块体理论在隧道围岩稳定性分析中应用
基于块体理论的围岩稳定性分析及数值模拟研究
基于块体理论的围岩稳定性分析及数值模拟研究段会玲;李廷春;吕连勋;陈佃浩【摘要】The integrity of rock and development degree of joint and fracture are the two main factors which influence the stability of surrounding rock, the potential failure block will cause problems such as fall-block, spalling, sliding and even collapse.Taking Xiaosanchakou tunnel as an example, by the means of combination of surrounding rock structure analysis and numerical simulation method based on the theory of block, the potential unstable region was posited, the movable block was found and the key block was determined from the angle of rock mass structure characteristic.And an in-depth analysis was make on instability deformation of surrounding rock, reveals the deformation and stress characteristics of surrounding rock without supporting conditions.The results showed that the development of jointed rock mass, bad combination caused by joint surface cutting each other and poor rock mass structural plane combination are the fundamental reasons of surrounding rock instability;the movement of key blocks is the direct cause of instability of surrounding rock.%岩体的完整性及节理裂隙的发育程度是影响围岩稳定性的主要因素.潜在失稳块体将引起围岩掉块、剥落、滑移甚至坍方等失稳现象.以小三岔口隧道为依托,基于块体理论研究,借助围岩结构分析和数值模拟相结合的方法,从岩体结构特征入手,定位隧道开挖潜在失稳区域,寻找可动块体,确定关键块体,深入分析围岩失稳变形模式,揭示无支护条件下围岩的变形、受力特征并提出针对性施工建议.研究结果显示:岩体节理裂隙发育、节理面相互切割成不利组合和岩块结构面结合性差是围岩失稳的根本原因;关键块体的运动是造成围岩失稳的直接原因.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2016(016)033【总页数】8页(P267-273,296)【关键词】围岩;隧道工程;稳定性;块体【作者】段会玲;李廷春;吕连勋;陈佃浩【作者单位】山东科技大学,山东省土木工程防灾减灾重点实验室,青岛266590;山东科技大学,山东省土木工程防灾减灾重点实验室,青岛266590;北京市勘察设计研究院,北京100038;山东科技大学,山东省土木工程防灾减灾重点实验室,青岛266590【正文语种】中文【中图分类】TU457围岩稳定性是影响隧道建设及其他洞室开挖过程施工安全的关键因素。
几种常用隧道围岩分类方法的综合运用
几种常用隧道围岩分类方法的综合运用隧道围岩是指隧道壁面周围的岩石体。
如何对隧道围岩进行分类是隧道工程设计和施工的重要任务之一、本文将综合介绍几种常用的隧道围岩分类方法及其运用。
一、工程地质分类方法工程地质分类方法是根据围岩的物理力学性质和工程性质对隧道围岩进行分类。
