一种用弹性波反射法作隧道施工地质预报确定地质体反射面产状和空间位置的方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201010266601.9	申请日：	2010.08.30
公开号：	CN101950030A	公开日：	2011.01.19
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	专利权人的姓名或者名称、地址的变更IPC(主分类):G01V 1/00变更事项:专利权人变更前:钟世航变更后:钟世航变更事项:地址变更前:100081 北京市海淀区西直门外大柳树路17号富海中心5#楼1603室变更后:100044 北京市海淀区西外交大东路上园村3号院畅园6号楼1408室变更事项:专利权人变更前:王荣变更后:王荣\|\|\|专利权人的姓名或者名称、地址的变更IPC(主分类):G01V 1/00变更事项:专利权人变更前:钟世航变更后:钟世航变更事项:地址变更前:100081 北京市海淀区大柳树路2号铁道科学研究院北1楼5121变更后:100081 北京市海淀区西直门外大柳树路17号富海中心5#楼1603室变更事项:专利权人变更前:王荣变更后:王荣\|\|\|授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G01V 1/00申请日:20100830\|\|\|公开
IPC分类号：	G01V1/00	主分类号：	G01V1/00
申请人：	钟世航; 王荣
发明人：	钟世航; 王荣
地址：	100081 北京市海淀区大柳树路2号铁道科学研究院北1楼5121
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内容摘要

一种用弹性波反射法作隧道施工地质预报确定地质体反射面产状和空间位置的方法。是在掌子面上设一条水平测线AB和一条与其交叉的铅垂测线CD，在测线上每隔20～40cm设一测点，采用20～40cm的震—检距激发弹性波并测出每个测点的时间曲线，然后将一条测线各点时间曲线汇成时间剖面，在时间剖面上得到测点到反射面的反射时间。在知道波速的情况下，计算出反射面的产状并确定他在在隧道掌子面前方的空间位置。计算辅助角α′＝sin-1〔(BB′-AA′)/AB〕；α′比反射面的走向角α略大，反射面倾角γ在70°～90°和∠α在0°～30°的情况下，∠α≈∠α′。反射面倾角γ＝90°-β，计算辅助角β＝sin-1〔(DD′-CC′)/CD)〕。线段AAl≈AA′/cosβcosα′，线段BBl≈BB′/cosβcosα′。

权利要求书

1：一种用弹性波反射法作隧道施工地质预报确定地质体反射面产状和空间位置的方法，是在掌子面上设定一条水平测线 AB 和一条与其交叉的铅垂向测线 CD，在测线上每隔 20 ～ 40cm 设一测点，采用 20 ～ 40cm 的震 - 检距激震和接收弹性波测出每个测点的时间曲线，然后将一条测线各点时间曲线汇成时间剖面，在时间剖面上得到测点到反射面的反射时间；在知道波速的情况下，计算出反射面的产状 ( 走向、倾角、倾向 ) 并确定它在隧道中的空间位置，其特征在于： AA′为 A 点的入射波射线， A′为反射点； BB′为 B 点的入射波射线， B′为反射点； CC′为 C 点的入射波反射线， C′为反射点； DD′为 D 点的入射波射线， -1 D′为反射点；则计算辅助角 α′＝ sin [(BB′ -AA′ )/AB]， α′比反射面的走向角 α 略大，反射面倾角 γ 在 70°～ 90°和∠ α 在 0°～ 30°的情况下，可以接受∠ α ≈∠ α′； -1 反射面倾角 γ ＝ 90° -β，计算辅助角 β ＝ sin [(DD′ -CC′ )/CD] ；若 DD′＞ CC′，则 β ＞ 0，反射面倾向开挖方向，若 DD′＜ CC′，则 β ＜ 0，反射面倾向反开挖方向；通过 AB 并垂直掌子面 M 的平面上，在此面上通过 A、 B 点并垂直面 M、与反射面交于 Al 点和 Bl 点的线 AAl ≈ AA′ /cosβcosα′， BBl ≈ BB′ /cosβcosα′， AAl、 BBl 与反射面的走向角、倾向和倾角确定了反射面的空间位置。
2：根据权利要求 1 所述的用弹性波反射法作隧道施工地质预报确定地质体反射面产状和空间位置的方法，其特征在于：若反射面不一定是平面，可计算 AB 测线上 4 ～ 10 个测点的 AAl 和 BBl 长度来确定地质体反射面与通过 AB 线并水平面的交线。

