铁道工程学报

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吴红刚, 冯帅, 李慈航, 董占林, 魏文斌

铁道工程学报. 2018, 35(9): 1-8.

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研究目的:在我国西北湿陷性黄土地区分布着广泛的铁路既有线,其中路基沉降问题严重困扰着线路的运营安全,已成为铁路既有线路基普遍而严重的问题之一。在当前既有线铁路不断提速和扩建的形式下,快速有效地治理黄土地区路基沉降问题以保证列车安全平稳的运行有着十分重大的意义。斜向高压旋喷技术因其具有机械操作简单、施工速度快、无需中断行车的优势,目前广泛应运于既有线铁路路基的加固,应用前景看好,但其相关的理论研究比较少。本文依据宝(鸡)中(卫)K 329～K 331段地基补强项目,设计不同角度的斜向旋喷桩复合地基模型试验,并借助FLAC^3D对模型试验结论进行验证。
研究结论:(1)不同角度的斜向旋喷桩复合地基承载力明显高于天然地基;(2)30°～90°范围斜向旋喷桩复合地基承载力为中间低两边高;(3)模型试验和数值模拟得出的复合地基承载力特征值相差不大;(4)桩体的角度越大,轴向压力最大值越大,角度越小,轴向拉力最大值越大;(5)综合模型试验和数值模拟数据初步提出了斜向旋喷桩复合地基承载力公式;(6)当旋喷桩角度较小时,建议以抗拉强度来控制桩体的强度;(7)本研究成果主要应用于铁路既有线路基病害整治工程。

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蒙华铁路路基全风化软质岩填料碾压工艺试验

罗强, 方东, 詹学启, 朱江江, 吴奇学

铁道工程学报. 2018, 35(9): 9-13.

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研究目的:蒙华重载铁路岳阳至吉安段软质岩填料占全线挖方总量近七成,设计采用全风化软质岩作为基床以下路堤填料。为得到全风化软质岩填料现场填筑时的合理含水率、松铺厚度和压实工艺,通过室内土工试验分析其基本物理力学性质,并开展现场填筑试验研究其作为基床以下路堤填料的碾压施工关键控制参数及工艺。
研究结论:(1)全风化软质岩填料的矿物成分中含有高达17.3%的富铁白云母,液限w_L=42.1%≥40%,塑性指数I_p=14.0,为高液限粉质黏土,属于D组填料;(2)现场填筑时,控制松铺厚度h≤0.35m、含水率w∈(w_opt-3%,w_opt),能达到地基系数K₃₀≥80 MPa/m的设计要求,对应的压实系数K≥0.95;(3)提出了全风化软质岩填料的合理碾压组合方式,即静压2遍+弱振1遍静压1遍+强振1遍静压1遍+静压2遍;(4)试验得出的结论可指导全风化软质岩在我国铁路路基工程中的应用。

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地震作用下高速铁路列车走行性三项指标分析

郭恩栋, 李娆饶

铁道工程学报. 2018, 35(9): 14-20.

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研究目的:为了研究地震作用下列车运行的安全性,利用多体动力学原理建立动力平衡方程,将地震激励与轨道不平顺激励视为车辆的外荷载,采用MATLAB编程分别计算不同地震作用下地震峰值加速度一定时,列车走行性三项指标(轮重减载率、脱轨系数、横向力)随车速的变化规律,车速一定时地震峰值加速度对三项指标的影响,并比较不同地震动对各项指标的影响程度。
研究结论:(1) 将地震动调幅至0.1g,不同地震动作用下轮重减载率在车速大于250 km/h均超过规定限值;(2)控制车速为100 km/h,在CHY004波作用下地震峰值加速度的增大均使得三项指标突增;(3)不同地震动作用对三项指标的影响有较大差异, 车速为300 km/h时,横向力在调幅0.2g的CHY004波作用下是TAFT波的4.89倍;(4)本研究成果可为地震作用下的高速列车走行安全提供一定参考。

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高速铁路有砟轨道横向阻力宏细观分析

井国庆, 付豪, 贾文利, 姚力

铁道工程学报. 2018, 35(9): 21-25.