常用的地质分类法有ZT-RMR法、Q系统法和GSI系统法。
1.ZT-RMR法ZT-RMR法是采用岩石力学(Rock Mass Rating，简称RMR)作为分类基础的方法，包括围岩强度、岩层切理、围岩耐候性、地下水情况和围岩支护情况等5个方面，加权得出RMR值，进而划分围岩质量等级。
2.Q系统法Q系统法是根据岩体的er值（评估岩体性质的一种指标）和岩压条件进行分类。
Q值是由地质参数与地应力之间的关系确定的，可作为评价岩体质量的依据。
该方法常用于大断面软弱围岩的分类。
3.GSI系统法GSI系统法主要依据岩体透气性、风化程度、裂隙发育度等进行分类。
与RMR系统相比，GSI系统能够更准确地评估围岩的强度。
二、地质装置分类方法地质装置分类方法侧重于分析围岩的结构特征和变形特征，常用的方法有分级法、变形能力法和结构影响范围法。
1.分级法分级法是将围岩根据断裂、节理和裂缝等结构特征分为不同等级，进而评估围岩的稳定性。
等级越高，围岩越稳定。
2.变形能力法变形能力法是根据围岩的变形能力和岩体强度划分等级，以评估围岩的稳定性。
变形能力较大的岩体等级较高。
3.结构影响范围法结构影响范围法是划分围岩质量等级的一种方法，通过分析断层、节理等对隧道围岩稳定性的影响，判断结构影响的范围和等级。
三、地质力学分类方法地质力学分类方法是将围岩划分为若干力学单位块，并对每个力学单位块进行力学性质和破坏特征的分析。
常用的方法有块体理论法、松软加载法和相容加载法。
1.块体理论法块体理论法是将围岩划分为多个力学单位块，并对每个块体进行分析，如稳定性判断、破坏特征等，以评估围岩质量。
块体理论在LPG地下储库围岩稳定性分析中的应用
Ａｐ ｌｃ ｔｏ ｆ ｂ ｏ ｋ ｔ ｅ ｒ ｎ ｓ ａ ｉｉ ｎ ｌ ｓｓ ｏ ｈ ｕｒ ｏ ｎ ｉ ｇ ｒ ｃ ｓ ｐ ｉａ ｉ ｎ ｏ ｌ ｃ ｈ ｏ ｙ ｉ ｔ ｂ ｌｔ ａ ａ ｙ ｉ ｎ ｔ ｅ ｓ ｒ ｕ ｄ ｎ ｏ ｋ ｙ
ｏ ｆ ＬＰＧ ｄ ｒ ｒ ｕ ｄ ｓｏ ａ ｅ ｕｎ ｅ ｇ ｏ ｎ ｔ ｒ ｇ
右边墙 ，安全 系数 为 １９５和 ３ ３５ ．４ ． ８ ，基本满足 自稳要 求 ；块 体 ８位 于廊道顶部 ，体积和重量均较 大， 安全 系数取为 ０ ，需采用特别支护和分析 结果提 出支护 方案。从 支护前后 结果对 比可以看 出，块体安
全 系数 提 高幅 度 较 大 ，块体 ８在 锚 杆 支护 和锚 喷 支护 情 况 下 安 全 系数 分 别 为 １２ ８和 ６ ４ ６ ．７ ．０ ，喷 射 混 凝 土 对 于提 高 块体 安 全 系数 作 用 明显 ，支 护 方 案 满足 工 程 安 全 性要 求 。
ＬＵ Ｘ ａｇｆ Ｑ ｉ， Ａ ｅ ｇｈ ａ Ｉ ｉ ． ｉ， １ Ｇ Ｏ Ｆ ｎ ．ｕ ｉ ｎ ｅ Ｗｅ
Ｊ ｏｌ ｅｏ ｏｓ ｕｔ ｎＥ ｇｎｅｉ Ｊｌ ｎｖｒｔ， ｈ ｎｃ ｕ ３ ０ ６ ｈｎ ； ．Ｃ ｌｇ ｅ ｆＣ ｎｔ ｃｉ ｎｉｅｒ ｇ， ｉｎＵ ｉ ｓｙ Ｃ ａ ｇｈ ｎ１０ ２ ，Ｃ ｉａ ｒ ｏ ｎ ｉ ｅｉ ２ ｎ ｎｅ ｎ Ｇ ｏ ｃｎｃ１ Ｅ ｓ—Ｃ ｉ ｕｖｙＤ ｓ ｎ＆ Ｒ ｓ ｒ ｔｕｅｏ Ｃ ｉ ｅ ｏ ｕ ａｕ ｌ ａ ．Ｅ ｇ ｅｒ ｇｏ ｅｔ ｈ ｉ ． ａｔ ｈｎ Ｓ ｒ ｅｇ ｉ ｉ ｆ ｅ ａ ａ ｅ ｉ ｅｅ ｃ Ｉ ｉ ｔ ｆ ｈｎ Ｐ ｔ ｌ ｍ Ｎ ｔｒ ｓ ａ ｈｎ ｔ ｓ ａ ｒｅ ａＧ
隧道围岩块体稳定性分析及支护对策
在块 体理论 的基 础 上开 发 的三 维 块体 分 析 软 件 ， 该 程 序具有 操作 简便 、 功能齐全、 互 动性 好 等 特 点 ， 目前 已 被众 多学 者接 受 和使 用 。 。Ｕ ｎ ｗ ｅ ｄ ｇ ｅ程 序研 究 的块
体 由 ３组 结 构 面 和 隧 道 轮 廓 面 （ 临空面 ） 切割而成 。
岩体 作 为 一 种 非 均 质 介 质 ， 其 间夹 杂 着 断 层 、 节 理、 破 碎带 、 软 弱夹 层 等结 构 面 ， 这 些 结 构 面将 岩体 切 割成 形状 各异 、 大 小 不 均 的块 体 。 隧道 开 挖 打 破 了块
体 在 自然 状 态 下 的 稳 定 平 衡 ， 进 而 引 起 隧 道 围 岩 的
