CN110608054B - 一种全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法及装置，应用于隧道施工技术领域，所述方法包括：确定基本参数和隧道开挖所需要的作业工序以及每一作业工序对应的时间；确定围岩压力与时间的对应关系；计算每一施工循环时间内喷层分担的围岩压力；现场测试得到喷射混凝土强度与龄期的增长曲线，计算每一开挖工序对应的喷层参数；计算每一施工循环时间内喷层结构的变形量，累加得到结构的允许变形值和并获取位移随时间的增长曲线；获取隧道施工现场实测位移值，绘制隧道变形实测值与时间的曲线；比较所获得的两条曲线，确定施工调整措施。应用本发明实施例，实现全断面法开挖隧道过程中变形量预测，并有效提高监控量测对施工的指导作用。

Description

一种全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法及装置

技术领域

本发明涉及全断面法开挖隧道支护结构变形预测技术领域，尤其涉及一种全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法及装置。

背景技术

隧道是修建在地下或水下或者在山体中，铺设铁路或修筑公路供机动车辆通行的建筑物。隧道变形监控量测是判断施工和支护安全性的重要手段，因而允许变形值的取值是隧道设计和施工中的一个关键技术参数。

现有技术中，铁路隧道设计规范对预留变形量的要求是：复合式衬砌各级围岩隧道预留变形量值可根据围岩级别、开挖跨度、埋置深度、施工方法和支护条件，采用工程类比法确定。当无类比资料时，大跨隧道(12～14m跨度)的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩的预留变形量分别为30～50mm、50～80mm、80～120mm、120～170mm。且实际应用中，由于地质条件、开挖方法、支护时机、支护强度、支护刚度及支护质量水平等均对支护结构变形值有影响，实际设计中难以给定一个具体的监测控制值，只能通过现场量测数据反馈分析进行调整。

因此，现有的隧道开挖支护过程中，缺少有效的变形监控和处理方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法及装置，旨在通过全断面法进行隧道开挖过程中变形量计算和基于变形量进行现场监控。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法，所述方法包括：

确定隧道工程的基本参数；

根据所述基本参数，确定隧道开挖所需要的作业工序以及每一作业工序对应的时间；

根据每一作业工序及对应的时间，确定围岩压力与时间的对应关系；

对围岩压力按锚杆-围岩承载拱与喷层的刚度进行分配，计算每一施工循环时间内喷层分担的围岩压力；

根据现场测试喷射混凝土弹性模量、混凝土强度随龄期的增长曲线，计算每一开挖工序的喷层参数，其中，所述喷层参数至少包括：喷层强度、弹性模量与刚度；

根据所述喷层分担的围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，计算每一施工循环时间内喷层结构的变形量，并将累计后所得总变形即为结构的允许变形值，绘制隧道变形计算值与时间的曲线；

获取隧道施工现场实测位移值，绘制隧道变形实测值与时间的曲线；

基于隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线，确定施工调整措施。

一种实现方式中，所述基于隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线，确定施工调整措施的步骤，包括：

当实测值大于计算允许变形值、且变形能够收敛时，说明支护结构的安全系数大于1.0，措施如下：加大开挖循环长度，以增加支护前的应力释放率；材料强度增长速度过慢，提高喷射混凝土材料的早期强度；计算参数取值大于实际值，且偏差较大，根据内力监测值进行分析调整，调整确定计算参数，重新计算分析；

当实测值大于允许变形值，且出现结构开裂时，加强支护；

当实测值小于计算允许变形值时，包括：弱化支护参数；计算参数取值小于实际值，且偏差较大，结合内力监测值进行分析调整，调整确定计算参数和重新计算分析。

一种实现方式中，所述根据所述喷层分担的围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，计算每一施工循环时间内喷层结构的变形量，并将累计后所得总变形即为结构的允许变形值，绘制隧道变形计算值与时间的曲线包括：

根据所述喷层分担的围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，采用有限元分析计算每一施工循环时间内喷层结构的变形量；