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研究目的:道床横向阻力是保持列车平稳安全运行的重要因素,砟肩部位是横向阻力重要组成部分,但高速铁路为防治飞砟采取降低砟肩堆高措施,导致道床横向阻力降低。为探究不同速度等级下高速铁路有砟道床横向阻力变化情况,本文进行了Ⅲc型轨枕在不同道床几何断面下横向阻力现场试验。同时,基于3D扫描与离散元法,以颗粒簇Clump和墙体单元分别模拟道砟颗粒和轨枕,细观分析阻力大小、分担、力键及接触特性。
研究结论:(1)速度由200 km/h提升至250~300 km/h、300 km/h以上(350 km/h)道床断面条件下,试验结果分别相应降低6.6%、11.8%,数值研究分别降低12.6%、24.2%,建议300 km/h以上(350 km/h)应采取措施满足横向阻力要求;(2)轨枕底部及轨枕端部占约80%道床横向阻力,枕心部位道砟并未充分参与和作用,宜采取轨枕结构设计、密实和部分胶结方案;(3)轨枕底部-道砟在轨枕横向位移时接触数目较小,轨枕底部结构和纹理可进行优化以增大接触数目;(4)本文研究结果对不同时速下有砟道床断面选型具有一定指导意义。

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上跨津山铁路PC槽形梁的力学特性分析

田杨

铁道工程学报. 2018, 35(9): 26-30.

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研究目的:采用平面计算和空间分析相结合的方法,研究PC槽形梁在上部竖向荷载作用下的梁体应力、结构变形和自振特性等力学性能,分析有无端横梁对梁体受力的影响,从而为32 m客货共线铁路PC简支槽形梁的设计提供理论指导和科学依据。
研究结论:(1)竖向荷载作用下主梁腹板向槽口内侧倾斜,弯曲扭转共同作用使主梁上缘应力分布不均;(2)最不利荷载作用下梁跨中下缘纵向正应力在横桥向大致呈U形分布;(3)上部竖向荷载逐渐增大时,主梁的横向位移越来越大,槽口逐渐减小,梁端部的横向位移略大于跨中的;(4)端横梁有效改善了梁端道床板的受力,但对跨中道床板的影响甚微;(5)梁体振动表现为主梁、道床板相互作用共同参与振动,与简支板梁有所区别;(6)本研究成果可为类似PC槽形梁的结构设计提供参考。

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变曲率曲梁的单元等效节点荷载分析

董长军, 刘世忠, 冀伟, 李爱军

铁道工程学报. 2018, 35(9): 31-34.

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研究目的:变曲率曲线梁在工程中得到广泛的应用,对其进行数值分析时,需建立变曲率曲线梁的单元刚度矩阵和节点荷载矩阵。因跨间集中荷载和均布荷载无法直接参与计算,需将其转换为等效节点荷载。本文主要研究目的是获得变曲率曲线梁跨中集中荷载的等效荷载矩阵。在极坐标系下,依据虚功原理,推导出一端固定的悬臂梁在跨间荷载作用下的悬臂端位移,再依据位移等效和内力等效得到曲梁单元一端的等效节点力,进而根据静力平衡条件得到单元另一端的等效节点力与等效节点荷载矩阵。
研究结论:以两端固定的曲线梁在跨间集中荷载作用下为例,利用MATLAB编程与ANSYS有限元计算结果进行了对比,算例中竖向位移和扭转角误差较小,两者相差都在5%以内,得到如下结论:(1)等效节点荷载矩阵是正确的,验证了对变曲率曲线梁计算的有效性;(2)等效节点荷载矩阵的元素可用带参数的显函数表达,且所有参数都可直接引用;(3)推导的变曲率曲梁等效节点荷载矩阵可用于含等曲率梁的杆系结构的有限元分析。

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高铁大跨矮塔斜拉桥施工控制研究及应用

谢明志, 魏昌辛, 杨永清, 李晓斌, 张克跃, 张涛

铁道工程学报. 2018, 35(9): 35-41.

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研究目的:为确保高铁大跨矮塔斜拉桥高效、高精度的施工控制,使结构安全可控,且成桥内力、线形及索力满足设计要求,本文以新建怀邵衡铁路沅江特大桥(90+180+90)m矮塔斜拉桥为工程背景,根据理论计算、结构力学特点及工程面临的问题和挑战,建立适用于该复杂体系的施工控制体系,重点开展参数敏感性分析以探明力学行为特点,并建立线形控制、索力控制、应力控制计算及数据分析处理方法。
研究结论:(1)主梁变形及应力受梁体自重、预应力和斜拉索索力影响最大,混凝土收缩徐变和索梁塔温差均为影响成桥索力及塔偏的敏感因素;(2)与常规大跨斜拉桥相比,二者力学行为差异大;(3)理论及实践表明,采用的控制系统、计算分析处理方法确保了主梁线形平顺、应力安全可控、索力均匀,均符合规范及设计要求;(4)本研究成果可应用于类似复杂结构的施工控制。

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超大平面沉井基础下沉施工全过程受力特性

史良洪

铁道工程学报. 2018, 35(9): 42-48.

