地铁盾构隧道穿越大运河技术及研究 - 图文

盾构穿越运河技术研究 1、工程概况

本工程区间采用盾构工法。东方大道站～独墅湖南站区间左线1772.729m、右线1794.2m。盾构区间总长度3566.929m。

1.1东方大道～独墅湖南站区间

本区间线路始于东方大道站东端，下穿花泾港河道后线路稍向北偏，下穿独墅湖公园、赏湖路、规划地块（一类居住用地）及苏州运河后，线路转向北下穿过规划地块（二类居住用地）后折向启月街到达独墅湖南站。区间线路共有两段曲线，半径分别为2000m、450m，左右线路中心线间距13.0～16.5m。

区间隧道纵坡呈“V”型，最大坡度25‰，最小坡度3.5‰，与车站相连端的竖曲线半径为3000m，其余为5000m。隧道埋深10.8～19.1m，下穿苏州运河段隧道最小埋深11.6m。

图1.1 东方大道站～独墅湖南站区间平面示意图

1.2盾构机概况

区间左右线分别采用中铁装备CTE6440土压平衡式盾构机与三菱ST6340土压平衡式盾构机。盾构机性能参数见表1.2-1所示。

表2.2-1 中铁装备CTE6440盾构机参数

项目 性能参数 型号 CTE6440 开挖直径 φ6470

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序号 1 2 单位 / mm

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 最大推进速度 最大推力 装机功率 水平转弯半径 纵向爬坡能力 刀盘长度 刀盘开口率(中心开口率) 刀盘驱动型式 刀盘额定扭矩 铰接型式 尾盾密封刷排数 尾盾止浆板 螺旋机最大通过粒径 螺旋机最大出渣能力 皮带机倾斜段角度 皮带机带速 皮带机输送能力 推进油缸最大速度 ≈80 34000 1283 200 ±50 1.445 32（37） 电驱 5500 被动式 3 1 φ2903500 335 13.5 2.5 450 80 mm/min kN kW m ‰ m % / kN2m / 排 排 mm m3/h ° m/s m3/h mm/min 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 表1.2-1 三菱ST6340盾构机参数 项目 性能参数 型号 ST6340 开挖直径 φ6340 最大推进速度 65 最大推力 37840 装机功率 1283 最小曲率半径 300 纵向爬坡能力 ±35 刀盘长度 0.75 刀盘开口率(中心开口率) 38 刀盘驱动型式 电驱 刀盘额定扭矩 4407 尾盾密封刷排数 3 螺旋机最大出渣能力 170 皮带机倾斜段角度 30 皮带机带速 100 皮带机输送能力 260 推进油缸最大速度 80 单位 / mm mm/min kN kW m ‰ m % / kN2m 排 m3/h ° m/min m3/h mm/min 1.3苏州运河概况

苏州运河河道宽83m，下穿段长280m，隧道顶最小埋深11.6m，河床底标高0.4～-3.5m，

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水面高程1.08m，水深约4.5m。驳岸基础为整板砼基础，厚度为0.5m，宽为3.7m，板底标高为-1.5m。砼基础上为浆砌块石至现有标高2.6m，顶部宽0.5m。

1.4苏州运河与隧道相对位置关系 1.4.1平面位置关系

盾构区间斜穿苏州运河，穿越段属于直线段。

隧道左线对应苏州运河河面的起始环号为：660环至890环，计230环；右线对应河面的起始环号为：690环至870环，计180环。左右线共计410环。

1.4.2纵断面相对关系

隧道下穿苏州运河河床，此段隧道沿隧道掘进方向为3.5‰的下坡，隧道顶部距离河底最小埋深为11.6m。

1.5 地质勘探孔

盾构穿越运河段,共布设了5个地质勘探孔，分别位于运河两端与运河边一堆场内。地质勘探孔分别为：Q27XJ21（对应左线667环）、Q27CJ5（对应右线672环）、Q27XJ22（对应右线 环）、Q27XJ23（对应左线714环）、Q27XJ24（对应右线882环）。Q27XJ21孔位于隧道掘进范围内，其余孔位距离隧道边缘距离为2.85m、21.24m、4.89m、4.92m。勘探孔布设平面图见图1.5-1所示。

