摘 要:隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展,公路隧道工程在穿越復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí)面臨著諸多挑戰(zhàn),其中全風(fēng)化斷層破碎帶的開(kāi)挖施工尤為關(guān)鍵。這類地質(zhì)條件因其高度的破碎性、不穩(wěn)定性和低承載力,給隧道施工帶來(lái)了極大的安全風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)難題。因此,探索并優(yōu)化公路隧道全風(fēng)化斷層破碎帶的開(kāi)挖施工技術(shù),對(duì)于保障施工安全、提高施工效率、控制工程成本具有重要意義。本文旨在詳細(xì)探討公路隧道全風(fēng)化斷層破碎帶的開(kāi)挖施工技術(shù),從超前支護(hù)、開(kāi)挖方法、注漿加固及施工監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)行詳細(xì)分析,并提出具體的技術(shù)措施,以確保施工安全與施工質(zhì)量。
關(guān)鍵詞:公路隧道 全風(fēng)化 斷層破碎帶 隧道施工
0 引言
公路隧道作為交通建設(shè)的重要組成部分,其施工質(zhì)量直接關(guān)系到交通網(wǎng)絡(luò)的安全與順暢。然而,在隧道施工過(guò)程中,特別是遇到全風(fēng)化斷層破碎帶時(shí),由于巖體破碎、自穩(wěn)能力差、易風(fēng)化及易含水等特點(diǎn),常常導(dǎo)致塌方、涌水等安全事故,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度與人員安全。因此,深入研究全風(fēng)化斷層破碎帶的開(kāi)挖施工技術(shù),對(duì)于提高隧道施工的安全性與質(zhì)量具有重要意義。
1 全風(fēng)化斷層破碎帶的地質(zhì)特性
1.1 斷層與破碎帶的形成
斷層是地殼內(nèi)部巖石在受到長(zhǎng)期而強(qiáng)烈的構(gòu)造應(yīng)力作用下,發(fā)生破裂并沿破裂面有顯著位移的構(gòu)造現(xiàn)象。應(yīng)力通常源自板塊運(yùn)動(dòng)、地殼擠壓或拉伸等地質(zhì)過(guò)程。當(dāng)巖石層在垂直或水平方向上受到不同方向的應(yīng)力作用時(shí),巖層間會(huì)產(chǎn)生剪切力,當(dāng)剪切力超過(guò)巖石的強(qiáng)度極限時(shí),巖石便發(fā)生斷裂,形成斷層。斷層兩側(cè)的地塊可能相對(duì)上升或下降,形成地塹、地壘等地貌特征。
破碎帶則是斷層活動(dòng)過(guò)程中,巖石在應(yīng)力作用下發(fā)生破碎、研磨、位移后形成的帶狀區(qū)域。這些區(qū)域內(nèi),巖石的完整性受到嚴(yán)重破壞,形成大小不等、形狀各異的碎塊和裂隙。全風(fēng)化斷層破碎帶則是在此基礎(chǔ)上,由于長(zhǎng)期的風(fēng)化作用,使得破碎帶內(nèi)的巖石進(jìn)一步分解為松散的土狀物質(zhì),強(qiáng)度和穩(wěn)定性急劇下降,對(duì)隧道施工構(gòu)成極大挑戰(zhàn)。
1.2 地質(zhì)危害
由于風(fēng)化巖石的強(qiáng)度極低,壓縮性增大,隧道開(kāi)挖后,圍巖的自穩(wěn)能力極差,極易發(fā)生坍塌事故,嚴(yán)重威脅施工人員的生命安全。破碎帶內(nèi)的巖石破碎且不均一,不同巖性的巖石在外部荷載作用下會(huì)產(chǎn)生不均勻的變形和位移,導(dǎo)致隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承受不均勻的應(yīng)力,增加了支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞風(fēng)險(xiǎn)。此外,全風(fēng)化巖石極易吸水膨脹,一旦遇到地下水或雨水滲透,圍巖的穩(wěn)定性將進(jìn)一步惡化,可能引發(fā)大規(guī)模的塌方和涌水事故,不僅影響施工進(jìn)度,還可能造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。因此,在隧道穿越全風(fēng)化斷層破碎帶時(shí),必須采取科學(xué)有效的技術(shù)措施,加強(qiáng)超前支護(hù)、合理控制開(kāi)挖進(jìn)尺、及時(shí)注漿加固,并加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)與反饋,以確保施工安全與質(zhì)量。
2 全風(fēng)化斷層破碎帶開(kāi)挖施工技術(shù)
2.1 超前支護(hù)技術(shù)
2.1.1 超前小導(dǎo)管注漿
根據(jù)地質(zhì)勘察資料和隧道設(shè)計(jì)要求,精確確定小導(dǎo)管的布設(shè)位置、角度和密度。通常,小導(dǎo)管沿隧道拱部120°~150°范圍內(nèi)布置,外插角控制在10°~15°,以確保漿液能夠充分?jǐn)U散至破碎帶內(nèi)部。小導(dǎo)管的直徑和壁厚需根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行選擇,一般采用Φ42毫米熱軋無(wú)縫鋼管,壁厚不小于3.5毫米,長(zhǎng)度根據(jù)破碎帶的寬度和注漿壓力進(jìn)行確定。