说明书

一种用弹性波反射法作隧道施工地质预报确定地质体反射面产状和空间位置的方法
    技术领域一种用弹性波反射法作隧道施工地质预报确定地质体反射面产状和空间位置的方法。本发明涉及在隧道或其他地下工程掌子面上用弹性波反射类方法探查前方岩体中断层等反射面的测量和计算方法，属隧道或地下工程施工地质预报技术领域。
     背景技术在隧道或其他地下工程中探查掌子面前方地质体时确定其产状和空间位置是一个重要内容，目前所采用的多种弹性波反射类方法、探地雷达等，都为全面而准确地确定这些地质体的空间位置而努力，突破的一种途径是力图用三维空间布置采集测点来解决。但非三维空间布置的采集测点的数据采集方法则遇到了困难。TSP、 HSP 等方法在隧道边墙布置排列的弹性波反射类方法仅能粗略地给出反射体位置，无法作出空间定位和给出断层等的产状，因而无法准确确定地质体反射面的空间位置。
     发明内容：
     本发明的目的是提供一种隧道施工地质预报时确定地质体位置的方法，即采用弹性波反射类方法测量、计算出掌子面前方地质体的反射面的产状，并确定其空间位置的方法。对溶洞等物体确定其距掌子面最近点的距离和位置，没有产状问题，较为简单。而对于断层等面状反射面，需要确定其走向、倾向、倾角的产状，并根据他们确定其空间位置，比较复杂。其做法是：
     在掌子面上设定一条水平测线 AB 和一条与其相交叉的铅垂向测线 CD，在测线上以 20 ～ 40cm 的距离设置测点。以 20 ～ 40cm 的震—检距激发弹性波并测出每个测点反射波的时间曲线，然后将一条测线上各点的时间曲线汇成时间剖面，在时间剖面上得到测点到反射面的反射时间。在知道波速的情况下，计算出地质体反射面的产状 ( 走向、倾向、倾角 ) 并确定它在隧道掌子面前方的空间位置。
     结合附图来说明计算方法。附图说明：
     图 1 为在隧道掌子面上布置一条水平测线和一条铅垂向的测线示意图。
     图中 M—隧道掌子面； AB—水平测线； CD—铅垂向测线；
     1、 2… 14—水平向测线 AB 上的测点号；
     Ⅰ、 Ⅱ…Ⅶ—铅垂向测线 CD 上的测点号；
     图 2 为测线、射线及计算辅助线示意图。
     图中 M—隧道掌子面； AB—水平测线； CD—铅垂向测线；
     N—反射面 ( 断层面 ) ；
     AA′⊥ N、 AA′为 A 点的入射波射线， A′为反射点；BB′⊥ N、 BB′为 B 点的入射波射线， B′为反射点； CC′⊥ N、 CC′为 C 点的入射波射线， C′为反射点； DD′⊥ N、 DD′为 D 点的入射波射线， D′为反射点； AAlBlB 面为通过测线 AB 的水平面，垂直掌子面 M，与反射面 N 交于 AlBl 线； Al 为通过测线 AB 的水平面上 A 点到反射面 N 并垂直掌子面的线 AAl 与 N 面的交 Bl 为通过测线 AB 的水平面上 B 点到反射面 N 并垂直掌子面的线 BBl 与 N 面的交 CC′ D′ D 面⊥ M 面并通过铅垂向测线 CD，与面 N 交于线 C′ D′ ； AAl ⊥ M 面； BBl ⊥ M 面； Ap 点是通过 A′点并与测线 AB 平行的线 A′ Ap 与 BB′线的交点； Bp 点是通过 Al 点并与测线 AB 平行的线 AlBp 与 BBl 线的交点； D″是在 DD′上、 ∠ D′ C′ D″ ( ∠ β) 的一边与线 DD′的交点， C′ D″⊥ DD′；面 BB′ B″⊥ N 面并与 AlBl 交于 B″点； BB″为面 BB′ B″和通过 AB 的水平面 (AAlBlB 面 ) 与 N 面的交线； A 点的入射波射线 AA′＝ V×TAA′ /2， B 点的入射波射线 BB′＝ V×TBB′ /2， C 点的入射波射线 CC′＝ V×TCC′ /2， D 点的入射波射线 DD′＝ V×TDD′ /2 ；式中： V—波速， TAA′—测点 A 到反射面的反射时间， TBB′—测点 B 到反射面的反射时间， TCC′—测点 C 到反射面的反射时间， TDD′—测点 D 到反射面的反射时间。 ∠ B′ A′ Ap ＝ α′，为平面 ABB′ A′上的一个角，为计算辅助角； ∠ BlAlBp ＝ α，为反射面 N 的走向角； C′ D″⊥ DD′ ； ∠ D′ C′ D″＝ β ； β 为 C′ D′与 C′ D″线的夹角； γ ＝ 90° -β，为反射面 N 的倾角；由于面，点；