１ 块 体 理 论 及 Ｕｎ ｗ ｅ ｄ ｇ ｅ程 序
１ ． １ 块 体 理 论 块 体 理 论 目前 已 广 泛 应 用 于 隧 道 、 地下 空间 、 边 坡
等 岩土工 程 中 。块 体 理 论认 为 ， 岩体 由被 结 构 面 切割
该程 序假 定结构 面 为平 面 且 可 贯 穿 整个 研 究 岩 体 ； 只
众 多学者 研究 并发 展 了块体 理 论 ， 并 将 其 应 用 于工 程
实践 一 。 本文 对 块 体 理 论 和 Ｕ ｎ ｗ ｅ ｄ ｇ ｅ程 序 的原 理 作 简 要 介绍 ， 并将 其应 用 于莲 花 山 ２号 隧道 围岩 稳 定 性分 析
关 键块 体产 生移 动后 ， 可能 导致 其余块 体 的松 动 ，
６ ３
１ ） 重 力 Ｗ
滑 动 方 向 为
摘 要 隧道 围岩 中的节 理和 断层将 岩体 切割 成块 体 ， 人 工 开挖打 破 了块 体 的 自然 平衡 状 态 。这 些 不
基于Unwedge裂隙岩体围岩块体稳定性及巷道轴向分析
基于Unwedge裂隙岩体围岩块体稳定性及巷道轴向分析武旭;郭奇峰【摘要】地下工程中,由裂隙切割形成的块体是影响岩体稳定性的主要因素.根据关键块体理论,结合围岩裂隙三维扫描及地应力测量结果,基于Unwedge程序对巷道块体稳定性及巷道轴线方向进行分析.计算结果表明,三山岛金矿某巷道走向北东55°,倾角0°,3组优势结构面与巷道临空面形成的块体最小安全系数为1.015,巷道块体掉落风险较大.施工过程中应避免该水平巷道轴向方位在北东57°~70°区间内.对于已经揭露的巷道围岩需进行有效支护,支护后的块体安全系数达到1.5以上,可以确保巷道稳定及工作环境安全.%In the underground engineering,the block formed by fractures is the main influence factor of the stability of rock mass. According to the key block theory and based on the Unwedge program,the block stability and the roadway axis di-rection are analyzed in combination with 3d scanning fracture data of surrounding rock and in-situ stress. The analysis results show that when the roadway trend is NE55o and the plunge is 0o,the minimum safety coefficient of the block formed by three groups of advantage structural planes and free surface of the roadway is 1. 105,the fall risk of roadway block is high. Therefore, during the processing of roadway construction,the roadway axial direction should be avoided in NE 57~70°. In view of the re-vealed surrounding rock,the block should be supported effectively and the block safety coefficient can be reached above 1. 5, the roadway stability and safety working environment should be ensured effectively.【期刊名称】《金属矿山》【年(卷),期】2017(000)008【总页数】6页(P63-68)【关键词】裂隙岩体;Unwedge程序;块体安全系数;巷道轴向;数值模拟【作者】武旭;郭奇峰【作者单位】北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083;金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京100083;北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083;金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TD313巷道是地下施工中的主要工程，其稳定性对整个地下工程的安全、高效运行起决定性作用。
