高家湾隧道瓦斯防治技术方案2文档格式.docx
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ZK79+056
5#车行横洞
K79+405
ZK79+423
6#人行横洞
K79+755
ZK79+756
1.2地形地貌
隧址区位于四川盆地东北部大巴山区,为中、高山构造剥蚀及岩溶侵蚀地貌区。
区内地形地貌受地层岩性和地质构造控制,地形起伏较大,多成高山、峡谷形态。
区内山坡陡峭,局部碳酸盐岩段呈现悬崖陡壁地貌景观,沟谷多成“V”字型,谷底陡窄,沟床坡降大。
勘察区内山脊最高约1274m,沟谷最低约525m,相对高差约749m。
隧址区纵向自然斜坡坡角一般20°
~40°
,局部为高30~50m的悬崖、陡壁;
横坡一般30°
~60°
。
斜坡上松、柏、杂树等灌、乔木等类植物茂密,基岩露头多出露于悬崖、陡壁及陡坎一带,在谷地、缓坡一带垦有水田、旱地,居民多沿南江河河谷两岸分布,山体上部人烟稀少。
隧道进口处于谭家坝南江河谷(竹叶潭段)右侧谷坡下部,该坡为反向坡,进口段斜坡自然坡度一般24~50°
,平均38°
坡体覆盖松柏林及灌木杂草,局部段基岩出露。
出口位于何家沟附近的南江河谷谷坡下部斜坡带,洞口上方为坡度较陡,出口段斜坡坡度35°
左右,下部坡度较缓,约20°
出口斜坡体植被主要为少量草丛、灌木,基岩大部分出露,斜坡下部缓坡带被垦为旱地。
1.3地层岩性
隧址区出露的地层有第四系全新统(Q4)松散堆积层、三叠系下统(T)、二叠系(P),志留系(S)地层,其中二叠系上统(P2)吴家坪组(P2w)和二叠系下统(P1)为煤系地层。
现由新至老将各层分述如下:
1.3.1崩坡积层(Q4c+dl)
块石土:
色杂,以灰、黄灰色为主,松散~稍密,稍湿,主要粒径组成:
>
200mm约占50~65%,200~20mm约占15~25%,余为角砾及粉、粘粒充填,石质成份为泥灰岩、灰岩、盐溶角砾岩、砂岩及泥(页)岩,呈棱角状,部分呈强风化状,结构极不均,局部碎石、角砾及粉粘粒富集,透水性较好,一般厚2~6m,主要分布于悬崖脚、陡坡及局部沟谷地带。
碎石土:
灰、黄红色,松散~稍密,干燥~稍湿,主要粒径组成为:
200mm
约占10~20%,200~20mm约占50~60%,20~2mm约占10~15%,余为粉粘
粒充填,石质成分为强风化的灰岩及盐溶角砾岩等,呈棱角状及次棱角状,
厚度变化较大,据初勘钻孔AK79740L10及ZK80+100L5揭露厚约8~12.10m。
该层主要分布于隧道出口缓斜坡地带,部分表层被垦为旱地。
1.3.2坡残积层(Q4dl+el)
粉质粘土,以褐黄色为主,可塑~硬塑状,湿土可搓成2~3mm的土条,干强度中等,韧性中等;
土质不均匀,局部约含25~30%的角砾及碎石,成份多为粉砂质泥(页)岩、灰岩等。
主要分布于隧址区平缓斜坡地带表层,厚度一般约0~2m。
1.3.3冲洪积层(Q4al+pl)
漂石土:
杂色,松散~稍密,潮湿~饱和;
一般粒径组成:
>200mm约占50~60%,200~20mm约占20~30%,20~2mm约占10~15%,余为砂粒及少量粉粘粒充填。
石质成分主要为中风化的灰岩、花岗岩、闪长岩等,呈圆~次圆状,级配一般。
该层厚约5~12m,主要沿南江河河床分布。
1.3.4三叠系下统(T)
嘉陵江组(T1j):
岩性为灰色中-厚层状灰岩及岩溶角砾岩为主,夹少量泥灰岩等。
岩溶角砾岩为钙质胶结或泥质胶结,属易软化岩,且该层深部多夹有石膏层;
受构造影响,该地层多被挤压破碎。
区内地表该地层中可见大量溶蚀孔洞、竖直溶隙及少量小型溶洞等,部分由泥质及原岩碎石等充填。