     点；
     sinβ ＝ (DD′ -CC′ )/C′ D″ ； β ＝ sin-1[(DD′ -CC′ )/C′ D″ ] ；由于以及 A′ A ∥ BB′，所以 sinα′＝ (BB′ -AA′ )/A′ Ap ＝ (BB′ -AA′ )/AB， α′＝ sin-1[(BB′ -AA′ )/AB] ； sinα ＝ BlBp/AlBl，α ＝ sin-1(BlBp/AlBl) ；
     由于面 A′ B′ Ap 与面 AAlBlB 不平行 ( 相互夹角 β)，
     所以∠ α′＞∠ α，
     在工程实践中，当∠ β 在 0°～ 20°和∠ α 在 0°～ 30°的情况下，在计算反射面产状时可以接受∠ α ≈∠ α′ ；
     由于面 BB′ B″⊥面 N ∥面 CC′ D′ D，
     B′ B″为面 BB′ B″和 N 面的交线，
     所以 B′ B″＝ BB′ /cosβ ；
     而面 BB′ B″与线 BBl 夹角为 α，
     即∠ BlBB″＝ α，
     又由于 BBp ⊥ AlBp( ∠ α 的一条边 )，
     所以 BB″也要垂直∠ α 的另一条边，
     即 BB″⊥ AlBl ；
     sinα′＝ (BB′ -AA′ )/AB，
     α′＝ sin-1[(BB′ -AA′ )/AB]，
     所以 BBl ＝ BB″ /cosα
     ≈ BB″ /cosα′ ；
     结论： α′＝ sin-1[(BB′ -AA′ )/AB]，
     ①反射面走向角∠ α ≈∠ α′ ；
     ② β ＝ sin-1[(DD′ -CC′ )/CD]，
     反射面倾角 γ ＝ 90° -β ；
     ③ BB″＝ BB′ /cosβ，
     BBl ≈ BB′ /cosβcosα′ ；
     ④ AAl ≈ AA′ /cosβcosα′ ；
     ⑤若 DD′＞ CC′，则 β ＞ 0，反射面倾向开挖方向，
     若 DD′＜ CC′，则 β ＜ 0，反射面倾向反开挖方向。
     计算完成。
     这是通过在一定误差范围内的简化得出的。其条件是反射面倾角在 70°～ 90° 间，倾角小于 70°则误差加大，此计算方法经过对超过 100 条断层的计算，在隧道开挖后实际丈量，误差在可容许范围内。
     结合附图，本发明举例如下：
     已知：波速 V ＝ 3900m/s
     A 点到 N 面的反射时间 TAA′＝ 21.2ms ；
     B 点到 N 面的反射时间 TBB′＝ 22.1ms ；
     C 点到 N 面的反射时间 TCC′＝ 22.6ms ；
     D 点到 N 面的反射时间 TDD′＝ 22.8ms ；
     AB ＝ 11.4m ；
     CD ＝ 2.1m ；
     AA′＝ V×TAA′＝ 41.3m ；BB′＝ V×TBB′＝ 43.1m ；
     CC′＝ V×TCC′＝ 44.1m ；
     DD′＝ V×TDD′＝ 44.5m ；
     得到反射面走向角 α′＝ sin-1[(BB′ -AA′ )/AB]
     ＝ sin-1[(43.1m-41.3m)/11.4m] ＝ 8° ；
     β ＝ sin-1[(DD′ -CC′ )/CD]，
     ＝ sin-1[(44.5m-44.1m)/2.1m] ＝ 11.2° ；
     反射面倾角 γ ＝ 90° -β ＝ 78° ；
     AAl ≈ AA′ /cosβcosα′
     ＝ 43.1m/cos11.2° cos8°＝ 42.6m ；
     BBl ≈ BB′ /cosβcosα′
     ＝ 41.3m/cos11.2° cos8°＝ 44.5m ；
     在计算出地质体反射面的走向角和倾角、倾向就得到了地质体反射面的产状；计算出 AAl 和 BBl 后，即可得到地质体反射面与通过 AB 的水平面的交线的位置。从而确定反射面的空间位置。
     若反射面不一定是平面，可计算 AB 测线上 4 ～ 10 个测点的 AAl 和 BBl 长度来确定地质体反射面与通过 AB 线的水平面的交线。

