地鐵車站深大基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘? ?要： 以鄰近河流城市的某地鐵車站為研究對(duì)象，開(kāi)展深大基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合車站所處位置的工程地質(zhì)和水文條件，歸納整理圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的問(wèn)題，研究問(wèn)題并提出解決措施，形成設(shè)計(jì)方案。針對(duì)河岸線距離車站最小距離僅為3 m左右的現(xiàn)狀，提出將柔性粘土咬合樁作為止水體系，使其與內(nèi)部剛性咬合樁相互咬合，顯著降低地基的滲透系數(shù);針對(duì)近江側(cè)為有限土體、遠(yuǎn)江側(cè)為無(wú)限土體的現(xiàn)狀，合理調(diào)整水荷載，抵消土荷載的差異，使得基坑僅向遠(yuǎn)江側(cè)變形，保護(hù)原有河堤。經(jīng)計(jì)算模型構(gòu)建和模擬驗(yàn)證，“剛+柔”雙重止水體系隔絕了城市水系與基坑的聯(lián)系，對(duì)混凝土漿液起到了反向隔絕作用，避免了滲透所造成的環(huán)境污染，為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供了寶貴的借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 鄰近河流城市;深大基坑;圍護(hù)結(jié)構(gòu);止水體系;粘土咬合樁

中圖分類號(hào)：TU318? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2095-8412 （2020） 06-141-09

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.025

引言

近年來(lái)，隨著城市地鐵線網(wǎng)的發(fā)展，地鐵進(jìn)入深基坑、超深基坑建設(shè)時(shí)期[1-2]，基坑周邊鄰近各種建構(gòu)筑物與河流的工況層出不窮，對(duì)基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)、止水效果、安全性能等提出了嚴(yán)格的要求[3-4]，尤其是鄰近城市水系的深大基坑，對(duì)基坑的止水效果提出的要求更為嚴(yán)苛[5]。

當(dāng)前較為常用的基坑止水措施有：地下連續(xù)墻、咬合樁、攪拌樁和旋噴樁。大部分止水工藝在粘土等地層有較好的效果。但是，在孤石、飄石、砂卵石層，攪拌樁和旋噴樁并不適用，采用地下連續(xù)墻進(jìn)行水下成槽又存在塌孔的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)泥漿護(hù)壁和灌注凝土亦存在污染城市水系的風(fēng)險(xiǎn)。

在本文介紹的某地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例中，地鐵線網(wǎng)距離河道僅3 m左右。初期采用旋噴樁試樁，發(fā)現(xiàn)混凝土漿液向水系反向滲漏，遂推斷如采用泥漿護(hù)壁，泥漿有較大可能性向江內(nèi)滲漏，造成環(huán)境污染。因此，圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式僅剩咬合樁可供選擇。但是，基坑自身在不對(duì)稱土壓力影響下會(huì)導(dǎo)致偏載，河水水位反復(fù)變動(dòng)等因素也會(huì)導(dǎo)致基坑受力不穩(wěn)定，使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)始終處于一種動(dòng)態(tài)受力的狀態(tài)下，那么咬合樁的咬合部分就存在開(kāi)裂分叉的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這一工程的特殊性，有必要尋找一種能夠有效輔助止水的柔性支護(hù)體系，旨在隔絕水系與基坑的聯(lián)系，同時(shí)保證在咬合樁施工期間反向隔絕混凝土漿液，阻止它們隨著地下水涌入河道，避免造成環(huán)境污染。

本文首先介紹地鐵車站周邊的工程地質(zhì)與水文條件;然后歸納整理圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的問(wèn)題，總結(jié)出設(shè)計(jì)重難點(diǎn);最后對(duì)止水工藝、基坑偏載趨勢(shì)進(jìn)行研究，形成一種“剛+柔”雙重止水體系設(shè)計(jì)方案。

1? 工程地質(zhì)與水文條件

本地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段寬度為21.1 m，長(zhǎng)度為225.3 m，頂板有效覆土厚度約為3.2 m，底板埋深為17.79 m。站址周邊有22層商住樓、17層小區(qū)等建構(gòu)筑物，同時(shí)站位位于城市大型河流西側(cè)。河岸線距離車站最小距離約3 m。車站周圍環(huán)境條件復(fù)雜，站位平面圖如圖1所示，河道斷面圖如圖2所示。

