CN103018789A - 网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置及方法，它主要包括可扩展式三维模型架结构、边界接地网络、预制隧道腔体、电极扫描阵列、网格剖分含水构造、动水循环模拟装置，在可扩展式三维模型架结构内设有预制隧道腔体，在预制隧道腔体内设有电极扫描阵列，同时在可扩展式三维模型架结构前方还设有网格剖分含水构造，该网格剖分含水构造与动水循环模拟装置连接，可扩展式三维模型架结构外侧与边界接地网络连接；电极扫描阵列、网格剖分含水构造、动水循环模拟装置与主机连接。本发明所提出的装置可更为真实的模拟隧道或坑道等地下工程的复杂环境，为含水构造电阻率法超前探测三维模拟提供了科学的模拟试验平台。

Description

网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及一种隧道或者坑道等地下工程中网格剖分动水含水构造电阻率超前预报三维模拟装置与方法，具体的说是一种涉及地下工程网格剖分含水构造电阻率法超前预报的物理模拟装置和方法，并且是一种模拟地下工程网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置及方法。

背景技术

隧道等地下工程施工期的含导水地质构造超前探测和三维定位一直以来都是超前预报领域备受关注的难题，电阻率法从水体和含水构造的物理特性差异出发，以电阻率差异等为物理基础，对含导水地质构造的超前探测具有独特的优势。由于隧道或坑道是三维全空间，且探测环境较为复杂，外部干扰较为强烈，利用理论解析和数值模拟的方法，难以真实的模拟隧道超前探测的实际情况，导致目前对隧道或坑道中电阻率法超前探测方法的模拟研究还不深入。而物理模拟可以更为真实的反映隧道的实际环境，被视为一种行之有效的电阻率法超前探测模拟方法。

在地面探测领域，水槽或土槽被用来进行电阻率探测的物理模拟，这种物理模拟装置是针对三维半空间条件的，与隧道或坑道的三维全空间条件具有本质的区别。而在隧道或坑道等地下工程的电阻率超前探测物理模拟中，李术才、刘斌、程久龙、施龙青、强建科、阮百尧等开展过相关的工作，为本发明提供了重要的借鉴和参考：李术才，刘斌，李树忱，张庆松.等.基于激发极化法的隧道含水地质构造超前探测研究.岩石力学与工程学报，2011，7（15）.

刘斌，李术才，李树忱，钟世航.隧道含水构造直流电阻率法超前探测研究.岩土力学，2009，10(10).

程久龙，李文，王玉和.工作面内隐伏含水体电法探测的实验研究.煤炭学报，2008，1（15）.

施龙青，翟培合，魏久传，朱鲁.三维高密度电法技术在岩层富水性探测中的应用.山东科技大学学报(自然科学版)，2008，12（15）.

强建科，阮百尧，周俊杰.三维坑道直流聚焦法超前探测的电极组合研究.地球物理学报，2010，3（15）.

阮百尧，邓小康，刘海飞，周丽等.坑道直流电阻率超前聚焦探测新方法研究.地球物理学报，2009，1（15）。

结合隧道电阻率法超前探测的实际情况，对已经开展的地下工程的电阻率超前探测物理模拟工作中进行分析，发现在地下工程电阻率法超前探测的物理模拟方面存在以下问题和挑战：(1)以往模拟中含水构造的结构和形状较为简单，不能模拟形状较为复杂的含水构造，与隧道实际情况不符；(2)以往模拟中含水构造中的水体是静储量形式，没有实现水的流动，不能模拟动水对电场的影响；(3)以往模拟中，模型的边界是高电阻率边界，没有解决无穷远边界的模拟问题，边界对超前探测结果的干扰很大；(4)以往模型架结构是固定不变的，无法实现模型尺寸的扩展和灵活设置。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置及方法，该装置包括可扩展式三维模型架结构、边界接地网络、预制隧道腔体、电极扫描阵列、网格剖分含水构造和动水循环模拟装置，实现了模型尺寸的灵活设置，利用提出的边界接地网络可较好的降低高电阻率边界对探测数据的干扰，利用网格剖分和自由组合的方法来模型复杂形状的含水构造，利用动水循环系统为含水构造中的水流动提供动力，同时设计了电极扫描阵列，可用于多种形式的探测装置形式，兼容性和适用性大大提高。本发明所提出的装置可更为真实的模拟隧道或坑道等地下工程的复杂环境，为含水构造电阻率法超前探测三维模拟提供了科学的模拟试验平台。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置，它主要包括可扩展式三维模型架结构、边界接地网络、预制隧道腔体、电极扫描阵列、网格剖分含水构造、动水循环模拟装置，在可扩展式三维模型架结构内设有预制隧道腔体，在预制隧道腔体内设有电极扫描阵列，同时在可扩展式三维模型架结构前方还设有网格剖分含水构造，该网格剖分含水构造与动水循环模拟装置连接，可扩展式三维模型架结构外侧与边界接地网络连接；电极扫描阵列、网格剖分含水构造、动水循环模拟装置与主机连接。