该层厚约532~587m,整合于铜街子组(T1t)之上,分布于洞身K79+616(ZK79+629)~隧道出口一带。
铜街子组(T1t):
岩性红灰、紫红、灰色薄~中厚层状钙质泥岩、泥灰岩与灰岩不等厚互层,并夹少量薄层泥岩、钙质胶结的砾岩,层间结合一般。
据AK79100L15及地面调查,区内该段岩溶不发育;
受构造影响,该组岩石多处被挤压破碎,并拌随有隐伏的小型断裂破碎带(破碎带宽约2~5m)。
该层厚约200m,整合于飞仙关组(T1f)之上,主要分布于洞身K79+361~K79+616(ZK79+353~ZK79+629)段。
飞仙关组(T1f):
根据岩性组合分为四段:
第一段(T1f1)为灰、紫灰色薄~中厚层状灰岩夹少量钙质泥岩及泥岩、泥灰岩,厚约142m;
第二段(T1f2)为紫红、红灰色钙质泥岩夹泥灰岩及少量薄层灰岩,厚约364m;
第三段(T1f3)为中~厚层状灰岩夹鲕状灰岩,厚约60m;
第四段(T1f4)为紫红、红灰色钙质泥岩与泥灰岩不等厚互层,局部夹少量薄层灰岩,厚约152m。
区内该组岩石岩溶不发育,仅在T1f1、T1f3灰岩地层中发育有少量竖直溶隙。
该组平行不整合于二叠系之上,区内总厚约600~660米,分布于洞身K78+705~K79+361(ZK78+700~ZK79+353)段。
1.3.5二叠系上统(P2)
吴家坪组及大隆组(P2d+w):
吴家坪组为区域含煤地层,以含燧石灰岩为主,夹灰岩;
底部(P2w1)为薄层状泥岩、泥灰岩夹炭质泥岩、薄煤层或煤线,厚约2~5m,其中煤层厚约0.20m,区内地表未出露。
大隆组为灰岩、硅质岩、含燧石灰岩,厚度及岩相变化较大。
区内该组岩溶发育程度弱,地表主要发育有溶隙、溶沟及石芽等,据钻孔AK77600L15揭露,该层小型溶洞及溶孔等发育,使得岩体完整性差。
该地层平行不整合于茅口组(P1m)之上,总厚约200~240米,分布于洞身K78+231~K78+705(ZK78+284~ZK78+700)段。
1.3.6二叠系下统(P1)
茅口组及栖霞组(P1m+q):
茅口组为厚层状灰岩,下部夹少量砂质泥岩;
其下栖霞组为厚层状灰岩夹有沥青质条带,并夹薄层泥岩,岩层层间结合较好。
该组地表溶蚀现象明显,主要表现为溶蚀孔洞、溶隙、溶沟及石芽等。
该组整合于梁山组(P1l)之上。
区内该层厚度约229米,分布于洞身K77+780~K78+231(ZK77+808~ZK78+284)段。
梁山组(P1l):
为区域含煤地层,岩性为黄灰、黄褐薄层状泥岩、泥质粉砂岩,夹炭质泥岩、薄煤层或煤线,煤层厚度约0.20m;
岩层层间结合差,遇水易产生层间剥离现象。
该组平行不整合于志留系之上,厚度不均匀,约0~30米,隧址区地表未出露。
1.3.7志留系中下统(S1+2)
新滩组及罗惹坪群(S1x+S2l):
岩性主要为黄灰、黄褐、绿灰色薄状砂质页岩、页岩夹粉砂岩、粉砂质泥岩,岩石层间结合差~较差,失水易开裂、易产生层间剥离现象,遇水易软化。
该层厚约793~998米,分布于隧道进口~K77+780(ZK77+808)段。
1.4地质构造
隧址区位于扬子准地台北缘,构造线方向近东西向,隧道依次穿越向斜-背斜-向斜-背斜(即S6~S9),均为斜歪褶皱,并发育断层1条,且局部可能发育隐伏的小型断层(破碎带宽度约2~5m),区内地质构造复杂。
1.4.1褶皱
S6向斜:
该向斜轴部与拟建隧道交于K76+986(ZK76+979),隧道穿越段发育于S2l地层中,岩性为砂质页岩、页岩夹粉砂岩或粉砂质泥岩等,为储水构造。