根據(jù)鉆孔信息來(lái)看，場(chǎng)地范圍內(nèi)上覆第四系人工填土層（Q4ml），其下為第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）中砂及卵石，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖（K2g）。車站基坑范圍內(nèi)土層自上而下分布為：雜填土、素填土、松散卵石土、稍密卵石土、中密卵石土、密實(shí)卵石土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中等風(fēng)化泥巖。砂卵石層滲透系數(shù)為22 m/d;強(qiáng)風(fēng)化泥巖層滲透系數(shù)為0.4 m/d，屬弱—中等透水層。車站底板位于密實(shí)卵石土層、強(qiáng)風(fēng)化泥巖及中風(fēng)化泥巖中。車站地質(zhì)斷面圖如圖3所示。

根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，砂卵石層滲透系數(shù)為24.86～27.26 m/d，平均值為26.06 m/d。結(jié)合整個(gè)地層情況，建議本場(chǎng)地砂、卵石滲透系數(shù)k值取為22 m/d。

對(duì)抽水井進(jìn)行兩次降深，兩觀測(cè)井與抽水井距離相同，1#近河側(cè)觀測(cè)孔水位降深低于2#遠(yuǎn)河側(cè)觀測(cè)孔水位，判斷該河流對(duì)場(chǎng)地地下水有補(bǔ)給，河流與地下水之間存在水力聯(lián)系。

2? 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的問(wèn)題及設(shè)計(jì)重難點(diǎn)分析

2.1? 面臨的問(wèn)題

本基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要面臨如下問(wèn)題：

（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)如何保證在水位變動(dòng)的情況下安全有效地工作？

（2）在施工允許偏差范圍內(nèi)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)如果開(kāi)裂滲水，是否可以及時(shí)高效地進(jìn)行封堵？

（3）近江側(cè)為有限土體，遠(yuǎn)江側(cè)為無(wú)限土體，那么如何控制基坑向遠(yuǎn)江側(cè)變形，以保護(hù)原有河堤？

2.2? 設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

（1）車站端頭井最近位置距離河道僅3 m左右，基坑深度為17.4～18.6 m，須嚴(yán)格控制基坑變形及地下水對(duì)基坑開(kāi)挖的影響。

（2）近江側(cè)為有限土體，遠(yuǎn)江側(cè)為無(wú)限土體，需考慮基坑的偏載，并減小對(duì)河堤的影響。

（3）基坑在開(kāi)挖期間，樁體存在變形，而鋼筋砼樁+素砼咬合樁隔一布一的方式又為剛性結(jié)構(gòu)，可能會(huì)使樁體由于變形產(chǎn)生劈叉，且垂直度控制存在一定的困難。近江側(cè)的地下水可能擊穿咬合樁薄弱部位，使近江側(cè)的河水及地下水大量涌入基坑，產(chǎn)生透水事故風(fēng)險(xiǎn)。

3? 止水工藝研究

參照其他站址周圍基坑施工經(jīng)驗(yàn)，某地塊基坑距離河道約56 m，基坑深度為22.60～25.90 m，基坑支護(hù)形式為錨拉排樁、內(nèi)支撐及錨拉雙排樁，圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工期間，在地下約14 m處存在水的滲漏情況，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖4a所示。再如，某美食城基坑距離江岸邊最小距離約20 m，基坑深度約10 m，采用圍護(hù)樁支護(hù)，坑外管井降水，河水向基坑滲水較大，施工期間曾造成臨近江側(cè)基坑側(cè)壁出現(xiàn)側(cè)壁管涌，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖4b所示。

結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，在距離河岸50 m處采用間隔柱樁仍存在滲漏水事故風(fēng)險(xiǎn)，且本站距離河道僅3 m左右，無(wú)法采用間隔柱樁。由于泥漿存在向江內(nèi)滲漏的情況，地下連續(xù)墻與旋噴樁亦無(wú)法施工，且攪拌樁不適用于帶孤石的砂卵石地層，遂止水方案初步擬定為樁徑1 200 mm、間距900 mm的咬合樁，咬合段寬度為300 mm，厚度為794 mm。按照本站基坑深度18 m，嵌固深度4 m，進(jìn)入中風(fēng)化泥巖約2 m等參數(shù)，第一道支撐采用混凝土支撐，剛性連接整個(gè)基坑。

