南京長江隧道大型泥水盾構(gòu)施工風(fēng)險分析及對策

張智博

(中鐵十四局集團有限公司,山東濟南 250014)

南京長江隧道大型泥水盾構(gòu)施工風(fēng)險分析及對策

張智博

(中鐵十四局集團有限公司,山東濟南 250014)

結(jié)合南京長江隧道工程復(fù)雜的工程及水文地質(zhì)條件,分析大型泥水盾構(gòu)過江隧道在施工中存在的重大風(fēng)險及其可能引起的嚴重后果。針對不同的風(fēng)險,組織專家及技術(shù)骨干力量進行工程風(fēng)險評估,梳理了大型泥水盾構(gòu)過江隧道的風(fēng)險工程,提出預(yù)防措施,并制定風(fēng)險發(fā)生的應(yīng)急對策,減少和預(yù)防重大安全質(zhì)量事故發(fā)生。

泥水盾構(gòu);過江隧道;施工風(fēng)險;預(yù)防;應(yīng)急對策;南京長江隧道

1 工程概況

南京長江隧道工程位于南京長江大橋與長江三橋之間,是連接南京河西新城區(qū)和浦口區(qū)的城市快速通道。整個工程總長 5853 m,采用“左汊盾構(gòu)隧道 +右汊橋梁”方案,見圖 1。左汊盾構(gòu)隧道分為東西兩線,左線全長 3022.025 m,右線全長 3014.76 m,采用 2臺德國海瑞克公司生產(chǎn)的 “14.93 m的泥水混合式盾構(gòu)機,襯砌管片外徑 14.5 m,內(nèi)徑 13.3 m,厚度 60 cm,環(huán)寬 2.0 m。

圖 1 南京長江隧道工程總平面圖

2 工程及水文地質(zhì)

隧道長江段水下地層上部為填土和第四系全新統(tǒng)沖淤積流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂等,中部為第四系全新統(tǒng)中密～密實粉細砂組成,下部為上更新統(tǒng)密實狀礫砂、圓礫等。盾構(gòu)隧道主要穿越地層有④層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,⑥層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土,⑦1層粉細砂,⑦2層粉土,⑧層粉細砂,⑨層粉細砂,⑩層礫砂, ?λξ層圓礫。

始發(fā)場地地下水主要分布第四系沖積層含水巖組,賦存于粘性土和砂性土中,為透水性上弱、下強的多層結(jié)構(gòu),含水層上部粘性顆粒含量高,沉積韻律明顯,下部含水層滲透性相對較強。地下水位埋深較淺,區(qū)域降雨量大,陸域孔隙潛水穩(wěn)定地下水水位埋深 0.30～3.00 m。見圖 2。

3 施工重大風(fēng)險點

南京長江隧道工程位于長江河床底部及長江沖淤積低漫灘,盾構(gòu)始發(fā)及接收段超淺埋,隧道洞門段上方覆土僅 6 m左右 (約 0.4倍洞徑),且為富含水淤泥質(zhì)、流塑狀土層,始發(fā)及到達階段可能出現(xiàn)掌子面失穩(wěn),洞門密封失效,地下水涌入基坑,造成塌方及地面沉降。由于隧道線路縱斷面受地形條件制約,最大覆土厚度約 30 m,最大水壓約 0.65MPa,水土壓力高,致使進倉作業(yè)風(fēng)險大,帶壓進行刀具更換及維修極其困難。隧道穿越多種地層,地質(zhì)條件復(fù)雜,軟硬地層交互出現(xiàn),造成刀具磨損加劇,刀盤受損甚至解體,或造成隧道超、欠挖,同步注漿壓力及注漿量設(shè)置不當(dāng),導(dǎo)致管片錯臺開裂、滲漏水嚴重,或隧道彎曲蛇行,沉降變形大。江底隧道埋深超淺,且地層為高透水性的粉細砂層,盾構(gòu)掘進時掌子面不穩(wěn)定會造成江底塌方,刀盤被卡死,或者江水倒灌入隧道,危及人員及設(shè)備安全。