区内段向斜枢纽呈弧形,总体近E-W走向,延伸长度约2.5Km,轴面倾向N;
其北翼岩层产状201~239°
∠16~21°
,南翼岩层产状310~320°
∠16~37°
;
轴部岩层较宽缓,据初勘钻孔AK76455L15揭露,钻孔RQD值一般达79~91%,岩体较完整。
故,S6向斜轴部岩体较完整,仅局部可能存在有小型挤压破碎带。
S7背斜:
该背斜轴部与拟建隧道交于K77+452(ZK77+447),隧道穿越段发育于S2l地层中。
区内段背斜枢纽顺直,呈NNE-SSW走向,延伸长度约3Km,轴面倾向N。
其NE翼岩性主要为砂质页岩夹粉砂岩等,岩层产状310~320°
SW翼岩性为灰岩、含燧石灰岩,夹少量薄层泥岩及页岩等,岩层一般产状168~190°
∠34~46°
靠S8向斜部位岩层近直立,且局部可能有隐伏的小型挤压破碎带(宽度约1~3m);
该背斜轴部宽缓,岩体较破碎。
S8向斜:
该向斜轴部与拟建隧道交于K79+297(ZK79+295),发育于铜街子组地层中,岩性主要为钙质泥岩与灰岩不等厚互层,局部夹薄层灰岩及灰质砾岩等,为储水构造。
区内段该向斜枢纽顺直,呈近E-W走向,延伸长度约3.5Km,轴面倾向S;
两翼岩层产状变化较大(即K79+060或ZK79+050以南),轴部附近一带挤压挠曲发育,其N翼岩层产状一般为170~185°
∠53~77°
S翼岩层产状一般为348~14°
∠60~88°
两翼近轴部岩层多直立,局部有岩层倒转现象,且可能发育有隐伏的小型挤压破碎带(宽度约1~3m)。
S9背斜:
该背斜轴部与拟建隧道交于K80+060(ZK80+059),发育于嘉陵江组地层中,岩性主要为盐溶角砾岩及灰岩。
该向斜枢纽顺直,呈E-W走向,延伸长度约4Km,轴面倾向N;
两翼岩层产状较稳定,其N翼岩层产状一般为325~350°
∠16~36°
,S翼岩层产状一般为149~170°
∠40°
1.4.2断层
F10断层:
为正断层,与拟建隧道交于K79+854(ZK79+846),位于S8向斜与S9背斜之间;
处于T1j地层中,岩性为盐溶角砾岩及灰岩夹少量泥灰岩。
该断层近E-W走向,倾向S,倾角约75°
,断层带地表可见宽度约2~4m,延伸长度约4Km,断距不详。
该断层下盘岩体破碎,主要表现为强烈的挤压揉皱现象,影响宽度约62.58m,与S8向斜S翼形成了较强烈的挤压变形带,且局部岩体呈倒转现象;
上盘岩体影响较小,岩层产状一般为325~350°
断层带岩体极破碎,透水性强,局部具泥化现象。
由于区内构造发育,岩性变化大,在K79+060(ZK79+050)至出口段岩层产状变化极大,结合初勘钻孔AK79100L10揭露情况,在K79+060(ZK79+050)至出口段局部可能发育有隐伏的小型断裂破碎带。
1.4.3节理裂隙
隧道区内岩体裂隙发育,现分段叙述如下:
①进口段(K75+906~K76+100、ZK75+914~ZK76+084)
主要发育有3组节理裂隙,分布于志留系下统新滩组(砂质)页岩中:
J1组节理产状114°
∠71°
,为张性节理,裂面较平直,光滑,具水锈,呈闭合,裂隙密度3~5条/米,延伸长度2~4m。
J2组节理产状N67~72°
W/90°
,为张性节理,裂面平直,较粗糙,具水锈,呈闭合状,裂隙密度6~9条/米,延伸长度3~5m。
J3组节理产状N18°
,为张性节理,裂面较平直,较粗糙,具水锈,呈闭合状,裂隙密度3~5条/米,延伸长度1~3m。
另外,该带岩性主要为页岩,其顺层裂隙发育,裂面平直,较光滑,具水锈,呈闭合状,为主控裂隙之一。
洞身段(K76+100~K80+040、ZK76+084~ZK80+031)
