CN106677795A - 临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构及安装工艺 - Google Patents

临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构及安装工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构和安装工艺,包括由若干钢板依次首尾相连组成的钢板拱圈结构、设置于钢板拱圈结构与初期支护结构之间并与钢板拱圈结构侧面相连的抗剪结构、两端分别与钢板拱圈结构和初期支护结构相连的支撑结构、以及浇注于钢板拱圈结构与初期支护结构之间的抗渗混凝土。本发明可节省防水层及三次衬砌的建造,节约施工工期和减小隧道衬砌的总厚度和隧道开挖面积以及节省开挖工程量,增强开挖洞体的稳定性。相对于现有技术,本发明技术方案具有抗震性能好,抗变形能力强,施工速度快、施工工期缩短、节约人工成本等优点。

Description

临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构及安装工艺
技术领域
[0001] 本发明涉及隧道衬砌结构设计技术领域,特别涉及临海高水压隧道单层钢板混凝 土组合衬砌结构及安装工艺。
背景技术
[0002] 隧道衬砌指的是为了防止围岩变形或者坍塌,沿着隧道洞内边缘使用钢筋混凝土 等材料修建的永久性支护结构。现有技术中的隧道衬砌一般都设置有初期支护结构和二次 衬砌,对于某些围岩压力较大、地质条件较差的隧道还需要设置三次衬砌,以保证隧道围岩 稳定性和改善支护结构受力状态。
[0003] 例如,港珠澳大桥珠海连接线的拱北隧道地质条件较为特殊,且地表沉降需要严 格控制,因此隧道超前支护采用管幕冻结组合预加固方案。目前拱北隧道初期支护结构由 工字钢拱架、钢筋网以及喷射混凝土构成,可用于承受隧道开挖后的围岩压力。二次衬砌由 格栅钢架、钢筋网以及喷射混凝土构成,用来加固初期支护结构及共同承受围岩压力。三次 衬砌由防水层、防腐蚀钢筋混凝土构成,主要用于防水和美观。其中,隧道超前支护在积极 冻结满足要求后,按照先注浆加固后开挖的原则,分部多台阶多导坑开挖,同时逐步停止已 开挖段的冻结作用,从而起到节约能源目的。
[0004] 但是上述结构以及施工方法存在一定的问题,顶管分部停止冻结没有协调好,容 易在高水压的条件下造成开挖后隧道渗水严重,对初期支护结构以及二次、三次衬砌的施 工造成极为不利的影响。二次衬砌和三次衬砌的施工厚度较大时,会加大隧道端面开挖面 积和工程开挖量,从而延长施工工期。制作和安装格栅钢架会耗费大量的人力物力且施工 速度慢,增加额外的人力和物力成本。三次衬砌施工需要应用大型的专用衬砌台车和模具, 因此设备投入较大。另外,防水薄膜的耐久性和使用寿命有一定年限,从而难以保证其在隧 道设计使用年限内正常稳定发挥理想的防水效果。
发明内容
[0005] 本发明的主要目的是提出一种抗震性能好、承载能力高、抗变形能力强、便于施工 以及节约成本的临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构和安装工艺,旨在提高衬砌 结构的防水性能、抗扭刚度和抗弯刚度以及降低施工成本。
[0006] 为实现上述目的,本发明提出临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构,包 括由若干钢板依次首尾相连组成的钢板拱圈结构、设置于所述钢板拱圈结构与初期支护结 构之间并与所述钢板拱圈结构侧面相连的抗剪结构、两端分别与所述钢板拱圈结构和初期 支护结构相连的支撑结构、以及浇注于所述钢板拱圈结构与所述初期支护结构之间的混凝 土。
[0007] 优选地,组成所述钢板拱圈结构的钢板厚度为40~60mm。
[0008] 优选地,所述抗剪结构为包括面板和腹板相互垂直相连的L型钢抗剪切构件,所述L型钢抗剪切构件的腹板一侧边与所述钢板拱圈结构侧面焊接相连。
[0009] 优选地,所述面板的宽度为90~120mm,所述面板的厚度为13~18mm,所述腹板的 高度为250~350mm,所述腹板的厚度为9~11.5mm。
[0010] 优选地,所述抗剪结构为连接于所述钢板拱圈结构侧面并朝向于初期支护结构的 栓钉。
[0011] 优选地,所述栓钉的直径为18~25mm,所述栓钉的长度为250~300mm。
[0012] 优选地,所述支撑结构为工字钢构件,所述工字钢构件的一端与所述钢板拱圈结 构焊接相连,所述工字钢构件的另一端与所述初期支护结构焊接相连。
[0013] 优选地,所述支撑结构为槽钢构件,所述槽钢构件的一端与所述钢板拱圈结构焊 接相连,所述槽钢构件的另一端与所述初期支护结构焊接相连。
