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襄樊汉江三桥索塔综合施工技术吴刚 钟启凯 蒲赞全(中建三局建设工程股份有限公司,湖北 武汉 430070)摘要随着我国经济的发展和桥梁设计施工技术的不断提高,斜拉桥索塔的设计越来越趋于经济、美观。襄樊汉江三桥主桥斜拉桥横跨汉江,从经济性和美观性考虑,索塔为双直立塔柱形,突出了塔柱直立挺拔的视觉效果,塔冠纵向为羽扇形状,与襄樊古城的人文景观协调一致。本文以襄樊汉江三桥主桥索塔为背景,主要论述了高标号大体积混凝土裂缝控制、液压自爬模施工、下横梁支架施工、索导管定位等技术,为类似工程施工提供参考。关键词汉江三桥 索塔 高标号大体积混凝土 液压自爬模 施工技术 1 工程概况襄樊内环线汉江三桥位于内环线营盘月亮弯段,其主桥全长567m,采用三跨一联(128.5+310+128.5m)连续结构,桥型为双塔、双索斜拉桥,拉索按扇形布置;主梁采用预应力混凝土箱梁,桥面宽35m。索塔采用双直立塔柱形索塔,包括上塔柱,上、下塔柱连接段,下横梁和下塔柱。索塔高度为南塔高度122.5m,北塔高度120.3m。塔柱除根部4m高的节段设计为实心段外,其余断面均为空心箱形断面。上塔柱为对称单箱单室断面,尺寸为4.2m6.5m,塔壁厚度沿顺桥向为1.2m变化到2.5m,横向为1.2m。塔柱截面的4个角均设置0.75m1.5m的倒角,塔冠高7m。塔柱设井字形预应力钢绞线,索塔采用C50混凝土。如图12所示(单位:cm)。 图1 索塔效果图 图2 索塔侧面图作者简介 吴刚,中建三局工程总承包公司工程师,武汉市武珞路456号新时代商务中心42层,430070,电话E-mail:2 施工方案概述2.1 索塔节段划分索塔变截面节段划分有300cm、400cm、450cm等几种,其余标准截面均按每节450cm施工;下横梁在其对应的塔柱施工完成后进行,其下倒角与塔柱一起施工。2.2 主要施工方法(1)现场物资材料垂直运输设备均采用起重能力96t.m的塔吊。(2)全塔高范围内设置劲性骨架定位钢筋、模板及相关预埋件,劲性骨架立杆为80mm等边角钢,平联及斜杆为50mm等边角钢。劲性骨架预埋时注意预留钢筋的保护层,及预应力波纹管的位置。(3)下横梁以下的塔柱为变截面,其外模板采用翻模施工,下横梁以上塔柱外形尺寸为定值,其外模板采用液压自爬模;内模板采用木模板,下横梁以下的塔柱内模板支撑采用满堂支架,下横梁以上塔柱内模采用小型钢平台加钢管支撑。 (4)索塔主筋为直径32mm的II级钢筋,外壁为双筋布置,内壁为单筋布置,间距15cm,长度为9m定尺,钢筋接头采用直螺纹套筒连接。(5)下横梁外模采用钢模板,内模采用木模板及碗扣式满堂支架支撑。(6)塔冠在斜拉索挂索完成以后施工,其模板通过塔身预留孔设置对拉杆固定。(7)混凝土采用拖泵泵送混凝土;在施工后续节段塔柱时,进行上一节段塔柱的预应力张拉、压浆、封锚。3 高标号大体积混凝土裂缝控制技术索塔根部4m高的节段设计为实心段,其余断面均为空心箱形断面,实心段平面尺寸为(900862)(650615)cm,采用C50混凝土。索塔实心段为高标号大体积混凝土,比普通大体积混凝土更易产生有害裂缝,同时索塔实心段做为上部结构的支撑点,受力集中,质量要求高,而混凝土的施工质量起到决定性的作用,要求内实外美,表面不允许产生有害裂缝,为此须采取一系列综合性的措施。3.1 低水化热混凝土配合比设计原材料优选表1 混凝土原材料名称水泥掺合料减水剂砂碎石聚丙烯纤维产地葛洲坝襄樊电厂江苏博特唐白河南漳吴家沟江苏博特品种P.O42.5I级PCA中粗砂525mm12mm原材料选用说明水泥用量越大、坍落度越大、单方混凝土含水越高,混凝土收缩越大。