注漿材料的選擇同樣至關(guān)重要。為了保證注漿效果,通常選用具有良好流動(dòng)性和膠凝性的水泥漿或水泥-水玻璃雙液漿。注漿時(shí),需嚴(yán)格控制注漿壓力和注漿量,確保漿液能夠充分填充巖層裂隙和破碎帶內(nèi)的空隙,同時(shí)避免注漿壓力過(guò)大導(dǎo)致圍巖破壞或漿液流失。注漿過(guò)程中,還需根據(jù)注漿壓力的變化和注漿量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),及時(shí)調(diào)整注漿參數(shù),確保注漿質(zhì)量和效果。
此外,超前小導(dǎo)管注漿施工還需注意以下幾點(diǎn):一是確保小導(dǎo)管打入巖石的深度足夠,以增強(qiáng)注漿的錨固效果;二是注漿過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)注漿管路的檢查和維護(hù),防止管路堵塞或漏漿;三是注漿結(jié)束后,應(yīng)及時(shí)清理注漿設(shè)備和注漿管路,以便下次使用。
2.1.2 超前大管棚支護(hù)
對(duì)于全風(fēng)化斷層破碎帶,通常采用直徑較大的鋼管,如Φ108毫米或Φ159毫米,壁厚不小于4毫米,以確保其有足夠的強(qiáng)度和剛度來(lái)抵抗圍巖壓力。管棚的長(zhǎng)度則根據(jù)斷層破碎帶的寬度和預(yù)測(cè)的影響范圍來(lái)確定,一般長(zhǎng)度為10~40米,足以穿越并加固整個(gè)破碎帶區(qū)域。
在施工過(guò)程中,管棚鋼管需通過(guò)特制的鉆機(jī)預(yù)先打設(shè)的孔洞中準(zhǔn)確推入,確保每根管棚的位置和角度都符合設(shè)計(jì)要求。為防止管棚在推入過(guò)程中發(fā)生偏斜或卡住,需嚴(yán)格控制鉆孔的精度和垂直度,并在管棚上設(shè)置導(dǎo)向裝置。同時(shí),管棚之間需采用絲扣連接或焊接方式固定,以確保整個(gè)管棚支護(hù)系統(tǒng)的整體性和穩(wěn)定性。注漿材料通常選用具有高強(qiáng)度和良好膠凝性的水泥漿或雙液漿。注漿時(shí),需控制注漿壓力和注漿量,確保漿液能夠充分填充巖層裂隙和破碎帶內(nèi)的空隙,并在壓力作用下擴(kuò)散至周圍巖體,形成堅(jiān)固的注漿固結(jié)體。注漿壓力一般控制在0.2~0.6MPa之間,具體值需根據(jù)地質(zhì)條件和注漿效果進(jìn)行調(diào)整。注漿過(guò)程中還需進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),記錄注漿壓力和注漿量的變化,以便及時(shí)調(diào)整注漿參數(shù),確保注漿質(zhì)量和效果。
2.2 開(kāi)挖技術(shù)
2.2.1 全斷面開(kāi)挖法
通過(guò)鉆探、物探等手段獲取準(zhǔn)確的地質(zhì)信息,包括破碎帶的寬度、深度、巖石強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)?;谶@些數(shù)據(jù),制定詳細(xì)的施工方案與應(yīng)急預(yù)案,明確開(kāi)挖進(jìn)尺、支護(hù)措施及監(jiān)測(cè)要求。在開(kāi)挖過(guò)程中,嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺是關(guān)鍵。針對(duì)全風(fēng)化斷層破碎帶,建議采用短進(jìn)尺開(kāi)挖,每循環(huán)進(jìn)尺不宜超過(guò)1.5米,以減少對(duì)圍巖的擾動(dòng),保持圍巖的穩(wěn)定性。同時(shí),加強(qiáng)開(kāi)挖面的監(jiān)測(cè),利用全站儀、激光測(cè)距儀等設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)挖面的變形情況,一旦發(fā)現(xiàn)異常立即停止開(kāi)挖并采取加固措施。支護(hù)作業(yè)需緊跟開(kāi)挖面進(jìn)行,確保開(kāi)挖后圍巖立即得到有效支撐。在全斷面開(kāi)挖法中,可采用鋼拱架結(jié)合噴射混凝土的方式進(jìn)行初期支護(hù)。鋼拱架間距應(yīng)根據(jù)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)整,一般不超過(guò)0.8米;噴射混凝土厚度需滿足設(shè)計(jì)要求,且應(yīng)分層噴射,每層厚度控制在5~10厘米之間,以保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和密實(shí)性。避免地下水對(duì)開(kāi)挖面和支護(hù)結(jié)構(gòu)造成不利影響,可采用管井降水、集水坑排水等方法,將地下水位降至開(kāi)挖面以下一定深度,確保開(kāi)挖作業(yè)在干燥環(huán)境中進(jìn)行。
