陳 健

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司， 山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

隨著城市化建設(shè)進(jìn)程和地下空間開發(fā)力度的不斷加大，超大型泥水盾構(gòu)工法在穿越江、河、湖、海等復(fù)雜水文地質(zhì)環(huán)境的隧道工程中得到廣泛應(yīng)用[1-4]。隧道施工過程中面臨諸如黏土類、淤泥質(zhì)類、砂土類、礫卵石類及巖石類等復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，尤其對(duì)同一工程，在不同地段或者同一斷面，盾構(gòu)可能穿越既有軟土類又有卵礫石類和巖石類的復(fù)合地層，對(duì)盾構(gòu)刀盤刀具的選型及其地層的適應(yīng)性提出了很高要求。同時(shí)，刀具作為易磨損件，需要經(jīng)常性更換，因而刀具更換效率是決定整個(gè)盾構(gòu)隧道工程施工進(jìn)度的重要因素。在以往盾構(gòu)施工過程中，更換刀具需通過人閘進(jìn)入遠(yuǎn)高于大氣壓力的開挖艙進(jìn)行帶壓換刀作業(yè)，這一過程往往存在以下缺點(diǎn)： 1)帶壓進(jìn)艙更換刀具對(duì)操作人員要求高，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)極大，對(duì)操作人員健康非常不利； 2)操作人員在開挖艙內(nèi)工作時(shí)間受限，作業(yè)效率低[5-7]。

當(dāng)前，盾構(gòu)刀盤刀具選型與帶壓換刀技術(shù)伴隨著工程的開展得到了一定的研究，并針對(duì)不同的工程地質(zhì)條件(如全斷面砂層、富水卵石層等)，總結(jié)相應(yīng)的施工措施，研究帶壓換刀技術(shù)的可行性和技術(shù)要點(diǎn)[8-10]，對(duì)換刀過程中刀盤前方周圍地層和刀盤艙內(nèi)氣密性要求、開挖艙氣壓的設(shè)定所存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行充分的分析與論證[11]，總結(jié)帶壓換刀作業(yè)安全管控措施[12-13]。然而目前針對(duì)“上軟下硬”復(fù)合地質(zhì)條件所開展的研究還不夠深入，總結(jié)也不夠全面。

本文結(jié)合武漢地鐵8號(hào)線越江隧道工程，對(duì)大直徑泥水盾構(gòu)長(zhǎng)距離穿越“上軟下硬”復(fù)合地質(zhì)條件下的刀盤刀具選型配置進(jìn)行分析研究，提出刀盤刀具的針對(duì)性配置方案，建立大直徑泥水盾構(gòu)常壓換刀技術(shù)體系，以期解決復(fù)合地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工的適應(yīng)性問題。同時(shí)，提出了一種常壓條件下軟土地層、軟硬復(fù)合地層安全、快速的滾刀、齒刀互換技術(shù)，為大直徑盾構(gòu)長(zhǎng)距離施工受刀具磨損、換刀作業(yè)等限制提供解決方案。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

武漢市軌道交通8號(hào)線越江隧道工程位于武漢長(zhǎng)江二橋上游450 m處，為直徑12.1 m的單管雙線復(fù)合襯砌盾構(gòu)隧道，見圖1和圖2。隧道全長(zhǎng)3 185 m，平面最小曲線半徑為700 m，采用直徑為12.53 m的泥水平衡盾構(gòu)施工。

圖1 武漢地鐵8號(hào)線越江隧道橫斷面示意圖

Fig. 1 Sketch of cross-section of Yangtze River-crossing tunnel on Wuhan Metro Line No. 8

圖2 武漢地鐵8號(hào)線越江隧道位置示意圖

Fig. 2 Location of Yangtze River-crossing tunnel on Wuhan Metro Line No. 8

1.2 工程地質(zhì)條件

武漢地鐵8號(hào)線越江隧道地層剖面如圖3所示。越江隧道在江中長(zhǎng)距離(1 100 m)穿越復(fù)合地層，上部為軟弱透水的粉細(xì)砂層，下部為強(qiáng)風(fēng)化礫巖、弱膠結(jié)礫巖及中等膠結(jié)礫巖，巖層分布長(zhǎng)度占隧道總長(zhǎng)度的42%，地層呈明顯的上軟下硬，施工難度極大。隧道最大埋深為35.5 m，最小埋深為10.49 m。江底最大水土壓力達(dá)0.59 MPa，要求盾構(gòu)承壓能力強(qiáng)。