在设计混凝土配合比时,在满足强度等技术指标条件下,尽量降低水泥用量、单方用水量及采用较小坍落度控制水灰比。水泥采用葛洲坝P.O42.5水泥,此水泥水化热较低,适宜于大体积混凝土的施工,能有效降低早期混凝土内部的中心温度。28d强度50.1MPa。粉煤灰襄樊电厂(天健公司)I级粉煤灰质量稳定,其细度、烧失量、需水比等主要指标均满足国家标准,并可以满足工程使用要求。在混凝土中掺加粉煤灰,有效地改善了混凝土的粘聚性和可泵性,还可节约水泥。减水剂采用江苏博特生产的PCA型减水剂,减水率基本在25%左右,且与葛洲坝水泥、襄樊电厂粉煤灰适应性较好。混凝土初凝时间一般控制在10小时左右,混凝土凝结时间的延长推迟混凝土内部的热峰出现,降低混凝土内部的最高温升。碎石虽然骨料粒径越粗,砂率越低,收缩越少,但其与水泥浆的界面发生大的缺陷的机率也越大,反而不利于混凝土的质量。综合考虑多种情况及实践经验,选用粒径525mm连续粒径级配的南漳吴家沟碎石。含泥量严格控制在1%以内。砂细度模数2.7。含泥量严格控制在2%以内。聚丙烯纤维针对实心段混凝土高标号、大体积的特点,为防止混凝土表面产生早期裂缝,在混凝土试配过程中加入一定量的聚丙烯纤维,聚丙烯纤维由于其数量多及性能特点主要是约束混凝土早期原生裂缝及微观裂缝。混凝土配合比优化混凝土自身的物理、热学性能是影响大体积混凝土温度裂缝控制效果最基本、最重要的影响因素,混凝土配合比优化是温控方案设计的首要任务。大体积混凝土配合比设计原则是配制出绝热温升小、抗拉强度较大、极限拉伸变形能力较大、热强比小、线胀系数小,自身体积变形最好是微膨胀,至少是低收缩的混凝土。为提高自身混凝土的抗裂性能,对混凝土配合比进行了优化。优化配合比结果(kg/m3):水:水泥:掺合料:砂:水胶比:外加剂:纤维: 碎 石(1025mm/516mm)=150:400:100:631:6:0.3:1.2:(503+616)混凝土物理热学性能:80%水泥+20%粉煤灰8天水化热329.53 J/g;最终弹模3.45104MPa,热胀系数10.010-61/,比热0.97 kJ/kg.,混凝土绝热温70.8 ;混凝土3d、7d、28d表层拉应力分别为2.52MPa、2.56 MPa、4.55 MPa;混凝土内部最大拉应力为4.55MPa。3天、7天值由试验得出,其它为经验值。3.2 混凝土温控计算依据水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程(JTS202-1-2010)进行计算及抗裂安全性评价。根据施工期间襄樊地区往年气温及现场施工条件,混凝土浇筑温度取11;冷却水管降温效果一般为24,此处取3。经计算,混凝土内部最高温度=68.2;混凝土3d、7d、28d表层拉应力分别为1.16 MPa、1.56 MPa、2.04 MPa;混凝土内部最大拉应力为1.36 MPa。实心段表层和内部抗裂安全性评价结果:3d、7d、28d表层混凝土抗裂安全系数K分别为2.17、1.64、2.23;内部混凝土温控抗裂安全系数K=3.35。由计算结果可知,塔柱实心段温度各龄期的抗裂安全系数均在1.4以上。3.3 大体积混凝土温度现场控制措施入模温度控制索塔实心段混凝土施工时间处于1、2月份,其日平均气温分别为2 、4 ,此气温条件对混凝土的浇筑温度控制在530以内比较有利,同时还采取了以下措施:砂石料、水泥和外加剂罐子外围采用彩板房封闭以避免夹雨雪冰块及温度过低,同时搅拌用水采用地下水,控制拌和用水的温度。严格控制粉料入罐温度,确保粉料进罐温度在60以内。