高速铁路浅埋黄土隧道施工技术论文.doc

高速铁路浅埋黄土隧道施工技术
摘要：对浅埋黄土隧道洞身开挖方案，初期支护、防排水、二次衬砌施工方法以及隧道监控量测等进行了简要阐述。
关键词：浅埋黄土隧道、施工技术
1工程概况
1.1宝兰客运专线10标段二工区通渭至榆中苏家川隧道及西坡隧道段位于定西市安定区，隧道全长（759+1187）m，为双线隧道。隧道洞身均位于直线上，洞身纵坡为3‰的单面上坡，洞身均为黄土。隧道衬砌后断面最大净宽12.81m，净高8.68m。
1.2隧址区地貌形态属黄土高原沟壑、梁峁区，地面相对高差约60m，区内黄土梁峁起伏，沟壑纵横，自然坡度约为20°～60°之间，隧道顶谷深切多呈“V”字型，山坡上多为风积黄土包裹，梁顶植被包裹较差。
隧道位于陇西系内旋褶带，构造相对简单。晚第三纪以来，区内新构造运动较为活跃，表现为河沟阶地地上升显著，现代河流侵蚀，下切明显，高差达100～150m，洞身仅通过第四系上、中更新统砂质黄土，无褶皱、断裂通过。
1.3隧道进口、出口均为东河的支沟，平时干涸无水，仅在暴雨季节有暂时性水流，水量一般不大。
隧道区内地下水主要为第四系松散层孔隙水。松散层孔隙裂隙水赋存于第四系上更新统砂质黄土中，无统一潜水面，受大气补给，水量小，季节性变化大，水位埋藏变化大。地下水对混凝土存在氯盐、硫酸盐侵蚀性，侵蚀性等级为L2、H2。
2施工方案
针对黄土基底承载力低、侧应力较大、湿陷性及埋深浅等特点，施工时严格执行“管超前、短进尺、强支护、勤量测、早成环”的施工原则，确定黄土隧道总体施工方案采用三台阶临时仰拱法及三台阶临时横撑法，即洞身分上中下三个台阶，上导坑采用环形预留核心土开挖初期支护紧跟，中、下导坑左右边墙间隔开挖支护，仰拱紧跟下导施作，二次衬砌采用自动计量集中拌和混凝土，自行液压式衬砌台车泵送混凝土施工。
施工中加强超前地质预报检测频次，初期支护及早封闭成环，并进行持续的监控量测，对数据进行现场分析，指导现场施工。
3洞口工程及防护排水工程施工
3.1洞口防护排水
隧道进洞施工前，根据设计图纸要求结合现场地形确定水沟位置，水沟流向顺山势由高向低，引排至路基水系统或直接引排至路基外。
3.2洞口开挖及防护
洞口边坡尽量减少开挖，以减小对山体黄土扰动，防止上体应力突变。对针黄土具有特点，边坡开挖在晴天进行，雨天停止施工。仰坡坡率采用1:1.25，按照自上而下的顺序分级开挖，开挖一级防护一级。当仰坡较高时，6～8m设一级，留2～4m宽平台，坡脚设置临时排水沟。
边仰坡开挖完成后保证坡面直顺、平整，测量检测合格后，立即对边仰坡进行素喷混凝土封闭、打设锚杆、挂网、二次复喷喷混凝土防护。
3.3对洞顶及周边发育的陷穴排查处理
根据陷穴发育情况和所处位置，采用灌注砂浆+夯填改良土或自底部向上分层夯填改良土回填，顶部包裹50cm厚老黄土封口。
4导向墙、超前支护施工
隧道出口、出口采用套拱法、φ108长管棚+φ42超前小导管，L=30m超前预支护进洞、具体作法如下：洞口开挖至起拱线，采用两榀型钢钢架紧贴仰坡放置，间距0.5m，纵向Φ22mm钢筋连接，预埋φ140管棚导向管，其环向间距40cm及倾角0度至3度角同设计的管棚环向间距及外插角，与仰坡锚杆焊接固定，浇筑导向墙混凝土厚100cm，然后施做长管棚，形成洞室轮廓。
4.1导向墙施工
边坡开挖至起拱位置时，预留核心土并进行修整，导向墙直接坐与核心土上施作，施作时底部铺设彩条布隔离。
导向墙宽100cm，厚度为100cm，墙内预埋Ф140×5mm导向钢管并与墙内埋设的2榀I18工字钢钢拱架焊成整体；为保证导向墙整体受力稳定，拱脚设置混凝土扩大基础。导向墙内导向管安设的平面位置、倾角、外插角的准确度等直接影响大管棚的施工质量，施工中严格控制。
4.2超前长管棚施工
针对本工区黄土遇水崩解特点，为防止洞口发生滑坍，洞口采用超前大管棚注浆支护，以确保安全进洞。
超前大管棚施工流程如图-1所示：