将每一开挖循环所对应的变形量进行累加，获得结构的允许变形值；

并将累计后所得总变形确定为结构的允许变形值；

并根据每一时间点所对应的变形值绘制隧道变形计算值与时间的曲线。

一种实现方式中，所述根据每一作业工序及对应的时间，确定围岩压力与时间的对应关系的步骤，包括：

根据每一作业工序及对应的时间，确定支护稳定时的围岩压力以及与硬化速率有关的常数；

根据支护稳定时的围岩压力和所述与硬化速率有关的常数，确定围岩压力与时间的对应关系；

其中，所述对应关系所对应的具体表达式为：

P_i＝P₀·e^-b/t

其中，P_i为任意时刻i所对应的围岩压力；P₀为支护稳定时的围岩压力；b为与硬化速率有关的常数；t为时间。

一种实现方式中，所述与硬化速率有关的常数的具体表达为：

其中，D为所述基本参数中监测断面与掌子面的距离，S为所述基本参数中开挖进尺，η为在隧道变形速率小于0.2mm/d时当前时刻围岩压力与围岩变形稳定时的围岩压力之比，△t为隧道每一施工循环时间。

一种实现方式中，所述根据现场测试喷射混凝土弹性模量、混凝土强度随龄期的增长曲线，计算每一开挖工序的喷层参数的步骤，包括：

根据现场测试喷射混凝土弹性模量、混凝土强度随龄期的增长曲线及其与开挖工序的对应关系，计算每一开挖工序的喷层参数。

一种实现方式中，开挖循环数的确定步骤，包括：

获取隧道变形基本稳定时掌子面与监控断面的距离；

确定开挖进尺；

将所获取的距离与开挖进尺的比值作为开挖循环数。

一种实现方式中，所述根据所述喷层分担的围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，采用有限元分析计算每一施工循环时间内喷层结构的变形量的步骤，包括：

根据所述喷层参数构建荷载结构模型；

根据所述喷层分担的围岩压力与时间的对应关系、所述荷载结构模型，计算每一施工循环时间内喷层结构的变形量。

一种实现方式中，所述荷载结构模型包括：

梁单元，用于模拟的喷射混凝土层，其对应的弹性模量与混凝土的龄期相对应；

无拉径向弹簧，用于与地层相互作用产生径向作用力；

切向弹簧，用于与地层相互作用产生切向作用力，其刚度与混凝土的龄期有关，与喷射混凝土的强度呈正比。

此外，本发明还公开了一种全断面法开挖隧道支护结构变形预测装置，所述装置包括：

第一确定模块，用于确定隧道工程的基本参数；

第二确定模块，用于根据所述基本参数，确定隧道开挖所需要的作业工序以及每一作业工序对应的时间；

第三确定模块，用于根据每一作业工序及对应的时间，确定围岩压力与时间的对应关系；

第一计算模块，用于对围岩压力按锚杆-围岩承载拱与喷层的刚度进行分配，计算每一施工循环时间内喷层分担的围岩压力；

第二计算模块，用于根据现场测试喷射混凝土弹性模量、混凝土强度随龄期的增长曲线，计算每一开挖工序的喷层参数，其中，所述喷层参数至少包括：喷层强度、弹性模量与刚度；

第三计算模块，用于根据所述喷层分担的围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，计算每一施工循环时间内喷层结构的变形量，并将累计后所得总变形即为结构的允许变形值，绘制隧道变形计算值与时间的曲线；

获取模块，获取隧道施工现场实测位移值，绘制隧道变形实测值与时间的曲线；

第四确定模块，用于基于隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线，确定施工调整措施。

应用本发明的全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法及装置，具有以下有益效果：

1、通过所获取的基本参数得到开挖工序与时间的对应关系；然后计算围岩压力随时间的对应关系曲线；现场测试获取喷射混凝土弹性模量、混凝土强度随龄期的增长曲线，然后计算每一施工步内的变形量增量；累加得到隧道支护结构的允许变形值；隧道施工现场位移值测试与数据整理；对比分析监测结果与计算结果确定支护参数与支护时机的调整方法；