资源描述

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1、(10)申请公布号 CN 101950030 A (43)申请公布日 2011.01.19 CN 101950030 A *CN101950030A* (21)申请号 201010266601.9 (22)申请日 2010.08.30 G01V 1/00(2006.01) (71)申请人钟世航地址 100081 北京市海淀区大柳树路 2 号铁道科学研究院北 1 楼 5121 申请人王荣 (72)发明人钟世航王荣 (54) 发明名称一种用弹性波反射法作隧道施工地质预报确定地质体反射面产状和空间位置的方法 (57) 摘要一种用弹性波反射法作隧道施工地质预报确定地质体反射面产状和。

2、空间位置的方法。是在掌子面上设一条水平测线 AB 和一条与其交叉的铅垂测线 CD，在测线上每隔 20 40cm 设一测点，采用 20 40cm 的震检距激发弹性波并测出每个测点的时间曲线，然后将一条测线各点时间曲线汇成时间剖面，在时间剖面上得到测点到反射面的反射时间。在知道波速的情况下，计算出反射面的产状并确定他在在隧道掌子面前方的空间位置。计算辅助角 sin-1(BB -AA )/ AB ；比反射面的走向角略大，反射面倾角在 70 90和在 0 30的情况下，。反射面倾角 90 -，计算辅助角 sin-1(DD -CC )/CD) 。线段 AAl A。

3、A /coscos，线段 BBl BB / coscos。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书 1 页说明书 4 页附图 1 页 CN 101950033 A1/1 页 2 1. 一种用弹性波反射法作隧道施工地质预报确定地质体反射面产状和空间位置的方法，是在掌子面上设定一条水平测线 AB 和一条与其交叉的铅垂向测线 CD，在测线上每隔 20 40cm 设一测点，采用 20 40cm 的震 - 检距激震和接收弹性波测出每个测点的时间曲线，然后将一条测线各点时间曲线汇成时间剖面，在时间剖面上得到测点到反射面的反射时间。

4、；在知道波速的情况下，计算出反射面的产状 ( 走向、倾角、倾向 ) 并确定它在隧道中的空间位置，其特征在于： AA为 A 点的入射波射线， A为反射点； BB为 B 点的入射波射线， B为反射点； CC为 C 点的入射波反射线， C为反射点； DD为 D 点的入射波射线， D为反射点；则计算辅助角sin-1(BB-AA)/AB，比反射面的走向角略大，反射面倾角在7090和在030的情况下，可以接受；反射面倾角 90 -，计算辅助角 sin-1(DD -CC )/CD ；若 DD CC，则 0，反射面倾向开挖方向，若 DD CC，则 0，反射面。

5、倾向反开挖方向；通过 AB 并垂直掌子面 M 的平面上，在此面上通过 A、 B 点并垂直面 M、与反射面交于 Al点和 Bl点的线 AAl AA /coscos， BBl BB /coscos， AAl、 BBl与反射面的走向角、倾向和倾角确定了反射面的空间位置。 2. 根据权利要求 1 所述的用弹性波反射法作隧道施工地质预报确定地质体反射面产状和空间位置的方法，其特征在于：若反射面不一定是平面，可计算 AB 测线上 4 10 个测点的 AAl和 BBl长度来确定地质体反射面与通过 AB 线并水平面的交线。权利要求书 CN 101950030 A CN 10。