长管棚施工工艺流程图 图-1
（2）管棚参数
长管棚中心距开挖轮廓线50cm，拱顶144范围内设置，钢管间距环向0.4m，外插角1°采用ф108热轧无缝钢管，壁厚6mm，管节长度为4～6m，采用丝扣相接，接头相互错开；管棚环向间距40m，纵向长度根据浅埋段围岩长度及洞口包裹层厚度而定，取30m。
4.3超前小导管施工
超前小导管采用外径42mm、壁厚3.5mm热轧无缝钢管制作，导管前端加工成锥形并封焊密实，管身设若干注浆孔，孔径10mm，孔间距15cm，按梅花型布置；尾部长度不小于100cm，作为不钻孔的止浆段。
超前小导管设置于拱顶144°范围内，搭接长度不小于1m。单层超前小导管单根长3.5m、环向间距40cm，插入角度10°～15°；双层小导管单根长5m、环向间距30cm，插入角度为10°和40°，设置时交错布置。
⑴导管安装前，测量放样定位，采用电煤钻打孔，成孔后检查管内有无虚渣异物，若有用吹管吹出或掏勾勾出；
⑵将小导管用锤击或钻机顶入，顶入长度不小于钢管长度的90%小导管安设后，用塑胶泥封堵孔口及周围裂隙，必要时在小导管附近及工作面喷射砼，以防止工作面坍塌。
⑶导管注浆。导管注浆采用定量注浆，即每根锚管内注入300L浆液后即结束注浆。注浆水泥浆液水灰比为1：1（重量比），注浆压力一般为0.5～1.5Mpa。为加快注浆速度和发挥设备效率，可采用群管注浆（每次3-5根）。
5洞身开挖及支护
黄土隧道洞身开挖采用人工配合机械的开挖方法。挖掘机开挖预留30cm左右厚度，人工开挖修边。同时为防止黄土自陷性沉降侵占设计开挖体型，实际开挖断面大于设计断面，预留30～40cm沉降变形量。
黄土隧道采用三台阶临时仰拱法及三台阶临时横撑法施工，施工工艺流程见下图。

