多功能膠輪車(MSV)在TBM施工運輸中的工程適應性研究

齊夢學

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司， 重慶 400700)

多功能膠輪車(MSV)在TBM施工運輸中的工程適應性研究

齊夢學

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司， 重慶 400700)

TBM施工運輸主要有2種方式： 1)采用長距離連續(xù)皮帶機出渣、有軌運輸方式運送施工材料； 2)短距離有軌運輸出渣并運送施工材料。近年來也有少量項目采用多功能膠輪車(MSV)運送施工材料。為了研究MSV在TBM施工運輸中的適用條件，結(jié)合MSV的結(jié)構(gòu)特點，從道路適應性與速度、運輸能力與適用范圍、空間適應性以及操控性能等方面分析其技術(shù)可行性，從設(shè)備配置及采購、周轉(zhuǎn)材料及安拆、運行方面對比分析其經(jīng)濟性。分析結(jié)果表明： 1)針對TBM施工材料運輸，當隧道縱坡較大時，從安全角度考慮應該優(yōu)先選用MSV方式運輸； 2)在緩坡隧道中，運距為11 km左右時有軌運輸和MSV運送施工材料的綜合成本基本相當，運距較小時MSV具有較大優(yōu)勢，運距較大時有軌運輸?shù)膬?yōu)勢顯著。

TBM； 施工運輸； 多功能膠輪車(MSV)； 有軌運輸； 工程適應性； 經(jīng)濟性

0 引言

隨著科學技術(shù)的進步，TBM(全斷面隧道掘進機)設(shè)備制造與施工技術(shù)取得了長足發(fā)展，技術(shù)經(jīng)濟性不斷提高，因而TBM法隧道施工技術(shù)在國內(nèi)外的應用越來越廣泛。在發(fā)達國家，TBM法已經(jīng)成為隧道施工的首選方法。我國采用TBM施工開始時間雖早，但直到20世紀90年代才真正成功完成了工程實踐，之后TBM的工程應用規(guī)模不斷擴大。山西省萬家寨引黃工程同時使用6臺雙護盾TBM施工[1]，遼寧某在建工程采用8臺敞開式TBM同時施工[2]，剛剛開工的新疆某工程將采用20臺敞開式TBM同時施工(其中2臺用于支洞施工，其余18臺用于主體工程施工)，目前正在規(guī)劃論證的渤海灣煙大海底隧道將采用15臺TBM施工，瓊州海峽海底隧道將采用12臺TBM施工[3]，藏水入疆工程同樣需要投入使用大量的TBM[4]。

TBM法的迅速推廣和大范圍應用，得益于TBM裝備水平的提高，同樣也離不開施工組織水平的提高、配套設(shè)備的發(fā)展和進步。例如： 西康鐵路秦嶺隧道敞開式TBM采用有軌運輸出渣的平均月進尺為310 m，純掘進時間利用率為29.77%[5]；遼西北供水工程TBM6采用連續(xù)皮帶機出渣、有軌運輸運送施工材料，平均月進尺616 m，純掘進時間利用率達59.76%[6]；吉林引松工程TBM1第1階段于2016年1月10日提前110 d貫通[7]，采用連續(xù)皮帶機出渣，平均月進尺710 m，純掘進時間利用率達63%[8]。上述工程施工成效不斷提高是多種因素共同作用的結(jié)果，其中出渣及運輸技術(shù)的發(fā)展和進步具有重要的促進作用。

以往關(guān)于有軌運輸、皮帶機出渣方面的研究較多。文獻[5]和文獻[9]介紹了目前TBM施工常用的出渣運輸方式為有軌運輸和連續(xù)皮帶機；文獻[10]簡要論述不同類型TBM及其配套的出渣和材料運輸模式的地質(zhì)適應性、經(jīng)濟性及施工特點，對連續(xù)皮帶機、有軌機車和無軌膠輪車運輸方式進行了對比分析；文獻[11]重點論述了西秦嶺隧道TBM施工有軌運輸?shù)男畔⒒ㄐ攀侄渭皺C車日常維護和保養(yǎng)工作；文獻[12]研究了小直徑TBM施工有軌運輸?shù)能壍老到y(tǒng)設(shè)計、運輸車輛選型和設(shè)備配置組合方式；文獻[13]結(jié)合西秦嶺隧道從技術(shù)、工期、經(jīng)濟效益角度全面對比了有軌運輸和連續(xù)皮帶機2種出渣方式；文獻[14]研究了垂直皮帶機在城市地鐵TBM施工中的應用。