同時(shí)考慮施工期間土壓力不對(duì)稱、水位反復(fù)變動(dòng)等因素，圍護(hù)樁存在變形風(fēng)險(xiǎn)。因此，除了咬合樁的剛性防護(hù)外，增加一道可以與剛性圍護(hù)樁共同作用的柔性支護(hù)體系，輔助咬合樁進(jìn)行止水，旨在保證隔絕江水與基坑的聯(lián)系，同時(shí)保證在咬合樁施工期間反向隔絕混凝土漿液，阻止它們經(jīng)地下水涌入河道，避免造成環(huán)境污染。外側(cè)樁體采用輔助止水措施，最好可以具備一定的壓縮性，對(duì)混凝土咬合樁咬合部位進(jìn)行加強(qiáng)，達(dá)到剛性咬合樁加柔性可壓縮粘土樁雙重止水帷幕的效果。

根據(jù)上述基本指導(dǎo)方案，考慮在樁外使用旋噴樁或粘土樁進(jìn)行柔性加固，成樁與止水效果根據(jù)試驗(yàn)樁質(zhì)量確定。

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)旋噴樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示：旋噴樁機(jī)在下鉆至9 m深左右后發(fā)生了較為嚴(yán)重的卡鉆。經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)，現(xiàn)場(chǎng)繼續(xù)下鉆，在下鉆至10 m深左右時(shí)，旋噴樁機(jī)身由于卡鉆導(dǎo)致機(jī)身晃動(dòng)，并造成金剛石鉆頭損壞。更換鉆頭后，依然存在此現(xiàn)象，遂放棄旋噴樁方案。

（2）粘土咬合樁。初步擬定采用φ1 200 mm @900 mm的一組共計(jì)3根試樁。粘土樁成樁擬采用套筒內(nèi)重錘夯擊。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5]，初步確定試驗(yàn)工藝流程為：定位截滲軸線、孔位布置、鉆機(jī)運(yùn)行、終孔檢驗(yàn)、清除孔底沉淀物、安放導(dǎo)料管、分層回填粘土進(jìn)行錘擊、提升導(dǎo)料管、回填粘土錘擊。

試樁完成后，全樁長(zhǎng)范圍內(nèi)咬合部位垂直取芯，觀察孔內(nèi)水位情況，以監(jiān)測(cè)咬合樁止水效果。取芯觀察后，鉆孔采用素混凝土回填。取出芯樣，送專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)抗?jié)B系數(shù)。

1#樁：此樁在拔管拆管過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有水滲入套管內(nèi)，根據(jù)提升上來(lái)的重錘判斷，夯擊套管內(nèi)粘土發(fā)生了彈簧現(xiàn)象，成樁質(zhì)量欠佳。

3#樁：用快放鉤夯擊8次就發(fā)現(xiàn)有彈簧現(xiàn)象。停止夯擊，拔管過(guò)程中發(fā)現(xiàn)粘土在套管內(nèi)被擠密壓實(shí)后，隨套管一起被帶出，初步判定成樁質(zhì)量欠佳。

2#樁：2#樁成樁期間土彈簧現(xiàn)場(chǎng)與1#、3#樁基本一致，同時(shí)拔管過(guò)程中發(fā)現(xiàn)粘土在套管內(nèi)被擠密壓實(shí)后，隨套管一起被帶出。由于拔樁負(fù)壓導(dǎo)致1#、3#樁產(chǎn)生較大沉陷，遂推測(cè)本組試驗(yàn)樁成樁效果均不理想。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)采用純粘土回填夯實(shí)的實(shí)驗(yàn)方案存在如下問(wèn)題：

（1）分層夯實(shí)時(shí)如分層厚度較薄，則多次夯實(shí)會(huì)導(dǎo)致粘土與地下水?dāng)嚢韬笮纬赡酀{，無(wú)強(qiáng)度、無(wú)止水效果。

（2）分層厚度達(dá)到3 m左右，單次夯實(shí)在8～15次后，容易導(dǎo)致粘土在導(dǎo)管內(nèi)抱死，發(fā)生粘土無(wú)法脫出導(dǎo)管的情況。

（3）按照3 m分層夯實(shí)產(chǎn)生抱死現(xiàn)象后，需要拔管并清理粘土。由于導(dǎo)管與孔壁密貼，拔管產(chǎn)生的負(fù)壓會(huì)導(dǎo)致周邊粘土與水吸入，導(dǎo)致斷樁現(xiàn)象的發(fā)生與泥漿的產(chǎn)生，并引起周邊粘土樁塌孔。