三台阶临时仰拱法工序纵断面示意图
5.1施工工序
⑴挖1部台阶。开挖隧道上台阶土体时，预留核心土确保开挖安全和初期支护顺利进行。上部环形导坑开挖进尺控制在0.6m，开挖后及时进行初喷砼封闭开挖掌子面，施作洞身结构的初期支护及临时仰拱，即先初喷厚4cm的混凝土，再铺设钢筋网片，然后人工配合机械架立型钢钢架。钢架设锁脚锚管，锁脚锚管设置于台阶钢架拱（墙）脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30～60°打入，并与钢架采用“U”型钢筋牢固焊接。拱脚采用钢垫板。同时，为保证拱脚基础牢固，防止拱顶下沉量过大，对拱脚位置采用槽钢或木板支垫。
⑵打设径向锚杆后复喷混凝土到设计厚度。底部架立临时仰拱（I18临时钢架），喷射混凝土封闭。
⑶上台阶施工至适当距离后，先拆除1部2～3榀I18临时钢架，再人工配合机械开挖2部台阶，导坑周边部分初喷厚4cm混凝土，铺设钢筋网片、架立接长钢架钢架，打设锁脚锚管及径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。架立临时仰拱（I18临时钢架），喷射C25混凝土封闭临时仰拱。
⑶开挖3部台阶，3部台阶分两次开挖完成即仰拱面以上和隧底两部分。根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后，拆除②部临时仰拱，开挖仰拱填充面以上，开挖完成后边壁初喷厚4cm混凝土，铺设钢筋网片、架立接长钢架钢架，打设锁脚锚管、复喷混凝土至设计厚度；隧底开挖掌子面距离上台阶开挖掌子面控制在20～25m,每次开挖进尺不得大于2榀钢架，开挖完成后及时接长钢架、喷射混凝土封闭初期支护并封闭成环。
⑷灌注该段的Ⅳ部仰拱及Ⅴ部仰拱填充（仰拱与仰拱填充分开施作）。利用衬砌模板台车一次性灌注Ⅵ部二次衬砌（拱墙衬砌一次施作）。
开挖过程中，根据施工时围岩的地质情况及监控量测资料调整支护结构形式，必要时加设中间竖撑（采用圆木），使围岩支护得到有利的保护和加强。
特别是洞口段第一次仰拱成环是进洞成败最为关键的一个环节，也是非常危险的一个环节，处理不好会造成洞口坍塌。先停止掌子面开挖进尺，喷混凝土封闭，开挖隧底。第一次开挖2榀拱架间距，纵向长度150cm，开挖后迅速安装工字钢拱架2榀与已支护正洞钢架连接成环，并采用间距1.0mФ25纵向连接钢筋对隧底两榀钢架进行焊接连接，喷射喷混凝土包裹。
三台阶临时横撑法施工与三台阶临时仰拱法施工工艺基本相同，最大的区别是开挖隧道所设置的临时横撑不需要采用混凝土包裹。
5.2初期支护施工
根据隧道洞身土质，初期支护采用锚喷支护，一方面锚喷支护具有很好的及时性、密贴性和封闭性，它能及时封闭开挖面，阻止土体变形；另一方面，锚杆和钢筋网片具有一定的延展性，它可以允许洞身土体沿横向和纵向有较大的变形，甚至和被加固土体一起作整体位移，而仍能继续工作不失效。
锚喷支护施工工艺流程如图5所示。
否
超前地质预报
初喷混凝土3～5cm
施 工 放 样
安装钢架及挂钢筋网
是否符合标准
调整
施作系统锚杆
喷射混凝土达到设计厚度
监 控 量 测
反馈、调整确定支护参数
是
开 挖
喷锚支护施工工艺流程图 图5

5.2.1初喷砼
隧道开挖整修完毕后，应立即初喷3～5cm厚的混凝土，其作用是封闭开挖面并找平，以防止围岩应力集中及土体松弛变形而可能导致的坍塌。
5.2.2锚杆施工
砂浆锚杆施工工艺流程为：施工准备→布孔→钻孔→清孔→注入砂浆→插入杆体→安装锚杆垫板→复喷砼覆盖垫板
（1）钻孔。采用电煤钻打锚杆孔，严禁使用水钻。
（2）锚杆安设。采用先注浆后插入法施工，锚杆孔钻孔完成后用高压风清孔，采用注浆泵注入M20水泥砂浆，砂浆注入量为锚杆孔体积的2/3，之后将加工好的Ф22、L=3.5m锚杆体插入孔内，安装锚杆垫板。锚杆杆体插入孔内长度不得小于设计长度的95%。待砂浆强度达到一定强度能上紧垫板螺母。
为便于施工可采用Ф22早强药包式锚杆。先将药包浸泡在清水中进行，随泡随用。用直径约为3cm竹竿或塑料管将浸好水的药卷送到孔底，并轻轻捣实，药卷装满后及时插入锚杆。
（3）特别注意砂浆锚杆施工，每侧拱边墙设4根锚杆，长度不小于3.5m，间距1～1.2，梅花形布置。
5.2.3铺设钢筋网
钢筋网一般在系统锚杆施作之后安设，但如遇到围岩松散地层，拱部易坍塌或掉块，为了给作业人员提供防护，可先施作钢筋网（必要时亦可先架设格栅钢架）。钢筋网采用φ6.5钢筋，网格尺寸为20×20cm，事先在加工场加工制作成1.6×1.0m的网片。网片间搭接保证一个网格。
钢筋网铺设紧贴岩面，并保证其保证保护层厚度不小于3cm。钢筋网与钢筋网连接处、钢筋网与锚杆连接处点焊在一起，使钢筋网在喷射时不易晃动。
5.2.4型钢拱架施工
洞口段及洞身土质为新黄土时，采用I25a工字钢拱架加强支护，纵向间距60cm；洞身土质为老黄土稳定性较好时，采用I20a工字钢拱架加强支护，纵向间距80cm。
钢架在洞外按设计尺寸加工成型，洞内安装在初喷砼和挂网之后进行，用定位锚杆固定，两侧拱脚和墙脚用锁脚锚杆固定，钢架间设纵向连接筋并喷设砼包裹。
（1）钢架加工制作。钢架应按设计要求预先在洞外加工场分节加工成型。
（2）钢架加工后进行试拼。
（3）钢架架设工艺要求
①钢架必须放在牢固的基础上，施工时将基础底部虚碴清理干净，铺设槽钢火模板以增加基底承载力，最大程度的减少钢架受自重及围岩沉降变形发生变形。
②钢架架立时垂直隧道中线，当钢架和初喷层之间间隙过大时设置垫块，后期采用喷砼喷填密实。
③为增强钢架的整体稳定性，将钢架与系统锚杆焊接在一起，同时钢架与锁脚锚管之间通过”U”型钢筋焊接。钢架间设环向间距1m的Ф22mm纵向连接钢筋焊接。
④钢架架立后尽快喷砼作业，并将钢架全部包裹，使钢架与喷砼共同受力。
欠挖处理
前期准备，钢拱架、钢筋加工
测量定位
断面检查
架立就位
锚杆锁定、系统锚杆施作
设置纵向连接钢筋、安设钢筋网
喷混凝土
结束
注浆等设备就位
合格