圖 2 南京長江隧道工程縱斷面圖

3.1 地質(zhì)勘測的準確性

3.1.1 地質(zhì)勘測準確性風(fēng)險

由于地質(zhì)勘探的局限性,加之隧道從江底穿過,通過深水進行地質(zhì)勘測比在地面的地質(zhì)勘測更困難,且準確性相對較低,所以遇到未探測到的不良地質(zhì)和地下障礙物的風(fēng)險較大。施工中必須通過掘進出渣顆粒分析對掌子面前方地質(zhì)進行判斷,采取有效的應(yīng)對措施。

由于存在未知地質(zhì),一方面造成盾構(gòu)等主要施工機械不能很好適應(yīng)工程地質(zhì)條件致使掘進困難;另一方面,對施工造成了難以預(yù)料的風(fēng)險,甚至產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。

3.1.2 地質(zhì)預(yù)測預(yù)報準確性風(fēng)險對策

(1)工程施工前,通過補充地質(zhì)鉆孔和采用雙頻回聲測深儀,進一步查清過江隧道的地質(zhì)條件和覆土厚度,為盾構(gòu)掘進參數(shù)的選取及制定相應(yīng)的輔助措施提供依據(jù);

(2)通過盾構(gòu)機上配有的超前地質(zhì)鉆機在施工中對掌子面前方地層進行探測。

3.2 盾構(gòu)機適應(yīng)性和可靠性

3.2.1 盾構(gòu)機適應(yīng)性和可靠性風(fēng)險

南京長江隧道盾構(gòu)穿越地層主要有淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉細砂、礫砂,部分地段開挖面上同時存在著粉細砂、礫砂、卵礫石層,同時盾構(gòu)在江底穿越江中沖槽淺埋段。隧道埋深及掘進地層的特點和多樣性對盾構(gòu)機的適應(yīng)性和可靠性提出了高的要求,包括保持開挖面的穩(wěn)定、切削刀盤的種類、主軸的扭矩、推進能力以及最為關(guān)鍵的盾構(gòu)機械的密封性能等方面。在穿越江底盾構(gòu)隧道施工過程中,如果選用盾構(gòu)機適應(yīng)性較差,可能會造成刀盤刀具磨損速度太快;主軸承磨損,密封件防水失效,密封倉內(nèi)泥漿向盾構(gòu)機內(nèi)滲漏,不能保證工作面土壓力;盾尾密封系統(tǒng)不可靠或長時間磨損,導(dǎo)致周邊水土流失,盾構(gòu)機內(nèi)涌水或沉陷。

3.2.2 盾構(gòu)機適應(yīng)性和可靠性風(fēng)險對策

(1)認真研究工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件,明確工程施工對盾構(gòu)機性能和功能的要求,盾構(gòu)機設(shè)備配置必須考慮突發(fā)事故的處理;

(2)通過補充地質(zhì)勘探,進一步查明盾構(gòu)隧道特別是過江段的地層特性、江底覆土厚度、江中沖槽淺覆土段等地質(zhì)條件,為盾構(gòu)選型提供盡可能詳實的地質(zhì)資料;

(3)針對軟硬不均地層,重點做好盾構(gòu)刀盤和刀具的設(shè)計,增加刀盤刀具耐磨和防磕碰能力;

(4)盾構(gòu)機必須具有可靠的艙壓選擇、控制、調(diào)節(jié)性能,通過與泥漿系統(tǒng)的配合,很好的實現(xiàn)泥水平衡,確保開挖面穩(wěn)定下的順利掘進;

(5)盾構(gòu)機必須配備超前地質(zhì)鉆機等超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng),加強施工過程中的地質(zhì)預(yù)報;

(6)為滿足長距離穿越長江掘進要求,盾構(gòu)機各系統(tǒng)、各部件必須有較高的可靠性,較好的耐久性,且故障少,維修方便。

3.3 盾構(gòu)進出洞

3.3.1 盾構(gòu)進出洞施工風(fēng)險

國內(nèi)外盾構(gòu)施工經(jīng)驗表明:盾構(gòu)法隧道多起事故均發(fā)生在盾構(gòu)進出洞上,主要表現(xiàn)在盾構(gòu)進出洞端頭地層的加固 (加固方案、加固范圍等)、盾構(gòu)姿態(tài)的控制、良好的泥水平衡的盡快建立、洞口密封等方面。南京長江隧道盾構(gòu)始發(fā)及到達端頭地層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉細砂層,地下水豐富、土層含水率高,水位高,覆土淺 (出洞端 5.5 m,進洞端 7.0 m)。為保證盾構(gòu)進出洞時地層穩(wěn)定與有效防水和防止涌水涌砂,選擇合理可靠的端頭地層加固方案、良好可靠的密封止水裝置至關(guān)重要。