A—粉質(zhì)黏土； B—粉砂； C—粉細(xì)砂； D—圓礫； E—礫巖。

圖3武漢地鐵8號(hào)線越江隧道地層剖面圖

Fig. 3 Geological profile of Yangtze River-crossing tunnel on Wuhan Metro Line No. 8

復(fù)合地層以巖層為主，但絕大部分為散體狀的強(qiáng)風(fēng)化礫巖和泥質(zhì)膠結(jié)的極軟巖。隧道底部巖芯取樣如圖4所示。地層特性統(tǒng)計(jì)見表1，結(jié)果顯示有約430 m的鈣質(zhì)膠結(jié)礫巖，最大天然抗壓強(qiáng)度為24.40 MPa。

(a) 強(qiáng)風(fēng)化礫巖

(b) 弱膠結(jié)礫巖

(c) 中等膠結(jié)礫巖

Fig. 4 Bottom rock cores of Yangtze River-crossing tunnel on Wuhan Metro Line No. 8

2 盾構(gòu)刀盤選型

復(fù)雜的工程地質(zhì)條件要求武漢地鐵8號(hào)線越江隧道盾構(gòu)設(shè)備選型，特別是刀盤、刀具的選型，必須保證對(duì)1 365 m長(zhǎng)的復(fù)合地層有較強(qiáng)的適應(yīng)性，以達(dá)到開挖順利、換刀次數(shù)最少的目的。

針對(duì)武漢江底特殊地層，訂購1臺(tái)泥水加壓式平衡盾構(gòu)。盾構(gòu)刀盤如圖5所示，采用創(chuàng)新性復(fù)合刀盤設(shè)計(jì)理念，即在刀盤主臂內(nèi)布設(shè)軌跡覆蓋下半斷面4.5 m范圍的可常壓更換雙刃滾刀，并在其刀座上安裝可互換的并聯(lián)雙刃齒刀，當(dāng)其進(jìn)入江底復(fù)合地層后，再更換為雙刃滾刀。

刀盤開口率約28%，中心4 m范圍內(nèi)設(shè)有溜碴槽，依靠中心刀、先行刀及沖刷系統(tǒng)切削土體。

表1 地層特性統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of strata characteristics

圖5 盾構(gòu)刀盤實(shí)物Fig. 5 Shield cutterhead

3 刀盤刀具磨損與刀具選擇

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，在此類上軟下硬且?guī)r層強(qiáng)度較高的復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)刀具的磨損速度極快(見圖6)，需要通過經(jīng)常性刀具檢查更換才可完成復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)。

合理的、針對(duì)性的刀具設(shè)計(jì)形式和布置方式可以延長(zhǎng)刀具的使用壽命，減少刀具更換次數(shù)。刀盤刀具的合理設(shè)計(jì)以及如何在高水壓下安全高效地更換刀具將是本工程的重難點(diǎn)。

針對(duì)復(fù)合地層，提出以下主要應(yīng)對(duì)措施：

1)采用貝殼型先行刀和刮刀搭配的刀具體系，刀盤外圈掘進(jìn)斷面4.5 m高度區(qū)域布置15把48.26 cm(19英寸)雙刃常壓可更換滾刀，如圖7所示。

(a) 貝殼型先行刀

(b) 重型刮刀

(c)常壓可互換滾刀齒刀

2)盾構(gòu)刀具設(shè)置應(yīng)有層次性，先行刀、滾刀(齒刀)高出常壓可更換刮刀40 mm，常壓可更換刮刀高出固定刮刀20 mm，先行刀、滾刀(齒刀)先行破碎、疏松地層，為刮刀創(chuàng)造更好的開挖切削環(huán)境，固定刮刀作為二次切削和保護(hù)刀盤的第3層刀具。