控制出机温度不低于10,入模温度不低于5。将混凝土开盘时间安排在白天进行。加强现场协调,加快混凝土浇筑进度,减少或避免了混凝土罐车长时间等待的现象。冷却水循环降温根据混凝土内部温度分布特征及控制最高温度的要求,实心段埋设三层冷却水管,水管水平间距为1.5m,垂直间距为1m,冷却水管为外径42mm的铁管。冷却水管采用橡胶管套接,确保不漏水,连接时两根冷却水管在橡胶套管内应对碰,避免橡胶管弯折阻水,用多重铁丝扎紧。混凝土浇筑过程控制混凝土浇筑过程的质量控制对有害裂缝的产生也有一定的影响,例如混凝土的坍落度、混凝土的振捣及后期处理等。索塔混凝土的设计配合比坍落度为180mm220mm,混凝土拌和时取其下限控制;混凝土下料高度大于2m时,采用串筒下料;混凝土振捣过程中防止漏振、过振,严格控制30cm一层浇筑振捣;在混凝土浇筑完毕后,使用木杠刮除混凝土表面的浮浆并刮平混凝土面压实抹平。养护混凝土达到温峰前采用带模养护,由于在冬季施工,模板外包裹一层保温棉和一层帆布,同时还预备了一层棉被,防止内外温差超标后,需进一步保温;在混凝土达到温峰后拆除模板并进行薄膜及保温棉包裹养护。混凝土浇筑完成后养护14d以上。3.4 施工过程温度监测测温要求测温的要点就是控制混凝土浇筑体因水化热引起的温升、内外温差及降温速度等,防止混凝土出现有害的温度裂缝。其相关控制指标如下:混凝土浇注温度:5T30。混凝土内部最高温度:Tmax70。混凝土内表温差:T25.0。混凝土降温速率:u2.0/d。混凝土表面与内部温差报警值为25,绝对温度不超过70。接近报警值则及时调整循环水的速度及增大蓄水层的厚度。监测中混凝土降温速率过快,可以减缓或停止冷却水管通水,增厚保温层,减少降温阶段散热量。测温点布置实心段内布设测温点15个,分3层布置,布置如图34所示。(单位:cm) 图3 测温点立面布置图 图4 测温点平面布置图测温数据分析混凝土浇筑完成后即开始测温,峰值以前每2h监测一次,峰值出现后每4h监测一次,持续5天,然后转入每天测2次,直到温度变化基本稳定,每次观测完成后及时填写记录表。经过对测温数据的整理,得出本工程实心段温度变化如下图所示:图5 高标号大体积混凝土测温曲线图图中横轴为时间,竖轴为温度值,总共测温持续时间196小时。混凝土入模温度在11左右,混凝土全部浇筑完成后开始测温,从温度变化曲线可以看出,混凝土升温及降温均较缓慢,在混凝土浇筑完成后68小时达到温峰67,与理论计算基本相符,随后温度开始缓慢下降,全过程中混凝土内外温差最大为23(现场因施工原因冷却水循环5天后停止,停止循环水后内外温差有小幅上升),且处于降温后期冷却水停止循环后出现,相关指标均符合大体积混凝土温度控制要求。同时对冷却水管进出口温度进行了监测,出水口温度增加了约23,表明冷却水管对混凝土内部散热降温起到了较好的效果。从施工效果及测温情况可以看出,混凝土原材料选用及配合比设计合理,混凝土浇筑过程及温控措施控制到位。4 下横梁支架设计与施工下横梁断面为箱形结构,其内设置两道竖向横隔板,梁高6.0m,宽6.3m,上、下底板厚1.0m,腹板厚0.9m,横隔板厚1.0m。横梁采用预应力混凝土结构,混凝土标号为C50,混凝土总方量600m3,设计要求分两次浇筑混凝土,第一次浇筑3m高,预应力张拉完成后,再施工余下3m,张拉其对应的预应力。4.1 下横梁支架设计(1)下横梁支架构造下横梁支架设计为钢管支架,支架基础利用主墩承台支承,采用28mm地脚螺栓与承台相连,架体与塔柱附着,为了方便卸载,钢管支架上部为碗扣式支架。支架立柱和斜柱均采用102010mm钢管,平联采用6308mm的钢管。