逸仙桥水平冻结加固工程方案.docx
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逸仙桥水平冻结加固工程方案
南京地铁二号线一期工程
逸仙桥站盾构始发水平冻结加固工程
施工方案及安全技术措施
编制:
审核:
批准:
中铁隧道集团有限公司
南京地铁二号线一期工程TA03标项目经理部
2008年8月11日
工程概况
1.1工程简介
南京地铁二号线一期逸仙桥站—明故宫路站区间隧道,盾构从逸仙桥站东端头井始发,盾构始发时需对始发口的土体进行可靠加固。
本工程的加固施工区地面为中山东路上。
该段车流量、人流量也较大,中山东路红线宽度为52m,如图1。
图1盾构始发土体加固施工平面位置图
加固范围内地下管线有:
市政排水管线、上水直径1200mm管道,直径500mm的天燃气管道、电力电缆、通信电缆等。
施工前,根据规划要求对影响车站施工的管线进行临时迁移。
见图2所示。
由于受地面环境限制,无法从地上进行土体加固施工,拟采用地下水平冻结法加固土体,以确保盾构的顺利始发。
图2加固范围内地下管线图
1.2地质描述
1.2.1工程地质条件
(1)地形、地貌
拟建逸仙桥站属古秦淮河漫滩地貌单元,地貌形态简单,经人工改造,现为城市东西向主干道。
地面标高8.80~9.54m之间,相对高差约0.74m,地势平坦。
(2)工程地质层分布及其特征
工程所在位置的地层主要为②-2b4流塑状淤泥质粉质粘土层,②-3b2-3粉质粘土。
具体工程地质分层及其特征描述一览表表1
时代
成因
层号
地层
名称
颜色
状态
特征描述
分布
层底埋深(m)
厚度(m)
层
亚层
最小~最大
最小~最大
新近期
①
①-1
杂填土
杂色
松散
表层0.50米左右为沥青路面和块石垫层,下部以粘性土夹碎石、砖等。
分布
普遍
0.50~
2.10
0.50~2.10
①-2b2-3
素填土
灰黄色
稍密
以粉质粘土为主,夹少量碎石、瓦片等。
分布较为普遍
1.80~
4.00
0.60~2.90
①-3b4
淤泥质
素填土
深灰色
松散
淤泥质粉质粘土为主,夹少量碎石、腐植物。
仅见YM2孔
4.50
2.00
Q4
②
②-1b2-3
粉质粘土
黄灰
软塑为主
夹粉土薄层,水平层理,无摇振反应,韧性中等,干强度中等。
局部缺失
3.40~
6.00
0.50~2.50
②-2b4
淤泥质粉质粘土
深灰色
流塑
含有机质和腐植质,夹粉土薄层,无摇振反应,韧性中等,干强度中等,压缩性高。
厚层状分布西厚东薄
13.00~
35.00
8.40~29.00
②-3b2-3
粉质粘土
灰色
软~可塑
夹粉土薄层,切面光滑,无振摇反应,韧性较高,干强度中等,中高压缩性。
局部
缺失
14.30~37.50
0.50~13.70
②-3C2
粉土
灰黄~灰色
中密
湿,含少量云母片,夹粉质粘土薄层,水平层理,中等振摇反应,韧性低,干强度低。
局部透镜体状分布
31.90~37.60
0.60~3.80
②-3d3
含粉土中粗纱
灰白色
稍密
含少量粉质粘土,分选差,砂质为石英质,粉土充填混杂,为透镜体状。
透镜体壮分布
25.10
0.50
Q4-3
③
③-1b1-2
粉质粘土
灰绿色
可塑~硬塑
含少量铁锰质结核,刀切面光滑,韧性高,干强度高,中等压缩性。
局部分布
17.30~30.70
1.10~9.20
③-2b1-2
粉质粘土
灰黄色
可塑~硬塑
刀切面光滑,韧性高,干强度高,中等压缩性。
局部分布
21.50~24.50
2.40~2.90
③-4e1-2
混粉质粘土卵砾石
灰黄色
中密~密实