3)采用可常壓更換刀具設(shè)計(jì)，刀盤內(nèi)部設(shè)計(jì)為中空，1/3的刀具可以實(shí)現(xiàn)常壓更換，其切削軌跡覆蓋整個(gè)開挖面。

4)選擇合適位置，及時(shí)對(duì)刀具進(jìn)行常壓檢查更換，同時(shí)在復(fù)合地層根據(jù)刀具磨損檢測(cè)預(yù)警，及時(shí)更換刀具，避免出現(xiàn)刀具過度磨損后繼續(xù)帶傷作業(yè)，傷及刀盤以致造成更大的施工風(fēng)險(xiǎn)。

5)確保盾構(gòu)推進(jìn)速度與出渣速度相匹配，減少地層中大顆粒在開挖艙中的堆積，避免刀具出現(xiàn)二次磨損。

6)全部滾刀均采用常壓可更換設(shè)計(jì)，并能實(shí)現(xiàn)滾齒互換，即在上軟下硬復(fù)合地層采取滾刀、先行刀、刮刀配合開挖理念；在全斷面軟土地層，把所有滾刀更換為單刃或雙刃齒刀(刀高與先行刀一致)，采用齒刀、先行刀、刮刀配合開挖理念。

4 常壓換刀技術(shù)

4.1 常壓換刀技術(shù)概述

常壓換刀是指施工人員在常壓下由通道進(jìn)入裝有磨損刀具的主刀臂內(nèi)，利用液壓油缸并配合刀腔閘板，在常壓條件下將刀具從刀腔內(nèi)抽出，待對(duì)刀具進(jìn)行必要的檢查與更換后，將刀具裝回，實(shí)現(xiàn)常壓刀具更換。

相較于帶壓換刀，常壓換刀的明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)為：

1)換刀的整個(gè)過程均在常壓下進(jìn)行，作業(yè)人員不需要置身于高壓環(huán)境中開展換刀作業(yè)，施工安全系數(shù)高且對(duì)作業(yè)人員身體健康無影響；

2)常壓條件下?lián)Q刀人員施工效率更高，同時(shí)省掉了帶壓換刀時(shí)加壓進(jìn)艙、減壓出艙等操作，并消除了帶壓換刀作業(yè)時(shí)時(shí)間長(zhǎng)度受限的不利影響，常壓換刀比帶壓換刀的施工效率提高了4～5倍[14-15]；

3)減少了帶壓進(jìn)艙作業(yè)所需的高黏度泥漿制備、泥漿置換和專業(yè)潛水作業(yè)及操艙人員等，精減了作業(yè)工序。

4.2 常壓換刀程序及滾刀更換技術(shù)要點(diǎn)

為適應(yīng)武漢地鐵8號(hào)線越江隧道江中段復(fù)合地層特點(diǎn)，根據(jù)可更換刀具的切削面需覆蓋整個(gè)開挖面的要求，本工程盾構(gòu)刀盤共設(shè)有76把常壓可更換刀具，包括61把軟土刀具和15把雙刃滾刀。

4.2.1 常壓換刀程序

4.2.1.1 準(zhǔn)備工作

1)換刀前進(jìn)行泥水大循環(huán)，盡可能多地排出土艙內(nèi)渣土，以防止細(xì)小砂礫在換刀時(shí)進(jìn)入刀腔，造成刀具安裝困難。

2)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，使所需更換刀具的刀臂呈豎直方向位于底部，連接氣管和高壓水管(開關(guān)刀具閘門時(shí)起沖洗作用)并接好艙內(nèi)安全照明。