钢管顶部垫梁采用3拼I45b工字钢,横向布置贝雷片(1.53m规格),贝雷片采用(5+3+3+5)排的布置形式。贝雷上片采用纵横向分配梁,纵向分配梁采用I25b工字钢,间距150cm,横向分配梁采用I12.6工字钢。横向分配梁上搭设碗扣式钢管脚手架。脚手架顶托上放纵向I12.6的托梁,托梁上设1010cm木方,木方上铺设12mm厚的竹胶合板做底模。具体结构布置如下图所示:图6 下横梁支架立面图图7 下横梁支架断面图(2)下横梁支架主要部位计算按设计要求下横梁分两次浇筑,每次浇注3m,每次浇筑完后张拉预应力钢束,但在支架设计时仍考虑承受下横梁的全部自重。下横梁底模板承受下横梁混凝土自重、施工荷载、浇筑和振捣混凝土时产生的荷载。贝雷梁验算贝雷梁共有4组,16片组成,为对称结构受对称荷载作用,验算时可取1排作为计算。由支架体系结构布置知贝雷梁长为27m,可以按照(4.5+36+4.5)m的连续梁进行验算。考虑上部传递下来的荷载和贝雷梁的自重。计算得到弯矩和剪力:(满足要求)!(满足要求)!荷载为:。(满足要求)!钢管支架验算支架体系的计算分为两种工况,工况一为空载情况下即模板体系支设完成,钢筋未绑扎之前承受风荷载作用的情况;工况二下横梁混凝土浇筑完成时的情况。利用Midas/Civil软件建立模型如下图8所示。图8 下横梁支架体系计算模型图通过对两种不同工况的情况进行整体验算,钢管支架的最大应力分别为118MPa和136MPa,均小于,及最大变形14.7mm,小于,均满足规范要求。另外,还对碗扣支架、分配梁、附着预埋及柱脚预埋进行了验算,均符合相关规范要求。4.2 下横梁支架施工(1)下横梁支架施工流程下横梁支架的斜钢管与承台的钢板桩围堰相冲突,当钢管柱安装至水面标高时,须将钢板桩拔除,然后才能断续安装支架。整个支架的施工流程为:柱脚地脚螺栓预埋塔身内钢板预埋(与平联连接的附着预埋件)102010mm钢管柱安装6308mm平联钢管安装横向I45b分配梁安装贝雷梁安装横向I25b安装纵向I12.6安装碗扣支架搭设(2)下横梁支架施工要点预埋件的埋设应精确定位,并固定牢固,保证混凝土浇筑过程中不移位。102010mm钢管柱的接长采用M27高强螺栓通过法兰连接。6308mm平联钢管与立柱的连接采用“哈佛”接头焊接。贝雷片在钢平台上由23排,共9节27m长组拼完成,然后采用25吨汽车吊吊装就位,就位之后用支撑架将各组连成一体。安装102010mm钢管柱的坐标应准确,以保证贝雷梁的立杆能与支座位置对应。搭设碗扣架之前,其下方设置安全防护措施,防止坠物伤人。碗扣架的水平杆逐层搭设,并设置纵向和横向剪刀撑。5 液压自爬模施工技术索塔下横梁以下为变截面,下横梁以上为标准截面,为利于液压自爬模充分发挥工效,特针对索塔上塔柱采用液压自爬模的施工工艺。液压自爬模在施工过程中无需其它起重设备,操作方便,爬升速度快,自动化程度高,稳定性好,安全系数高,是高耸建筑物施工时的首选模板体系。5.1 液压自爬模构造液压自爬模的动力来源是本身自带的液压顶升系统,液压顶升系统包括液压油缸和上下换向盒,换向盒可控制提升导轨或提升架体,通过液压系统可使模板架体与导轨间形成互爬,从而使液压自爬模稳步向上爬升。液压自爬模主要分为以下四部分(如图9):图9 液压自爬模总成图襄樊汉江三桥工程所用液压自爬模各操作平台的设计施工荷载为:模板,浇筑,钢筋绑扎工作平台(1)最大允许承载: 3.0kN/m2 (爬升时为1.5 kN/m2)。模板安装工作平台(2)最大允许承载:0.75 kN/m2 (爬升时可不考虑)。模板后移及倾斜操作主平台(3)最大允许承载:1.5 kN/m2 。爬升装置工作平台(4)最大允许承载:0.75 kN/m2 。