S1x+S2l地层段:
主要发育二组节理,J1组产状73~95°
∠76°
,部分反倾,裂面不平,较粗糙,具水锈,延伸长度1~3m,线密度2~4条/m;
J2组产状358°
∠81°
,裂面较平直,较光滑,延伸长度一般1~4m,局部可达8m,线密度4~6条/m。
P1+2+T1f地层段:
主要发育三组节理,J1组产状变化较大,一般为30~37°
∠49~75°
,裂面不平,粗糙,具水锈,延伸长度5~8m,部分由泥质充填,线密度4~7条/m;
J2组产状285°
∠57°
,裂面较平直,粗糙,延伸长度3~6m,线密度5~8条/m;
J3组产状235°
∠69°
,裂面较平直,较光滑,多由泥质充填,延伸长度6~10m,线密度1~3条/m。
T1t+T1j地层段:
主要发育有三组裂隙,J1组产状30°
∠49°
,裂面不平直,粗糙,具溶蚀现象,多由泥质充填,延伸长度2~4m,线密度1~3条/m;
J2组产状72~116°
∠65~73°
,裂面较平直,较光滑,多由泥质充填,延伸长度4~8m,线密度5~7条/m;
J3组产状180°
∠77~82°
,裂面不平直,较粗糙,具溶蚀现象,部分由泥质充填,延伸长度2~4m,线密度3~5条/m。
出口段(K80+040~+115、ZK80+031~+104)
主要发育三组裂隙,分布于Tj灰岩及盐溶角砾岩中。
J1组产状240~274°
∠74~80°
,部分反倾,裂面较平直,较光滑,部分由泥质充填,延伸长度3~6m,线密度1~3条/m;
J2组产状340~360°
∠60~85°
,部分反倾,裂面较平直,较光滑,延伸长度4~7m,线密度3~5条/m;
J3组产状185~195°
∠70~74°
,裂面不平直,较光滑,具溶蚀现象,部分由泥质充填,延伸长度5~10m,线密度2~4条/m。
1.5水文地质条件
隧址区处于光雾山以南,属南江河水系,进出口均处于南江河谷。
隧道在K77+780~至出口段穿越可溶岩地层,其中栖霞组(P1q)、茅口组(P1m)、吴家坪组(P2w)嘉陵江组(T1j)岩溶较发育~发育,其余可溶岩段岩溶发育程度弱,由于可溶岩段岩层倾角陡,且受到泥灰岩、钙质泥(页)岩等弱透水岩的夹持阻隔,因此岩溶发育有限,区内水文地质条件一般。
1.5.1隧道涌水预测及评价
经计算,隧道正常涌水量为QS=3510m3/d,最大涌水量为Q0=14773m3/d。
隧址区构造较复杂,揉皱发育,地表发育一条正断层(即F断层),且局部发育挤压碎带及隐伏小断层,其构造迹线均与隧道轴线呈大角度相交;
可溶岩分布广,出要分布于K77+780(ZK77+808)~至出口段。
经地面调查及钻探揭露,构造破碎带岩体破碎,透水性强;
由于岩石可溶性差异大,从而引起岩溶发育不均一。
虽然该隧道位于垂直循环带中的季节变动带,枯季地下水不发育,发生涌、突水灾害的可能性较小,但由于岩溶发育具不均一性,局部可能存在独立的岩溶储水空间;
岩性接触部位透水性能相差悬殊,地下水在运移至该带时易形成集中水流现象,隧道揭穿后仍可能存在突水、突泥灾害。
另外,该带地下水量受季节控制明显,具涨消迅速的特点,在雨季施工时,地表水会很快沿竖直岩溶管道(裂隙、溶隙、溶缝等)及构造破碎带在短时间内向隧道中入渗,从而对隧道造成集中涌、突水现象。
1.6主要工程地质问题
隧址区内主要的不良地质为岩溶、煤层瓦斯及顺层偏压现象;
特殊岩土为石膏。
1.6.1岩溶
隧址区内地表发育的岩溶形态主要有溶沟、溶槽、石芽及溶隙,在南江河沿岸可见大量水平溶洞。