3)根據(jù)換刀專用圖紙，選擇對(duì)應(yīng)的油缸、刀箱。

4.2.1.2 刀具更換

1)初始狀態(tài)如圖8所示： ①打開蓋上的球閥進(jìn)行放氣；②關(guān)閉外殼上的球閥。

1—蓋上的球閥； 2—外殼上的球閥。

圖8刀具初始狀態(tài)
Fig. 8 Initial state of cutting tool

2)移除蓋子。過程如圖9所示： ①松開螺栓；②移去蓋子。

1—帶墊圈的螺栓； 2—蓋子。

圖9蓋子移除過程示意
Fig. 9 Sketch of cover removal process

3)伸縮油缸安裝，過程如圖10所示： ①安裝伸縮油缸；②旋進(jìn)螺栓，并將其擰緊(擰至指定轉(zhuǎn)矩)。

1—伸縮油缸； 2—帶墊圈的螺栓。

圖10伸縮油缸安裝過程示意
Fig. 10 Sketch of installation process of telescopic cylinder

4)刀具更換設(shè)備安裝。過程如圖11所示： ①固定好刀具更換設(shè)備的位置，觀察機(jī)械編碼；②插入插銷，用彈簧銷將其固定；③旋進(jìn)螺栓，并將其緊固(擰至指定轉(zhuǎn)矩)；④連接液壓管。

5)移去刀具，松開螺栓，如圖12所示。

6)液壓管與油缸安裝。過程如圖13所示： ①連接液壓管；②安裝閘門夾鉗和液壓油缸。

7)移去刀具，閉合設(shè)備。過程如圖14所示： ①縮回伸縮油缸(外殼和里面的刀具回縮)；②縮回滑塊和液壓油缸，使之閉合。

1—刀具更換設(shè)備； 2—插銷； 3—彈簧銷； 4—帶墊圈的螺栓； 5—防扭保護(hù)、機(jī)械編碼； 6—液壓管連接點(diǎn)。

圖11刀具更換設(shè)備安裝過程示意

Fig. 11 Sketch of installation process of cutting tool replacement equipment

1—帶墊圈的螺栓。

圖12螺栓松動(dòng)過程示意
Fig. 12 Sketch of bolt loosening process

1—液壓管連接點(diǎn)； 2—夾鉗； 3—液壓油缸。

圖13液壓管與油缸安裝過程示意

Fig.13 Sketch of installation process of hydraulic pipe and cylinder

1—外殼； 2—閉合設(shè)備滑塊； 3—液壓油缸。

圖14設(shè)備閉合過程示意
Fig. 14 Sketch of equipment closure process

8)壓力補(bǔ)償。過程如圖15所示： ①當(dāng)閘門關(guān)閉后，利用球閥進(jìn)行壓力補(bǔ)償。將水管拆除，觀察刀腔內(nèi)是否有壓力以及泥漿流出。如果存在壓力和泥漿流出，說明閘門沒有完全關(guān)閉；如果不存在，就可以將刀具安全抽出。②壓力補(bǔ)償完畢后，關(guān)閉球閥。

1—球閥。

圖15壓力補(bǔ)償過程示意
Fig. 15 Sketch of pressure compensation process

9)移去刀具更換設(shè)備。過程如圖16所示： ①松開螺栓；②用工具移去刀具更換設(shè)備；③刀具抽出后，根據(jù)刀頭磨損情況更換刀頭。

1—帶墊圈的螺栓； 2—刀具更換設(shè)備。

圖16刀具更換設(shè)備移除過程示意
Fig. 16 Sketch of removal process of cutting tool replacement device

4.2.1.3 刀具安裝

刀具安裝按照刀具拆除的相反順序進(jìn)行，更換刀具體時(shí)要注意核對(duì)刀具編號(hào)，注意刀具合金的方向。新刀更換后將刀體準(zhǔn)確放至安裝位置，安裝之前在油缸上均勻涂抹黃油，將刀頭慢慢推進(jìn)至閘閥前，先開啟高壓水沖洗閘閥，再開閘門，然后將整個(gè)刀體準(zhǔn)確推至原位，緊固好刀體固定后座螺栓。

4.2.2 滾刀常壓更換技術(shù)要點(diǎn)

按照切削軌跡，本工程盾構(gòu)刀盤有3類可更換滾刀，對(duì)應(yīng)3種換刀方式。滾刀換刀操作步驟與軟土刀具相似，但由于滾刀工作原理更為復(fù)雜[15]，故滾刀常壓更換需額外注意以下技術(shù)要點(diǎn)：