所述可扩展式三维模型架结构采用槽钢和型钢作为框架，利用标准尺寸钢板拼装而成，型钢与槽钢之间通过角钢连接，槽钢之间通过拉杆连接，在可扩展式三维模型架结构一侧设置有半圆形缺口与预制隧道腔体相连接，整个可扩展式三维模型架结构表层均涂刷绝缘漆；相邻槽钢之间与边界接地网络引线连接。

所述边界接地网络采用边界接地导线的方式，设置在可扩展式三维模型架结构的高电阻率边界上，并分层引出导线，分层引出的导线分组接地；每层边界接地导线均布在两段可扩展式槽钢间。

所述预制隧道腔体模型由带有沟槽的多段矩形预制隧道腔体PVC板和多段拱形预制隧道腔体PVC板组成；在矩形预制隧道腔体PVC板的边墙、底板和掌子面上预留有电极扫描阵列布置孔；所述电极扫描阵列由铜电极和不极化电极以阵列的方式布置在电极扫描阵列布置孔上并与主机连接，电极扫描阵列布置采用二极法、三极法、四极法或层析成像。

所述网格剖分含水构造位于可扩展式三维模型架结构前方，是一个被若干尺寸相同、等间距排列的网格剖分的木制结构，其上部、下部、前部、后部、左部、右部六个边界均有相应尺寸的渗透性良好的木板做成，内部设置小尺寸的透水性良好的木质隔板，形成剖分网格，每个网格的尺寸相同；在每组相邻网格之间的交界面上设置电动刀式阀门，通过通讯控制网络与外部控制主机连接，控制阀门的“连通”和“关闭”状态；通过将含水构造内相邻网格的电动刀式阀门设置为“连通”状态，使得含水构造内的网格形成通路，而与含水构造之外的网格隔离。

所述动水循环模拟装置包括动水循环进水模拟装置与动水循环出水模拟装置，两部分均由主机控制并分别通过各自的管路与网格剖分含水构造连接；其中，动水循环进水模拟装置包括吹气加压装置、加压水箱与动水循环进水流量控制装置，通过吹气加压装置控制进水，并通过主机控制的动水循环进水流量控制装置控制进水流量；

动水循环出水模拟装置包括回水水箱与动水循环出流量控制装置，通过主机控制动水循环出流量控制装置进行出水控制；

加压水箱与回水水箱共用一个水箱体，中间由可开闭的隔板隔开，隔板的开闭由主机控制。

所述动水循环进水模拟装置的吹气加压装置包括调压气源，它通过管路与加压水箱连接，在管路上设有吹气阀，所述动水循环进水流量控制装置包括设置在加压水箱与网格剖分含水构造连接管路上的两通电磁阀、止回阀、调压阀以及流量计I，两通电磁阀、流量计与主机连接；

所述动水循环出水模拟装置的动水循环出流量控制装置包括设置在回水箱与网格剖分含水构造连接管路上的水泵、流量计II，两者均与主机连接。

一种是用网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置的方法，

A.按照实验方案，现场组装网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置；

B.在可扩展式三维模型架结构中按照现场情况，分层填入粘土，通过控制粘土含水率来控制各层的电阻率等参数，并通过压实强度控制孔隙率参数，由以上两点对现场隧道及坑道施工环境进行真实模拟；

