彭 磊， 何文敏， 畅亚文， 张继宏， 王 闯， 赵 珀

(1. 陕西铁路工程职业技术学院, 陕西 渭南 714000； 2. 陕西省高性能混凝土工程实验室, 陕西 渭南 714000；3. 中铁一局集团有限公司， 陕西 西安 050043； 4. 中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司， 江苏 无锡 214105)



土压平衡盾构施工中泡沫改良砾砂土的试验研究

彭 磊1,2， 何文敏1,2， 畅亚文3， 张继宏4， 王 闯1,2， 赵 珀4

(1. 陕西铁路工程职业技术学院, 陕西 渭南 714000； 2. 陕西省高性能混凝土工程实验室, 陕西 渭南 714000；3. 中铁一局集团有限公司， 陕西 西安 050043； 4. 中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司， 江苏 无锡 214105)

为了解决土压平衡盾构在砾砂土地层掘进过程中，土体塑流性差、刀盘及螺旋输送机磨损严重和开挖面平衡不易保持等问题，通过自制泡沫发生器发泡，对砾砂土地层的泡沫改良技术进行室内试验研究，分析气液比、含水率和泡沫掺量对塑流性的影响和改良前后土样的渗透系数的变化规律，得出泡沫发生器气液比在30∶1～55∶1、含水率为5%～12.5%、泡沫掺量为20%～40%时，土体具有较好的塑流性，泡沫的“轴承效应”和泡沫剂中表面活性剂的亲水基团与水、砾砂土颗粒形成的氢键是塑流性提高的根本原因；使用泡沫剂改良砾砂土后，渗透系数大幅降低，掺泡沫后在280 min内渗透系数随时间变化较小，能达到10-5cm/s，泡沫剂溶液中高分子化合物的联结和液桥力是土样具有堵水作用的原因。

土压平衡盾构； 气液比； 泡沫发生器； 泡沫改良； 土体改良； 砾砂土； 塑流性； 渗透性

0 引言

在地铁隧道施工中，土压平衡盾构以工艺先进、施工速度快、经济、劳动强度低、地层适应性强和对环境影响小等优点，被广泛应用于世界各地。土压盾构施工的关键在于将切削下来的土体调整成一种“塑性流动状态”[1]，但对于砂砾地层及复杂地层时，经常会遇到“喷涌”、“结饼”、“闭塞”等一系列难题[2-3]，给施工带来困难。解决以上难题最有效的方法是对土体进行改良，利用泡沫改良土体是目前适用性最广、最先进、最有效的途径。许有俊等[4]利用高速搅拌法、罗氏法对土体改良泡沫剂的性质进行了研究，得到了一种泡沫剂的合理配方。Christoph Budach等[5]根据土压平衡盾构发泡装置，研制了试验室用泡沫发生装置，用泡沫等添加剂对不同土样进行渣土改良，得到泡沫发生器和泡沫改良渣土相关的参数。钟毅等[6]通过对渣土坍落度、压缩和渗透等性质进行研究，得到泡沫和膨润土泥浆对砂卵石地层改良的最佳掺量。邱龑等[7]通过搅拌、压缩、渗透和直剪试验，研究了泡沫对富水砂性地层的改良效果。姜厚停等[8]通过坍落度试验，研究了泡沫对砂砾地层的渣土改良效果。乔国刚[9]采用坍落度、渗透试验对泡沫改良广州红黏土进行了研究，并对其机制进行了分析。这些研究采用的发泡装置与施工现场发泡装置有所差别，土样主要集中在砂性土、砂卵石和红黏土，对泡沫剂改良砾砂土和改良机制分析较少，在施工现场，相关试验参数有一定的局限性。

本文依托北京地铁16号线9标盾构试验施工段砾砂土地层，针对砾砂土地层结构松散、摩擦力大、黏聚力低、塑流性差和渗透系数大等特殊性，研制了泡沫发生器和泡沫剂发泡倍率与稳定性的测定装置，测试了泡沫发泡倍率和半衰期，并设计了一系列室内试验，研究气液比、泡沫的性能、泡沫掺量和土体含水率对砾砂土地层塑流性和渗透性的影响，确定了合理的气液比、泡沫掺量和含水率的范围，并对泡沫改良砾砂土地层塑流性和渗透性的机制进行了分析。