盾構(gòu)機進出洞時的主要風(fēng)險為:盾構(gòu)進出洞端頭地層處理不當(dāng),盾構(gòu)在進出洞時工作面可能產(chǎn)生突然涌水、涌砂,不能及時形成壓力平衡,大幅度地面沉陷,盾構(gòu)機被掩埋,工作井周邊構(gòu)筑物損壞。始發(fā)基座定位不夠準確、反力架剛度不夠,可能使盾構(gòu)機一出洞就偏離設(shè)計軸線。

3.3.2 盾構(gòu)始發(fā)、到達風(fēng)險對策

(1)針對端頭地層性質(zhì),對進出洞端頭土體采用旋噴樁 +凍結(jié)方法進行加固,即在洞門前方采用滿堂高壓旋噴樁劈裂地層加固,在旋噴加固土體和端頭連續(xù)墻之間通過人工制冷工藝形成一個凍土壁,將高壓旋噴加固土體和地下連續(xù)墻膠結(jié),增強土體強度及密封性,使旋噴土體與凍結(jié)壁共同抵抗水土壓力;

(2)在地面對洞門旋噴加固區(qū)進行豎向抽心檢查,沒有達到加固效果要重新進行旋噴加固;

(3)在洞門掌子面上每隔 1 m鉆水平探測孔,抽心取樣判斷洞門前加固區(qū)土體含水量、涌水涌砂狀況,如果有泥水涌出,評估加固效果并重新進行地基處理;

(4)盾構(gòu)進出洞前,預(yù)先安裝洞門圈預(yù)埋鋼環(huán),采用雙層簾布橡膠板以及折葉式壓板等進行密封止水;盾構(gòu)到達時,在刀盤推出隧道后立即將洞門密封的折葉式壓板用鋼絲繩箍緊在盾殼上,在刀盤推出洞門前一環(huán)在盾尾建筑空隙內(nèi)注入水泥 -水玻璃雙液漿,并根據(jù)實際情況進行二次補充注漿,保證管片背后填充密實,切斷地下水、漿液通道;

(5)始發(fā)及到達前檢查盾尾密封油脂的注入壓力,確保始發(fā)及到達過程密封作用安全可靠;

(6)嚴格控制負環(huán)管片拼裝精度,找準管片基準面,為后續(xù)管片拼裝提供良好的基準面;做好負環(huán)管片加固,控制負環(huán)管片沉降及變形;

(7)始發(fā)和到達時注意防止盾構(gòu)機栽頭,選用下部千斤頂推進,上部千斤頂跟隨;

(8)盾構(gòu)出洞時,使盾構(gòu)機在切入掌子面時就可建立起泥水平衡,防止出洞時掌子面發(fā)生大面積坍塌;出洞段應(yīng)根據(jù)洞門圈深度、盾構(gòu)機尺寸等正確計算出盾構(gòu)開始旋轉(zhuǎn)刀盤以及開始同步注漿的里程,并通過同步注漿將洞門圈充填密實。

3.4 開挖面失穩(wěn)

3.4.1 開挖面失穩(wěn)風(fēng)險

泥水加壓式盾構(gòu)在掘進過程中,泥水不斷循環(huán),開挖面的泥膜因受刀盤的切削而處于形成 -破壞 -形成的過程中。開挖面的動態(tài)變化及掌子面前方不確定的地質(zhì)因素,可能導(dǎo)致的安全風(fēng)險如下:

(1)致使前方地表或江底產(chǎn)生較大隆起或沉陷;

(2)掌子面前方遭遇流砂或發(fā)生管涌,盾構(gòu)機將發(fā)生磕頭或突沉;

(3)推進過程中出現(xiàn)超淺覆土將導(dǎo)致冒頂、江水回灌、泥水冒溢等事故;