2.2.2 臺(tái)階法施工
首先根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果和圍巖穩(wěn)定性分析,合理劃分臺(tái)階數(shù)量與高度。一般而言,上臺(tái)階高度可控制在3~5米,下臺(tái)階高度根據(jù)開(kāi)挖面整體高度和機(jī)械作業(yè)需求確定,確保施工安全與效率。同時(shí),臺(tái)階長(zhǎng)度需考慮施工機(jī)械的作業(yè)半徑和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,一般不宜超過(guò)15米。接著強(qiáng)化超前支護(hù)與鎖腳錨桿。在臺(tái)階開(kāi)挖前,采用超前小導(dǎo)管注漿或超前大管棚支護(hù)技術(shù)對(duì)掌子面前方圍巖進(jìn)行預(yù)加固。對(duì)于下臺(tái)階,特別注重鎖腳錨桿的施工,錨桿長(zhǎng)度、直徑及傾角需根據(jù)圍巖條件精確設(shè)計(jì),一般錨桿長(zhǎng)度不小于3米,直徑不小于22毫米,傾角向下約15°,以有效鎖定臺(tái)階腳部,防止臺(tái)階滑移。施工中要嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)度與循環(huán)時(shí)間。在臺(tái)階法施工中,應(yīng)遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”的原則,每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺不宜超過(guò)2米,減少爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)。同時(shí),合理安排各工序的銜接,確保支護(hù)作業(yè)緊跟開(kāi)挖面進(jìn)行,縮短圍巖暴露時(shí)間。此外,加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)與反饋調(diào)整。利用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)開(kāi)挖面、支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),包括位移、應(yīng)力、滲水量等參數(shù)。一旦發(fā)現(xiàn)異常,立即停止開(kāi)挖,分析原因并采取相應(yīng)措施進(jìn)行調(diào)整,確保施工安全與質(zhì)量。
2.2.3 側(cè)壁導(dǎo)坑法
根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果和隧道設(shè)計(jì)要求,精確確定側(cè)壁導(dǎo)坑的位置,通常位于隧道斷面的兩側(cè),寬度約為隧道寬度的1/3至1/2,高度則根據(jù)施工機(jī)械和支護(hù)需求確定。導(dǎo)坑間距需保證中間巖柱的穩(wěn)定性,一般不小于隧道寬度的1/3。導(dǎo)坑開(kāi)挖采用短進(jìn)尺、弱爆破的方式,減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。開(kāi)挖后立即進(jìn)行初期支護(hù),采用鋼拱架結(jié)合噴射混凝土的方式,確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的及時(shí)性和有效性。鋼拱架間距根據(jù)圍巖穩(wěn)定性確定,一般不大于0.8米,噴射混凝土厚度滿足設(shè)計(jì)要求,且需分層噴射,保證支護(hù)質(zhì)量。中間巖柱作為側(cè)壁導(dǎo)坑法施工中的關(guān)鍵部位,其穩(wěn)定性直接影響整個(gè)隧道的安全。因此,需對(duì)中間巖柱進(jìn)行特別加固,可采用注漿加固、增設(shè)錨桿等措施。同時(shí),利用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)中間巖柱的位移、應(yīng)力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),一旦發(fā)現(xiàn)異常立即采取措施進(jìn)行處理。側(cè)壁導(dǎo)坑法施工需遵循“先挖側(cè)壁、后挖中部”的原則,確保施工順序的合理性。同時(shí),嚴(yán)格控制各階段的施工進(jìn)度,確保支護(hù)作業(yè)緊跟開(kāi)挖面進(jìn)行,避免圍巖長(zhǎng)時(shí)間暴露。
2.3 注漿加固技術(shù)
第一,選定注漿材料與配比。針對(duì)全風(fēng)化斷層破碎帶的特性,注漿材料需具備良好的滲透性、膠凝性和耐久性。常用的注漿材料包括水泥漿、水泥-水玻璃雙液漿以及化學(xué)漿液等。在確定注漿材料后,需通過(guò)試驗(yàn)確定最佳配比,確保注漿體既能有效填充巖層裂隙,又能與圍巖形成良好的粘結(jié),提高圍巖的整體強(qiáng)度。一般情況下,水泥漿的水灰比控制在0.8?1至1?1之間,雙液漿的配合比則根據(jù)具體工程條件進(jìn)行調(diào)整。