基于块体理论赤平投影法的1#泄洪洞围岩稳定性分析
２ 围岩 的 结构特 征
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｕ４ ５ ７ 文献标 识 码 ： Ａ 文 章编 号 ： １ ０ ０ ４ — ５ ７ １ ６ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ６ — ０ １ ８ ６ — ０ ５
工程岩体失稳 与结构面 的发育程度 、 组合特征有 着 紧密的内在联 系， 而且结构面 的性质与组合形式不 同， 岩体变形破坏方式也不一样ｎ ］ 。岩体变形和破坏是 由岩体结构控制 的［ ２ ］ 。在考虑岩体结构特征的非连续 岩体力学方法 中， 块体理论 将拓扑学引入岩体稳定 分析 ， 在岩 石 工 程领 域 得 到 较 为广 泛 的应 用 。块 体 理论 主要 分 析 手段 主要 是 矢 量分 析 和赤 平 投 影 法 ， 但 矢量法复杂 ， 且不能分析凹块体 ， 赤平投影法简单直观 ， 但需要一一作图 ， 结构面组数较多时应用并不方便隅 ］ 。 张子新等结合赤平投影法和矢量法 ， 提 出赤平投影解 析法 伽 ， 它 弥补 了矢量分 析法不能分析 凹块体 的不 足， 又易于编制计算程序 ， 易于掌握并推广。 本文在 已有 的大量 的涔天河水库扩建工程 １ 泄隧 洞地质资料基础上 ， 研究其不连续面的分布特征 ， 运用
定性。对各种块体的有限性和可动Ｉ ｝ 生 进行 了判别 ， 并对可动块体体积进行计算 ， 得 出可动块体的空间
分布 以及 与 断层相 关 可动 块体分 布的直观 统计结 果 ， 划出１ 泄 洪洞 围岩 的 关键 区域 ， 并提 出支护 对策 。
基于块体理论的隧道优化设计方法探讨
（ １ ． 贵 州省 交通 规 划 勘 察 设 计 研 究 院股 份 有 限公 司 贵阳 ５ ５ ０ ０ ０ １ ； ２ ． 贵 州 路 桥 集 团 有 限公 司 贵 阳 ５ ５ ０ ０ ０ １ ）
摘 要
处 于 块 体 围岩 环 境 中的 隧 道 开 挖 过 程 中 产 生 的 临 空 面 ， 将 可 能导 致 “ 关键 块 体 ” 失 稳 后 产
此 该运 动形式 可不 考虑 。
ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ） ） ￣ 书 出版 ， 标志着 块体 理论 的形成 。该 理论 应用 于被 各种结 构 面切割而 成 的空 间镶嵌块 体中， 重点研 究 该 岩体 结 构 模 型 的破 坏 机 制 和工
程处 理措施 。
定 义 坐标 系 ＯＸＹ Ｚ， 规定 ｘ 轴指 向正北、 ｙ
一
＋９ ０ 。 ， 则 ａ 为 图中 Ｐ 面 与 水 平 面 的两 面
本 身 的强度破 坏 ； ③结构 体 为刚体 ， 不计 块体 的 自
身变形 和结构 面 的压缩 变 形 ； ④ 岩 体 的 失稳 是 岩
角， 则如 图 １ 所示 ， 因此 ， 任意产 状 的 Ｐ 面 都 可
轴指 向正东 、 Ｚ轴 铅 直 向 上 ， 记沿 Ｘ， ｙ， Ｚ轴 正 向
单 位 向 量 Ｈ， ＇ ， ， Ｗ， 见图 １ 。
王建宇 运用 块体 理论 中关 于滑塌 块体 构成
条件 的结论 ， 提 出 了一种 确 定 滑 塌体 出露 情 况 的 解析 方法 ， 可预 测滑 塌体 的 出露 部位 、 范 围及稳定 系数 等 。 隧道 支护 结构设 计 常基 于围岩 分级采 用工程 类 比法 ， 缺乏对 围岩 中结 构面产 状 的考虑 ， 根据 块 体理 论 ， 确定块 体 围岩 中（ 如Ｉ Ｉ Ｉ 级 围岩 ） “ 关 键 块 体” 分布范围， 对 该 范 围 围岩 进行 加 固 ， 可避 免 因
隧道掌子面稳定性分析的一种简化方法