(4)承壓水引起突然涌水回灌,盾構(gòu)正面塌方。

3.4.2 開挖面失穩(wěn)風(fēng)險對策

在泥水盾構(gòu)施工中,保證開挖面穩(wěn)定的主要措施是合理進行泥水、切口水壓管理,控制每循環(huán)掘削量是開挖面穩(wěn)定的必要保證。適合的泥水指標(biāo)和泥水壓力對于開挖面穩(wěn)定是至關(guān)重要的。

(1)由于隧道穿越地層較為復(fù)雜,泥漿特性 (密度、粘度、壓力等)必須適應(yīng)地層的變化而及時調(diào)整,正確地計算選擇合理的泥水壓力并對泥水壓力精細調(diào)節(jié),泥水液面由氣壓控制,隨時補償正面壓力的變化;

(2)粉細砂及礫砂地質(zhì)條件時,要及時補充新鮮泥漿,在掌子面形成泥膜,從而使泥水對整個開挖面發(fā)揮有效的支護作用;對透水性小的粘性土可用原狀土造漿,并使泥漿壓力同開挖面土層始終動態(tài)平衡;

(3)控制推進速度和泥漿循環(huán)排渣量及新鮮泥漿補給量;

(4)超淺覆土段,一旦出現(xiàn)冒頂、冒漿隨時開啟氣壓平衡系統(tǒng)。

3.5 盾尾密封失效

3.5.1 盾尾密封失效風(fēng)險

盾尾密封主要是防止地下水、泥水和壁后注漿漿液滲入盾殼后部,確保開挖面的穩(wěn)定和盾構(gòu)的正常掘進。由于盾尾密封裝置隨盾構(gòu)機移動而向前滑動,當(dāng)其配置不合理或受力后被磨損和撕拉損壞時,就會使密封失效,注漿漿液、地層中水 (或江水)、砂涌入隧道,造成開挖面失穩(wěn),地表過大沉陷 (江中段嚴重時可能產(chǎn)生冒頂)。

3.5.2 盾尾密封失效風(fēng)險對策

(1)高水壓下,地層滲透系數(shù)較大情況下,選用可靠的盾尾密封裝置,設(shè) 4排密封刷,有緊急止水裝置,集鋼彈簧、鋼絲刷、不銹鋼金屬網(wǎng)于一體,尾刷密封壓力要達到 1.2 MPa;

(2)采用自動或手動裝置經(jīng)常向密封刷注油脂;

(3)控制同步注漿壓力,避免同步注漿漿液對鋼絲刷的損害;

(4)管片應(yīng)居中拼裝,以防盾構(gòu)與管片之間建筑空隙一邊過大、一邊過小,從而可能降低盾尾密封效果;

(5)針對漏水、滲水、漏泥漿部位集中壓注盾尾油脂。

(6)制定更換維修盾尾密封的預(yù)案。

3.6 軟硬不均且差異性較大地層施工

3.6.1 軟硬不均且差異性較大地層施工風(fēng)險

盾構(gòu)機掘進地層主要為粉細砂層,但在江中段,開挖面上同時存在著粉細砂層、礫砂層、卵礫石層及強風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖層,存在較明顯的上軟下硬地層。掘進中地層的多變性嚴重地影響了盾構(gòu)的掘進速度和刀具的壽命。刀具嚴重磨損后會造成切削能力變差,刀盤扭矩增加,推進速度下降,開挖面變小,導(dǎo)致刀盤磨損。刀盤刀具的磨損超限將會導(dǎo)致盾構(gòu)無法掘進,整個工程面臨失敗的風(fēng)險。

3.6.2 軟硬不均且差異性較大地層施工風(fēng)險對策

(1)加大工程地質(zhì)的補勘密度,認真研究地質(zhì)特點及巖層參數(shù),合理進行盾構(gòu)參數(shù) (特別是盾構(gòu)刀盤刀具)的設(shè)計與選型,確保盾構(gòu)特別是盾構(gòu)刀盤與刀具對地層的適應(yīng)性;盾構(gòu)刀具采用刮刀與先行刀相結(jié)合的組合方式,既可適應(yīng)軟巖段盾構(gòu)掘進的需要,也可適應(yīng)軟硬不均地層掘進的需要;