由于区内可溶岩区构造发育,受纵张构造节理发育的影响,岩体破碎,但由于夹有透水性能与溶解性能均相对较弱的钙质泥岩及泥灰岩等,从而起到了一定的隔水作用,不利于地下水的补给、径流,从而使区内地下水无统一的地下水位,并降低了地下水对可溶盐的溶蚀、溶解,并促使区内岩溶呈纵向发育,且各岩性接触部位岩溶发育相对集中。
结合本次地面调查、钻探揭露及地面物探成果,该区T1f、T1t地层段地表岩溶发育微弱,P1q+m、P2w+d、T1j地层段岩溶发育中等~强烈。
1.6.2偏压
隧道位于S6向斜与S7背斜之间段落,岩性为(砂质)页岩、页岩夹粉砂岩,岩层层间结合差,且该段岩层走向与线路走向呈小角度相交,交角一般为11~31°
,岩层倾角16~37°
,隧道通过该段时,左侧围岩可能会产生不均匀应力,从而引起顺层偏压现象。
1.6.3煤与瓦斯
设计及地勘资料反映,高家湾隧道在ZK77+758~ZK78+355;
K77+729~K+286区间共有375m穿越P2w1及P1l地层中黑灰炭页岩及透镜状煤层或煤线,根据以往资料,炭质页岩及煤层中多具有害气体,虽厚度小,且厚度变化大,但由于该段埋深较大(约472~711m),煤层瓦斯可能得不到有效的释放,同时因隧道地质构造复杂、破碎带分布较多,竖向及水平贯穿性岩溶发育,瓦斯出露的方向不确定等不利因素,容易造成隧道开挖后发生瓦斯涌出或者局部存在瓦斯积聚的可能,故在隧道施工时必须保持良好通风,并严格按《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB10120-2002)要求采取必要的安全技术及管理措施,重点防止因瓦斯积聚而引起的突出、燃烧及爆炸。
由于未对瓦斯成分分析、瓦斯压力、煤层厚度变化、煤层结构类型、瓦斯地质构造复杂程度、煤层瓦斯放散初速度、煤层坚固性系数做详细勘察分析,应用地质指标分析法,针对影响突出的主控因素,按《防治煤与瓦斯突出细则》,目前暂时不能对该隧道煤与瓦斯突出危险程度进行评价。
1.7围岩级别划分
围岩级别对瓦斯的涌出、瓦斯的赋存情况的判定有密切关系,按照《公路隧道设计规范》(JTGD70—2004)规定的围岩分级方法,同时参考《公路工程地质勘察规范》,综合考虑隧道工程地质条件,主要是岩性特征及组合、岩层产状、裂隙发育及风化情况、岩体结构、钻孔岩芯采取率、Vp、Kv、RQD、BQ和[BQ]指标、岩体物理力学指标及水文地质情况等,将隧道围岩级别划分为V、IV、III级,具体段落详见隧道纵断面设计图。
表2围岩基本质量指标BQ、[BQ]值取值计算表
岩性
饱和极限抗压强度(MPa)
完整性系数Kv
BQ
修正系数
修正后
[BQ]
K1
K2
K3
中风化砂质页岩
17.465
0.20(进口)
192
0.5
0.3
112
0.718(洞身)
322
0.2
282
中风化灰岩
29.56
0.75(P1q+m)
366
0.1
356
0.576(T1t+f+j)
323
0.4
283
中风化燧石灰岩(P2w+d)
63
0.30~0.40
354~379
314~339
中风化
钙质泥岩
T1f
11.399
0.599
274
254
T1t
12.625
0.581
273
253
中风化盐溶角砾岩
12.848
0.35(洞身)
216
156
2《高家湾隧道瓦斯防治方案》编制依据
(1)《煤矿安全规程》
(2)《铁路瓦斯隧道技术规范》
(3)《防治煤与瓦斯突出细则》
(4)《煤矿安全技术操作规程》
(5)勘察资料及设计文件
(6)施工组织设计
3.瓦斯防治总体性技术方案
对隧道施工期间瓦斯防治采取机械通风、瓦斯检测监控、控制洞内瓦斯浓度、防止瓦斯积聚、控制洞内火源等措施,装备、技术与管理并重,确保隧道施工安全。