第二,優(yōu)化注漿工藝與參數(shù)。注漿工藝包括注漿方式、注漿壓力、注漿量及注漿速度等。在全風(fēng)化斷層破碎帶中,常采用后退式分段注漿或分段注漿方式,以確保注漿漿液能夠充分?jǐn)U散至破碎帶內(nèi)部。注漿壓力需根據(jù)圍巖的滲透性、注漿管埋深及注漿材料特性綜合確定,一般控制在0.2MPa至2.0MPa之間。注漿量則根據(jù)注漿壓力的變化和注漿孔周圍的冒漿情況進(jìn)行控制,確保注漿飽滿且不浪費(fèi)。注漿速度應(yīng)均勻穩(wěn)定,避免過(guò)快導(dǎo)致漿液流失或過(guò)慢影響注漿效率。
第三,加強(qiáng)注漿過(guò)程中的監(jiān)測(cè)與控制。利用注漿壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和注漿量記錄裝置對(duì)注漿過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),及時(shí)調(diào)整注漿參數(shù),確保注漿質(zhì)量和效果。同時(shí),注意觀察注漿孔周圍的冒漿情況,如發(fā)現(xiàn)冒漿應(yīng)立即停止注漿并采取措施進(jìn)行處理。
第四,注重注漿后的效果評(píng)估與后續(xù)處理。注漿完成后,需對(duì)注漿效果進(jìn)行評(píng)估,包括注漿體的強(qiáng)度、滲透性以及對(duì)圍巖穩(wěn)定性的提升效果等。必要時(shí)可采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)注漿體進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于注漿效果不理想的區(qū)域,需進(jìn)行補(bǔ)充注漿或采取其他加固措施。
3 施工監(jiān)測(cè)與反饋
3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容
位移監(jiān)測(cè):采用高精度全站儀或GPS定位系統(tǒng),對(duì)隧道開(kāi)挖面、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊巖體及地表進(jìn)行定期位移監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置需密集且合理,確保能夠全面反映圍巖變形情況。同時(shí),利用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)警異常位移。
應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè):在隧道關(guān)鍵部位安裝應(yīng)力應(yīng)變計(jì)或應(yīng)變片,監(jiān)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖內(nèi)部的應(yīng)力變化。通過(guò)數(shù)據(jù)分析,評(píng)估支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性,為調(diào)整施工方案提供依據(jù)。
滲流監(jiān)測(cè):設(shè)置地下水觀測(cè)井和滲壓計(jì),監(jiān)測(cè)隧道周邊及開(kāi)挖面的地下水位和滲流情況。特別是在雨季或地下水豐富的地區(qū),需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率,防止突發(fā)涌水事故。
爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè):在爆破作業(yè)前后,利用爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀對(duì)爆破振動(dòng)波進(jìn)行監(jiān)測(cè),評(píng)估爆破作業(yè)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,調(diào)整爆破參數(shù),減少爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的破壞。
環(huán)境監(jiān)測(cè):關(guān)注隧道施工對(duì)周邊環(huán)境的影響,包括地表沉降、植被破壞、水質(zhì)污染等。通過(guò)設(shè)立環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn),定期采集數(shù)據(jù),確保施工活動(dòng)符合環(huán)保要求。
3.2 監(jiān)測(cè)方法