拆卸爬锥工作平台(5)最大允许承载:0.75 kN/m2 (爬升时可不考虑)。(1)模板系统由于是高空作业,一般应采用轻质高强的模板体系,因此首选木梁胶合板模板体系。本套模板具有结构合理,经济实用,标准化程度高等特点。模板高度4650mm,面板采用21mm维萨板,与200mm高的竖肋(木工字梁)采用自攻螺丝和地板钉连接,竖肋与横肋(双14槽钢背楞)采用连接爪连接,在竖肋上两侧对称设置两个吊钩。两块模板之间采用芯带连接,用芯带销固定,从而保证模板的整体性,使模板受力更加合理、可靠。木梁直墙模板为装卸式模板,拼装方便,能拼装成各种大小的模板。(2)埋件系统主要由埋件板、高强螺杆、受力螺栓、爬锥组成。如图10。 图10 埋件构造图及效果图(3)支架系统主要由承重三角架、后移装置、中平台、吊平台、导轨、附墙装置、桁架支撑系统组成。(4)液压系统主要有液压泵站控制台、液压油缸、同步阀、胶管、液压阀和配电装置。单个液压油缸的最大顶升力为100kN。5.2 液压自爬模施工(1)液压自爬模安装模板安装模板组拼流程:双拼14背楞组拼及摆放木工字梁组装铺设面板打设对拉杆及埋件孔眼。将各模板单元次背楞用芯带及芯带销连成一个整体。应注意芯带孔与次背楞孔并不重合,上芯带销应选择合适的孔,使芯带外张,两块模板向内靠紧。模板连接完成后,通过对拉螺杆与内模对拉,及外模通长对拉。内外模对拉杆设PVC管套筒,拉杆周转使用,外模通长对拉杆两端设锥螺母,拆模时先将外露段拉杆拧出再拆除模板(外露段设置原理同埋件系统的受力螺栓),锥螺母同外露段拉杆均可周转使用。模板体系安装如图11所示(单位:mm)。图11 模板体系构造图埋件安装在模板就位前,通过模板面板上的孔,安装螺栓M36从模板背面将爬锥M36及高强螺杆、埋件板固定于模板面板上,如图11。混凝土浇筑后,卸下M36螺栓,模板后移,将受力螺栓M36安装在爬锥上。将模板吊装就位,支架卡在受力螺栓上,插上销子。周转使用时,用套筒扳手和爬锥卸具将受力螺栓和爬锥取出,以便重复利用。爬锥上均匀涂脱模剂,方便爬锥拆卸。架体安装架体安装流程:三角架组拼附墙装置安装三角架吊装就位于附墙座安装平台板安装吊平台安装操作平台桁架及后移装置吊装模板、与架体连接安装导轨安装液压系统安装护栏及爬梯。(2)液压自爬模爬升流程液压自爬模爬升流程:混凝土浇筑完后 拆模后移 安装附墙装置 提升导轨 爬升架体 绑扎钢筋 模板清理刷脱模剂 埋件固定在模板上 合模浇筑混凝土。液压自爬模爬升时基本要求:预埋件安装时,将爬锥用受力螺栓固定在模板上,爬锥孔内抹黄油后拧紧高强螺杆,保证混凝土不能流进爬锥螺纹内。埋件板拧在高强螺杆的另一端。锥面向模板,和爬锥成反方向。埋件如和钢筋有冲突时,将钢筋适当移位处理后进行合模。提升导轨前,将上下换向盒内的换向装置调整为同时向上。爬升架体时上下换向盒同时调整为向下,下端顶住导轨。(爬升或提导轨液压控制台有专人操作,每榀架子设专人看管是否同步,若发现不同步,可调液压阀门控制)导轨提升就位后拆除下层的附墙装置及爬锥,周转使用。附墙装置及爬锥共3套,2套压在导轨下,1套周转。(3)液压自爬模安全措施施工人员进行模板安装及拆除时,必须戴安全带,安全带挂在安全的骨架上。模板吊升应由专人指挥。模板上的脚手架必须符合安全要求,平台跳板必须与脚手架捆绑牢固,跳板尽量不要求出现悬挑的现象,若需要时,必须按设计要求或规定的标准搭设跳板,发现有不符合要求时,应立即整改直至满足要求为止,否则不准进入下一道工序。设置防坠落安全网。墩身四周设置安全区域,做好围栏,防止坠物伤人。模板拆除要等到混凝土达到15MPa后才能进行。液压自爬模板吊升必须在白天进行。