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图1.5-1勘探孔布设平面图

1.6工程地质

苏州运河河底至隧道掘进范围内的地层分布情况，从上至下分别为：③1粘土层、③2粉质粘土层、④1粉质粘土层、④2粉土夹粉质粘土层、⑤1粉质粘土层。具体地层分布见图2.6-1、2.6-2所示，地层主要物理性质见2.6-3所示。

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图1.6-1穿越运河段地质剖面图（左线）

图1.6-2穿越运河段地质剖面图（右线）

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表1.6-3 地层的主要物理性质指标

固结快剪 含水层土层名称 序 （%） 量ω（kN/m） 3快剪 无侧限 静止侧压力 系数K0 峰值 C kPa Φ 度 抗压强度qU(kPa) 塑性 液性 重度γ孔隙指数比e IP IL 指数峰值 C kPa Φ 度 ③1 ③2 ④1 ④2 ⑤1 粘土 粉质粘土 粉质粘土 粉土夹粉质粘土 粉质粘土 25.9 29.2 32.7 28.9 32.1 19.5 0.733 17.7 0.30 36.9 15.0 35.0 9.5 18.9 0.829 15.4 0.57 28.6 15.4 24.4 10.8 18.4 0.928 13.2 0.96 15.0 14.2 13.5 12.8 18.8 0.846 9.7 0.93 11.6 20.0 8.3 17.5 18.4 0.921 13.1 0.94 16.5 16.3 14.7 11.6 153 100 55 55 0.45 0.48 0.50 0.39 0.50 2、工程重难点分析及处理措施

(1)④1层和⑤1层粉质粘土工程性质一般，土体相对软弱，具有一定的触变特性，在动力作用下，土体结构较易破坏，使强度降低、变形增加，盾构施工可能产生的开挖面失稳和土体回弹。

处理措施：在盾构隧道掘进过程中采用控制速率的措施，避免对土体产生过大的扰动，以减少施工后的沉降。

(2)当盾构推进穿越软硬不均的土层时，如③2和④1层、④1和④2层、④2和⑤1层交界处，上下土层强度不均可能会引起盾构工作面不稳定，易造成盾构在线路方向上的偏离。

处理措施：根据不同地层在断面的具体分布情况，遵循硬地层一侧推进油缸的推力和速度适当加大，软地层一侧推进油缸的推力和速度适当减小的原则。同时盾构掘进过程应注意提高土仓压力，控制出土量，严禁超挖，保持开挖面平衡，减少对土体的扰动，盾构施工中建立严格的监测控制系统，定期进行监测，确保隧道盾构结构和周围环境的安全。

(3)结合地质勘查报告，并从前期出土特性来看，在盾构穿越苏州运河富水地层过程中，易出现螺旋机喷涌及盾构机漏水现象。

处理措施：加强软土地层土质改良，对软土层起泥膜作用，同时控制螺旋机出渣量，对于盾尾后7环采用全环封堵措施，隔断后部水流。

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(4)盾构到达苏州运河前，存在一处地质勘探孔（Q27XJ21）位于左线隧道掘进范围内。 处理措施：在盾构到达此勘探孔前20天，根据勘探孔坐标，实测放样出该孔位，利用水泥砂浆进行勘探孔灌注。

(5)盾构穿越富水地层过程中，岸堤发生沉降风险。

处理措施：适当加大同步注浆压力和同步注浆量，同步注浆以上部两孔注浆为主，同时及时采用二次注浆进行补浆。

3、施工计划

东独区间盾构左右线先后穿越苏州运河，左线穿越运河起止环号为660环～890环，计230环/276m，右线穿越运河起止环号为690环～870环，计180环/216m。根据前期盾构施工平均进度进行分析，盾构穿越运河期间按照平均9环/天进行统筹安排。根据目前盾构施工进度情况，左线掘进至315环，距离苏州运河345环，右线即将进行始发，距离苏州运河690环。考虑盾构穿越运河前盾构机进行全面检修及维保时间3天，左线计划于2014年4月20日进入苏州运河范围，2014年5月15日穿越结束，历时26天。右线计划于5月25日进入苏州运河范围，6月15日穿越结束，历时20天。