(2)采用小貫入度、低轉(zhuǎn)速推進,保護刀盤及刀具;

(3)加強泥水管理,選擇高粘度、低密度的泥漿進行掘進,控制進出泥流量,掘進操作時通過對泥水密度、粘度、析水量以及切削土方量的管理,維持盾構(gòu)開挖面泥水壓力的穩(wěn)定;

(4)針對軟硬地層差異調(diào)節(jié)同步注漿對應(yīng)的注漿壓力,確保實際注漿量大于理論注漿量,減少地層、隧道變形位移;

(5)實施信息化施工,對掘進參數(shù)進行動態(tài)管理。

3.7 江中淺埋段掘進

3.7.1 江中淺埋段掘進風(fēng)險

盾構(gòu)穿越江中淺埋段時,由于地層為高透水性的粉細砂層,且覆土淺、水土壓力高,泥水平衡不易建立,掌子面不穩(wěn)定會產(chǎn)生冒頂通透水流,造成江底坍陷、冒頂。

3.7.2 江中淺埋段掘進風(fēng)險對策

(1)提高泥漿質(zhì)量,使掌子面形成較好泥膜,保證進泥管和排泥管的壓力平衡順暢,同時保持開挖倉內(nèi)水土壓力與切削面的平衡;

(2)加強對出土量與進泥漿量的準確統(tǒng)計,保持壓力平衡,防止超挖而造成下陷;

(3)選擇高粘度,稍大密度泥漿,合理低壓進行掘進,并加強測量監(jiān)測,做到信息法指導(dǎo)調(diào)整盾構(gòu)掘進各項參數(shù);

(4)減小刀盤轉(zhuǎn)速,控制盾構(gòu)姿態(tài),避免蛇形姿態(tài),減少對周圍砂層的擾動;

(5)在盾構(gòu)掘進的過程中,保持切口水壓平穩(wěn),以保證地層的穩(wěn)定,避免出現(xiàn)地面冒漿的情況。

3.8 江底段換刀

3.8.1 江底段換刀風(fēng)險

根據(jù)地質(zhì)勘察資料,盾構(gòu)隧道主要在江底段穿越軟硬不均地層 (上部為粉細砂層,中部為礫砂層,下部為卵礫石層及強風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖),由于軟硬不均地層對刀具磨損較大,盾構(gòu)穿越時不可避免地需要進行換刀作業(yè)。對于常壓可更換刀具可不進入開挖倉而在刀盤幅臂內(nèi)進行更換;對于其他非常壓刀具,由于在江底很難采取地層加固后開倉換刀,只能帶壓進倉作業(yè),安全風(fēng)險巨大。因江底換刀的復(fù)雜性,可能對工期產(chǎn)生嚴重影響,從而影響整個工程的進展。

3.8.2 江底段換刀風(fēng)險對策

開倉換刀作業(yè)過程中要預(yù)防塌方、中毒、窒息、物體打擊,突發(fā)事故時要以緊急逃生、避免人員傷亡為原則,需做好以下安全措施:

(1)制定常壓換刀流程與作業(yè)指導(dǎo)書,對作業(yè)人員進行交底,實行開倉審批;

(2)制定作業(yè)各種突發(fā)狀況的應(yīng)急預(yù)案,相應(yīng)材料、機具、人員落實到位。

3.9 防洪大堤不均勻沉降

3.9.1 防洪大堤不均勻沉降風(fēng)險

盾構(gòu)主要下穿江北和梅子洲長江防洪大堤,由于主要在淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和粉細砂層穿過,泥漿參數(shù)、泥水壓力、壁后注漿、盾構(gòu)密封等施工過程或參數(shù)控制不好,就有可能產(chǎn)生較大的地層損失以及不均勻沉降。

3.9.2 防洪大堤不均勻沉降風(fēng)險對策

(1)通過三維有限元模擬分析,預(yù)測盾構(gòu)掘進對防洪大堤的影響,并指導(dǎo)施工及監(jiān)控量測控制;

(2)在盾構(gòu)機試掘進段,通過信息化施工積累盾構(gòu)機掘進參數(shù);