1)由于滾刀一側(cè)加裝了磨損探測(cè)儀，因此在進(jìn)行換刀前，需關(guān)閉磨損探測(cè)球閥，并拆除磨損探測(cè)管線。

2)利用托架和刀筒夾具替代擺鐘型套筒，為滾刀刀筒固定和提升提供著力點(diǎn)，刀筒按照操作規(guī)程抽出規(guī)定長(zhǎng)度后，安裝托架和刀筒夾具，如圖17所示。待刀筒完全抽出后，配合上方的氣動(dòng)葫蘆與吊鏈，采用水平或傾斜的方式將刀筒吊出。

圖17 托架與刀筒夾具Fig. 17 Bracket and clamp of barrel

3)根據(jù)滾刀刀筒形式的不同，可伸縮油缸前端與刀筒的連接方式有2種，如圖18所示： ①利用插銷將雙油缸連接到刀筒兩側(cè)吊耳上(須保證兩側(cè)油缸同步伸縮)；②通過油缸鎖板連接到刀筒上。由于托架和夾具無法為刀筒回縮提供反作用力，因此油缸后端連接在油缸底座上。

(a) 雙油缸連接

(b) 油缸鎖板連接

4)刀筒伸縮過程中，應(yīng)嚴(yán)格確保刀筒上定位銷與閘門閥體上定位孔一致，由于滾刀布置位置的不同，部分刀筒需采取雙鏈起吊、傾斜吊出，起吊過程中須保證角度正確，吊運(yùn)過程中不出現(xiàn)大的擺動(dòng)，確保施工人員人身安全。

5)本工程盾構(gòu)全部滾刀均可進(jìn)行常壓下的滾齒互換。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)斷面在土質(zhì)軟弱地層與巖質(zhì)堅(jiān)硬地層間相互轉(zhuǎn)換時(shí)，需對(duì)滾刀刀位進(jìn)行滾齒互換，以滿足不同地層的切削要求。滾齒互換的刀筒抽出方式與滾刀更換相同，在刀筒抽出后對(duì)刀筒中的刀具進(jìn)行滾刀和齒刀的更換，此處不再贅述。

4.3 盾構(gòu)刀具地層適應(yīng)性切削配置技術(shù)

上軟下硬復(fù)合地質(zhì)條件對(duì)盾構(gòu)刀具布置提出了極高的要求，需要通過與地層相適應(yīng)的刀具配置來確保盾構(gòu)掘進(jìn)的高效率和刀具的低磨損。

4.3.1 全粉細(xì)砂斷面

該斷面位于武昌區(qū)一側(cè)陸基段，覆土厚度為33.49 m。

粉細(xì)砂地層相對(duì)較為松散，齒刀即可滿足土體切削的需求，因此將15把48.26 cm(19英寸)雙刃滾刀全部更換為齒刀，以齒刀、中心刀、撕裂刀組成刀盤第1層刀具，可以滿足在該地層條件下的正常掘進(jìn)需求。

4.3.2 粉細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化礫巖復(fù)合斷面

該斷面處于江中，水深23.50 m，覆土厚度為13.92 m，其中含粉細(xì)砂40.17%、強(qiáng)風(fēng)化礫巖59.83%。

該斷面包含超過一半的強(qiáng)風(fēng)化礫巖，該類巖體強(qiáng)度最高為13.2 MPa，結(jié)合齒刀的使用條件，在該地層條件下可利用齒刀對(duì)侵入巖體進(jìn)行一定范圍的切割，但是由于刀盤直徑較大，最外圈齒刀切削行程較長(zhǎng)導(dǎo)致最外圈齒刀磨損較為嚴(yán)重，因此在全粉細(xì)砂斷面的配刀基礎(chǔ)上，選擇部分最外圈齒刀更換為48.26 cm(19英寸)雙刃滾刀，每個(gè)主刀臂更換1把，共計(jì)設(shè)置6把雙刃滾刀。掘進(jìn)過程中利用雙刃滾刀和齒刀并輔以中心刀、撕裂刀，對(duì)強(qiáng)風(fēng)化礫巖先行進(jìn)行破碎切削。

4.3.3 粉細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化、弱膠結(jié)和中等膠結(jié)礫巖復(fù)合斷面