2、本发明实施例通过设置监测变形的实质是支护结构的变形值，然后将支护结构的允许变形值作为现场监测的控制值，实现定量的进行现场监控。

附图说明

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获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法一种应用场景示意图；

图3为本发明实施例提供的全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法另一种应用场景示意图。

具体实施方式

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例提供一种全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法，包括步骤如下：

S101，确定隧道工程的基本参数。

本发明实施例中隧道工程的基本参数，主要包括围岩等级、围岩的基本物理力学参数、隧道的开挖方法与支护参数、隧道的埋深、开挖进尺S、每开挖循环的时间△t、隧道变形速率小于0.2mm/d时监测断面与掌子面的距离D。

S102，根据所述基本参数，确定隧道开挖所需要的作业工序以及每一作业工序对应的时间。

可以理解的是，根据隧道工程的基本参数可以确定隧道的作业工序所对应的时间。示例性的，隧道一个开挖循环所需要的作业工序包括开挖、出渣、施作喷射混凝土。

S103，根据每一作业工序及对应的时间，确定围岩压力与时间的对应关系。

本发明实施例中，设置围岩压力增长过程可以采用指数函数表示，具体表达为：

P_i＝P₀·e^-b/t

其中，P_i为任意时刻i所对应的围岩压力；P₀为支护稳定时的围岩压力；b为与硬化速率有关的常数；t为时间。

本发明实施例中，b是常数。当隧道变形速率小于0.2mm/d，此时的围岩压力与围岩变形稳定时的围岩压力之比为η，η可以根据现场埋设的土压力监测数据得到，当无资料时可取95％，那么设置b的值为：

其中，D为所述基本参数中监测断面与掌子面的距离，S为所述基本参数中开挖进尺，η为在隧道变形速率小于0.2mm/d时当前时刻围岩压力与围岩变形稳定时的围岩压力之比，△t为隧道每一施工循环时间。

S104，根据所述对应关系，对围岩压力按锚杆-围岩承载拱与喷层的刚度进行分配，计算每一施工循环时间内喷层分担的围岩压力。

本发明的具体实现方式中，按隧道每一施工循环时间△t，将围岩压力划分成若干份，按喷层、锚-岩承载拱的刚度比将每一份围岩压力分配给喷射混凝土与锚岩承载拱，每一施工循环时间△t内喷层分担的围岩压力计为△P_i。

因此，本发明实施例中，只要获得喷层、锚-岩承载拱的刚度比就可以获得分配比例，从而将围岩压力进行比例分配。

S105，根据现场测试喷射混凝土弹性模量、混凝土强度随龄期的增长曲线，计算每一开挖工序的喷层参数，其中，所述喷层参数至少包括：喷层强度、弹性模量与刚度。

具体实现中，根据施工现场进行试喷混凝土，获得混凝土凝固与时间的关系，因此，施工现场测试得到了喷混凝土与时间的关系，然后与开挖工序对应起来，即可得到每一开挖工序时的喷层强度、弹性模量与刚度。

具体的，有关混凝土的喷层参数，即喷层强度、弹性模量与刚度，是根据混凝土的喷射进行直接获得的，该过程为现有技术，本发明实施例在此不做赘述。

S106，根据所述喷层分担的围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，计算每一施工循环时间内喷层结构的变形量，并将累计后所得总变形即为结构的允许变形值，绘制隧道变形计算值与时间的曲线。

本发明实施例中，喷射混凝土层的计算模型为荷载结构模型，荷载结构模型包括：梁单元，用于模拟的喷射混凝土层，其对应的弹性模量与混凝土的龄期相对应；无拉径向弹簧，用于与地层相互作用产生径向作用力；切向弹簧，用于与地层相互作用产生切向作用力，其刚度与混凝土的龄期有关，与喷射混凝土的强度呈正比。