C.待可扩展式三维模型架结构中填入的粘土到达预制隧道腔体高度后，放入预制隧道腔体，并布置电极扫描阵列，在预制隧道腔体底板上按照工作方式埋入铜电极和不极化电极，并用导线将电极扫描阵列引出，然后继续填粘土到预制隧道腔体上方的各层，直至填土面与可扩展式三维模型架结构顶部齐平；

D.实验时，首先通过主机控制电动刀式阀门的开闭情况，并依照现场实地情况，在网格剖分含水构造中模拟出所需要的水体形状；然后通过动水循环模拟装置控制水均匀的流入含水地质构造，待注入水量入渗稳定后，开始测量；然后重复步骤D，继续测量；如果进行动流量的含水构造实验时，则通过动水循环模拟装置控制网格剖分含水构造中一定流量的水流排出含水地质构造。

本发明的有益效果是：

1.本发明装置实现了模型尺寸的灵活设置和无穷远边界的模拟，可模拟多种复杂形状的含水构造和充填水体的流动，可更为真实的模拟隧道或坑道等地下工程的复杂环境，为含水构造电阻率法超前探测三维模拟提供了科学的模拟试验平台。

2.本发明通过控制网格剖分含水构造的相邻网格之间的电动刀式阀门的“连通”或“关闭”的状态来组合出多种不同形状的含水构造，同时利用动水循环模拟装置作为含水构造中充填水体流动的动力，可较为真实的模拟实际工程中形状结构较为复杂的含水构造和水体的流动。

3.本发明采用可扩展式槽钢和型钢作为框架，采用标准尺寸钢板拼装为可扩展式的组合箱型模型架，可根据需要来灵活调整模型架尺寸，拆卸方便，可重复利用，采用接地网络来模拟无穷远边界，可有效的降低边界对探测数据的干扰和影响。

4.本发明的电极扫描阵列位于隧道腔体的边墙、底板和掌子面，可用于二极法、三极法、四极法、层析成像等多种电阻率探测装置形式，兼容性和适用性较好。

本发明为解决隧道等地下工程施工期含水地质构造超前探测难题提供了有效的途径，可满足目前国家重点重大项目的科学研究、工程建设设计施工以及教学示范的需要。

附图说明

图1是本发明三维模拟装置图。

图2是本发明模型架正立面图。

图3本发明模型架侧立面图。

图4本发明电极扫描阵列定测线布置图。

图5本发明网格剖分含水构造图。

图6本发明网格剖分含水构造电控刀式阀门图。

图7本发明动水循环模拟装置。

其中，1.边界接地网络，2.预制隧道腔体，3.电极扫描阵列，4.网格剖分含水构造，5.动水循环模拟装置，6.可扩展式三维模型架结构，7.主机，8.槽钢，9.型钢，10.拉杆，11.半圆形缺口，12.矩形预制隧道腔体PVC板，13.拱形预制隧道腔体PVC板，14.电极扫描阵列布置孔，15.电动刀式阀门，16.调压气源，17.吹气阀，18.加压水箱，19.两通电磁阀，20.止回阀，21.调压阀，22.流量计I，23.水泵，24.流量计II，25.回水水箱。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1、图2和图3中，一种网格剖分动水含水构造电阻率法超前探测三维模拟装置，包括可扩展式三维模型架结构6、边界接地网络1、预制隧道腔体2、电极扫描阵列3、网格剖分含水构造4、动水循环模拟装置5，它实现了模型尺寸的灵活设置，设计了电极扫描网络，可用于多种形式的探测装置形式，兼容性和适用性大大提高，利用网格剖分和自由组合的方法来模型复杂形状的含水构造，利用动水循环模拟系统为含水构造中的水流动提供动力。本发明可为隧道或坑道含水构造电阻率法超前探测提供更贴近工程实际的物理模拟装置。

其中，可扩展式三维模型架结构6的尺寸为4.5m×2.0m×2.0m，它采用可扩展式槽钢8和型钢9作为框架，利用标准尺寸钢板拼装为可扩展式的组合箱型模型架，可根据需要来灵活调整模型架尺寸，拆卸方便，可重复利用。