4、盾构穿越苏州运河施工工艺流程

盾构穿越苏州运河施工流程图见下图4.1-1所示。

图4.1-1 盾构穿越苏州运河施工流程图

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5、前期盾构施工参数总结

盾构左线前期施工过程中，主要穿越了公园及公园内小河流、农田、荒地等地段，穿越的主要地层为④2粉土夹粉质粘土层，部分④1粉质粘土与少许⑤1粉质粘土层。与盾构穿越苏州运河段地层情况一致。经过前期推进参数的选取、调整，现对掘进参数进行总结，作为选取穿越苏州运河掘进参数的基础。参数总结见表5.2-1所示。

表5.2-1 盾构前期掘进参数总结

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 项目 土仓上部压力值 总推力 同步注浆量 掘进速度 出土量 同步注浆浆液稠度 平均盾尾油脂用量 刀盘转速 刀盘扭矩 单位 MPa kN 方/环 mm/min 方/环 cm kg/环 r/min kN2m 最大值 最小值 平均值 0.24 14000 6.5 48 39.8 12.5 55 2.1 2300 0.19 11000 5.2 20 39.4 11 45 1.4 1900 0.22 12500 6.1 40 39.6 12 50 1.8 2100 6、施工方法及技术措施

借鉴前期盾构掘进参数，结合苏州运河段地质、埋深、线型等具体情况，在盾构穿越苏州运河期间主要采取以下措施。

1、推进土压及出土量控制

（1）隧道穿越苏州运河范围，主要位于粉土夹粉质粘土地层中，隧顶最小埋深11.6m。在盾构到达河床前，对照隧道排版，结合管片超前量，推算盾构过河段每一环管片的实际埋深，并对照地质勘察报告及实测水深，计算实际的水土压力；在计算当前环的土压时，应特别注意盾构机长度，施工时应明确刀盘、盾尾到达河床与离开河床对应的实际管片环号，以便适时调整土仓压力。

（2）根据前期施工出土量统计及分析情况，设计出土量为39.4m3，实际出土量平均约为39.6m3，出土松散系数基本为1（前期施工中未出现出土量异常情况）。盾构每环的出土量由跟班技术员根据渣土斗存方实际测量得出，保证出土量测量精度。

出土量的控制通过调整螺旋机转速来实现，与土仓压力直接挂钩，必须由盾构司机、跟班

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技术员针对刀盘扭矩、总推力、掘进速度等参数进行综合权衡，最低要求：盾构掘进速度不小于35mm/min，刀盘扭矩不大于2500kN?m，总推力原则上不大于15000kN，主轴承温度不大于40℃；在最低要求的基础上，最大限度减少出土。

2、推进速度、刀盘转速与扭矩

盾构机过河段，快速均匀推进，推进速度控制在35～45mm/min之间，以保证盾构迅速过河为目的。

3、螺旋机控制

盾构过河段相比较其他地段，更容易发生螺旋机喷水现象；因此，在盾构过河期间，螺旋机的开口率应降低，以能满足出土要求即可为控制目标。同时，为防止螺旋机喷水对施工带来影响，应提前准备污水泵、铁锹、编织袋、小土斗等工具与材料，保证即使螺旋机涌水，也能够迅速处理喷涌的泥浆、泥沙，保证不耽误盾构推进。

4、盾构姿态

盾构穿越苏州运河段，平面线型为直线段，纵断面线型为3.502‰（右线3.56‰）的下坡段。穿越前，将盾构平面姿态控制在±200mm之间，垂直姿态控制在设计轴线以下30mm。穿越过程中，加强对自动测量控制点的复测，并控制盾构姿态的纠偏量，确保以既定姿态推进。