[0014] 优选地,所述钢板拱圈结构的内拱圈设有多段横向临时支撑和多段竖向临时支 撑,所述横向临时支撑为水平设置并穿过所述钢板拱圈结构且支撑于所述初期支护结构的 内周缘面,所述竖向临时支撑为竖直设置并有一端穿过所述钢板拱圈结构下部且支撑于所 述初期支护结构的内周缘面。
[0015] 本发明还提出一种使用所述临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构的安 装工艺,其特征在于,包括以下步骤:
[0016] 1)将预切割并压弯成型的单块钢板与抗剪结构和支撑结构焊接相连;
[0017] 2)待初期支护结构的混凝土固化并达到设计强度后,在所述初期支护结构形成的 内拱圈内部设置所述横向临时支撑和所述竖向临时支撑;
[0018] 3)将焊接有所述抗剪结构和所述支撑结构的单块钢板运送至对应导坑中,将所述 钢板对准位置后,通过焊接将所述支撑结构的另一端与所述初期支护结构焊接相连;
[0019] 4)通过相应的补缺钢板将所述横向临时支撑和所述竖向临时支撑与所述钢板拱 圈结构的空隙以焊接形式填补完整,然后将所述横向临时支撑和所述竖向临时支撑与所述 钢板拱圈结构的边界焊接相连,最后将相邻的钢板通过焊接相连;
[0020] 5)在单块钢板的下部临时制模,在单块钢板与所述初期支护结构之间注入抗渗混 凝土直至浇注满为止,待抗渗混凝土固化达到设计强度后拆除临时模板;
[0021] 6)待整个环向的单层钢板混凝土组合衬砌结构安装完毕并且浇筑的混凝土固化 达到设计强度后,将临时支撑拆除;所述横向临时支撑和所述竖向临时支撑深入钢板拱圈 结构内的部分作为永久性支护结构而不予拆除,而所述横向临时支撑和所述竖向临时支撑 凸出钢板的部分通过切割予以拆除;
[0022] 7)最后对所述钢板拱圈结构的内周缘进行除锈处理并及时喷涂防火涂料。
[0023] 本发明技术方案通过多块钢板焊接形成一个闭合环,钢板之间形成闭合环能够使 结构强度相应提高,相应的承载能力也大大提高。钢板与初期支护结构之间通过支撑结构 相连并对钢板进行支撑,既可将钢板与初期支护结构间的相对位置进行固定,同时也可以 增强钢板与抗渗混凝土的抗剪切粘结能力;钢板与初期支护结构之间设有抗剪结构并与钢 板相连,从而使得浇注的抗渗混凝土不发生相对移动,并且可承受钢板与抗渗混凝土交界 面的剪力及增强钢板与抗渗混凝土的抗剪切粘结能力。同时,在钢板与初期支护结构之间 浇注有抗渗混凝土,使得本发明的防水性能更好,能够抵抗更大的围岩变形。
[0024] 本发明可节省防水层及三次衬砌的建造,节约施工工期和减小隧道衬砌的总厚 度,减小隧道开挖面积和节省开挖工程量,增强开挖洞体的稳定性。因此具有抗震性能好, 抗变形能力强,施工速度快、施工工期缩短、节约人工成本等优点。
附图说明
[0025] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以 根据这些附图标示出的结构获得其他的附图。
[0026]图1是本发明临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构的结构示意图;
[0027] 图2是本发明临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构的横断面结构示意 图;
[0028] 图3是图2中A-A部分剖面图;
[0029] 图4是图2中B-B部分剖面图;
[0030] 图5是图2中C-C部分剖面图;
[0031]图6是图2中D处局部放大视图。
[0032] 附图标号说明:
Figure CN106677795AD00061
[0034] 本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0035] 下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基 于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其 他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0036]需要说明,若本发明实施例中有涉及方向性指示储如上、下、左、右、前、后……), 则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、 运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
[0037] 另外,若本发明实施例中有涉及"第一"、"第二"等的描述,则该"第一"、"第二"等 的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技 术特征的数量。由此,限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特 征。另外,各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能 够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结 合不存在,也不在本发明要求的保护范围之内。