例如，可扩展式三维模型架结构6采用3块4.5m×2.0m×0.002m的可扩展式型钢和2块2.0m×2.0m×0.002m的可扩展式型钢围成，在可扩展式型钢上布置有0.5m×0.05m×0.003m的纵向筋条，以加强结构强度；可扩展式型钢外围则由4组长度为4.7m的可扩展式槽钢和4组长度为2m的可扩展式槽钢形成骨架；可扩展式型钢与可扩展式槽钢之间通过角钢连接；为增加结构的稳定性，每组长度为2m的可扩展式槽钢之间通过直径为0.04m的拉杆10连接。可扩展式三维模型架结构6的一侧设置有直径为0.3m的半圆形缺口11，与预制隧道腔体2相连接，整个可扩展式三维模型架结构6表层均涂刷绝缘漆。

边界接地网络1设置在可扩展式三维模型架结构6的外侧，即在超前探测三维模拟装置高电阻率边界上，采用边界接地导线的方式对物理探测边界分层引出导线，并将所分层引出的导线分组接地，以解决在以往模拟中高电阻率边界对超前探测结果干扰的问题。所述的边界接地网络1在可扩展式三维模型架结构6上布设三层边界接地导线，三层边界接地导线分别在1.8m，1.2m，0.6m高位置处布置，每层边界接地导线均布在两段可扩展式槽钢8间，导线每层为一组，每组导线分别接地如图1所示，所述的边界接地导线以营造无穷远边界的假设来弱化边界对超前探测的结果。

预制隧道腔体2底面尺寸为1.4m×0.8m×0.02m，直径为0.30m，预制隧道腔体2厚度为0.02m。预制隧道腔体2模型由带有沟槽的4段0.8m×0.35m×0.02m的矩形预制隧道腔体PVC板12和4段长0.8m、直径0.30m、厚度0.02m的拱形预制隧道腔体PVC板13组成，以无法干扰试验的材料材质对隧道进行形状和物理特征的模拟。同时在矩形预制隧道腔体PVC板12设置沟槽，便于预制隧道腔体模型更好的组装拼合可拆卸。另外在矩形预制隧道腔体PVC板12上预留有电极扫描阵列布置孔14。

电极扫描阵列3由铜电极和不极化电极以阵列的方式布置分布。对于电极扫描阵列探测，其可以采用二极法、三极法、四极法、层析成像法等多种电阻率探测装置形式，而以往的超前探测模型试验中，隧道腔体埋设完毕后，却由于隧道腔体断面较小，没有足够的条件再进行电极的调整。对于本发明的电极扫描阵列3位于预制隧道腔体2的边墙、底板和掌子面，可用于二极法、三极法、四极法、层析成像等多种电阻率探测装置形式，兼容性和适用性好。电极扫描阵列3将铜电极和不极化电极按照超前探测的工作方式布置在矩形预制隧道腔体PVC板12上的预留电极扫描阵列布置孔14上，在电极扫描阵列3测量时可以任选电极及探测形式。如图4所示。

图5、图6中，网格剖分含水构造4位于预制隧道腔体2的前方，是一个被若干尺寸相同、等间距排列的网格剖分的木制结构，这种网格剖分的含水构造尺寸为2m×0.25m×2m，其上部、下部、前部、后部、左部、右部六个边界均有相应尺寸的渗透性良好的木板做成，内部设置小尺寸的透水性良好的木质隔板，形成剖分网格，每个网格的尺寸相同，均为边长0.2m的正方体。在每组相邻网格之间的交界面上设置电动刀式阀门15，通过通讯控制网络与外部控制主机7连接，控制电动刀式阀门15的“连通”和“关闭”状态。在试验中，可根据需要选择一部分网格，组合成形状不同的较为复杂的含水构造，通过将网格剖分含水构造4内相邻网格的电动刀式阀门15设置为“连通”状态，使得含水构造内的网格形成通路，而与含水构造之外的网格隔离。对于任意一个正方体网格而言，六个面上都需要设置电动刀式阀门15，连接外部主机7进行控制程序，来统一控制每个电动刀式阀门15的“连通”和“关闭”。