1 工程地质条件

土样取自北京地铁16号线09标盾构试验施工段圆砾⑦层，将其作为典型性土样，具体见图1，将其风干，分析土样颗粒级配，确定其颗粒级配及组成。

图1 砾砂土样

图2为颗粒级配曲线，由图2可见，粒径主要为0.075～60 mm，小于0.075 mm的试样占0.24%，大于2 mm的试样占54.3%，超过总质量的50%，颗粒级配曲线较陡，说明颗粒粒径比较一致，级配不良，且主要集中在2～6 mm。砂占45.5%，不均匀系数Cu为18.8，曲率系数Cc为0.14，细颗粒土为8.5%，占5%～15%，故该土样属于级配不良含细粒土的砾砂土。

图2 砾砂土颗粒级配曲线

砾砂土地层属于力学不稳定地层，其主要特性是结构松散、无胶结、呈大小不等的颗粒状，且颗粒之间的空隙大、渗透系数大、黏聚力为零。土压平衡盾构在该地层施工过程中，刀盘旋转切削下来的碴土塑流性差，掌子面容易失稳，盾构前方土层稳定性差，容易导致地表发生沉陷等问题；颗粒较大的砾石易在刀盘底部堆积，使盾构及螺旋输送机扭矩过大；而且由于砾石的高摩擦性、刀具与砾石的冲击作用及碴土对刀具的抱死作用，易出现刀具磨损过快等问题[10]。该地层含水率低，可以选用土压平衡盾构，利用泡沫剂对土体进行改良，通过坍落度试验和渗透试验对改良效果进行评价，优化泡沫剂使用参数，为类似的盾构施工提供参考。

2 试验仪器与试验方法

2.1 泡沫剂发泡装置

根据土压平衡盾构中的发泡装置，研制了在室内进行发泡试验的装置，具体设备组成如图3所示。泡沫发生器由进液系统、泡沫混合器和气体系统组成，试验时，首先将3%的发泡剂溶液装入泡沫液混合箱，再使用定量泵加大发泡剂溶液的流量和压力，输送到发泡混合器内，同时利用压缩机产生压缩空气，输送到发泡混合器与发泡剂溶液混合，充分混合后通过发泡装置产生泡沫。控制气体进口处压强，调节气体流量QF和液体流量QL，产生不同发泡倍率和稳定性的泡沫。泡沫发生器指标气液比FER为气体流量与液体流量的比值，计算方法见式(1)。

FER=QF/QL。

(1)

式中：QF为管路中流量计显示气体流量,m3/min；QL为管路中流量计显示液体流量，m3/min。

图3 泡沫发生器

2.2 泡沫剂发泡倍率与稳定性测试装置及测试方法

发泡倍率和半衰期是评价泡沫剂性能的2个重要指标。发泡倍率ER是指一定体积的泡沫剂溶液产生的泡沫体积与原泡沫剂溶液体积的比值。泡沫剂的稳定性通常用半衰期T1/2来表征，指一定体积的泡沫液中析出一半液体所需的时间。

根据发泡倍率和泡沫稳定性测试原理，研制了发泡剂发泡倍率与泡沫稳定性测试装置，如图4所示，包括测量天平、天平支架、带漏网的量筒、烧杯和玻璃罩。试验时，将泡沫发生器中发出的泡沫30 s内装满量筒，并用刮刀刮平，然后将装有泡沫的无底量筒挂在天平底部的挂钩处，称量并记录泡沫初始质量，由式(2)计算发泡倍率ER。泡沫装入无底量筒时开始记时，当量筒内泡沫质量消散至初始值质量的50%时停止记时，该时间即为半衰期T1/2。

(2)

式中： ER为发泡倍率；V为无底量筒容积，cm3；G为无底量筒内泡沫的质量，g；ρ为泡沫剂水溶液密度，g/cm3。

盾构施工过程中，为了使泡沫剂具有良好的效果，需要泡沫剂溶液具有优良的发泡能力和稳泡性能。研究表明，半衰期大于5 min时就能满足土压平衡盾构施工的要求[11]。

图4 泡沫剂发泡倍率与泡沫稳定性的测试装置

2.3 土体改良试验方法及评价标准

将一定体积风干土样VS放入搅拌机内，加一定量水mL调整至实验所需含水率w，搅拌2 min，加入一定体积的泡沫VF，与土体搅拌约2 min，测定其“塑流性”和“渗透性”。泡沫掺入量FIR的计算公式见式(3)和式(4)。