[0038] 请参见图1至图6,本发明实施例提出临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结 构,该衬砌结构包括由若干块钢板101依次首尾相连组成的钢板拱圈结构、设置于钢板拱圈 结构与初期支护结构107之间并与钢板拱圈结构侧面相连的抗剪结构、两端分别与钢板拱 圈结构和初期支护结构107相连的支撑结构、以及浇注于钢板拱圈结构与初期支护结构107 之间的抗渗混凝土104。
[0039]本实施例中,组成钢板拱圈结构的钢板101厚度为40mm,抗剪结构为包括面板和腹 板相互垂直相连的L型钢抗剪切构件102,L型钢抗剪切构件102的腹板一侧边与钢板拱圈结 构侧面焊接相连。L型钢抗剪切构件102的面板宽度为90mm,面板的厚度为13mm,腹板的高度 为250mm,腹板的厚度为9mm。本实施中的支撑结构为工字钢构件103,工字钢构件103的一端 与钢板拱圈结构焊接相连,而工字钢构件103的另一端则与初期支护结构107焊接相连。
[0040] 在本发明的另一实施例中,组成钢板拱圈结构的钢板101厚度为60mm,L型钢抗剪 切构件102包括相互垂直相连的面板和腹板,面板的宽度为120mm,面板的厚度为18mm,腹板 的高度为350mm,腹板的厚度为11.5mm。
[0041]在本发明的其他实施例中,抗剪结构为连接于钢板拱圈结构侧面并朝向于初期支 护结构107的栓钉,其中栓钉的直径可为18~25mm,栓钉的长度可为250~300mm。而支撑结 构为槽钢构件,槽钢构件的一端与钢板拱圈结构焊接相连,槽钢构件的另一端则与初期支 护结构107焊接相连。另外,抗剪结构也可为与钢板拱圈结构焊接相连的角钢、T型钢等构 件,支撑结构也可为弯曲为U型的钢筋。
[0042]本实施例中,钢板拱圈结构内部的内拱圈设有多段横向临时支撑105和多段竖向 临时支撑106,横向临时支撑105为水平设置并穿过钢板拱圈结构,然后支撑于初期支护结 构107的内周缘面上,而竖向临时支撑106为竖直设置且有一端穿过钢板拱圈结构下部并支 撑于初期支护结构107的内周缘面上,竖向临时支撑106的另一端则与多段横向临时支撑 105相连。
[0043] 本发明还提出一种使用临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构的安装工 艺,包括以下步骤:
[0044] 1)将预切割并压弯成型的单块钢板101与抗剪结构和支撑结构焊接相连;
[0045] 2)待初期支护结构107的混凝土固化并达到设计强度后,在初期支护结构107形成 的内拱圈内部设置横向临时支撑105和竖向临时支撑106;
[0046] 3)将焊接有抗剪结构和支撑结构的单块钢板101运送至对应导坑中,将钢板101对 准位置后,通过焊接将支撑结构的另一端与初期支护结构107相连;
[0047] 4)通过相应的补缺钢板108将横向临时支撑105和竖向临时支撑106与钢板拱圈结 构的空隙以焊接形式填补完整,然后将横向临时支撑105和竖向临时支撑106与钢板拱圈结 构的边界焊接相连,最后将相邻的钢板101通过焊接相连;
[0048] 5)在单块钢板101的下部临时制模,在单块钢板101与所述初期支护结构107之间 注入抗渗混凝土104直至浇注满为止,待抗渗混凝土104固化达到设计强度后拆除临时模 板;
[0049] 6)待整个环向的单层钢板混凝土组合衬砌结构安装完毕并且浇筑的抗渗混凝土104固化达到设计强度后,将临时支撑拆除;横向临时支撑105和竖向临时支撑106深入钢板 拱圈结构内的部分作为永久性支护结构而不予拆除,而横向临时支撑105和竖向临时支撑 106凸出钢板101的部分通过切割予以拆除;
[0050] 7)最后对钢板拱圈结构的内周缘进行除锈处理并及时喷涂防火涂料。
[0051] 请参见图1至图6,本发明实施例的临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构 在安装前,首先需要提前制造用于承托抗渗混凝土 104的钢板拱圈结构。其中钢板拱圈结构 在隧道内侧形成封闭成环的支护结构,因此,钢板拱圈结构沿着环向纵向分块分段焊接拼 装而成,每块钢板101的横向长度为相邻横向临时支撑105间或横向临时支撑105与竖向临 时支撑106间的隧道弧长,每块钢板101纵向宽度为两榀或三榀横向临时支撑105间的宽度。 每块钢板101可预先在工厂按照隧道设计的相应长度、宽度、弧度以及隧道形状进行切割、 压弯、表面除锈等工序制造成型,从而使得钢板101在安装时能按照一定排序快速安装。