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研究目的:大型沉井基础具有整体性好、承载力强等优点,在桥梁基础中应用广泛。随着桥梁跨度的不断增加,沉井基础的面积也不断增大,给下沉施工中的沉井结构安全与施工控制带来越来越大的困难。本文针对连镇铁路五峰山长江大桥北锚碇超大平面面积沉井基础,对其下沉期间不同阶段施工工艺下沉井结构受力特性进行详细的计算与分析,从而为相应施工控制提供对策。
研究结论:(1)随着沉井平面面积的增加,沉井结构在初期施工过程中受弯效应明显,变形量非常小;(2)传统的“大锅底”施工方法不再适合,而需要均匀开挖下沉及中部土体支撑;(3)沉井终沉前摩阻力增大会导致滞沉,空气幕及射水等措施能够有效助沉;(4)提出增加预应力钢束以增强抗裂性及异常工况抵御能力;(5)本研究结论可为类似超大平面沉井基础设计提供参考。

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关于铁路特长隧道单、双洞模式的研究

刘赪

铁道工程学报. 2018, 35(9): 49-53.

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研究目的:随着铁路特长隧道数量的不断增加,特长隧道的运营安全成为运营部门关注的焦点,本文通过对国内外特长隧道火灾应对策略及火灾工况下疏散模拟等方面进行对比分析,从而为解决隧道火灾疏散安全及单、双洞设置模式提供理论依据和工程实例。
研究结论:(1)列车在隧道内着火时,绝对安全是不可能实现的,但可以通过合理的措施把风险降低到一个可以接受的低水平;(2)疏散安全主要取决于紧急救援站(隧道外比紧急救援站更安全)的间距;(3)按20 km的间距设置紧急救援站后,火灾列车不能到达紧急救援站的概率仅为0.01%,这个概率与单、双洞方案无关;(4)合理设置通风排烟及疏散工程后,特长隧道可以采用单洞双线方案;(5)本研究成果将主要应用于隧道防灾疏散救援和选线领域。

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第四系富水红砂岩地层隧道围岩变形特征研究

王志杰, 徐君祥, 徐海岩, 周平, 夏勇, 李瑞尧, 唐力

铁道工程学报. 2018, 35(9): 54-60.

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研究目的:富水条件下砂岩地层隧道开挖极易产生大变形。本文以蒙华铁路阳城隧道第四系富水红砂岩地层围岩大变形段为研究对象,通过室内试验、现场试验及数值模拟等方法,对围岩变形特征进行研究,从而提出围岩大变形的整治措施。
研究结论:(1)对地层围岩认识有限、支护与降水措施不到位,导致围岩背后脱空溜砂,是产生大变形的主要原因;(2)工法变更辅以加密降水能有效控制围岩变形,拱顶沉降、水平收敛降低60%~65%,掌子面挤出降低50%;(3)现场试验监测结果显示,大变形整治措施、工法变更辅以加密降水行之有效,围岩变形量皆在规范允许范围内,后续施工段拱顶沉降监测值与数值模拟值相差18%,拟合较好,数值模拟有一定可靠度;(4)本文提出的围岩大变形相关整治措施,可为类似地层隧道围岩大变形整治、控制围岩变形及隧道安全施工提供借鉴。

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地震对交叉隧道影响机制及抗震方案研究

朱正国, 杨利海, 刘桂朋, 王道远

铁道工程学报. 2018, 35(9): 61-66.

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研究目的:因立体交叉隧道会同时受到来自入射、反射、绕射等地震波导致的震动,其所受影响相比一般隧道而言更大。因此,对立体交叉隧道受地震荷载作用下隧道结构动力响应规律进行定量分析,分析确定影响隧道结构主应力各因素敏感性,从而优化抗震方案。
研究结论:(1)对立体交叉隧道净距、围岩级别、隧道埋深等因素对隧道结构加速度、应力以及位移的响应规律进行定量分析,得到隧道净距、埋深的增大和围岩变好对交叉隧道的抗震有利;(2)地震作用对交叉隧道的上跨隧道和下穿隧道影响敏感性大小都依次是围岩级别、隧道净距和隧道埋深;(3)改变隧道衬砌混凝土的强度抗震方案效果不明显,设置隔震层效果显著,但增加隔震层厚度对抗震影响较小;(4)本研究成果可为立体交叉隧道在地震荷载作用下的抗震设计提供指导。

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岩溶区段复杂地层盾构施工衬砌变形机理研究

李炜明, 任虹, 李正明, 石旭东, 张燕舞

铁道工程学报. 2018, 35(9): 67-74.