近年來也有少量項目采用多功能膠輪車(MSV)運送施工材料，但針對MSV在TBM施工運輸中的應用未見系統(tǒng)論述。基于此，本文針對MSV和有軌運輸2種TBM施工材料運輸方式進行對比分析，重點從工程應用和技術(shù)經(jīng)濟性方面研究MSV在TBM施工運輸中的工程適用性。

1 TBM施工運輸方式

TBM施工過程中，破巖所產(chǎn)生的棄渣、初期支護及管線延伸所需施工材料、TBM維修保養(yǎng)所需物料、作業(yè)人員都離不開運輸，并且運輸系統(tǒng)對保證TBM正常施工意義重大，高效適用的運輸方式能夠大大提高TBM施工進度，降低施工成本。

經(jīng)調(diào)研，適用于TBM施工材料的運輸方式主要有2種： 有軌運輸和無軌運輸。有軌運輸需要在洞內(nèi)鋪設(shè)鋼軌，以機車牽引列車編組，可用于所有TBM施工材料及人員運輸，也可以運送棄渣；無軌運輸，需要配置專用的MSV，否則車輛無法進入狹小的TBM后配套，同樣可用于所有TBM施工材料及人員運輸，一般不適合運輸棄渣。

有軌運輸是TBM施工運輸?shù)闹饕绞剑陙黹L隧道TBM出渣基本上采用連續(xù)皮帶機方式。在長運距工況下采用皮帶機出渣更有利于保證TBM快速掘進、降低成本，但連續(xù)皮帶機安裝拆卸占用的工期較長、一次性投入成本大，因而當運距較小時不宜采用，同時棄渣之外的所有運輸還要依賴于有軌運輸方式。

MSV無需鋪設(shè)軌道，可節(jié)約周轉(zhuǎn)材料的消耗成本，與有軌運輸相比，其運輸效率偏低，不適合長距離運輸，但在短距離運輸時具有一定優(yōu)勢[10-11]。

2 MSV結(jié)構(gòu)、特點及國內(nèi)外現(xiàn)狀

2.1 MSV結(jié)構(gòu)和特點

MSV通常由動力單元、載重單元、制動單元、操作與控制單元4部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MSV結(jié)構(gòu)組成Fig. 1 Structural components of MSV

MSV結(jié)構(gòu)組成特點： 1)以低污染柴油發(fā)動機作為動力源，采用液壓驅(qū)動； 2)中間為用于裝載物料或人員的多功能平臺，高度較低(圖1所示MSV42的平臺高度為425 mm)，可以裝載預制管片、混凝土攪拌運輸車、砂漿車、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架、錨桿等全部隧道施工用物資以及人員乘坐車廂，必要時還可以增設(shè)隨車吊等配套設(shè)備與工具，平臺長度可以根據(jù)施工需求進行針對性設(shè)計與配置； 3)前后分別設(shè)置1個操作室，洞內(nèi)運行時無需調(diào)頭即可輕松實現(xiàn)前后運行，對于洞內(nèi)狹小空間運輸調(diào)度極為有利； 4)配備3套制動系統(tǒng)，分別是通過靜壓傳動實現(xiàn)的無磨損制動、作用于每個車輪的液壓盤式制動器和用于緊急情況及駐車制動的彈簧制動器，因而其制動性能非常可靠； 5)重載最高運行速度不低于20 km/h，滿足洞內(nèi)運輸速度要求； 6)最小轉(zhuǎn)彎半徑為25 m，洞內(nèi)運行更靈活； 7)配置完善的監(jiān)控系統(tǒng)，時刻監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)與參數(shù)，確保行車安全。