隧道掌子面稳定性分析的一种简化方法顾博渊;白浪峰;徐平;刘燕鹏【摘要】为提出一种快速、准确评估软弱围岩隧道浅埋段掌子面稳定性的计算方法,在基于楔形块体理论对掌子面稳定性进行分析的基础上,得到一种分析隧道掌子面稳定性的简化方法;采用该方法对黑山南北高速KOSMAN隧道项目的掌子面稳定性进行计算分析.现场实际情况和计算结果表明,该方法具有快速、简便、实用等优点,能够及时、有效地为现场施工提供技术指导,可为今后类似项目提供参考.【期刊名称】《筑路机械与施工机械化》【年(卷),期】2019(036)003【总页数】6页(P129-134)【关键词】隧道工程;掌子面;稳定分析;楔形块体理论【作者】顾博渊;白浪峰;徐平;刘燕鹏【作者单位】中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安710075;中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安710075;中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安710075;中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安710075【正文语种】中文【中图分类】U455.420 引言近年来，在中国经济快速增长的背景下，国家对交通行业大力投入，使中国公路交通行业得到了迅猛发展。
截至2016年底，中国隧道共计23 707.9 km、19 516处，较2015年增幅分别达到10.99%、9.10%，无论是长度还是数量都已位居世界第一。
随着隧道总长和数量的全面增长，隧道修建过程中遇到穿越软弱破碎围岩[1-2]和古滑坡体[3-4]等不良地质现象的隧道工程实例不断增加。
在这些地区修建隧道时，如何控制掌子面稳定并采取及时、有效的预加固措施一直是隧道工程设计和施工领域的一大难点。
目前，隧道掌子面稳定分析已经引起广大隧道工作者的关注，并在理论分析、数值计算两方面得到很多有益的成果[5-11]。
在理论分析方面，Müller-Kirchenbauer提出掌子面微稳定模型，主要适用于由颗粒状物质构成的掌子面稳定分析，此种围岩具有非常低的黏聚力。
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块体理论在隧道围岩稳定性分析中的应用摘要：本文以山西阳泉檀树岩隧道为工程实体,应用块体理论原理,建立了隧道和结构面的实体模型,详细介绍了块体理论的建模
过程、块体边界条件的确定、块体的几何模型以及几何参数的确定，进而对块体的稳定性进行了评价,得出了较有益的结果，对檀树岩隧道超前地质预报提供了较好的依据。
关键词：块体理论围岩稳定性分析
中图分类号： u455 文献标识码： a 文章编号：
1、引言
在坚硬和半坚硬地层中，岩体被结构面切割成各种类型的空间镶嵌块体。
在自然状态下，这些空间块体处于静力平衡状态。
当进行隧道开挖时，使暴露在临空面上某些块体失去原始的静力平衡状态，因而造成某些块体首先沿着结构面滑移、失稳，进而产生连锁反应，造成整个隧道围岩的破坏。
本文利用块体理论这一原理分析评价隧道围岩的破坏机制，从而进行隧道围岩的稳定性评价。
2、工程概况
檀树岩隧道位于阳泉市盂县南娄镇白家沟村～檀树岩村～狮子坪村西。
设计为分离式隧道，单洞宽度约13m，双线隧道间距约为12 m，左线里程桩号为zk8+982～zk12+824，长3842m，右线里程桩号为k8+982～k12+787，长3805m；属特长隧道，隧道总体走向为北东-西南向。
本次进行评价的区段为进口左线（桩号：zk9+168～zk9+198），根据隧址区域的勘察报告，结合野外工程地质调查，该
段不存在大的断裂构造和不良地质体，隧道围岩主要由二叠系上石盒子组(p2s1)和下石盒子组(p1x2)地层构成，岩性主要为黄绿～紫红色泥质砂岩和灰白色粗粒砂岩构成，该段岩层产状为120°～145°∠5°～8°。
地表部分区域为残坡积物覆盖，厚度一般为1～2m，植被较发育，与基岩接触面夹0～1.0m厚的风化夹层，以下中～微风化，通过掌子面的编录，节理以平面共轭x节理组30°～35°∠72°～80°和160～165°∠59°～81°为主，其规模为5～10m，间距为0.3～0.57m。
3、隧道开挖围岩稳定性块体理论分析