(3)加強盾構(gòu)推進過程中切口水壓、推進速度、推力及扭矩等主要技術(shù)參數(shù)的控制,防止波動過大;

(4)加強盾構(gòu)設(shè)備的保養(yǎng)與維修,避免盾構(gòu)發(fā)生故障;

(5)通過同步注漿及時充填盾尾建筑空隙,嚴格同步注漿量、注漿壓力和注漿質(zhì)量的控制,減少施工過程土體變形;

(6)根據(jù)地表的變形情況和監(jiān)測結(jié)果及時通過管片預(yù)留注漿孔進行二次注漿;

(7)制定監(jiān)控量測方案,施工中加強對長江大堤及周圍道路和管線的監(jiān)測,及時進行信息反饋,據(jù)此調(diào)整和優(yōu)化施工技術(shù)參數(shù),做到信息化施工。

3.10 隧道上浮

3.10.1 隧道上浮風(fēng)險

泥水盾構(gòu)在建立泥水壓力開始正常掘進時,具有一定壓力的泥水會從開挖面沿著盾殼竄至盾尾,甚至竄到已建成的隧道襯砌外。泥水會從開挖面沿著盾殼竄至盾尾后約 30 m處,已建成的隧道就會處于泥水的包裹中而產(chǎn)生上浮的風(fēng)險,同時,漿液參數(shù)及配比的適應(yīng)與否,也會是盾構(gòu)隧道產(chǎn)生上浮的風(fēng)險。

隧道上浮可能使隧道軸線偏離設(shè)計軸線,嚴重時可能侵入建筑限界并將給后續(xù)工程施工帶來一定難度。

3.10.2 隧道上浮風(fēng)險對策

(1)嚴格控制隧道軸線,使盾構(gòu)正確沿著設(shè)計軸線推進,每環(huán)均勻糾偏,減少對土體的擾動;

(2)提高同步注漿質(zhì)量,注漿及時均勻充盈,要求漿液有較短的初凝時間,使其遇泥水后不產(chǎn)生劣化,并要求漿液具有一定的流動性,能均勻地布滿隧道一周,及時充填建筑空隙;

(3)加強隧道縱向變形的監(jiān)測,并根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果控制注漿壓力和注漿量,調(diào)整注漿部位,配制快凝漿液并提高其早期強度;

(4)當(dāng)發(fā)現(xiàn)隧道上浮量較大應(yīng)立即采取二次注漿對隧道外側(cè)進行充填加固。

4 結(jié)語

南京長江隧道工程盾構(gòu)段于 2010年 5月 28日運營通車。隧道建設(shè)過程中,通過對風(fēng)險工程識別與風(fēng)險評估,制定了相應(yīng)的措施,有效化解了諸多工程風(fēng)險與難題,積累了一定的經(jīng)驗與教訓(xùn)。通過落實風(fēng)險識別與預(yù)控機制,切實減少和預(yù)防了重大質(zhì)量安全事故的發(fā)生,使得盾構(gòu)掘進施工處于可控狀態(tài),全面提升了企業(yè)盾構(gòu)施工技術(shù)水平,取得了良好的經(jīng)濟效益與社會信譽。

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Risks Analysis on Large Slurry Shield Tunnel Construction in Nanjing Yangtze River Tunnel and the Counter-measures

ZHANG Zhi-bo(China Railway 14th Bureau Corporation Co.,Ltd.,Jinan Shandong 250014,China)

This article analyzed the major risks and serious consequences in the large slurry shield construction ofNanjing Yangzte River tunnel under the complicated geotechnical and hydrological conditions.The engineering riskswere evaluated and summed up by experts and professional engineerswith prevention measures.The emergency counter measureswere for-mulated to reduce and prevent the major safety and quality accidents.

slurry shield;cross-river tunnel;construction risk;prevention;emergency countermeasure;Nanjing Yangtze tunnel

U455.43

A

1672-7428(2011)06-0065-05

2011-05-23

張智博 (1980-),男 (漢族),山東滕州人,中鐵十四局集團有限公司工程師、國家注冊一級建造師,交通土建工程專業(yè),從事技術(shù)管理工作,山東省濟南市,zhang.zibbo@gmail.com。