钢架施工工艺流程图
5.2.5喷射混凝土施工
喷射砼采用湿喷法，喷射前埋设喷厚控制标志钉。选择喷射料时，要对所使用的各种原材料进行试验，保证原材料的质量。喷射砼时严格按施工配合比计量配料。
将骨料、水泥、合成纤维和水按试验确定的比例拌合均匀，用湿喷射机压送到喷头处，再在喷头上添加速凝剂后喷出。喷混凝土料由洞外自动计量拌和站生产，混凝土搅拌车运输，湿喷机喷射，重点控制隧道采用10～15m³/h的湿喷机喷混凝土。其工艺流程见“湿喷混凝土工序流程图”。
合成纤维

压缩空气

细骨料

粗骨料

水泥

水

搅拌机
速凝剂

湿喷机

混凝土罐车

喷嘴

喷射作业采用自下而上分层分段进行，一次喷射厚度6cm。喷射时喷头应垂直于受喷面，喷头距离受喷面以0.6～1.8m为宜，先找平凹处再开始喷砼，喷头运行轨迹为螺旋状，后一层喷射在前一层砼终凝后进行，确保喷层厚度均匀、密实。
喷射砼终凝后2小时起即开始喷雾养护，养护期不少于7天。
6监控测量
施工时应准确及时的进行现场监控量测，通过现场量测掌握洞身和支护的动态，指导施工，预报险情，确保安全进行日常的施工管理。在对量测数据进行分析处理与计算后，绘出曲线，根据所绘曲线的变化情况与趋势，判定围岩的稳定性及时修正和确定隧道初期支护参数，同时为二次衬砌施作时间提供参考依据。
隧洞明洞段边仰坡开挖前，于仰坡开口线外侧50cm处设置地表沉降观测点。测点埋设时，首先埋设线路中心点，然后横向每间隔2～5m埋设观测点，观测点埋设范围为边坡开口线距离隧道拱顶开挖轮廓线的间距H与隧道开挖最大净空面尺寸B的和（埋设过程中要求埋设点位处于同一断面里程）。测点埋入地表以下30-50cm,采用混凝土灌注。

地表沉降横向测点布置示意图
地表沉降观测点共埋设3排，分别距套拱5m、10m、20m，用水平仪观测地表下沉值，每天最少观测1次。
正洞测量监控断面每隔5m设置，每个断面埋设9个，分别布置与拱顶中心及拱顶中心两侧水平间距2.5m处，拱顶120°加角线处、开挖最大净空断面处、内规顶面处。每次挖完成后根据间距要求及时埋设，并通知测量进行监测，初读数应在开挖后12h内完成，最迟不得大于24h且在下一循环开挖前必须完成；沉降观测保证每天不少于2次。测点布置见下图。