当遇到雷雨、风力达到5级以上时,不得进行作业。严禁在液压自爬模板架体平台上堆放重物,液压自爬模各平台堆放物体重量不得大于设计荷载。6 索导管定位技术主桥拉索按扇形布置,每个索面由26对高强度平行钢丝斜拉索组成,全桥共426对斜拉索,对应的索导管有六种规格:2736.5mm、2997.5mm、3257.5mm、37715mm、3779 mm、40211mm,长度从1.8m到9.8m不等。斜拉索锚固点高程偏差10mm,斜拉索锚具轴线偏差5mm,索导管安装定位测量控制难度最大、精度要求高,为此,必须在原有索塔控制网的基础上加密控制网,索导管安装定位以精密全站仪三维坐标法进行测量控制;导管安装时采用塔内劲性骨架定位。6.1 施工测量控制(1)索导管定位控制网的加密为了确保主塔索导管的精确定位,测量人员在主塔控制网的基础上加密了控制网。分别在南北两塔的下游江心侧塔柱上加设控制点,与原有主塔控制点形成新的控制网,如下图所示。图12 索导管定位控制点示意图索塔上加密控制点做法:加密控制点设在下横梁面标高层的塔柱外侧,采用14#槽钢外伸,806mm角做斜撑;点位上方1.5米设置安全防护网两层防杂物坠落;点位下方1.2米另设观测人员平台,连接已有钢平台通道;三个相互独立,以减少干扰。实物图如下图13所示: 图13 主塔加密点实物图(2)索导管测量数据计算建立索塔独立坐标系,以桥轴线方向建立桥梁独立坐标系,采用顺桥向为x轴,横桥向为y轴,以铅垂方向作为三维坐标系的z轴,坐标系原点0为里程中心线。为便于索导管定位,计算出每根索导管如下图所示的三个特征点的三维坐标。图14 特征点示意图图中MN为索导管中心线。6.2 定位骨架制作与安装(1)定位骨架制作定位骨架在后场加工,其加工平台首先要保证水平,因此要用水准仪反复测量以使平台表面水平度达到定位精度要求,在平台建立好后在侧面加配竖向限位角钢,要求限位角钢与底部平台垂直,以使骨架的底部与侧面垂直。在定位骨架的加工过程中应选择顺直的80mm等边角钢,不满足要求的角钢不得使用。定位骨架按9m长度加工。骨架的平面尺寸偏差不得超过5mm,每节段骨架各个立柱之间长度之差不得超过5mm。(2)定位骨架安装每一节段定位骨架在安装前必须在已安装的调平钢板上放样出定位骨架每根立柱的位置,并且要保证各个调平钢板之间高差不得大于2mm,每节段定位骨架顶部偏差不得超过10mm。在索导管定位骨架安装完毕之后,将其与原有骨架之间使用50mm等边角钢作为平联进行连接,为了避免索导管安装到位之后骨架发生较大变形,顶部往下5米处再加一道平联。索塔管定位骨架平面构造如图15所示。注意图中支撑限位角钢根据测量确定位置。图15 索导管定位骨架平面图6.3 索导管吊装及精调(1)索导管吊装索导管的吊装时根据计算的参考数据合理安排吊点,保证索导管起吊过程中不发生倾覆,在将索导管吊装到指定高度之后将索导管下放到已经焊接完成的限位架之中。在吊放到位之后利用两部手拉葫芦将索导管临时固结到定位骨架上,然后再拉动葫芦,待手拉葫芦完全受力之后塔吊下放吊钩,作业人员将吊绳从索导管上解除。(2)索导管测量现场定位时,先进行平面位置的测定,然后再根据平面位置进行高程的调整。高程定位应先采用钢尺导入法将上横梁顶面高程定位控制点的高程引测至塔柱已浇段顶面的临时水准点上,然后再以三角高程配合竖向量距的方法测定索导管定位骨架上的支撑角钢的标高。即在索导管吊装前先确定特征点1、2、3。待索导管初步吊装到位之后,用与索导管内径相同的带圆心标志的圆钢板放在索导管顶部,在圆心标志上安放棱镜,复测锚固点即M点的三

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