針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)施工工藝進(jìn)行調(diào)整。擬采用灌注的形式進(jìn)行施工，第二次的試驗(yàn)樁，分別為1#粘土碎石樁（粘土∶碎石∶水泥=40%∶50%∶10%），2#粘土碎石樁（粘土∶碎石∶水泥=17%∶74%∶9%），3#粘土—混凝土樁（水泥∶粘土∶砂∶碎石∶水∶復(fù)合外加劑=169∶113∶810∶878∶3.6）。

灌注完成后，對(duì)樁身打設(shè)鋼花管，對(duì)樁身滲水進(jìn)行監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)觀察，孔內(nèi)水位回復(fù)速度為0.4～1.2 m/h不等。經(jīng)過(guò)判定，粘土樁對(duì)底層滲透系數(shù)有較大的改善。

根據(jù)水位恢復(fù)法計(jì)算滲透系數(shù)的公式為

（1）

其中：k，滲透系數(shù);r，降水井半徑;H，水位深度;t，觀測(cè)時(shí)間;s1，對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)終止水位深度;s2，對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)初始水位深度。取值如下：r=0.4 m，H=12.5-2.5=10 m，s1=10-1.7=8.3 m，s2=10-2.7=7.3 m，t=1 h=1/24 d。經(jīng)過(guò)計(jì)算，最大的滲透系數(shù)為k=0.061 m/d，同時(shí)取芯檢測(cè)抗?jié)B情況，報(bào)告顯示在0.5 MPa水壓力下無(wú)滲漏現(xiàn)象。

通過(guò)試樁施工，各種實(shí)驗(yàn)顯著地降低了地基的滲透性，原滲透系數(shù)在砂卵石24.86～27.26 m/d下實(shí)測(cè)試樁的滲透系數(shù)最大值為0.061 1 m/d，其結(jié)果符合要求。同時(shí)為了便于施工，采用粘土—混凝土樁作為外部輔助止水措施，外側(cè)樁體與內(nèi)部咬合樁相互咬合，形成雙咬合體系。

4? 基坑偏載研究

本工程河道河堤為重力式擋墻，其風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)為Ⅰ級(jí)，基坑降水方案僅考慮坑內(nèi)降水。近江側(cè)為有限土體，遠(yuǎn)江側(cè)為無(wú)限土體。如圖5所示的基坑變形趨勢(shì)圖，兩側(cè)水荷載相同，土荷載q1>q2，基坑整體變形趨勢(shì)為由遠(yuǎn)江側(cè)向近江側(cè)變形，會(huì)導(dǎo)致河堤整體存在向近江側(cè)變形的趨勢(shì)，破壞風(fēng)險(xiǎn)極大。本章著重研究近江側(cè)圍護(hù)樁變形趨勢(shì)。

在基坑中部降水，土體荷載為既有荷載，無(wú)法改變，能改變的荷載僅為水荷載。利用兩側(cè)水荷載的不同改變基坑整體變形趨勢(shì)，使得近江側(cè)水荷載>遠(yuǎn)江側(cè)水荷載，達(dá)到抵消兩側(cè)土荷載差異的目的，同時(shí)控制基坑變形整體趨勢(shì)為不向近江側(cè)變形。

為達(dá)到上述效果，對(duì)臨近本站址范圍內(nèi)的既有民建基坑及現(xiàn)場(chǎng)抽水進(jìn)行試驗(yàn)，表明在遠(yuǎn)江側(cè)可以進(jìn)行降水。降水方案確定為：坑內(nèi)布置疏干井，遠(yuǎn)江側(cè)布置降水井。

將上述問(wèn)題簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題來(lái)考慮，選擇距離河岸最近的斷面作為計(jì)算斷面，如圖3所示。江水壓力采用分布荷載模擬，降水前后通過(guò)分布荷載大小變化模擬降水，這里主要模擬分析近江側(cè)降水5 m時(shí)基坑圍護(hù)的變形。

4.1? 計(jì)算參數(shù)

（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)。止水體系參見(jiàn)圖4a。其中原咬合樁作為基坑的圍護(hù)樁使用，粘土咬合樁作為止水體系。數(shù)值模擬中按照剛度等效原則轉(zhuǎn)換成板單元模擬。

（2）基坑內(nèi)支撐。采用錨桿單元模擬。

（3）接觸面。圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間的相互作用是通過(guò)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面設(shè)置古德曼接觸面單元并選取合理的虛擬厚度因子及強(qiáng)度折減因子進(jìn)行模擬的。