粉质粘土、卵砾石混杂,卵砾石含量30~60%,石英质为主,次圆状,粒径一般3~7cm,局部有粗纱充填。
东段以卵砾石为主。
均有分布自西向东抬升
22.20~
38.80
0.10~5.10
K1g
K1g-1a
强风化泥质粉砂岩
紫红色
中密~密实
泥质粉砂岩强烈风化,呈砂土夹泥状,遇水极易软化崩解,夹碎石状岩屑。
岩石基本质量等为V级。
均有分布自西向东抬升
25.00~
40.20
0.40~3.6
K1g-2a
中风化泥质粉砂岩
紫红色
极软岩
中等风化,呈碎块~短柱状,层状构造,泥质胶结,软化岩石,岩石基本质量等级为V级。
部分孔揭露
未揭穿
>5.00m
1.2.2水文地质条件
(1)地下水类型
孔隙潜水赋存于①-1、①-2b2-3、①-3b4、②-1b2-3、②-2b4、②-3b2-3和②-3c2层中,属弱~微透水性,区间地段土层总体分析,其赋水性不强。
但①-1层杂填土,局部有空隙较大,与排水管道连通性较好,存在较强的透水性;其次②-2b4层淤泥质粉质粘土中有薄层粉土分布,水平向地下水渗透性要好于垂直方向,构成地下水水平渗透的通道,是该段土层具有薄层状水平弱透水性。
(2)地下水位埋深
勘察期间,孔隙潜水稳定水位埋深1.00~2.20m(标高约在8.00m)。
设计地下水位埋深按1.11~2.30m考虑,年最高地下水位标高在8.50m左右。
(3)地基土的渗透性
地基土以微透水~弱透水层为主。
(4)地下水不良作用
场地地下水对砼不具腐蚀性,对砼结构中钢筋不具腐蚀性,对钢结构具腐蚀性。
二.方案设计及计算
2.1设计依据及原则
2.1.1设计依据
(1)工程地质资料、工作井结构图及管线布置图等相关资料;
(2)井巷工程设计规范;
(3)国家及南京市相关规范。
2.1.2设计原则
(1)水平冻结帷幕技术性能必须满足盾构始发施工的安全和质量要求;
(2)水平冻结方案应符合现场实际条件的施工可行性和良好的可操作性;
(3)施工方案应在满足工程要求工期的条件下具备优化能力;
(4)施工方案及措施必须满足城市环保及节能要求;
(5)减少冻胀与融沉的危害。
2.2盾构始发技术要点
根据以往地铁隧道盾构始发工程施工的经验,提出以下技术要点。
(1)为保证盾构始发的安全、可靠,根据盾构掘进速度以冻结孔施工和冻结达到设计强度、冻结厚度所需时间,计算出盾构推至冻结板块处的距离,开始冻结孔的施工及积极冻结。
通过检测确认冻结帷幕达到设计强度、厚度,并与槽壁完全胶结后,进行槽壁破除,拔管,盾构始发施工。
(2)在冻结帷幕外围拱顶部设置一排卸压孔,必要时进行冻胀卸压,加强对上部管线的保护。
(3)利用布置的卸压孔作为后期融沉控制的注浆孔,在盾构始发后根据监测加强对土体的注浆,防止地面沉降。
(4)加强地面检测,在加固区上方和周边管线等处设监测点,监测施工过程中的沉降变化情况。
(5)在始发口附近管片上增设注浆孔,进行后期融沉注浆。
(6)利用管片上注浆孔进行跟踪注浆(始发区域的管片增加注浆孔),减少融沉。
2.3施工方法与施工主要工序
2.3.1施工方法
根据工程地质条件及其它施工条件,确定采用“工作井内钻孔水平冻结加固”的施工方案,即:
在工作井内利用水平冻结和部分倾斜孔冻结加固地层,使盾构机外围及开洞口范围内土体冻结,形成圆柱加板块、强度高、封闭性好的冻结帷幕。
详见图3盾构始发土体加固帷幕图3。
2.3.2施工工序
根据盾构始发的工期安排,首先加固上行线盾构始发口,通过测温孔观测计算,确定冻结帷幕交圈、冻土与槽壁完全胶结,并达到设计强度后,盾构推进到离圆柱冻结帷幕一定距离处,开始破除洞口槽壁0.5米,然后施工探孔,无泥、水流出,冻结效果良好,再将槽壁完全破除,槽壁破除过程中土体继续加强冻结,根据监测数据分析冻结帷幕达到设计强度,将洞口内冻结管拔出,最后实施盾构始发推进。