2.2國內(nèi)應用情況

經(jīng)調(diào)研，國內(nèi)有2個項目采用了MSV進行TBM施工運輸。

1)內(nèi)蒙古神東補連塔煤礦2#輔運平硐，采用單護盾TBM施工，開挖直徑為7.6 m，管片內(nèi)徑為6.6 m，底管片內(nèi)表面平面寬度為3.5 m，隧道長度為2 745 m，綜合坡度為5.5°[15]。該工程采用連續(xù)皮帶機出渣，MSV運送施工材料。MSV設(shè)備為國產(chǎn)品牌，見圖2。經(jīng)實地考察認為該設(shè)備可用，但使用效果較差，主要問題是動力不足、速度慢。

圖2 補連塔煤礦使用的MSVFig. 2 MSV used in tunnel of Bulianta Coal Mine

2)山西中部引黃工程TBM2采用雙護盾施工，開挖直徑為5.06 m，管片內(nèi)徑為4.30 m，底管片內(nèi)表面底部預留承軌臺，TBM掘進總長度為24 km，支洞施工長度為3.67 km，綜合坡度為6.5%[16-17]。MSV用于支洞施工期間運輸施工材料，采用的MSV設(shè)備為國產(chǎn)品牌，屬首創(chuàng)的軌道引導式多功能膠輪車，見圖3。該設(shè)備在本工程的應用效果較差，存在設(shè)備功率配置高(700 kW)、故障率高、散熱差、輪胎磨損嚴重、運行速度低等問題。

(a) 運行中的MSV

(b) 維修中的MSV

Fig. 3 MSV used in TBM2 Bid Section of Yellow River Diversion Project in Central Shanxi

2.3國外應用情況

經(jīng)調(diào)研，國外MSV應用實例相對較多，德國Mühlh?user、法國Techni-Metal Systems(即TMS)、法國Metalliance等品牌的產(chǎn)品均有工程應用實例。某制造商提供的部分MSV應用情況見表1。

3 綜合分析

有軌運輸和無軌運輸技術(shù)相對成熟，不同的運輸方式有其相應的適應環(huán)境，不同運輸設(shè)備的工程適應性存在差異。

表1 MSV應用情況Table 1 Application performance of MSV

MSV抓地能力強，可提供較大的牽引力和制動力，適用于大坡度洞內(nèi)運輸；前后兩端均設(shè)置駕駛室，無需洞內(nèi)調(diào)頭，有利于行車操控；同時對運輸環(huán)境也有一定的要求，雖然可以在弧面上行車，但方向控制要求較高。

在長距離運輸時，MSV由于摩擦力大、運量小導致綜合能耗大，而有軌運輸則不存在該問題。

MSV由于發(fā)動機功率配置較高，對隧道施工通風要求更加嚴格，需要從尾氣排放、施工通風2方面著手解決。

4 技術(shù)可行性分析

結(jié)合TBM施工的工程條件和MSV設(shè)備運行條件，從以下幾方面分析其技術(shù)可行性。

4.1道路適應性與運行速度

分析各品牌產(chǎn)品的性能可知，MSV可以在路面平整、傾斜甚至弧面上正常行駛，可適應的坡度通常為12%～25%，不同坡度下的運行速度可達5～25 km/h(理論值)。

敞開式TBM施工時，不可避免地存在拼裝鋼拱架的區(qū)域，此時地面會出現(xiàn)凹凸不平，為了保護鋼拱架、避免因洞底積水和淤泥影響膠輪的抓地能力，需將洞底填筑平整，待完工后再清除。

4.2運輸能力與適用范圍

根據(jù)現(xiàn)有車型，MSV大多為單機運行，也有少量品牌的運輸車可以形成編組運行，本文以通用的單機為研究對象。

MSV的載重分布范圍較廣，最小載重為10 t，最大載重可達200 t，能夠滿足混凝土攪拌運輸車/砂漿罐、仰拱預制塊/管片、鋼軌、人員乘坐車廂等載重需求，還可配置升降平臺、隨車吊等裝備，因此運輸能力和適用場合比較靈活。

4.3空間適應性

通常情況下MSV設(shè)備寬度為1.0～2.1 m、車板長度達6 m以上，高度為2.0～2.8 m，應根據(jù)洞徑、TBM后配套凈空尺寸、需要的運載能力等邊界條件選用，也可以根據(jù)工程需要進行針對性設(shè)計。