采用石根华博士提出的块体理论对围岩稳定性进行验算，通过验算结果的综合分析，对隧道开挖围岩进行稳定性预报。
（1）模型的建立
根据设计报告及隧道开挖情况，建立进口左线（桩号：zk9+168～zk9+198）隧道轮廓模型，模型特征见表1。
隧道进口左线区域模型特征一览表表1
预报区域轮廓宽度轮廓高度隧道走向纵线坡度区域岩层
产状
进口左线 12m 8.5m 180° 2.5% 192°∠3°
通过对隧道进口左线对应地表出露岩层节理裂隙及掌子面地质情况调查，于该区段收集了若干组优势节理，其分布特征见表2。
进口左线层面及优势节理特征一览表表2
（2）关键块体的生成
通过表2所列的优势节理、岩层产状及隧道开挖掌子面及临空侧壁之间的空间几何组合关系，由3d-unwedge程序生成对隧道围岩稳定影响最大的关键块体，其具体位置及形状见插图1～插图7。
进口左线（桩号：zk9+168～zk9+198）关键块体位置及形状
插图1 结构面1、2、3组成的块体1 插图2 结构面1、3、4组成的块体2
插图3 结构面1、3、4组成的块体3插图4结构面1、3、5组成的块体4
（3）隧道围岩稳定性评价
①结构面强度参数的选取
通过该段围岩等级及工程经验类比，确定各结构面强度参数见3。
进口左线各结构面强度参数一览表表3
②隧道围岩稳定性评价
根据表3所给的各结构面的强度参数，通过3d-unwedge程序得出各关键块体的稳定评价见表4。
关键块体稳定性评价一览表表4
（4）隧道稳定性结果分析
由表4可以得出：
①关键块体主要分布在隧道拱顶和拱腰，边帮则无关键块体，说明在这些结构面组合下，隧道拱顶和拱腰容易发生破坏，而边帮比较稳定；
②由结构面1、2、3组成的拱顶关键块体1和结构面1、3、4
组成的右拱腰关键块体2，安全系数fs均小于1.5，为不稳定块体，且体积较大，说明在隧道左线进口开挖过程中，可以预测该区段拱顶容易发生垮塌破坏，右拱腰形成滑移破坏，规模均较大，在开挖过程中对这些部位的支护需引起注意，且加强监控量测，尽量缩短隧道开挖进度和临空面的暴露时间；
③由结构面1、3、4组成的左拱腰关键块体3和结构面1、3、5组成的左拱腰关键块体4，安全系数fs均大于1.5，为稳定块体，且体积较小，对隧道开挖的稳定不构成危险；
④虽然当前一些关键块体为稳定块体，但当关键块体赋存环境发生改变，例如受地下水弱化影响、爆破对围岩稳定性的扰动影响等，其稳定状态可能会改变，所以应加强监控量测作业，监测隧道围岩的稳定性动态变化，在掘进过程中应贯彻“短开挖、弱爆破、强支护”的施工理念，做到“勤支护”，使隧道施工安全、顺利地进行；
4、结语
（1）由上述对隧道围岩稳定性评价可以看出，利用块体理论进
行稳定性评价，在充分搜集隧道围岩结构面信息的情况下，建模直观简单，通俗易懂，可以直接生成三维的关键块体图形，并能确定其大小和位置，得出各关键块体的破坏模式及安全系数，可操作性强，便于设计、施工人员掌握；
（2）通过对隧道与该区段超前地质预报和监控量测的情况对比，由块体理论得出的稳定性评价结果与它们的评价结果基本一致，并且在隧道开挖过程中可以看出也比较符合现场实际，故该方法可以作为隧道围岩稳定性的评价依据，成为其它稳定性评价方法的较有益的补充。
参考文献
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[2] 怀超.关键块体理论在高速公路连拱隧道围岩稳定性分析
中的应用[d].长安大学硕士论文，2005.6.
[3] 王延涛，李桂平等.利用块体理论unwedge程序分析隧洞围岩稳定性[j].山西水利科技，2000.11.
[4] unwedge use’s guide，3d visualization of potentially unstable wedges in the rock surrounding underground excavation and calculation of factors of safety and support requirements for these wedges，1992～1999，rocscience，inc．
[5] 中勘冶金勘察设计研究院有限责任公司.阳泉西环高速公
路第lj3合同段檀树岩隧道超前地质预报与监控量测报告,2011年
6月12日.。