5、管片拼装

根据设计，本工程管片采用错缝拼装。管片的拼装从隧道底部开始，先安装标准块，依次安装相邻块，最后安装封顶块。安装封顶块时先径向搭接约2/3管片宽度，调整位置后缓慢纵向向顶推。管片安装到位后，及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管片，然后移开管片安装机。

安装封顶块前，在K块两侧涂刷肥皂水，产生润滑作用，方便K块顺利安装，防止K块外弧面产生破碎，减少对遇水膨胀橡胶止水条的挤压拉伸。

管片每安装一片，先人工初步紧固连接螺栓；安装完一环后，用风动扳手对所有管片螺栓进行紧固；管片脱出盾尾后，重新用风动扳手进行紧固。

⑴管片质量要求

管片表面不得出现裂缝、破损、掉角等现象，根据技术规范要求。 ⑵管片的运输、堆放

管片由运送车辆从管片生产工厂运至施工场地，在施工场地安装弹性密封条、传力衬垫等，

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然后根据管片运输指令经工地门吊垂直运送到编组列车上，再经电瓶车运至隧道内工作面进行拼装。

表6.3-1 管片拼装允许偏差和检验方法

序号 1 2 项目 相邻管片径向错台 相邻管片环面错台 允许偏差(mm) 5 6 检验方法 尺量 尺量 检查频率 4点/环 1点/环 ⑶纵、环向螺栓连接

本标段均采用M30弯螺栓，每环纵向16根，环向12根，计28根/环。

管片连接是保证管片拼装质量的重要环节，在施工过程中还应加强施工控制，做到以下几点：

①管片螺栓两端连接螺纹露在螺母外侧的长度相差不超过5mm；

②防止管片拼装时产生“错台”，紧固螺栓前认真的进行对位；

③拧紧管片连接螺栓，螺栓紧固采取多次紧固的方式。管片拼装过程中安装一块初紧一块螺栓，拼装结束后应及时对环纵向螺栓进行二次紧固，盾构掘进下一环时，借助推进油缸推力的作用，再一次紧固所有螺栓尤其纵向螺栓。隧道贯通后，必须对所有环纵向螺栓进行复紧。

⑷环面超前量的控制

定期检查管片环面超前量，当超前值过大时及时调整楔形位置，保证管片整环环面与隧道轴线的垂直度。

6、管片防水

(1)粘贴止水条及弹性橡胶垫板前，管片表面保持干燥，浮灰用毛刷清理干净。如遇雨天施工，搭设防雨棚，防止止水条遇水膨胀，导致后期失效。胶粘剂涂刷均匀，密封垫沟槽内应涂满。涂刷后，晾置一段时间，待手指接触不粘时，在加止水条及橡胶垫板进行粘贴；

(2)止水条粘贴后，四角不得出现耸肩，塌肩现象，表面在同一个平面上，严禁歪斜、扭曲；

(3)在粘贴完成12小时内，管片不得下井拼装；

(4)为加强管片角部防水，在密封垫外交部粘贴自粘性橡胶薄片；

(5)拱底90°范围采用聚合物水泥砂浆进行嵌缝，拱顶可不嵌缝，若接缝渗漏水，及时进行二次注浆封堵，确保基面干燥后，拱顶45°范围采用聚硫密封胶进行嵌缝；嵌缝作业在盾

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构机千斤顶影响范围之外及隧道隆沉稳定后进行。

(6)上半部的管片手孔不封堵，外露螺栓采用喷锌防护后涂刷环氧密封封底涂料，下半部的管片手孔采用AEA微膨胀水泥砂浆封孔。

7、做好同步注浆与二次注浆

盾构穿越河底时，由于地层含水量高，水压力高，注浆时必须遵循“同步注入，快速凝结，信息反馈，适当补充”的原则注浆。

（1）同步注浆

根据隧道洞身穿越地层的特点，为能尽早充填盾尾建筑空隙及时支撑管片周围岩体，防止地层产生过大变形而危及周围环境安全，采用盾构边掘进边注浆方式，通过盾构机自设的同步注浆系统及管片预留注浆孔，注浆在盾构尾建筑空隙形成的同时进行。