(3)

式中：VF为掺入泡沫气体体积，m3；VS为需改良风干土体体积，m3。

(4)

式中：mL为需要加入水的质量，kg；mS为需改良风干土样的质量，kg；w为试验过程中改良土体的含水率，%；wS为风干土样的含水率，%。

“塑流性”采用坍落度试验测定，坍落度试验反映了压力舱内土体塑性流动状态，包括流动性、黏聚性和保水性，“塑流性”直接决定了螺旋出土器能否顺利排土。当土体的坍落度保持在10～20 cm[12]时，观察其是否离析、崩塌、析浆、失水或泡沫析出来判断是否达到“理想的塑性流动状态”。

“渗透性”选用常水头渗透试验测定，泡沫能够显著降低被开挖土的渗透系数，泡沫土的渗透系数改良到10-5～10-6cm/s[12]能够有效避免螺旋排土器出口处发生“喷涌”事故。

3 土体改良试验及结果分析

3.1 坍落度试验

3.1.1 坍落度试验结果的定性描述

加泡沫和水对该砾砂土进行改良后，发现土样的塑性流动状态与含水率和泡沫掺量相关，图5为坍落度试验的定性描述，随着含水率和泡沫掺量的增加，流动性增加，主要表现为以下几种情况：

1)含水率和泡沫掺量都较小时，在测试过程中坍落度较小、渣土干硬、黏聚性差和保水性差，“塑流性”不好；

2)含水率和泡沫掺量合适，二者在一定范围内，经泡沫改良后砾土的流动性大大增强，保水性大大提高，黏聚性良好，能够达到“塑性流动状态”；

3)含水率较大，导致水损失多，流动性大、黏聚性差、保水性差，出现砾砂分离，泡沫掺量大时，泡沫损失多，流动性大、黏聚性差和保水性差；

4)含水率和泡沫掺量在一定范围，坍落度处于边界状态，黏聚性和保水性较好，不符合砾砂土地层中的坍落度管理范围为10～20 cm 的要求。

坍落度不在合适范围、黏聚性差和保水性差，均不利于维持土压平衡盾构土仓内压力的稳定，螺旋排土器排土不畅或喷涌，严重时则无法正常推进。故对于该砾砂土，含水率在一定范围内，经泡沫剂进行改良后，改良渣土能够达到“塑性流动状态”，砾砂土易排出土仓，满足盾构施工要求。

图5 坍落度试验的定性描述

3.1.2 土压平衡盾构施工参数的确定

控制气体进口处压强为0.3 MPa，泡沫剂混合液体积分数为3%，固定液体流量，调节气体流量，测试泡沫发生器发出泡沫的性能，通过泡沫性能和渣土“塑流性”改良结果，得到合适的气液比，测试砾砂土在不同含水率和不同泡沫掺入量情况下，“塑流性”的变化情况，得到泡沫改良砾砂土合适的气液比、含水率和泡沫掺入量的范围。