冻结站安装与钻孔施工同时进行,钻孔施工结束即可转入冻结器安装和冻结阶段。
水平地层加固和盾构始发的主要施工工艺及顺序见图4。
图3盾构始发土体加固帷幕图
图4施工工艺流程图
2.4荷载计算
由于该工程复杂,土层条件差,为了确保施工过程万无一失,现对该工程冻土帷幕进行强度验算。
我们对冻土帷幕采用有限元分析软件ANSYS进行了应力场分布情况的三维有限元数值分析,并根据计算结果进行了强度验算。
2.4.1计算依据
(1)工程地面环境、地质状况;
(2)设计的冻结加固帷幕,见图3;
(3)对于平均温度为-10℃的冻土,冻土强度指标取抗拉强度1.8MPa,抗剪强度1.5MPa。
2.4.2计算模型
2.4.2.1假设
1.冻土帷幕为–10℃的等温体;
2.未冻土和冻土均为弹塑性材料。
2.4.2.2模型材料参数
模型材料的力学见表2。
表2模型材料参数
土层编号
土层名称
土层厚度
(m)
天然重度
(kN/m3)
压缩模量
(MPa)
粘聚力
(kPa)
内摩擦角
(度)
①
杂填土
4
18.5
4.9
25
15
②
粉质粘土
18
19.3
4.55
13
16
③
卵砾石混粉质粘土
取至计算模型底
17.3
4.97
14
18.5
-10℃冻土
27.3
150
50
30
2.4.2.3荷载
1.计算区域内分布土体自重荷载;
2.地面超载20KN/m2。
2.4.2.4模型
计算区域取隧道始发洞口中线上方至地面、下取16m,从隧道纵向中点往两头方向各取15m,自地下连续墙沿隧道轴线方向取15m,整个计算区域为302715m(见图5)。
坐标原点位于隧道中心,z轴与隧道轴线平行,y轴为竖直方向。
整体模型的顶面(地面)为自由面,后左右三个垂直面上水平位移约束,底面上水平和垂直位移均约束。
根据施工组织设计,本数值计算考虑隧道始发最不利的情况,即地下连续墙开口洞体全部开挖,2.0m厚的板块加固体承受水土压力。
如果在这种情况下冻土帷幕满足强度要求,则实际情况下冻土帷幕的强度必然得到保证。
整体模型见图5,网格划分见图6,冻土帷幕外表形状见图7,网格划分见图8。
图5冻结加固冻土帷幕计算模型
图6计算模型网格划分
图7冻土帷幕模型
图8冻土帷幕模型网格划分图
2.4.3隧道始发冻结工程计算结果
2.4.3.1计算结果
冻土帷幕加固体剪应力、主应力云图见图9~图13及表3。
拉应力为正,压应力为负。
表3单元最大、最小主应力、剪应力表
名称
1
3
xy
yz
xz
最大值(MPa)
0.06
-0.15
0.17
0.17
0.1
最小值(MPa)
-0.21
-0.92
-0.18
-0.12
-0.1
从表中可以看出,最大最小主应力值都很小,最大主应力值不超过1MPa。
2.4.3.2强度验算
根据以上计算结果,冻土帷幕的最大拉、压应力和剪应力及强度验算见表4。
冻土强度指标取值见第2.4.1节中说明。
表4ANSYS计算结果强度验算
部位
应力名称
计算值
指标
安全系数
隧道始发洞口加固
最大拉应力
0.06
1.8
30
最大压应力
0.92
4.5
4.8
最大剪应力
0.17
1.5
8.8
根据以上计算和强度验算结果,冻土帷幕的设计温度和厚度均满足强度要求。
图9冻土帷幕主应力
分布
图10冻土帷幕主应力
分布
图11冻土帷幕剪应力
分布
图12冻土帷幕剪应力yz分布
图13冻土帷幕剪应力xz分布
2.5结论
按照冻土帷幕平均温度-10℃,冻土强度指标取单轴抗压强度4.5MPa,抗弯强度1.8MPa,抗剪强度1.5MPa。
板块加固体厚度取2.0m,圆柱加固体厚度暂取1.2m。