图7中，动水循环模拟装置分为两部分：动水循环进水模拟装置与动水循环出水模拟装置，两部分均连接主机7控制。动水循环进水模拟装置主要包括吹气加压装置，吹气加压装置为调压气源16，它通过管路与加压水箱18连接，在连接管路上设有吹气阀17；加压水箱18与动水循环进水流量控制装置连接，动水循环进水流量控制装置包括两通电磁阀19、止回阀20、调压阀21以及流量计I，它们设置在加压水箱18与网格剖分含水构造4连接的管路上。进水时通过调压气源16控制进水并过主机7控制的流量计I控制进水流量。

动水循环出水模拟装置由包括回水水箱25与动水循环出流量控制装置，动水循环出流量控制装置包括水泵23和流量计II24，出水时通过主机7控制的水泵23进行出水控制并过主机7控制的流量计II24控制出水流量。试验时通过主机7系统流量控制，待注入水量入渗稳定后再开始测量。加压水箱18和回水水箱25共用一个箱体，箱体内设置通过开闭控制隔板将加压水箱18与回水水箱25分离，试验结束后打开隔板控制开关使水箱水联通。整个实现了动水的装置封闭循环。

一种使用网格剖分动水含水构造电阻率法超前预报三维模拟装置的方法，包括以下顺序和步骤：

A.按照实验方案，现场组装可扩展式三维模型架结构6，在设计位置布设木质网格剖分含水构造4，布好电动刀式阀门15控制线路，控制线路连接外部主机7进行控制。在网格剖分含水构造4顶部与底部安装动水循环模拟装置。按实验方案在可扩展式三维模型架结构6边界增设三层边界接地导线，导线分组接地。

B.在可扩展式三维模型架结构6中按照现场情况，分层填入粘土，通过控制含水率来控制各层的电阻率等参数，并通过压实强度控制孔隙率等参数，由以上两点对现场隧道及坑道施工环境进行真实模拟。

C.可扩展式三维模型架结构6填入粘土到预制隧道腔体2的高度后，放入预制隧道腔体2，并布置电极扫描阵列3，在预制隧道腔体2底板上按照工作方式埋入铜电极和不极化电极，并用导线将电极扫描阵列3连接到预制隧道腔体2洞口（可扩展式三维模型架结构6的半圆形缺口11），并继续填粘土到预制隧道腔体2上方的各层，直至填土面与可扩展式三维模型架结构6顶部齐平。

D.实验时，首先操作网格剖分含水构造4控制程序，通过控制电动刀式阀门15的开闭情况，并依照现场实地情况，在网格剖分含水构造4中模拟出所需要的水体形状；然后通过动水循环模拟装置控制水均匀的流入含水地质构造，待注入水量入渗稳定后，开始测量；然后重复步骤D，继续测量；如果进行动流量的含水构造实验时，则通过动水循环模拟装置控制网格剖分含水构造中一定流量的水流排出含水地质构造。

Claims (8)

1.一种网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置，其特征是，它主要包括可扩展式三维模型架结构、边界接地网络、预制隧道腔体、电极扫描阵列、网格剖分含水构造、动水循环模拟装置，在可扩展式三维模型架结构内设有预制隧道腔体，在预制隧道腔体内设有电极扫描阵列，同时在可扩展式三维模型架结构前方还设有网格剖分含水构造，该网格剖分含水构造与动水循环模拟装置连接，可扩展式三维模型架结构外侧与边界接地网络连接；电极扫描阵列、网格剖分含水构造、动水循环模拟装置与主机连接。

2.如权利要求1所述的网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置，其特征是，所述可扩展式三维模型架结构采用槽钢和型钢作为框架，利用标准尺寸钢板拼装而成，型钢与槽钢之间通过角钢连接，槽钢之间通过拉杆连接，在可扩展式三维模型架结构一侧设置有半圆形缺口与预制隧道腔体相连接，整个可扩展式三维模型架结构表层均涂刷绝缘漆；相邻槽钢之间与边界接地网络引线连接。