3.1.2.1 气液比的确定

表1为在含水率为5%、泡沫掺入量为20%、不同气液比时泡沫性质和砾砂土的塑流性变化情况。由表1可见，随着气液比增大，发泡倍率逐渐增大，泡沫连续，主要原因是随着气液比增大，单个泡沫的液膜壁变薄，泡沫数量增多，导致泡沫发泡倍率增大，液膜变薄后，重力排液速率降低，泡沫稳定性增加；增大到一定程度时，半衰期开始降低，这是由于气液比较大时，泡沫连续但喷射气流过大，导致泡沫不稳定。当气液比接近于45∶1时，半衰期较长，泡沫性能均较好，掺泡沫后坍落度随着气液比增大而减小，气液比较大时，到半衰期时渣土的坍落度损失较大，主要原因是随着气液比增大，气泡内气体增多，气体扩散加快，在外界扰动下，泡沫破灭加快。当气液比达到63∶1时，坍落度为11.5 cm，到半衰期时，渣土发生崩塌，黏聚性差，坍落度仅为1.0 cm，主要是因为改良的砾砂土表面被泡沫包裹，泡沫具有较大的表面积，与砾砂土颗粒充分接触，使渣土具有较好的流动性和黏聚性。气液比较大时，泡沫中液体含量减小，随着时间增长，泡沫壁薄，在外力作用下易破，渣土颗粒间的泡沫破灭，且液相含量少，不能形成塑性流动状态，砾砂土不能黏聚在一起，测定坍落度时，直接发生坍塌，导致渣土坍落度损失较大；继续增加气液比时，渣土发生崩塌，当继续增加气液比时，由于气体流量较大，小泡沫迅速变大，泡沫变大同时会使液膜更加变薄、破裂，另外液面上的气泡也会因泡内的压力比大气压力大而通过液膜直接向大气排气，气泡破灭，气液比增大到一定程度时，泡沫迅速破灭，且液相含量较少，砾砂土颗粒间黏聚性非常差，故直接发生崩塌。气液比较小时，到半衰期时，渣土的坍落度损失较大，气液比为20∶1时，坍落度为21.0 cm，到半衰期时，渣土发生崩塌，坍落度为17.0 cm，主要原因是泡沫液体流量较大时，发出的泡沫较湿，液相密度远大于气相的密度，在重力作用下就会产生向下的排液现象，使液膜减薄，造成气泡破裂。

因此，可推测该砾砂土当含水率约为5%、泡沫掺入量约为20%时、气液比在30∶1～55∶1时，适当调整气体流量和液体流量时可满足和易性要求，但气液比太大时，坍落度经时损失较快。

表1 含水率为5%、掺入量为20%、不同气液比时渣土的坍落度

3.1.2.2 泡沫掺量的选取

含水率为5%、气液比为45∶1，掺入10%、20%、30%、40%和50%的泡沫时，测定渣土的坍落度，结果见表2，由表2可见，随着泡沫掺量的增加，渣土的坍落度逐渐增加，到半衰期时坍落度损失较小。泡沫掺入量小于20%，渣土干硬，易发生崩塌；大于40%，黏聚性变差，保水性变差，泡沫损失多，主要原因是泡沫掺量多时，液相含量增多，到半衰期时，小气泡破灭，变成大气泡，气泡液相含量增多，在重力作用下就会产生向下的排液现象，导致黏聚性变差，保水性变差；泡沫掺量为20%～40%时，适当调整气体流量或液体流量时可满足和易性要求。

3.1.2.3 含水率的选取

气液比为45∶1，掺入20%泡沫，含水率为5.0%、7.5%、10.0%、12.5%和15.0%时，测定渣土的坍落度，结果见表3，由表3可见，随着含水率的增加，渣土的坍落度逐渐增加，到半衰期时坍落度损失较小。当含水率大于15%时，砾砂土出现稀浆、砂石分离、离析，水损失多；小于5%时，渣土干硬，半衰期时，渣土崩塌；当含水率在5%～12.5%时，适当调整气液比，可满足和易性要求。

表2 含水率为5%、气液比为45∶1、不同泡沫掺入量时渣土的坍落度

表3 气液比为45∶1、泡沫掺入量为20%、不同含水率时渣土的坍落度

综上，砾砂土样的塑性流动状态与含水率、泡沫掺量和气液比相关，进一步优化砾砂土的含水率和泡沫掺量范围，图6为不同含水率下优化的泡沫掺入比。在图中平行四边行内的含水率和泡沫掺量下，气液比30∶1～55∶1适当调整含水率和泡沫掺量，使含水率为5%～12.5%，泡沫掺量为20%～40%时，砾砂土能达到塑性流动状态，即坍落度在10～20 cm能满足盾构施工要求；当含水率较小、泡沫掺量较低时，渣土易崩塌或太干导致坍落度太小，不满足要求；含水率较大，泡沫掺量较大时，流动性较大，易出现水砂石分离、泌水等。