4.4操控性能

采用MSV運輸，無需全程設(shè)置雙車道，間隔適當距離設(shè)置錯車平臺即可，因此大多數(shù)情況下MSV在洞底居中行駛。為保證行駛安全，MSV配置有姿態(tài)控制傳感器，實時監(jiān)測設(shè)備姿態(tài)并及時提示駕駛員，以便調(diào)整MSV在正常區(qū)域運行；此外，有的設(shè)備還會配置自動調(diào)整功能。

MSV進入TBM后配套區(qū)域有2種方式： 1)后配套設(shè)計為平臺式，通過坡道進入； 2)后配套設(shè)計為門架式，走行軌道安裝于特制的鋼枕上，MSV走行于2根鋼軌之間的區(qū)域。不論采用哪種方式，都需要在MSV左右兩側(cè)設(shè)置傳感器實時監(jiān)控與后配套之間的距離，以確保MSV以正確的姿態(tài)運行，保證安全。

4.5尾氣排放

MSV根據(jù)承載能力不同，發(fā)動機功率配置差異較大，通常僅運送施工材料時MSV功率為100～400 kW，對應的具有類似功能的有軌運輸內(nèi)燃機車功率配置為80～155 kW；同時MSV的配置數(shù)量比內(nèi)燃機車多，因而其對洞內(nèi)通風要求更高。通過優(yōu)化通風系統(tǒng)設(shè)計與配置、加強通風管理、增加尾氣凈化處理裝置，MSV在尾氣排放方面技術(shù)可行。

綜上所述，從技術(shù)角度分析，MSV能夠適應TBM施工物料運輸需求，相關(guān)技術(shù)問題均有相應的解決方案和應對措施，具有較好的技術(shù)適應性。

5 經(jīng)濟性分析

本文結(jié)合最常用的TBM施工材料及人員運送工況，選擇應用最多的敞開式TBM對MSV和有軌運輸系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行對比分析。

5.1條件設(shè)定

2種運輸方式下，TBM施工棄渣均采用連續(xù)皮帶機運至洞外，本次對比分析的對象是施工材料及人員運輸。為了方便對比，擬定相同的工況條件見表2。

表2 工況條件Table 2 Engineering conditions

有軌運輸采用P43鋼軌鋪設(shè)在鋼枕上，布設(shè)單線軌道，洞內(nèi)每2 km鋪設(shè)1組錯車平臺(含道岔長度約80 m)。每個列車編組可以運輸2個掘進循環(huán)所需物料，則通常情況下的列車編組為牽引機車1臺+6 m3混凝土罐車2臺 + 平板車1臺 + 人車1臺，上下班人員單獨運輸，運送鋼軌時增加1臺平板車(可以隨時運輸，但通常會在整備時間運輸備料)，最大牽引質(zhì)量為75～80 t?？蛇x用粘著質(zhì)量為20 t的內(nèi)燃機車，發(fā)動機功率為100 kW。

MSV走行在洞底時，通常不需要特殊處理。上述工況下可選用單臺載重25 t的MSV，滿載42 t，發(fā)動機功率為168 kW，單臺次可運輸6 m3混凝土罐車1臺及部分鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、錨桿、鋼枕等材料或者人員，上下班人員單獨運輸，鋼軌利用整備時間單獨運輸，采用分體式混凝土罐車和人員乘坐車廂。洞內(nèi)每1 km設(shè)置1處錯車平臺，長度約25 m。

5.2設(shè)備配置及采購成本

結(jié)合TBM施工工況，按同等運距計算、對比2種運輸方式的設(shè)備配置，見表3。

表3不同運距設(shè)備配置情況

Table 3 Equipment allocation with different transportation distances

最大運距/km車輛數(shù)量LOCO/列MSV/臺323837124101561320716

注： 有軌運輸以“LOCO”表示，多功能膠輪車以“MSV”表示，下同。

根據(jù)表3統(tǒng)計施工材料運輸設(shè)備配置及采購價格情況，見表4。

表4設(shè)備配置及采購價格對比

Table 4 Comparison between locomotive transportation and MSV transportation in terms of equipment allocation and purchasing cost