6、1950033 A1/4 页 3 一种用弹性波反射法作隧道施工地质预报确定地质体反射面产状和空间位置的方法技术领域 0001 一种用弹性波反射法作隧道施工地质预报确定地质体反射面产状和空间位置的方法。本发明涉及在隧道或其他地下工程掌子面上用弹性波反射类方法探查前方岩体中断层等反射面的测量和计算方法，属隧道或地下工程施工地质预报技术领域。背景技术 0002 在隧道或其他地下工程中探查掌子面前方地质体时确定其产状和空间位置是一个重要内容，目前所采用的多种弹性波反射类方法、探地雷达等，都为全面而准确地确定这些地质体的空间位置而努力，突破的一种途径是力图用三维空间布置采集测点。

7、来解决。但非三维空间布置的采集测点的数据采集方法则遇到了困难。TSP、 HSP 等方法在隧道边墙布置排列的弹性波反射类方法仅能粗略地给出反射体位置，无法作出空间定位和给出断层等的产状，因而无法准确确定地质体反射面的空间位置。发明内容： 0003 本发明的目的是提供一种隧道施工地质预报时确定地质体位置的方法，即采用弹性波反射类方法测量、计算出掌子面前方地质体的反射面的产状，并确定其空间位置的方法。对溶洞等物体确定其距掌子面最近点的距离和位置，没有产状问题，较为简单。而对于断层等面状反射面，需要确定其走向、倾向、倾角的产状，并根据他们确定其空间位置，比较复。

8、杂。其做法是： 0004 在掌子面上设定一条水平测线 AB 和一条与其相交叉的铅垂向测线 CD，在测线上以 20 40cm 的距离设置测点。以 20 40cm 的震检距激发弹性波并测出每个测点反射波的时间曲线，然后将一条测线上各点的时间曲线汇成时间剖面，在时间剖面上得到测点到反射面的反射时间。在知道波速的情况下，计算出地质体反射面的产状 ( 走向、倾向、倾角 ) 并确定它在隧道掌子面前方的空间位置。 0005 结合附图来说明计算方法。附图说明： 0006 图 1 为在隧道掌子面上布置一条水平测线和一条铅垂向的测线示意图。 0007 图中 M隧道掌子面； AB水平测线。

9、； CD铅垂向测线； 0008 1、 214水平向测线 AB 上的测点号； 0009 、铅垂向测线 CD 上的测点号； 0010 图 2 为测线、射线及计算辅助线示意图。 0011 图中 M隧道掌子面； AB水平测线； CD铅垂向测线； 0012 N反射面 ( 断层面 ) ； 0013 AA N、 AA为 A 点的入射波射线， A为反射点；说明书 CN 101950030 A CN 101950033 A2/4 页 4 0014 BB N、 BB为 B 点的入射波射线， B为反射点； 0015 CC N、 CC为 C 点的入射波射线， C为反射点； 0016 DD。

10、 N、 DD为 D 点的入射波射线， D为反射点； 0017 AAlBlB 面为通过测线 AB 的水平面，垂直掌子面 M，与反射面 N 交于 AlBl线； 0018 Al为通过测线 AB 的水平面上 A 点到反射面 N 并垂直掌子面的线 AAl与 N 面的交点； 0019 Bl为通过测线 AB 的水平面上 B 点到反射面 N 并垂直掌子面的线 BBl与 N 面的交点； 0020 CC D D 面 M 面并通过铅垂向测线 CD，与面 N 交于线 C D ； 0021 AAl M 面； 0022 BBl M 面； 0023 Ap点是通过 A点并与测线 AB 平行的线 A Ap。

11、与 BB线的交点； 0024 Bp点是通过 Al点并与测线 AB 平行的线 AlBp与 BBl线的交点； 0025 D是在 DD上、 D C D ( ) 的一边与线 DD的交点， C D DD； 0026 面 BB B N 面并与 AlBl交于 B点； 0027 BB为面 BB B和通过 AB 的水平面 (AAlBlB 面 ) 与 N 面的交线； 0028 A 点的入射波射线 AA VTAA/2， 0029 B 点的入射波射线 BB VTBB/2， 0030 C 点的入射波射线 CC VTCC/2， 0031 D 点的入射波射线 DD VTDD/2 ； 0032 式中： V波速， 0。