該斷面處于江中，水深21 m，覆土厚度為17.03 m，其中含粉細(xì)砂33.21%、強(qiáng)風(fēng)化礫巖40.98%、弱膠結(jié)礫巖9.06%、中等膠結(jié)礫巖16.75%。

該斷面含有強(qiáng)度達(dá)到24.4 MPa的中等膠結(jié)礫巖，該類巖體對(duì)齒刀磨損極為嚴(yán)重，且其斷面侵入高度達(dá)到2 m。在該斷面地層掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)利用雙刃滾刀作為主要破巖切削工具，確保雙刃滾刀的切削軌跡完全覆蓋中等膠結(jié)礫巖。針對(duì)本工程，需將全部齒刀更換為48.26 cm(19英寸)雙刃滾刀，以實(shí)現(xiàn)有效破巖切削。針對(duì)武漢地鐵8號(hào)線越江隧道上軟下硬復(fù)合地層提出的針對(duì)性刀具配置方案如圖19所示。

(a) 全粉細(xì)砂地層及首層刀具配置

(b) 粉細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化礫巖復(fù)合地層及首層刀具配置

(c) 粉細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化、弱膠結(jié)和中等膠結(jié)礫巖復(fù)合地層及首層刀具配置

5 結(jié)論與建議

1)針對(duì)本工程特殊的水文和地質(zhì)條件，采用創(chuàng)新性復(fù)合刀盤設(shè)計(jì)理念，通過滾刀、貝殼型先行刀和刮刀搭配的刀具切削配置體系，采用可常壓更換和滾刀齒刀互換理念，對(duì)刀盤刀具選型進(jìn)行了充分研究、實(shí)施和應(yīng)用，大大延長(zhǎng)了刀具使用壽命，保證了高水壓條件下刀具更換的作業(yè)安全，提高了刀具更換效率，降低了隧道施工風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用效果良好，是“軟土+硬巖”復(fù)合地層條件下盾構(gòu)掘進(jìn)的一個(gè)成功案例，可為類似復(fù)雜地質(zhì)條件的盾構(gòu)施工提供借鑒。

2)針對(duì)本工程江底不同巖性復(fù)合地層地質(zhì)條件，國(guó)內(nèi)首次開發(fā)應(yīng)用了常壓下滾刀更換和滾刀齒刀互換技術(shù)，針對(duì)性地提出了軟土、軟土+軟巖、軟土+硬巖3種不同地質(zhì)斷面下的刀具切削配置形式，并在本工程中成功應(yīng)用，極大地提高了掘進(jìn)效率，降低了高水壓江底換刀風(fēng)險(xiǎn)，縮短了作業(yè)周期。目前該隧道已順利貫通，施工中創(chuàng)造了在軟土地層月掘進(jìn)668 m、軟土+軟巖地層月掘進(jìn)226 m、軟土+硬巖地層月掘進(jìn)160 m的大型盾構(gòu)掘進(jìn)紀(jì)錄。

3)由于常壓換刀刀具、刀盤配置設(shè)計(jì)使得刀盤開口率降低，尤其刀盤中心區(qū)域開口率會(huì)更小，施工中容易造成切削碴土排出不流暢，在軟土中還易形成泥餅。為解決此類問題，在滿足刀盤切削軌跡要求的條件下，今后需進(jìn)一步優(yōu)化常壓可更換刀具的小型化設(shè)計(jì)，盡可能地增大刀盤開口率；同時(shí)為防止刀盤中心易結(jié)泥餅，需對(duì)刀盤中心區(qū)域刀高和刀盤中心流碴槽進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。

隨著超大型泥水盾構(gòu)工法在穿越江、河、湖、海等復(fù)雜水文地質(zhì)環(huán)境下的廣泛應(yīng)用，尤其針對(duì)高水壓地質(zhì)條件下在土巖復(fù)合地層、球狀風(fēng)化體、巖溶分布區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)的盾構(gòu)掘進(jìn)難題，刀盤刀具的適應(yīng)性配置、磨損刀具更換以及提高刀具的耐磨性等問題將是長(zhǎng)期性的研究課題。

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