进行了ANSYS三维数值分析,根据分析结果可得出如下结论:
计算出来的主应力最大最小值都很小,最大值为0.92MPa。
最大剪应力为0.17MPa。
计算得出拉、压、剪应力值安全系数远远大于2,可见其安全储备得以保证。
三.冻结施工
3.1冻结孔施工
3.1.1冻结孔的布置
根据冻结帷幕设计,冻结孔按近水平角度布置,冻结孔数53个。
圆柱体冻结孔沿开洞口φ7.5m圆形布置,开孔间距为0.76m(弧长),冻结孔数31个,长度为5.4m,冻结管规格选用φ108×8mm。
靠近底板位置的冻结孔钻进空间不够,需如图所示调整。
板块冻结孔沿开洞口φ5.1m、φ2.7m圆形布置,开孔间距为1.14m~1.21m(弧长),冻结孔数21个,冻结管规格选用φ108×8mm,冻结孔长度按2.5m和2.8m相间布置。
开洞口中心布设1个冻结孔,冻结孔长度2.8m,冻结孔的布置详见图14圆柱体水平冻结孔图和图15冻结孔施工平面图。
图14圆柱体水平冻结孔图
图15冻结孔施工平面图
3.1.2测温孔、卸压孔等布置
共布置12个测温孔,深度为3.5m,目的主要是测量冻结帷幕范围不同部位的温度发展状况,以便综合采用相应控制措施,确保施工的安全。
测温孔管材选用Φ32×3.5mm20#低碳钢无缝钢管。
距上部最外圈冻结孔1.5m和6.5m处分别水平布置14个两排卸压孔兼注浆孔,间距1.5m,深度为5米,卸压孔采用Ф32×3mm无缝钢管。
具体见图15中所示。
3.1.3钻孔施工
钻孔的施工工序为:
定位开孔及孔口管安装→孔口密封装置安装→钻孔→测量→(封闭孔底部)→打压试验。
3.1.3.1定位开孔及孔口管安装
根据设计在槽壁上定好各孔位置。
首先确定孔位,再用开孔器(配金刚石钻头取芯)按设计角度开孔,开孔直径150㎜,当开到深度600㎜时停止150㎜孔的取芯钻进,安装孔口管,孔口管的安装方法为:
首先将孔口处凿平,安好四个膨胀螺丝,而后在孔口管的鱼鳞扣上缠好麻丝、涂抹密封物后将孔口管顶入,用膨胀螺丝上紧,上紧后,装上DN150闸阀,再将闸阀打开,用开孔器从闸阀内开孔,开孔直径为112mm,一直将砼墙开穿,这时,如地层内的水砂流量大,就及时关好闸门。
3.1.3.2孔口密封装置安装
用螺丝将孔口装置装在闸阀上,注意加好密封垫片。
详见如下图16所示。
图16钻孔孔口密封装置图
3.1.3.3冻结孔施工
按设计要求调整好钻机方位角和俯仰角位置,并固定好,在孔口装置上安装旁通阀,固定密封装置。
首先采用无泥浆钻进,当钻进不进尺时,调整施工工艺进行泥浆钻进,同时打开孔口装置上旁通阀门,观察出水、出砂情况。
钻机选用MD-50型锚杆钻机,钻机扭矩2000N·M,推力17KN。
3.1.3.4测斜
利用经纬仪结合灯光对每个成孔进行测斜,偏斜率控制在100mm以内,不宜内偏。
3.1.3.5密封试验
将成孔管内内注水进行冻结管密封试验,试验压力控制在0.8MPa,15分钟内压力无变化为合格。
3.2冻结施工
3.2.1制冷设计
3.2.1.1冻结参数确定
(1)积极冻结期盐水温度为-28℃~-30℃。
(2)维护冻结期温度为-25℃~-28℃;
(3)外围冻结孔终孔间距Lmax≤1000mm,冻结帷幕交圈时间为20天,达到设计厚度时间为30天。
因是水平冻结始发,为确保安全,中间冻结板块较外围冻结孔提前冻结10天,需冻结30~35天。
(4)积极冻结时间总共为30~35天。
(5)冻结孔布置53个,冻结管总长度为235m。
(6)测温孔布置12个,深度为3.5m,测温孔一般定在终孔间距较大的位置,位置可根据实际施工时进行调整。
3.2.1.2.需冷量和冷冻机选型
冻结需冷量计算:
Q=1.2·π·d·H·K
式中:
H—冻结总长度;
d—冻结管直径;
K—冻结管散热系数;
将上述参数代入公式得:
Q=1.2·π·d·H·K=2.1×104Kcal/h
选用W-YSLGF300Ⅱ型螺杆机组一台套,设计工况制冷量为8.75×104Kcal/h,电机功率100KW。
3.2.1.3.冻结系统辅助设备
(1)盐水循环泵选用IS125-100~200型1台,流量200m3/h,电机功率30KW。
(2)冷却水循环选用IS125-100~200C型1台,流量200m3/h,电机功率30KW。
冷却塔选用NBL-50型二台,补充新鲜水15m3/h。
3.2.1.4.管路选择
(1)冻结管选用为Φ108×8mm,20#低碳钢无缝钢管,丝扣连接,另加手工电弧焊焊接。
单根长度1m~2m。
(2)测温孔管选用Φ32×3.5mm,无缝钢管。
(3)供液管选用1.5″钢管,采用焊接连接。
(4)盐水干管和集配液圈选用Φ159×6mm无缝钢管。
(5)冷却水管选用Φ127×4.5mm无缝钢管。
3.2.1.5.用电负荷
总用电负荷约200kw/h。
3.2.1.6.其它
(1)冷冻机油选用N46冷冻机油。
(2)制冷剂选用氟立昂R-22。
(3)冷媒剂选用氯化钙溶液。
(4)
冷冻站布置在工作井中,平面布置见图17
图17冷冻站平面布置图
主要冻结施工参数一览表面
序号
参数名称
单位
参数
备注
1
冻结孔深度
m
2.5-2.8/5.4
2
冻结帷幕设计厚度
m
1.2~2
3
冻结帷幕平均温度
℃
-10
4
积极冻结时间
天
30~35
5
冻结孔(总)数
个
53
6
冻结孔(总)长度
m
235
7
冻结(总)长度
m
190
8
冻结孔开孔间距
m
0.78~1.21
9
冻结孔偏斜
mm
<100
10
设计最低盐水温度
℃
-30
冻结7天盐水温度达到-20℃以下
11
单孔盐水流量
m3/h
6
12
冻结管规格
mm
φ108×8
20#低碳钢无缝钢管
13
测温孔总数
个
12
φ32×3.5mm
14
卸压孔(兼注浆孔)
个
14
15
冻结总制冷量
Kcal/h
8.75万
工况条件
16
冷冻机W-YSLGF300Ⅱ型
台
1
17
钻机MD-50型
台
1
17
最大用电量
kw
200
18
用水量
m3/h
15
新鲜水补充
四.拔管和盾构始发的安全保证措施
4.1拔管
第一次破槽壁0.5米结束后,通过探孔分析,冻土帷幕与槽壁胶结良好后,盾构靠近冻结板板时,槽壁完全破除,即可拔管。
(1)拔管顺序:
拔盾构始发口内的三圈孔,先拔第三圈的同时第二圈、第一圈孔继续冷冻。
第三圈孔拔完后开始拔第二圈孔,拔第二圈孔时要间隔拔除,未拔除的相临孔继续冷冻。
拔第一圈孔时要间隔拔除,未拔除的相临孔继续冷冻。
以拔除的冻结孔洞采用C15水泥沙浆圆柱或棉纱加水进行封堵回冻。
(2)拔管方法:
用热盐水循环解冻5~8分钟后,利用手拉葫芦拉出,如拔出有困难,可先用两个10吨千斤顶架设在槽壁上,水平向外顶推冻结管,具体操作如图18。
(3)拔管时间:
1天。
图18拔管示意图
4.2破壁及盾构穿越冻结区的保证措施
4.2.1温度控制
为了保证盾构能够顺利推进,盾构外周的冻土温度必须得到有效的控制,冻土温度通过测温孔得到。
控制盾构外周的冻土温度不低于-5℃并接近零度,能保证水呈固态为宜(此时冻土抗剪强度不高于1Mpa,所需总推力不大于3000T)。
最终通过测温手段确定冻结已达既定要求后才进行盾构始发施工
4.2.2打设槽壁探孔
通过测温孔观测计算,确认冻结帷幕达到设计厚度及强度,当槽壁破壁厚度还剩下不小于300mm时,在洞门上打若干探孔,以判断冻土与槽壁的胶结情况。