引入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備,如自動(dòng)全站儀、GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等,實(shí)現(xiàn)全天候、不間斷的數(shù)據(jù)采集,自動(dòng)記錄并傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),減少人為誤差,提高監(jiān)測(cè)效率。建立遠(yuǎn)程監(jiān)控中心,將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至中心,利用專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。通過(guò)數(shù)據(jù)分析,及時(shí)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的異常變化,并預(yù)警潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。另外,在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,定期進(jìn)行人工巡查和復(fù)核。巡查人員需攜帶便攜式監(jiān)測(cè)儀器,對(duì)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量與檢查,驗(yàn)證自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,并補(bǔ)充自動(dòng)化監(jiān)測(cè)可能遺漏的信息。結(jié)合多種監(jiān)測(cè)方法和技術(shù)手段,如位移監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)等,形成綜合監(jiān)測(cè)體系。通過(guò)多源數(shù)據(jù)的融合與分析,全面評(píng)估隧道施工過(guò)程中的各種風(fēng)險(xiǎn)因素,為施工決策提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)施工進(jìn)展和監(jiān)測(cè)結(jié)果,動(dòng)態(tài)調(diào)整監(jiān)測(cè)方案。在關(guān)鍵施工階段或發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí),加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置,增加監(jiān)測(cè)頻率,確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。
3.3 反饋調(diào)整
一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常或超出預(yù)警閾值,立即啟動(dòng)快速響應(yīng)機(jī)制。成立應(yīng)急小組,明確各成員職責(zé),確保能夠迅速響應(yīng)并采取有效措施。組織專業(yè)技術(shù)人員對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析,結(jié)合地質(zhì)勘察資料、施工記錄等信息,查明異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因。必要時(shí),進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查,獲取第一手資料。根據(jù)異常原因分析結(jié)果,制定針對(duì)性的調(diào)整方案。方案需明確調(diào)整目標(biāo)、具體措施、實(shí)施步驟及責(zé)任分工,確保調(diào)整工作有序進(jìn)行。按照調(diào)整方案要求,迅速實(shí)施調(diào)整措施。同時(shí),加強(qiáng)調(diào)整過(guò)程中的監(jiān)測(cè)與記錄,及時(shí)跟蹤調(diào)整效果。若調(diào)整效果不佳,需重新分析原因并調(diào)整方案。每次反饋調(diào)整后,組織相關(guān)人員進(jìn)行總結(jié)會(huì)議,分析調(diào)整過(guò)程中的成功經(jīng)驗(yàn)和不足之處。將經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)納入施工管理制度和應(yīng)急預(yù)案中,為后續(xù)施工提供參考和借鑒。
4 結(jié)束語(yǔ)
公路隧道全風(fēng)化斷層破碎帶的開(kāi)挖施工技術(shù)復(fù)雜且具挑戰(zhàn)性。通過(guò)采用超前支護(hù)、合理開(kāi)挖方法及注漿加固等綜合技術(shù)措施,能夠有效提高圍巖穩(wěn)定性與施工安全。在施工過(guò)程中,需加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)與反饋調(diào)整工作,確保施工方案的科學(xué)性與合理性。未來(lái),隨著施工技術(shù)的不斷進(jìn)步與工程經(jīng)驗(yàn)的積累,全風(fēng)化斷層破碎帶的開(kāi)挖施工技術(shù)將更加成熟與完善。
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