图6 不同含水率下优化的泡沫掺入比

3.1.3 机制分析

该地层粗颗粒较多，占98.8%以上，砾石占54.3%，砂占45.5%，细粒土占0.2%。砾砂土主要成分是砾和砂，构成砾砂的主要成分是二氧化硅，粗颗粒较多，细颗粒较少，级配不良。泡沫和水作为润滑剂，水主要表现为润滑“内部”，即黏粒和粉粒，而泡沫能够降低砂粒间的摩擦力。在未加入泡沫之前，向砾砂土中加入一定量的水时保水性很差，易出现砾砂分离，加入水较多时，易形成稀浆。砾砂土中注入泡沫后，砾砂土孔隙中充满了微小气泡，由于粗颗粒被气泡包围，相当于给砾砂土颗粒穿上了一件带滚珠的外衣，称为泡沫的“轴承效应”[13]，当砾砂土颗粒流动时，由于颗粒之间接触面积变小，使得内、外摩擦角大大减小，流动性显著增强、黏聚性和保水性变好，同时由于土的内摩擦角降低，土的强度也大大降低。

一般情况下，由于砂土的渗透系数大，保水性很差，当盾构施加推力时，开挖面前方砂孔隙中的水会排出，出现水砂分离现象，形成很干很硬的砂饼，严重影响盾构的排土作业，而且造成刀盘的严重磨损以及扭矩升高。气泡除了发挥“轴承效应”外，同时具有保水作用。气泡壁液膜含有水分和表面活性剂，表面活性剂分子中含亲水基团(如酯氧基、胺基和羟基等)，能与水形成氢键，具备一定的亲水性，砾砂土主要成分是二氧化硅，能与水形成氢键，吸附一部分水(见图7)，能够留住相当一部分孔隙中的水，使砂的保水性提高，水是天然的润滑剂，泡沫剂中表面活性剂具有润滑特性，能够提高砂土的“塑流性”。因此，泡沫的“轴承效应”和气泡的保水性能是砂土“塑流性”提高的根本原因。

(a) 表面活性剂亲水基团与水形成氢键

(b) 二氧化硅与水形成氢键

3.2 渗透系数试验及机制分析

3.2.1 渗透系数试验

渗透系数的测定可以采用常水头和变水头渗透试验进行，常水头适用于砂类土和含少量砾石的无凝聚性土，变水头适用于细粒土。针对砾砂土地层，选用常水头渗透试验测定。控制气体进口处压强为0.3 MPa，泡沫剂溶液体积分数为3%、含水率为5%、泡沫掺入量为30%，测定加入泡沫前后渗透系数随时间变化规律(见图8)。由图8可知，砾砂土样不加泡沫剂时渗透系数为2.61×10-4cm/s，改良后砾砂土的渗透土样渗透系数为10-5～10-6cm/s，加入泡沫剂后，改良渣土的渗透性大大降低，改良后渣土的渗透性能够满足施工的技术要求。掺泡沫后在280 min内渗透系数随时间变化较小，大于280 min渗透系数增加较快，仍小于未加泡沫前的渗透系数，主要原因是随着时间增长，小气泡破灭，变成大气泡，大泡越来越大，液膜变薄，泡沫破灭，变成液体，所以渗透系数缓慢增加。

3.2.2 机制分析

砾砂土的渗透系数与颗粒大小和级配密切相关，砾砂土中的细粒含量较少，相应的渗透系数较大。泡沫被注入到砂土的孔隙中后，砾砂土孔隙中加入了大量的封闭气泡，封闭气泡阻断了孔隙水的渗流通道，达到了降低渗透的目的。砾砂土中气泡的填充阻塞作用是砂土渗透系数降低的主要原因。图9表示气泡在砂土孔隙中的存在状态。气泡除了阻塞作用外，在砾砂土颗粒间还能够形成液桥，产生液桥力，液桥力是湿颗粒产生团聚现象的主要原因[14]。

图8 土样的渗透系数随时间变化规律

图9 气泡在砂土孔隙中的存在状态

泡沫剂的主要成分通常为发泡剂、表面活性类稳泡物质、增黏类稳泡物质和其他助剂。增黏类稳泡物质分子质量较大，属高分子类物质，如羧甲基纤维素钠和聚丙烯酰胺等[15]，这些高分子化合物能够联结细小砂粒使它们团聚起来，高分子化合物能够像细小的丝网一样串联砂粒和气泡，使之结为整体，能够有效阻隔水的渗透。

砂土颗粒在泡沫剂溶液中高分子化合物的联结和液桥力的共同作用下，颗粒与颗粒之间不再只是独立的个体，砂粒互相联为一体，类似于黏土颗粒，在砂土孔隙中的气泡能更好地发挥其堵水作用。