正洞围岩监控量测测点布置示意图
根据观测结果及时反馈到施工中去，对预留沉降量进行调整。
7隧道防排水系统施工
隧道防排水系统是隧道结构安全及正常运营的重要因素，施工时应按设计要求严格施作，并根据现场水文地质情况增设防排水体系。
（1）纵、横向排水盲管施工
排水盲管由纵向盲管、环向盲管和连接盲管组成。纵向排水盲管沿纵向布设于左、右侧侧沟地板以上20cm处，采用HDPE80双壁打孔波纹管，每10m为一段；环向排水盲管采用HDPE50打孔波纹管，每10m一环（地下水发育地段根据实际情况进行适当调整）沿隧洞环向周边布设。
环向盲管与纵向盲管均直接与隧道侧沟联通，纵向排水管中部设置变径三通连通边墙进水孔及侧沟，以便必要时进行维护。洞内排水管施工期间应定时进行清洗，确保管道畅通，以免管道阻塞引起衬砌背后水压升高造成二次衬砌隧道结构破坏。
（2）横向排水管施工
横向排水管（ф100PVC）主要输导侧沟积水至中心预埋钢筋混凝土排水管，沿隧道纵向每隔30m设置一道，在施工仰拱砼时预埋。
横向排水管（ф80PVC）主要输导道床面积水至中心预埋钢筋混凝土管，沿隧道纵向每隔30m设置一道，在施工仰拱砼时预埋。
（3）中心排水管
中心排水管埋设于仰拱填充内，采用孔径60cm、壁厚6cm预制混凝土管，主要引排侧沟及道床面积水至线路外。排水管每间隔30m设置一净空尺寸为（长*宽*深）1*1*1.26m的检查井，用于检查疏通管路，保证排水畅通。
（4）防水层施工
防水层在初期支护变形基本稳定后，二次初砌施作前进行。防水层所用材料为土工布（土工布：400g/m2）和EVA防水板（厚1.5mm），其铺设工艺应符合以下要求：
①锚杆、钢筋网等凸出部分，先切断后用锤铆平抹砂浆素灰；喷射混凝土凹凸不平时，应补喷混凝土使其表面平整圆顺，且凹凸量不得超过±5cm；
②初喷混凝土表面铺设土工布，用带热熔垫圈的射钉锚钉固定，水泥钉长度不得小于50mm，平均拱顶点3～4个/m2，边墙点2～3个/m2；土工布从拱顶中心向两边拱脚、边墙对称固定，搭接长度不得小于5cm。
③防水板紧跟土工布施工，铺设前测画出隧道中线，采用整幅长度的防水板由拱顶中心开始向两侧平铺，用自动爬行手动热焊器将防水板熔焊在衬垫上；同时采用自动爬行手动热焊器将将防水板焊成整体，防水板之间互相搭接15cm，搭接原则是：边墙压拱部，下部压上部。
④为防止灌注混凝土时挤裂拉坏防水板，铺设时适当留有余地。
8隧道二次衬砌
（1）施工方法
隧道二衬采用全断面整体式衬砌。为了加快衬砌速度并确保洞身安全，在每个隧道洞口配备一台10.5m长液压钢模板衬砌台车。混凝土浇筑采用HBT60C型砼输送泵灌注，砼搅拌运输车运输，以人工采用插入式振捣器振捣主要，台车自带附着式振捣器振捣配合振捣施工。
（2）拆模和养护
二衬拆模时间要准确把握，不宜过早，既要保证混凝土结构安全及外观质量，又要满足加快台车周转使用要求，一般承重结构，以混凝土强度达到8.0Mpa以上为标准；对于受较大围岩压力的模板须待砼达到设计强度的100%后才能拆除。
隧道衬砌混凝土养护采用高压水喷雾养护，以防止隧道积水浸泡围岩影响围岩稳定。喷雾养护一般为7天。
（3）黄土隧道要坚持二衬紧跟，确保衬二距掌子面不得大于70m。当处于软弱围岩及断层破碎带时，由于其围岩自稳能力差，初期支护难以使其达到完全稳定，可根据支护情况及量测信息，及早进行二衬施工。
9衬砌背后回填注浆
隧道衬砌施工完成并达到100%强度后，进行衬砌背后回填注浆。注浆管采用孔径φ50mmPVC管，钢模台车就位前，沿拱顶轴线每隔间距3m布设于拱顶模筑衬砌外缘、防水板内侧。注浆前对注浆管进行清理，保证注浆管畅通。