（4）土體參數(shù)

巖土工程勘察設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)地勘報(bào)告取值，計(jì)算中涉及有效黏聚力c和有效內(nèi)摩擦角φ。卸載再加載泊松比Vur采用Plaxis軟件的建議值，取0.2。參考應(yīng)力refp取100。側(cè)壓力系數(shù)K0可由計(jì)算得出。

（5）車站主體結(jié)構(gòu)。采用板單元模擬。

4.2? 計(jì)算模型

采用Plaxis2D有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算。考慮到基坑的影響范圍一般為開(kāi)挖深度的3～5倍，為了消除邊界影響，取模型橫向左右距離基坑中心為5倍開(kāi)挖深度位置，深度方向取100 m。模型底部施加完全固定約束，在左右兩側(cè)施加豎直滑動(dòng)約束（固定水平方向位移），模型表面為自由邊界。有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖如圖6所示。

4.3? 計(jì)算工況

嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案所述，分為八個(gè)施工階段：

首先生成模型，通過(guò)運(yùn)算消除地應(yīng)力;然后，在此基礎(chǔ)上通過(guò)“單元?dú)⑺拦δ堋鄙杉扔泻拥篮徒?同時(shí)，施加面荷載模擬江水壓力，通過(guò)位移置零模擬初始施工條件。

工況一：圍護(hù)結(jié)構(gòu)、臨時(shí)立柱、咬合樁施工，開(kāi)挖第一層土并支護(hù)，同時(shí)抽水;

工況二：施工頂板;

工況三：開(kāi)挖第二層土并支護(hù);

工況四：開(kāi)挖到底并支護(hù);

工況五：施做底板;

工況六：施做中板并拆除底部支撐;

工況七：施做頂板拆除第二道支撐;

工況八：施做頂板防水層拆除第一道支撐。

4.4? 計(jì)算結(jié)果分析

遠(yuǎn)江側(cè)假定抽水5 m，圖7所示為施工完成后變形示意圖，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為5.5 mm。為了更進(jìn)一步說(shuō)明施工過(guò)程基坑變形規(guī)律，取近江側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8a～8h所示。

由圖8可知，開(kāi)挖第二層土之前圍護(hù)發(fā)生呈懸臂式位移分布，隨后開(kāi)挖地層土體架設(shè)第二道支撐后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移分布整體上呈擬拋物線形式分布，此后的施工階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)形形式并未發(fā)生顯著變化，只是變形量隨之增大，整個(gè)施工結(jié)束后基坑最大變形為5.496 mm，小于規(guī)范要求值。整個(gè)基坑在遠(yuǎn)江側(cè)與近江側(cè)水頭差保持在5 m以上，使得整個(gè)基坑向遠(yuǎn)江側(cè)變形。所以利用遠(yuǎn)江側(cè)抽水加咬合樁+粘土樁，在遠(yuǎn)江側(cè)布置降水井，能夠保證兩側(cè)水位差控制在5 m以上。

經(jīng)過(guò)三維復(fù)核（圖9），采用荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算分析表明，當(dāng)遠(yuǎn)江側(cè)與近江側(cè)水壓差在4～5 m時(shí)，達(dá)到圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體變形趨勢(shì)的臨界點(diǎn)。當(dāng)水壓差大于5 m后，基坑整體基本不會(huì)向近江側(cè)變形。

5? 結(jié)論

本站圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用了常規(guī)咬合樁與粘土咬合樁結(jié)構(gòu)。本文應(yīng)用計(jì)算模型，論證了在大滲透系數(shù)下臨江基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用“剛+柔”雙重止水體系的合理性和正確性。

在施工期間，該設(shè)計(jì)方案收到了極好的效果。開(kāi)挖驗(yàn)證表明，基坑內(nèi)坑壁無(wú)滲漏點(diǎn)，坑底無(wú)涌水。該設(shè)計(jì)方案確保了工程施工的安全，保護(hù)了景觀河堤節(jié)約了工程成本，確保了工程質(zhì)量，并有利于后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)，為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

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作者簡(jiǎn)介：

沙開(kāi)萊（1985—），通信作者，男，四川成都人，本科，工程師，成都理工大學(xué)道路與橋梁工程專業(yè)畢業(yè)，就職于中鐵科學(xué)研究院設(shè)計(jì)院。研究方向：地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與城市基坑設(shè)計(jì)。

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（收稿日期：2020-09-23）