4 结论与建议

通过自制泡沫发生器发泡，测定了泡沫半衰期和发泡倍率，研究了气液比、含水率和泡沫掺入量对土样的“流塑性”和“渗透性”的影响，得出了以下结论与建议。

1)气液比对泡沫性能影响较大。气液比增大，气泡液膜变薄，重力排液速率降低，发泡倍率和稳泡时间均增大，渣土的“塑流性”较好，气液比增大到一定程度时，泡沫壁变薄，泡沫易破，半衰期降低，坍落度经时损失较大。

2)未加泡沫前，含细粒土的砾砂不具有“流塑性”，掺入一定泡沫后，使气液比在30∶1～55∶1、含水率为5%～12.5%、泡沫掺量为20%～40%时，适当调整含水率、泡沫掺量和气液比，土体具有较好的“流塑性”，根本原因是泡沫的“轴承效应”使砾砂土颗粒间内、外摩擦角大大减小，流动性增强；泡沫剂中的表面活性剂分子结构内的亲水基团与水、砾砂土颗粒间形成氢键，使保水性和黏聚性提高。

3)使用泡沫剂改良砾砂土后，渗透系数大幅降低，渗透系数达到10-5cm/s，能够满足盾构施工技术要求，泡沫剂溶液中高分子化合物的联结和液桥力是土样具有堵水作用的原因。

本文利用自制泡沫发生器发泡，固定液体流量、进口压力和泡沫剂体积分数等，调节气液比，对泡沫性质和渣土的“塑流性”进行了研究，建议在此基础上系统研究泡沫发生器液体流量、气体流量、进口气体压力、泡沫剂体积分数和泡沫混合器内微珠填充率等对泡沫性能和渣土改良效果的影响规律，将其与土压平衡盾构实际掘进过程中的相关施工参数建立联系，为施工过程提供指导，避免盾构施工中相关参数的设置主要依靠经验和现场摸索。

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Experimental Study of Soil Modifying by Foam of Earth Pressure Balance Shield in Sandy Gravel Strata

PENG Lei1,2, HE Wenmin1,2, CHANG Yawen3, ZHANG Jihong4, WANG Chuang1,2, ZHAO Po4

(1.ShaanxiRailwayInstitute,Weinan714000,Shaanxi,China;2.ShaanxiProvinceEngineeringLaboratoryofHighPerformanceConcrete,Weinan714000,Shaanxi,China;3.ChinaRailwayFirstGroupCo.,Ltd.,Xi’an050043,Shaanxi,China;4.UrbanRailTransitEngineeringCo.,Ltd.ofChinaRailwayFirstGroupCo.,Ltd.,Wuxi214105,Jiangsu,China)

The sandy gravel stratum is of unfavorable plasticity and fluidity, which is sure to induce serious wear of cutterhead and screw conveyor. Moreover, the earth pressure balance is not easily maintained and the face is easy to collapse. As a result, indoor experimental study of foaming technology for sandy gravel stratum is carried out with self-made foam generator, the effects of foam expansion ratio(FER), water content and foam injection ratio (FIR) on plastic flow state are analyzed, the variation law of permeability coefficient of soil before and after improvement are studied. The slump test results indicate that the optimal conditioning parameters to achieve required plastic behavior are FER of 30∶1 to 55∶1, water content of 5% to 12.5% and FIR of 20% to 40%, and the bearing effect and the hydrogen bond between hydrophilic group of surfactant with water and gravel sand particles are main causes. The permeability can reach 10-5cm/s after using foam agent after 280 minutes; and the coupling and the liquid bridge force in the foam solution of the polymer can stop the water of soil.

earth pressure balance shield; FER; foam generator; foam improvement; soil improvement; sandy gravel; plastic flow; permeability

2017-01-12;

2017-03-07

渭南市基础研究人才工程基金(2015KYJ-3-3)； 陕西省高性能混凝土工程实验室专项科研基金(G2015-04)

彭磊(1984—)，男，湖北十堰人，2011年毕业于石家庄铁道大学，材料工程技术专业，硕士，讲师，主要从事土木工程检测技术和建筑材料的教学和研究工作。E-mail: penglei012004@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.008

U 451+.5

A

1672-741X(2017)05-0571-07