運距/km運輸方式設(shè)備名稱規(guī)格臺數(shù)單價/萬元合價/萬元總價/萬元備注38121520LOCOMSVLOCOMSVLOCOMSVLOCOMSVLOCOMSV內(nèi)燃機車20t2200400混凝土罐車6m3525125平板車10t3824人車20人3824MSV42t34281284混凝土罐6m342080人車車廂10人42．510內(nèi)燃機車20t3200600混凝土罐車6m3725175平板車10t4832人車20人4832MSV42t74282996混凝土罐6m3820160人車車廂10人52．512．5內(nèi)燃機車20t4200800混凝土罐車6m31025250平板車10t5840人車20人4832MSV42t104284280混凝土罐6m31120220人車車廂10人52．512．5內(nèi)燃機車20t62001200混凝土罐車6m31425350平板車10t7856人車20人5840MSV42t134285564混凝土罐6m31520300人車車廂10人62．515內(nèi)燃機車20t72001400混凝土罐車6m31625400平板車10t9872人車20人6848MSV42t164286848混凝土罐6m31820360人車車廂10人82．52057313748393168．511224512．51646587919207228備用1臺備用1臺備用1臺備用1臺備用2臺備用2臺備用1臺備用1臺備用2臺備用1臺備用2臺備用1臺備用2臺備用4臺備用1臺備用2臺備用2臺備用2臺備用4臺

5.3周轉(zhuǎn)材料及其安拆成本

為了簡化對比過程， 2種運輸方式下相同的配置不作比較，僅就不同之處進行對比分析。

配置基本相同之處： 1)TBM后配套走行鋼軌； 2)TBM后配套鋼枕，雖然二者略有區(qū)別，但對成本影響不大，成本差異可忽略。

配置不同之處： 1)有軌運輸需要配置鋼軌、扣件、鋼枕、道岔、錯車平臺等，鋼枕以工20型鋼加工； 2)MSV運輸僅需配置錯車平臺，可以利用棄渣現(xiàn)場施作而不必花費材料成本。

經(jīng)計算、分析和匯總，上述周轉(zhuǎn)材料配置數(shù)量及采購成本見表5。

表5周轉(zhuǎn)材料配置數(shù)量及采購成本對比

Table 5 Comparison between locomotive transportation and MSV transportation in terms of circulation material amount and cost

運距/km主要周轉(zhuǎn)材料配置LOCO鋼軌/t鋼枕/t錯車平臺道岔MSV錯車平臺周轉(zhuǎn)材料成本/萬元LOCOMSV3310470162428．97．158750126031071034．925．031211001890514111531．539．331513652360718141918．750．062018053150922192524．767．94

注： 周轉(zhuǎn)材料成本包含扣件等輔助物資。

周轉(zhuǎn)材料安裝及拆卸成本統(tǒng)計見表6。

表6 周轉(zhuǎn)材料安拆成本對比

5.4運行成本

有軌運輸與MSV運輸方式的運行成本差異主要體現(xiàn)在燃油消耗、維護保養(yǎng)和人工工費3方面。司機、材料裝卸、有軌運輸軌道安裝、運輸調(diào)度、扳道工等按3班配置人員，設(shè)備維護保養(yǎng)、線路維護按1班配置人員。燃油消耗和維護保養(yǎng)成本參考多年施工統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及制造商提供的信息。

運行成本統(tǒng)計見表7。

表7 運行成本對比

5.5綜合成本

根據(jù)設(shè)備折舊、周轉(zhuǎn)材料攤銷分2種情況分析綜合成本： 1)全部按照采購成本對比； 2)考慮折舊和攤銷因素。

按照設(shè)備及周轉(zhuǎn)材料采購成本對比2種運輸方式的綜合成本見表8。按照設(shè)備折舊、周轉(zhuǎn)材料攤銷成本對比2種運輸方式的綜合成本見表9。根據(jù)相關(guān)管理規(guī)定，設(shè)備折舊年限為10年、周轉(zhuǎn)材料攤銷年限為12年，殘值均按5%計算。

表8 綜合成本對比(采購價格)

表9 綜合成本對比(折舊攤銷價格)