回填注浆材料采用1:1水泥浆液。水泥浆采用浆液搅拌机拌合，单液注浆泵注浆。注浆采用隔孔注浆方式，当发生各孔串浆现象时，采用群孔注浆方式。注浆压力为0.5～1.0MPa，注浆材料、注浆方式及注浆压力等参数根据注浆试验结果及现场情况调整。
10 结束语
宝兰客专苏家川隧道、西坡隧道洞身通过地层主要为第四系上更新统风积砂质黄土、冲积砾砂，第四系中更新统风积砂质黄土、洪积砾砂，基地为上第三系泥岩；其中砂质黄土颗粒以粉粒为主，土体较疏松，垂直节理发育，虫孔及针状孔隙发育，具Ⅳ级自重湿陷性，且隧道进出口黄土陷穴发育，施工时极易掉土、坍塌。通过超前大管棚预注浆法+超前小导管加固洞口段，短进尺及时施工初期支护，仰拱先行，二砌紧跟等一系列施工方法，安全地通过了洞口围岩浅埋段的施工，为隧道正常施工创造了条件。
隧道开挖过程是地层内应力重新分布的过程，开挖前土体处于天然应力平衡状态，隧道开挖后周边土体失去原有支撑，向洞室空间膨胀位移，改变了围岩土的平衡关系，破坏了这种天然应力平衡状态，应力进行重分布，从而引起开挖土体周围产生一定量的移动，即围岩变形，而围岩变形过大就会发生坍塌，所以在施工过程中应加强围岩量测，除对地表及洞内拱顶下沉、周边收敛进行常规量测外，还应加大量测频率，并对量测数据进行分析，及时预测围岩的稳定状态，为支护参数的选定提供依据；隧道上导开挖时，预留核心土，对掌子面围岩进行反压，阻止围岩应力释放，有效保障拱顶土体的稳定及施工人员的安全，同时为施工人员提供工作平台，便于施工。
总之对于浅埋黄土隧道施工，应严格遵循““先预报、管超前、短进尺、强支护、勤量测、早成环”的施工原则。
参考：宝兰客运专线相关图纸及相关文献目 录
第一章 总论 1
一、项目概况 1
二、项目提出的理由与过程 6
三、项目建设的必要性 8
四、项目的可行性 12
第二章 市场预测 15
一、市场分析 15
二、市场预测 16
三、产品市场竞争力分析 19
第三章 建设规模与产品方案 22
一、建设规模 22
二、产品方案 22
三、质量标准 22
第四章 项目建设地点 25
一、项目建设地点选择 25
二、项目建设地条件 25
第五章 技术方案、设备方案和工程方案 28
一、技术方案 28
二、产品特点 30
三、主要设备方案 32
四、工程方案 32
第六章 原材料与原料供应 35
一、原料来源及运输方式 35
二、燃料供应与运输方式 35
第七章 总图布置、运输、总体布局与公用辅助工程 37
一、总图布置 37
二、 运输 38
三、总体布局 38
四、公用辅助工程 39
第八章 节能、节水与安全措施 44
一、主要依据及标准 44
二、节能 44
三、节水 45
四、消防与安全 45
第九章 环境影响与评价 47
一、法规依据 47
二、项目建设对环境影响 48
三、环境保护措施 48
四、环境影响评价 49
第十章 项目组织管理与运行 50
一、项目建设期管理 50
二、项目运行期组织管理 52
第十一章 项目实施进度 55
第十二章 投资估算和资金筹措 56
一、投资估算 56
二、资金筹措 58
第十三章 财务评价与效益分析 61
一、项目财务评价 61
二、财务评价结论 65
三、社会效益 68
四、生态效益 68
第十四章 风险分析 70
一、主要风险分析识别 70
二、风险程度分析及防范风险的措施 70
第十五章 招标方案 72
一、招标范围 72
二、招标组织形式 72
三、招标方式 72
第十六章 结论与建议 74
一、可行性研究结论 74
二、建议 75
附 件 77
一、附表 77
二、附件 77
三、附图 77

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