3.1瓦斯管理工区的划分及原则
根据目前提供的设计图纸、地勘资料及我院相类似工程项目的经验,我部初步将高家湾隧道的瓦斯管理工区划分如下:
1、非瓦斯工区段:
高家湾进口浅埋段:
K75+906~K76+100、ZK75+914~Zk76+084;
出口:
K80+000~K80+115、ZK80+000~ZK80+104;
依据:
(1)、洞口浅埋段地质结构单一,主要为堆积性土质和砂岩地层
(2)、洞口浅埋段埋深浅(10~80m),节理裂隙发育,岩体透气性好,瓦斯在地质年代得到了有效释放,不易存在瓦斯涌出。
2、瓦斯工区:
K76+100~K80+000;
ZK76+084~Zk80+000
(1)、虽然图纸在K77+729~K77+286;
ZK77+758~ZK78+355段穿越煤层,但因高家湾隧道地质构造复杂、破碎带分布较多,竖向及水平贯穿性岩溶发育,瓦斯容易贯穿于整个地层,造成隧道开挖后在贯穿的裂隙或者溶洞中涌出。
(2)、参照类似瓦斯隧道的经验,如:
达陕高速金竹山、狮子寨隧道;
六沾复线铁路乌蒙山隧道、成渝客专线龙泉山隧道;
兰渝铁路新歌乐山隧道,瓦斯设防及管理应贯穿于整个隧道,国内很多瓦斯爆炸事故并非完全是发生在瓦斯涌出点或者掌子面。
后段的管理更加应该得到重视,加大设防力度和检测频率。
3.2施工期间通风
3.2.1通风方案
根据施工方案,借鉴其他类似隧道成功通风实例,拟采用以下通风方案:
(1)进口端1#车行横洞未贯通前,采用左、右洞分别压入式通风。
风机安设距离洞口不少于20m。
如图1所示。
(2)进口端1#车行横洞贯通并完成支护后(此时隧道开挖深度约800m),采用巷道式通风。
封闭1#行人横洞,在1#车行横洞内安设射流风机,为尽量减少风筒从横洞穿过时形成急弯,从右洞往左洞送风形成巷道式通风系统,即右洞进风、左洞回风。
在右洞左帮1#车行横洞后方20m处安设压入式风机,风筒经1#车行横洞至左洞右帮送风至左洞掌子面;
在右洞右帮1#车行横洞后方20m处安设压入式风机,风筒送风至右洞掌子面。
如图2所示。
(3)进口端2#车行横洞贯通并完成支护后,封闭1#车行横洞、2#人行横洞,在2#车行横洞内安设射流风机,两台压入式风机前移至2#车行横洞后方20m处分别向左、右洞掌子面供风。
依此类推。
(4)出口端通风方式与进口端相似。
只需根据车行横洞与正洞的夹角关系确定射流风机的风流方向和两台洞内压入式风机的安装位置,避免风筒穿过车行横洞时出现急弯。
(5)局部瓦斯易聚集地方的通风措施
1、掌子面:
是瓦斯最易涌出和聚集的地方,也是危险性最高的地方,也是作业频繁及人员最多的地方,除正常通风外,应在开挖打眼、出渣找顶、测量放样、安设拱架、喷浆作业时均设置3台防爆型的6KW风扇;
2、防水板位置:
因瓦斯比空气轻,防水板在挂设后与初期支护的喷浆面有一定缝隙,容易造成瓦斯聚集,在绑扎钢筋焊接时,易发生危险,需要在此部分增加2台3Kw风扇。
3、衬砌台车位置:
衬砌台车阻塞断面大,前面且有已完成的混凝土阻挡,回风中易在台车与二衬之间50cm范围全断面形成瓦斯积聚,故在此部分增加2台6kw风扇。
3.2.2通风量及通风阻力计算
通风是排烟除尘和稀释瓦斯的主要手段,瓦斯隧道施工期间必须不间断通风。
(1)瓦斯隧道通风标准为:
隧道内任一点风速不小于0.25m/s、不超过6m/s。
氧气浓度:
不小于20%。
瓦斯浓度:
小于0.5%。
无局部瓦斯积聚现象。
CO浓度:
小于24PPm。
H2S浓度:
小于6.6PPm。
CO2浓度:
小于1.5%。
氮氧化物(换算成NO2)浓度:
小于2.5PPm。