（2）二次注浆

同步注浆使盾尾建筑空隙得到及时填充，地层变形及地表沉降得到控制，在浆液凝固后，强度得到提高，但可能有局部不够均匀或因浆液固结收缩产生空隙，因此为提高背衬注浆层的防水性及密实度，必要时再补充以二次注浆，进一步填充空隙并形成密实的防水层，同时也达到加强隧道衬砌的目的。

二次注浆一般在管片与岩壁间的空隙充填密实性差而致使地表沉降得不到有效控制或管片衬砌出现较严重渗漏的情况下才实施。施工时采用地表沉降监测信息反馈，结合洞内探测管片衬砌背后有无空洞的方法，综合判断是否需要进行二次注浆。

⑶注浆材料、浆液配比及性能指标

为保证盾构快速穿越苏州运河，防止注浆管堵塞造成注浆不及时，河床沉降，因此在穿越过程中要加强对同步注浆原材料的控制，保证原材料性能达标。注浆浆液要流动性好，便于盾构移动过程中持续不停的注浆，二次注浆材料要可注性强，能补充同步注浆的缺陷，对同步注浆起充填和补充作用。同步注浆、二次注浆初步采用的注浆材料及配比、性能指标见表5.3-2浆液配比和性能指标表所示。

表6.3-2 浆液配比及性能指标表 注浆方式 石灰:粉煤灰:膨润土: 细砂:水 稠度 凝结时间 7天抗压MPa 14天抗压MPa 20 / >0.4 / >1 / 同步注浆 1 3.75 0.625 14.75 3.563 10～13 二次注浆 水灰比0.8:1 / 11

⑷注浆设备

浆液在洞外拌制，采用自行设计的浆液拌合站，拌制好的浆液由砂浆车运到洞内泵入盾构机自备的储浆罐中待注。

同步注浆采用盾构机后配套附带的同步注浆系统，补强注浆采用自备的KBY-50/70双液注浆泵。

⑸主要参数控制 ①注浆压力

同步注浆压力一般为1.1～1.2倍的静止土压力，本标段即0.1～0.4Mpa，二次注浆压力为0.2～0.4Mpa。

②同步注浆量

注浆量一般为理论注浆量的1.5～2.0倍，并应通过监测情况来调节。注浆量按下式进行计算：

Q=V2λ 式中：

Q——注入量（m3）

λ——注浆率（取1.5～2.0，曲线地段及沙性地层段取较大值，其它地段根据实际情况选定）

V——盾尾建筑空隙（m3） V=π（D2-d2）L/4

D——盾构切削土体直径（即为刀盘直径6.34m） d——管片外径（6.2m） L——管片宽度（1.2m）

V=π[（6.342-6.22）31.2]÷4=1.65m3 则： Q=2.48～3.3m3/环（系数考虑1.5～2） 中铁装备盾构机刀盘直径较大，因此注浆量增大：

V=π[（6.472-6.22）31.2]÷4*（1.5～2）=4.83～6.44m3/环

二次补强注浆量根据地质及注浆记录情况，分析效果，结合监测情况，由注浆压力控制。

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③注浆速度及时间

根据盾构机推进速度，同步注浆以每环的总注浆量而均匀注入，盾构机推进开始注浆开始，推进完毕注浆结束。

7.4施工监测 7.4.1监测内容

盾构穿越苏州运河期间，除日常的洞内管片收敛与隧道沉降监测外，要重点监测施工影响范围的河堤沉降。

7.4.2监测点布设

1、隧道隆陷监测点布设

按照规范和设计要求，隧道隆陷监测点每5-10m设置一断面。现场在盾构始发段及接收段各100m范围内，每5m设置一断面，其余正常地段每10m设置一断面。隧道隆沉监测点布置图见图5.4.2-1所示。