探孔在两测温孔之间布置,按照各探孔的布置在洞门上定点,然后用风镐进行凿窝,窝直径400mm,窝深在200~400mm,探孔打好后,即可用电锤穿透探孔内剩下槽壁,最终探孔进入冻土内深度控制在10~15cm。
采用高精度的温度计或测温仪进行量测,各探孔实测温度必须低于-2℃。
4.2.3槽壁凿除
当通过探孔实测温度判断冻结帷幕与槽壁完全胶结后,方可将槽壁全部破除,然后拔管,拔管时间不宜超过1天,以防冻结帷幕融化,影响其强度。
槽壁破除须采用分层分块进行,防止破坏冻结器,影响冻结效果。
为保证盾构出洞时的安全和冻结加固不因时间暴漏过长而融化,在施工上于盾构施工工序的相互配合;在破完第一层壁厚,冻结达到设计要求,盾构机安装调试完毕后,并安装好橡胶帘布板后开始进行拔管,在施工条件允许的情况下,最后一层槽壁钢筋破除后在进行拔管,拔管时槽壁采用保温措施,拔管从下向上拔起。
4.2.3冻结效果的监测及完成的参数指标:
(1)在设计的积极冻结期间内,盐水去路温度应稳定的保持在-25~-30℃以下,积极冻结期运转时间应保证超过10天;
(2)设计要求各冻结孔组的回路温差不超过1.5℃,盐水循环系统去回路温差不超过2℃;
(3)盐水系统循环总流量在积极冻结期间达到设计值;
(4)设计要求,加固冻土有效厚度大于或等于设计厚度(1.2m/2m),冻结壁有效冻土平均温度要达到-10℃及以下;
(5)盾构出洞前先在洞口开10个探测观察口,无大量水流出并测量温度在-5℃以下;
五.对地面环境的保护措施
5.1预注浆
在钻孔施工期间利用孔口管上旁通阀,对盾构始发口范围土层进行注浆,改补充钻孔期间泥水流失控制地面沉降。
5.2控制冻胀和融沉
5.2.1冻胀控制
在每个卸压孔的端部均安装一个量程为量程1.2Mpa的压力表,冻结期间根据压力表显示的读数,定时释放冻胀压力,当压力表显示的读数达到0.25Mpa时打开卸压孔阀门释放压力,直至压力表读数与原始地压相等。
5.2.2跟踪注浆控制融沉
根据以往经验,融沉注浆总量一般为冻土体积的15%左右,经计算该区域注浆体积约为30m3,采取以下方法进行跟踪注浆控制融沉:
盾构始发后利用卸压孔进行跟踪注浆,控制融沉;
利用管片上注浆孔(在始发区域8环管片上设置注浆孔,每环10个)进行跟踪注浆,减少融沉;
注浆压力一般为0.2~0.5MPa。
注浆材料选用单浆液,水灰比为0.6。
即配比为1:
1.7水—混合物。
其中混合物包括:
水泥、粉煤灰、膨润土。
膨润土占混合物的5%,水泥和粉煤灰的配比为2:
3。
具体配比举例说明:
浆液
水
水泥
粉煤灰
膨润土
1000Kg
380Kg
236Kg
354Kg
30Kg
5.3周边建筑物、地下管线等民用及公共设施保护措施
1、采取必要的措施,防止打冻结孔时水土流失;在钻孔施工期间加强沉降的监测,发现跑泥漏沙水土流失严重引起的沉降,影响到建筑物和地下管线,应立即停止施工,立即注浆,防止沉降影响周围建筑物和地下管线,到没有沉降为止,待地层较稳定后再施工钻孔。
2、加强冻胀与融沉监测,发现冻胀影响到建筑物和地下管线,通过打的卸压孔减小冻胀或打冻结孔加热循环,进行解冻;预留注浆孔,进行跟踪注浆,防止融沉影响周围建筑物和地下管线。
六.监测
6.1水平孔施工监测内容
(1)钻孔长度;
(2)铺设冻结管长度;
(3)冻结管偏斜;
(4)冻结器密封性能;
(5)供液管铺设长度;
6.2冻结监测内容
(1)冻结器去回路盐水温度;
(2)冷却循环水进出水温度;
(3)冷冻机吸排气温度;
(4)盐水泵工作压
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