12、033 TAA测点 A 到反射面的反射时间， 0034 TBB测点 B 到反射面的反射时间， 0035 TCC测点 C 到反射面的反射时间， 0036 TDD测点 D 到反射面的反射时间。 0037 0038 B A Ap ，为平面 ABB A上的一个角，为计算辅助角； 0039 BlAlBp ，为反射面 N 的走向角； 0040 C D DD ； 0041 D C D ；为 C D与 C D线的夹角； 0042 90 -，为反射面 N 的倾角； 0043 由于面， 0044 sin (DD -CC )/C D ； 0045 sin-1(DD -CC )/C D ； 0046。

13、由于以及 A A BB， 0047 所以 sin (BB -AA )/A Ap (BB -AA )/AB， 0048 sin-1(BB -AA )/AB ； 0049 sin BlBp/AlBl，说明书 CN 101950030 A CN 101950033 A3/4 页 5 0050 sin-1(BlBp/AlBl) ； 0051 由于面 A B Ap与面 AAlBlB 不平行 ( 相互夹角 )， 0052 所以， 0053 在工程实践中，当在 0 20和在 0 30的情况下，在计算反射面产状时可以接受； 0054 由于面 BB B面 N 面 CC D D， 0055 。

14、B B为面 BB B和 N 面的交线， 0056 所以 B B BB /cos ； 0057 而面 BB B与线 BBl夹角为， 0058 即 BlBB ， 0059 又由于 BBp AlBp( 的一条边 )， 0060 所以 BB也要垂直的另一条边， 0061 即 BB AlBl； 0062 sin (BB -AA )/AB， 0063 sin-1(BB -AA )/AB， 0064 所以 BBl BB /cos 0065 BB /cos ； 0066 结论： sin-1(BB -AA )/AB， 0067 反射面走向角； 0068 sin-1(DD -CC )/CD， 0069 反。

15、射面倾角 90 - ； 0070 BB BB /cos， 0071 BBl BB /coscos ； 0072 AAl AA /coscos ； 0073 若 DD CC，则 0，反射面倾向开挖方向， 0074 若 DD CC，则 0，反射面倾向反开挖方向。 0075 计算完成。 0076 这是通过在一定误差范围内的简化得出的。其条件是反射面倾角在 70 90 间，倾角小于 70则误差加大，此计算方法经过对超过 100 条断层的计算，在隧道开挖后实际丈量，误差在可容许范围内。 0077 结合附图，本发明举例如下： 0078 已知：波速 V 3900m/s 0079 A。

16、点到 N 面的反射时间 TAA 21.2ms ； 0080 B 点到 N 面的反射时间 TBB 22.1ms ； 0081 C 点到 N 面的反射时间 TCC 22.6ms ； 0082 D 点到 N 面的反射时间 TDD 22.8ms ； 0083 AB 11.4m ； 0084 CD 2.1m ； 0085 AA VTAA 41.3m ；说明书 CN 101950030 A CN 101950033 A4/4 页 6 0086 BB VTBB 43.1m ； 0087 CC VTCC 44.1m ； 0088 DD VTDD 44.5m ； 0089 得到反射面走向角 sin-1(。

17、BB -AA )/AB 0090 sin-1(43.1m-41.3m)/11.4m 8 ； 0091 sin-1(DD -CC )/CD， 0092 sin-1(44.5m-44.1m)/2.1m 11.2 ； 0093 反射面倾角 90 - 78 ； 0094 AAl AA /coscos 0095 43.1m/cos11.2 cos8 42.6m ； 0096 BBl BB /coscos 0097 41.3m/cos11.2 cos8 44.5m ； 0098 在计算出地质体反射面的走向角和倾角、倾向就得到了地质体反射面的产状；计算出 AAl和 BBl后，即可得到地质体反射面与通过 AB 的水平面的交线的位置。从而确定反射面的空间位置。 0099 若反射面不一定是平面，可计算 AB 测线上 4 10 个测点的 AAl和 BBl长度来确定地质体反射面与通过 AB 线的水平面的交线。说明书 CN 101950030 A CN 101950033 A1/1 页 7 图 1 图 2 说明书附图 CN 101950030 A 。

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