[0052] 当单块钢板101制造完成后,可根据选用L型钢抗剪构件102的腹板高度厚度、面板 的宽度厚度而加工制造出与钢板101相适应的L型钢抗剪构件102。同时,根据每块钢板101 所安装位置的不同,按设计要求切割出相应长度的工字钢构件103,用于对钢板101与初期 支护结构107之间的连接和定位;同时为满足钢板101与初期支护结构107之间抗渗混凝土 104的振捣需求,工字钢构件103长度不低于300mm,以保证抗渗混凝土 104振捣过程中不会 对钢板101或者其他构件产生振动破坏。将L型钢抗剪构件102的腹板一端与钢板101侧面焊 接相连,然后将工字钢构件103的一端焊接于设有L型钢抗剪构件102的钢板101-侧面。
[0053]将焊接有L型钢抗剪构件102和工字钢构件103的单件钢板101运送至对应的导坑 内,将钢板101对准位置后,通过焊接将工字钢构件103的另一端与初期支护结构107焊接相 连。由于在钢板101安装之前,隧道内部已经设置了若干横向临时支撑105和竖向临时支撑 106,并且横向临时支撑105和竖向临时支撑106均已支撑于初期支护结构107的内周缘表 面。因此在钢板101设计时,需要在钢板101的底板设置相应的避让孔,以使得钢板101与横 向临时支撑105、竖向临时支撑106之间不发生干涉。并且在钢板101安装到位后,需要设置 相应的补缺钢板108通过焊接以对横向临时支撑105、竖向临时支撑106与钢板101之间的空 隙进行填补,最后通过焊接将横向临时支撑105和竖向临时支撑106与钢板101之间、钢板 101与钢板101之间的边界焊接相连。
[0054] 当单块钢板101焊接固定后,在单块钢板101构件的下部进行临时制模,然后在钢 板101与初期支护结构107之间浇注满抗渗混凝土 104,待抗渗混凝土 104固化达到设计强度 后拆除临时模板。由于钢板101在设计阶段中,起到支撑作用的工字钢构件103长度已经考 虑到能够满足振捣棒使用需求,因此本实施例中,用于浇注钢板101与初期支护结构107之 间的抗渗混凝土 104无须使用自密实混凝土,可采用标号为C40、P10及以上高标号的抗渗混 凝土 104进行浇注。需要说明的是,选用的工字钢构件103的工字钢腹板方向与隧道轴向垂 直,这样可以通过应用工字钢的抗弯强度而提高本实施例的临海高水压隧道单层钢板混凝 土组合衬砌结构的抗变形能力。工字钢翼板宽度不大于初期支护结构107所选用的工字钢 翼板宽度,从而使得工字钢构件103能够与初期支护结构107焊接相连更加可靠。本实施例 中的抗渗混凝土 104浇注与钢板101安装进度相一致,最终使得临海高水压隧道单层钢板混 凝土组合衬砌结构通过依次首尾焊接而封闭成环的钢板101和浇注于钢板101与初期支护 结构107间的抗渗混凝土 104形成协同受力的整体半柔性支护结构,从而可以实现高防水、 高承载力、承受动荷载及其他特殊要求下的隧道衬砌使用要求,能够满足强度、刚度、防水 性、抗震性、施工便捷性等其他其他特殊要求下的隧道衬砌设计要求。
[0055]待整个环向的临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构安装完毕并且浇筑 的抗渗混凝土 104固化达到设计强度后,需要拆除临时支撑。而横向临时支撑105和竖向临 时支撑106深入钢板拱圈结构内的部分则作为永久性支护结构而不予拆除,但是横向临时 支撑105和竖向临时支撑106凸出钢板101表面的部分则需要通过切割予以拆除,最后对钢 板拱圈结构的内周缘进行除锈处理并及时喷涂防火涂料。
[0056] 本发明实施例中的临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构中,通过多块钢 板101焊接形成一个闭合环,钢板101之间形成闭合环能够使结构强度相应提高,相应的承 载能力也大大提高。钢板101与初期支护结构107之间通过支撑结构相连并对钢板101进行 支撑,既可将钢板101与初期支护结构107间的相对位置进行固定,同时也可以增强钢板101 与抗渗混凝土 10 4的抗剪切粘结能力;钢板101与初期支护结构10 7之间设有抗剪结构与钢 板101相连,从而使得浇注的抗渗混凝土 104不发生相对移动,并且可承受钢板101与抗渗混 凝土 104交界面的剪力及增强钢板101与抗渗混凝土 104的抗剪切粘结能力。同时,在钢板 101与初期支护结构107之间浇注有抗渗混凝土 104,使得本实施例的防水性能更好,能够抵 抗更大的围岩变形。
[0057] 本实施例技术方案可节省防水层及三次衬砌的建造,节约施工工期和减小隧道衬 砌的总厚度,减小隧道开挖面积和节省开挖工程量,增强开挖洞体的稳定性。因此本实施例 具有抗震性能好,抗变形能力强,施工速度快、施工工期缩短、节约人工成本等优点。