图5.4.2-1隧道隆沉监测点布置断面图

2、河堤范围沉降监测点布设

盾构到达前，应在对应隧道轴线位置布设好苏州运河两岸河堤的监测点，并做好初始值的采集。同时，在河堤周边布设测量控制点，包括至少2个平面导线点、1个水准点，用以准确

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定位盾构机所在位置，便于应急处理。

沉降观测点沿河堤进行布设，点横向（沿河堤方向）间距3m。河堤宽50cm，监测点布设至河堤中部（宽度方向居中）。对河堤的沉降监测，测点采用钻孔形式穿透河堤表面的浆砌片石，并用直径20mm的螺纹钢钉入，螺纹钢长度1m，外露0.1m，具体点位布置见图5.4.2-1，5.4.2-2所示。

对于河堤外侧泥土地面，埋设地表沉降观测点。为保证监测效果良好，在沿隧道中轴线每6m设一纵向沉降观测点的基础上，两侧各3m各布设一沉降观测点。

图7.4.2-1 苏州运河小里程侧监测点布设图

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图5.4.2-2 苏州运河大里程侧监测点布设图

7.4.3监测频率与报警值

盾构穿越期间，对河堤的监测按照每天2次的频率进行，上午九时、以及下午四时各1次；穿越后按照每天1次的频率，沉降稳定（单次变化值小于±0.3mm）后逐渐降低频次至每月1次。

河堤沉降的单次允许值为±3mm，累计允许值为-30mm～+10mm；报警值为允许值的60%，即：单次±1.8mm，累计-18mm～+6mm。

当河堤沉降监测时间达到报警值时，在隧道内对应河堤范围，通过管片上部注浆孔压注单液浆，单液浆配比为水（kg）：水泥（kg）=1：1。压注过程中加强监测，直至沉降稳定。

7.4.5监测技术保证措施

⑴在盾构到达运河前完成监控量测点的布设，提前测得初始读数，监测点的设置根据规范和设计要求进行，避免监测数据失真。各监测仪器按照有关规定由有资质的机构定期检定，并且使用时处于有效检定期内。

⑵由于本项目的施工监测为委外施工。项目部测量主管作为与监测单位的联系人，负责督

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促、协调和收集监测日报、周报等相关监测报表，并负责将监测日报报至项目经理、项目总工程师处，以便项目经理、总工对当天上报的监控量测数据进行认真分析，并签署下一步施工意见，一旦发现异常或超过报警值，及时进行原因分析并采取措施，并上报监理、业主及上级主管单位。

(3)由项目部指定专职安全员在穿越期间对苏州运河进行每日巡视，巡视不间断进行；安全员巡视时主要观察河水气泡现象，并随时上报结果。必要时，租赁船只在水面上进行观察。

8.2施工机械设备计划

盾构进入苏州运河范围前10环，即：左线650环、右线680环，将推进油缸推至最大行程，检查盾构掘进方向的前两道盾尾密封刷完好状况，如有损坏则对这两道盾尾刷进行更换。除此之外，对盾构施工所有机械设备进行专项检查，检查项目见表8.2-1。

表8.2-1盾构穿越苏州运河前机械设备检查细目表

机械设备名称 各部件（系统）名称 刀具 油脂注入系统 注浆系统 泡沫系统 膨润土注入系统 盾构机 螺旋机应急关闭系统 盾尾密封系统 电气控制系统 管片调运系统 渣土运输系统 电气系统 制动系统 门吊 限位系统 操控系统 供电系统 刹车系统 传动系统 电瓶车 倒车视频 操控系统 计量系统 搅拌站 骨料运输系统 搅拌机配料系统 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 在检查设备的同时，对日常的设备易损件进行备货，主要包括：

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⑴盾构机易损件：刀具、各部位传感器、油料滤芯、电器控制元件、双梁控制开关触点、隔膜泵密封圈、O型密封圈。

⑵门吊易损件配备：限位开关、空气开关、控制接触器等电器元件。 ⑶搅拌站易损件：空气开关、提升钢丝绳、密封盘根、限位开关。 ⑷电瓶列车：电瓶插头、刹车气管、保险丝。

⑸其他：临电开关、各型号熔断器、电力电缆、照明灯具、电箱等。

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