3.如权利要求1或2所述的网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置，其特征是，所述边界接地网络采用边界接地导线的方式，设置在可扩展式三维模型架结构的高电阻率边界上，并分层引出导线，分层引出的导线分组接地；每层边界接地导线均布在两段可扩展式槽钢间。

4.如权利要求1所述的网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置，其特征是，所述预制隧道腔体模型由带有沟槽的多段矩形预制隧道腔体PVC板和多段拱形预制隧道腔体PVC板组成；在矩形预制隧道腔体PVC板的边墙、底板和掌子面上预留有电极扫描阵列布置孔；所述电极扫描阵列由铜电极和不极化电极以阵列的方式布置在电极扫描阵列布置孔上并与主机连接，电极扫描阵列布置采用二极法、三极法、四极法或层析成像。

5.如权利要求1所述的网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置，其特征是，所述网格剖分含水构造位于可扩展式三维模型架结构前方，是一个被若干尺寸相同、等间距排列的网格剖分的木制结构，其上部、下部、前部、后部、左部、右部六个边界均有相应尺寸的渗透性良好的木板做成，内部设置小尺寸的透水性良好的木质隔板，形成剖分网格，每个网格的尺寸相同；在每组相邻网格之间的交界面上设置电动刀式阀门，通过通讯控制网络与外部控制主机连接，控制阀门的“连通”和“关闭”状态；通过将含水构造内相邻网格的电动刀式阀门设置为“连通”状态，使得含水构造内的网格形成通路，而与含水构造之外的网格隔离。

6.如权利要求1所述的网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置，其特征是，所述动水循环模拟装置包括动水循环进水模拟装置与动水循环出水模拟装置，两部分均由主机控制并分别通过各自的管路与网格剖分含水构造连接；其中，动水循环进水模拟装置包括吹气加压装置、加压水箱与动水循环进水流量控制装置，通过吹气加压装置控制进水，并通过主机控制的动水循环进水流量控制装置控制进水流量；

动水循环出水模拟装置包括回水水箱与动水循环出流量控制装置，通过主机控制动水循环出流量控制装置进行出水控制；

加压水箱与回水水箱共用一个水箱体，中间由可开闭的隔板隔开，隔板的开闭由主机控制。

7.如权利要求6所述的网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置，其特征是，所述动水循环进水模拟装置的吹气加压装置包括调压气源，它通过管路与加压水箱连接，在管路上设有吹气阀，所述动水循环进水流量控制装置包括设置在加压水箱与网格剖分含水构造连接管路上的两通电磁阀、止回阀、调压阀以及流量计I，两通电磁阀、流量计与主机连接；

所述动水循环出水模拟装置的动水循环出流量控制装置包括设置在回水箱与网格剖分含水构造连接管路上的水泵、流量计II，两者均与主机连接。

8.一种使用如权利要求1-7任一所述的网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置的方法，其特征是，

A.按照实验方案，现场组装网格剖分电阻率法超前探测三维模拟装置；

B.在可扩展式三维模型架结构中按照现场情况，分层填入粘土，通过控制粘土含水率来控制各层的电阻率等参数，并通过压实强度控制孔隙率参数，由以上两点对现场隧道及坑道施工环境进行真实模拟；

C.待可扩展式三维模型架结构中填入的粘土到达预制隧道腔体高度后，放入预制隧道腔体，并布置电极扫描阵列，在预制隧道腔体底板上按照工作方式埋入铜电极和不极化电极，并用导线将电极扫描阵列引出，然后继续填粘土到预制隧道腔体上方的各层，直至填土面与可扩展式三维模型架结构顶部齐平；

D.实验时，首先通过主机控制电动刀式阀门的开闭情况，并依照现场实地情况，在网格剖分含水构造中模拟出所需要的水体形状；然后通过动水循环模拟装置控制水均匀的流入含水地质构造，待注入水量入渗稳定后，开始测量；然后重复步骤D，继续测量；如果进行动流量的含水构造实验时，则通过动水循环模拟装置控制网格剖分含水构造中一定流量的水流排出含水地质构造。

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