[0058] 以上所述仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是在本 发明的构思下,利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换,或直接/间接运用在其 他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1. 临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构,其特征在于,包括由若干钢板依次 首尾相连组成的钢板拱圈结构、设置于所述钢板拱圈结构与初期支护结构之间并与所述钢 板拱圈结构侧面相连的抗剪结构、两端分别与所述钢板拱圈结构和初期支护结构相连的支 撑结构、以及浇注于所述钢板拱圈结构与所述初期支护结构之间的混凝土。
2. 如权利要求1所述的临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构,其特征在于,组 成所述钢板拱圈结构的钢板厚度为40~60mm。
3. 如权利要求1所述的临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构,其特征在于,所 述抗剪结构为包括面板和腹板相互垂直相连的L型钢抗剪切构件,所述L型钢抗剪切构件的 腹板一侧边与所述钢板拱圈结构侧面焊接相连。
4. 如权利要求3所述的临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构,其特征在于,所 述面板的宽度为90~120mm,所述面板的厚度为13~18mm,所述腹板的高度为250~350mm, 所述腹板的厚度为9~11.5mm。
5. 如权利要求1所述的临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构,其特征在于,所 述抗剪结构为连接于所述钢板拱圈结构侧面并朝向于初期支护结构的栓钉。
6. 如权利要求5所述的临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构,其特征在于,所 述栓钉的直径为18~25mm,所述栓钉的长度为250~300mm。
7. 如权利要求1所述的临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构,其特征在于,所 述支撑结构为工字钢构件,所述工字钢构件的一端与所述钢板拱圈结构焊接相连,所述工 字钢构件的另一端与所述初期支护结构焊接相连。
8. 如权利要求1所述的临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构,其特征在于,所 述支撑结构为槽钢构件,所述槽钢构件的一端与所述钢板拱圈结构焊接相连,所述槽钢构 件的另一端与所述初期支护结构焊接相连。
9. 如权利要求1所述的临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构,其特征在于,所 述钢板拱圈结构的内拱圈设有多段横向临时支撑和多段竖向临时支撑,所述横向临时支撑 为水平设置并穿过所述钢板拱圈结构且支撑于所述初期支护结构的内周缘面,所述竖向临 时支撑为竖直设置并有一端穿过所述钢板拱圈结构下部且支撑于所述初期支护结构的内 周缘面。
10. -种使用如权利要求1所述临海高水压隧道单层钢板混凝土组合衬砌结构的安装 工艺,其特征在于,包括以下步骤: 1) 将预切割并压弯成型的单块钢板与抗剪结构和支撑结构焊接相连; 2) 待初期支护结构的混凝土固化并达到设计强度后,在所述初期支护结构形成的内拱 圈内部设置所述横向临时支撑和所述竖向临时支撑; 3) 将焊接有所述抗剪结构和所述支撑结构的单块钢板运送至对应导坑中,将所述钢板 对准位置后,通过焊接将所述支撑结构的另一端与所述初期支护结构焊接相连; 4) 通过相应的补缺钢板将所述横向临时支撑和所述竖向临时支撑与所述钢板拱圈结 构的空隙以焊接形式填补完整,然后将所述横向临时支撑和所述竖向临时支撑与所述钢板 拱圈结构的边界焊接相连,最后将相邻的钢板通过焊接相连; 5) 在单块钢板的下部临时制模,在单块钢板与所述初期支护结构之间注入抗渗混凝土 直至浇注满为止,待抗渗混凝土固化达到设计强度后拆除临时模板; 6) 待整个环向的单层钢板混凝土组合衬砌结构安装完毕并且浇筑的混凝土固化达到 设计强度后,将临时支撑拆除;所述横向临时支撑和所述竖向临时支撑深入钢板拱圈结构 内的部分作为永久性支护结构而不予拆除,而所述横向临时支撑和所述竖向临时支撑凸出 钢板的部分通过切割予以拆除; 7) 最后对所述钢板拱圈结构的内周缘进行除锈处理并及时喷涂防火涂料。
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