由表8可見，設(shè)備與周轉(zhuǎn)材料按照采購成本計算，有軌運輸綜合成本普遍低于MSV運輸成本，相差比例為21%～34%。

但是，對于任何一個施工項目，設(shè)備及周轉(zhuǎn)材料不應按采購成本核算，而應按折舊與攤銷成本進行核算。在此條件下，運距為11 km時有軌運輸與MSV運輸施工材料成本基本持平；11 km以內(nèi)的小運距情況下有軌運輸綜合成本高于MSV，運距越小二者差值越大，差值比最高達到70%(運距為3 km時)；運距11 km以上的大運距情況下有軌運輸綜合成本低于MSV，并且隨著運距加大有軌運輸?shù)某杀緝?yōu)勢越發(fā)明顯，運距為20 km時二者差值比最高達14.53%。圖4示出LOCO和MSV運輸成本差與運距的關(guān)系曲線。

圖4 LOCO和MSV運輸成本差與運距的關(guān)系曲線

Fig. 4 Relationship between transporting cost difference (between locomotive transportation and MSV transportation) and transportation distance

6 結(jié)論與討論

1)當隧道坡度較大時(3%以上)，從安全的角度考慮，MSV具有明顯優(yōu)勢，應優(yōu)先選用。雖然內(nèi)燃機車和列車編組能夠適應的坡度較大，如SCH?MA內(nèi)燃機車的運行坡度可達7%，也有特種機型能夠適應更大坡度，但其運載能力會大大降低，安全風險相對較高，因此不建議采用。

2)在坡度較小情況下，小運距時MSV的技術(shù)經(jīng)濟性高于有軌運輸，建議采用性能可靠、應用業(yè)績豐富的MSV產(chǎn)品；根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，運距11 km左右時MSV和有軌運輸?shù)募夹g(shù)經(jīng)濟性基本相當，用戶可根據(jù)自身設(shè)備物資持有情況、技術(shù)儲備、人才儲備、操作習慣等因素綜合判定，擇優(yōu)選用；大運距時有軌運輸系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢，并且運距越長其優(yōu)勢越明顯。

3)MSV用于TBM施工出渣運輸?shù)募夹g(shù)經(jīng)濟性，還有待進一步論證。

4)任何一項技術(shù)、一種設(shè)備，都有其特定的適用條件，應科學對待。MSV同樣如此，推廣介紹、論證選用時要站在客觀的立場上，遵循科學規(guī)律。

5)國產(chǎn)MSV雖然已經(jīng)投入使用，但總體性能與國際品牌尚存在一定差距，可靠性偏低，希望國內(nèi)廠家繼續(xù)深度研發(fā)，提升設(shè)備可靠性，進而得以推廣應用。

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StudyofEngineeringAdaptabilityofMultifunctionalServiceVehicle(MSV)toTBMConstructionTransportation

QI Mengxue

(TunnelEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailway18thBureauGroup,Chongqing400700,China)

There are two kinds of transportation modes in TBM construction transportation, i.e. long-distance mucking by continuous belt conveyor and locomotive transportation of construction materials and short-distance mucking and construction material transportation. In recent years, a few multifunctional service vehicles (MSV) have been used for construction material transportation in some projects. The technical practicability of MSV is analyzed in terms of road adaptability and speed, transportation capacity and application field, space adaptability and control performance; and the economy of MSV is analyzed in terms of equipment allocation and purchasing, circulation materials and installation and operation. The analytical results show that: 1) The MSV should be chosen considering safety factors when the tunnel longitudinal slope angle is large. 2) The locomotive transportation and MSV transportation can both be chosen considering comprehensive cost when the tunnel longitudinal slope angle is small and the transportation distance is about 11 km.The MSV transportation is superior to locomotive transportation when the transportation distance is short; while the locomotive transportation is superior to MSV transportation when transportation distance is long.

TBM; construction transportation; multifunctional service vehicle (MSV); locomotive transportation; engineering adaptability; economy

2017-05-04;

2017-09-05

齊夢學(1973—)，男，河北樂亭人，2010年畢業(yè)于石家莊鐵道大學，建筑與土木工程專業(yè)，碩士，教授級高級工程師，現(xiàn)從事TBM施工技術(shù)、施工管理研究與應用。E-mail: tbmabc@163.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.018

U 455.3

B

2096-4498(2017)11-1475-08