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研究目的:地铁盾构施工过程中衬砌变形受到诸多因素影响,有必要基于数值模拟计算与施工监测数据进行机理分析。本文基于某典型地铁区段工程,对岩溶地质、复杂地层条件下的衬砌变形机理进行研究。
研究结论:(1)本文对某岩溶地质复杂地层盾构施工的衬砌结构变形机理进行了分析,累计变形幅值拱底相对拱顶较大,二者整体分布在(-2.5, 2.0] mm的幅值区间,皆小于变形累计变形警戒值3.0 mm,本工程类似的岩溶地层中盾构施工衬砌变形较小;(2)岩溶地层盾构施工衬砌日变形幅值拱顶一般小于拱底,拱顶日变形大于0.7 mm的概率为3.9%,拱底日变形大于1.0 mm的概率为5.8%,二者的日变形警戒值建议取1.0 mm、2.0 mm;(3)地铁盾构施工衬砌6 m以外的周边已有构筑物,对衬砌结构的变形影响不显著;周边薄弱地层对衬砌结构变形影响显著;(4)本研究成果可为岩溶区间复杂地层地铁盾构施工衬砌结构的变形机理研究提供一定的理论参考及工程依据。

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水平层状围岩隧道稳定性及破坏机理研究

涂瀚

铁道工程学报. 2018, 35(9): 75-79.

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研究目的:水平层状砂质板岩隧道围岩施工稳定性是一个难点,为研究水平层状砂质板岩围岩隧道在不同影响因素下的安全稳定性,本文以同马山隧道工程为依托,对水平层状砂质板岩隧道的稳定性及破坏机理进行研究。
研究结论:(1)随着岩层厚度减小,洞室爆破开挖后成形困难程度增加,拱顶塌落范围增大,边墙、拱顶等位置破碎程度增加;(2)随着岩体坚硬程度及层理面结合程度降低,洞室由边墙部位发生轻微破坏到整体发生较大变形,成形困难,其中层理面对隧道洞室成形影响的最大段落是破碎带和裂隙带;(3)洞室失稳破坏是围岩压力与爆破动载共同作用的结果,拱顶与边墙处最易发生破坏,拱顶处破坏程度最大,边墙次之,拱腰处最小;(4)本研究成果可为水平层状围岩隧道的建设提供参考。

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桥桩施工对邻近既有地铁隧道影响实测研究

丁智, 何奇威, 叶星宇, 张世民, 周联英, 陈自海

铁道工程学报. 2018, 35(9): 80-87.

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研究目的:杭州市备塘路高架改造工程邻近已运营的地铁1号线,桩距离地铁最近为12.43 m,桩长67.9 m。因地铁1号线已有裂缝、渗水等状况出现,桩采用全套管钻孔灌注桩施工。为研究高架桥桩施工对邻近地铁隧道变形的影响,在桥桩施工过程中对周围深层土体水平位移、孔压、隧道结构水平位移和沉降进行监测。
研究结论:(1)已运营地铁隧道出现渗水、裂缝现象时,在邻近既有隧道的桩基施工时采用全套管钻孔灌注桩施工对地铁影响较小,满足地铁隧道安全保护要求;(2)全套管钻孔灌注桩施工时,孔压对埋深较浅隧道的影响波动较大,但恢复也较快,对埋深较深的隧道影响恢复较慢,相对于埋深较浅的隧道来说,其变形较大;(3)全套管钻孔灌注桩施工时,上层土体位移较大,对埋深较浅的道床沉降产生较大的影响,而深层土体位移较小,对埋深较大的隧道影响较小;(4)本研究成果对桩邻近已运营地铁隧道等类似施工工程具有参考价值。

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PBA法地铁车站施工诱发地表变形规律研究

任建喜, 曹西太郎

铁道工程学报. 2018, 35(9): 88-92.

