将传动组件(7)设置好,与此同时将物探组件(4)、钻探组件(6)以及传动组件(7)都调试好;
B2、启动盾构机(1),对隧道进行开挖掘进,掘进至10m时,暂停掘进,启动物探组件(4),操作人员探测前方15m距离内是否疑似有溶洞;
B3、所述B2中如果物探组件(4)探测到前方15m范围内疑似有溶洞,则启动传动组件(7),传动组件(7)将信号传递至钻探组件(6),钻探组件(6)对前方进行钻探;
B4、所述B2中如果物探组件(4)探测到前方15m范围内没有溶洞,则停止探测,启动盾构机(1),继续向前开挖掘进10m;
B5、重复所述B2-B4步骤,直至隧道贯通。
9.根据权利要求8所述的探测方法,其特征在于,所述B1之前还设置有B0,使用超前探测设备在隧道初始断面处进行超前探测,探测距离大于15m,探测范围大于隧道结构外3m。
10.根据权利要求8所述的探测方法,其特征在于,所述B1中所述第一探测腔(3)不少于六个,所述第二探测腔(5)不少于六个。
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