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研究目的:PBA法在车站暗挖工程中的成功应用能够解决松散软弱地层大面积地下开挖兴建工程的技术难题,基于此,本文以西安黄土地区首个PBA工法车站为工程背景,对先期小导洞开挖数量及开挖顺序的合理确定进行研究,从而得到有效控制地表变形的开挖方式,为该车站的结构设计提供设计参考。
研究结论:(1)从车站竖向分析,采用“先上后下”开挖顺序不会对上层土体造成二次扰动,六导洞形式可减少地表沉降约20%,四导洞形式可减少地表沉降约15%;(2)从车站横向分析,采用“先边后中”开挖顺序可有效减少导洞间的群洞效应,六导洞形式可减少地表沉降约10%,四导洞形式可减少地表沉降约10%;(3)从围岩塑性区范围上分析,导洞塑性区主要表现在导洞肩部、帮部及底部,四、六导洞形式采用“先上后下,先边后中”开挖顺序,导洞间塑性区贯通程度及范围都明显减小,可减小由于多导洞开挖对周围土体产生群洞效应的影响;(4)采用“先上后下,先边后中”开挖顺序可有效控制地表变形及塑性区范围,该设计方案可为日后类似黄土地区PBA工法地铁车站提供结构设计依据。

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盾构下穿楼房桩基主动托换优化技术研究

孙峰

铁道工程学报. 2018, 35(9): 93-97.

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研究目的:随着城市地铁的快速发展,盾构机在下穿楼房过程中需对侵入隧道的桩基进行切除,减少盾构掘进施工对所下穿楼房安全的影响,因此对建筑物基础沉降与变形控制进行研究显得尤为重要。本文以某煤厂宿舍下部盾构施工为研究对象,探究隧道盾构穿越时的结构安全,基于现场实际施工条件,研究优化主动托换技术。通过设计“一梁托多柱”的主动托换体系,并集成静力水准测量技术和PLC位移自动控制技术,开发沉降监测和自动调控系统,分析地基处理和托换桩组合工作效应。
研究结论:(1)盾构下穿对建筑物造成扰动,影响原有的支护稳定,致使地下隧道下部工程结构受到破坏;(2)采用主动托换优化技术可以解决施工中的稳定问题;(3)运用PLC系统可以有效的对沉降变形进行监测;(4)通过后期监测结构可知,沉降量控制在合理范围以内,满足施工要求;(5)本研究成果可为具有相同施工条件的工程施工提供参考。

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铁路建筑企业生态城产业结构多目标优化

吴杨, 李学伟, 李雪岩

铁道工程学报. 2018, 35(9): 98-103.

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研究目的:针对发达中心城市与周边欠发达地区的发展不均衡问题,依托大型铁路建筑企业的发展特点及优势,考虑能源消耗、污染排放、经济效益、就业、养老、交通等十种主要决策目标,建立了基于多目标的生态城产业结构优化模型来协调中心城市与周边县市的发展差异。采用多目标遗传算法对模型进行了求解,得到生态城产业结构的优化结果并进一步对资源参数进行了灵敏度分析。
研究结论:(1)产业结构的优化结果可以指导铁路建筑企业的发展与市场需求的不断匹配;增加生态城内相关产业的就业岗位数量以及提高增值税率可以有效解决周边县市就业及增加周边县市的收入;(2)本研究可应用于提高铁路建筑企业在政府产业政策指导下资源配置与市场需求的匹配精度。

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基于CBR的地铁工程事故应急决策方法研究

王兴鹏, 雷书华, 刘文梅

铁道工程学报. 2018, 35(9): 104-109.

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研究目的:地铁工程安全事故涉及因素多,关联关系复杂,一般很难直接获取事故因果关系规则,给事故应急处置决策带来困难。本文针对地铁工程安全事故应急决策的困境,在对地铁工程安全事故机理进行剖析的基础上,借鉴CBR理论构建面向地铁工程事故的案例表示模型,提出案例检索策略和案例相似度计算方法。
研究结论:(1)基于灾害系统理论对地铁工程事故发生机理进行分析,地铁工程事故是由孕灾环境、致灾因子和承灾体三要素共同作用的结果;(2)在对地铁工程事故案例特征要素剖析基础上提出的多层次案例结构化表示模型,可为案例检索提供基础;(3)地铁工程事故案例具有特征属性多、类型多样等特点,两级检索策略可提高案例的检索效率和有效性;(4)该研究成果可为地铁工程突发安全事故的应急决策提供支持和参考。

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2018年, 第35卷, 第9期　
刊出日期：2018-09-15

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