如图2所示，荷载结构模型的喷层采用梁单元模拟1，结构与地层相互作用采用无拉径向弹簧2和切向弹簧3进行模拟，以及竖向均布荷载4、水平均布荷载。梁单元的弹性模量与混凝土的龄期有关，具体可以根据现场测试喷射混凝土弹性模量、混凝土强度随龄期的增长曲线，计算每一开挖工序时的喷层强度、弹性模量与刚度，从而确定弹性模量与混凝土的龄期关系。切向弹簧的刚度与混凝土的龄期有关，与喷射混凝土的强度呈正比，当达到设计强度时，切向弹簧的刚度取径向无拉弹簧刚度的1/3。

因此，通过将每一施工循环时间内喷层分担的围岩压力施加到荷载结构模型上，就能够获得每一施工循环时间内喷层结构的变形量，这一计算过程采用有限元计算实现。

需要说明的是，有限元计算的任务是基于有限元模型完成有关的数值计算，并输出需要的计算结果。它的主要工作包括单元和总体矩阵的形成、边界条件的处理和特性方程的求解。该部分为现有技术，本发明在此不做具体赘述。

如图3所示，开挖循环的次数为N，从第一次开完循环开始，此时开完循环的次数i＝1，变形量为0，所计算的每一施工循环时间△t内喷层分担的围岩压力计为△P_i＝ΔP₁，荷载结构模型所对应的抗压强度为σ_i＝σ₁、弹性模量为E_i＝E₁，然后根据喷层的荷载模型结构获得变形增量，获取i＝1时的变形量；然后设置施工循环i＝2，重新返回计算围岩压力增量△P_i＝ΔP₂以及荷载结构模型所对应的抗压强度为σ_i＝σ₂、弹性模量为E_i＝E₂，然后依次执行步骤，从而获得i从1至N所对应的变形量，将每一次获得的变形量与对应时间进行曲线绘制，获得变形量U与时间t的曲线。

本发明的另一种实现方式中，对于开挖循环的次数N的设置，包括：获取隧道变形基本稳定时掌子面与监控断面的距离；确定开挖进尺；将所获取的距离与开挖进尺的比值作为开挖循环数，即N＝D/S。

S107，获取隧道施工现场实测位移值，绘制隧道变形实测值与时间的曲线。

在实际施工过程中，通过直接测量能够获得隧道变形。如图3所示，根据实际施工测量得到变形与曲线的U-t曲线。

S108，基于隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线，确定施工调整措施。

如图3所示，将实测的变形曲线与步骤S106所绘制的理论值变形量与时间的U-t曲线进行对比，从而获得场实测位移值与该点对应的允许变形值之间的关系。

实际应用中，允许变形值与实测位移值之间的关系包括：

当实测值大于计算允许变形值、且变形能够收敛时，说明支护结构的安全系数大于1.0，但已小于设计安全系数，产生原因可能有以下：1、支护过早，可以适当加大开挖循环长度，以增加支护前的应力释放率；2、允许变形值的计算参数取值大于实际值，且偏差较大，需要结合内力监测值进行分析调整；3、其它原因，如支护质量不到位，材料强度增长速度过慢等，需要结合实际情况进行分析。

当实测值大于允许变形值，且出现结构开裂时，说明支护力计算值过小，具体产生原因可能有计算错误或支护过早等，需要加强支护。

当实测值小于计算允许变形值时，说明：1、可以适当弱化支护参数；2、计算参数取值小于实际值，且偏差较大，需要结合内力监测值进行分析调整。

此外，本发明还公开了一种全断面法开挖隧道支护结构变形预测装置，所述装置包括：

第一确定模块，用于确定隧道工程的基本参数；

第二确定模块，用于根据所述基本参数，确定隧道开挖所需要的作业工序以及每一作业工序对应的时间；

第三确定模块，用于根据每一作业工序及对应的时间，确定围岩压力与时间的对应关系；

第一计算模块，用于对围岩压力按锚杆-围岩承载拱与喷层的刚度进行分配，计算每一施工循环时间内喷层分担的围岩压力；

第二计算模块，用于根据现场测试喷射混凝土弹性模量、混凝土强度随龄期的增长曲线，计算每一开挖工序的喷层参数，其中，所述喷层参数至少包括：喷层强度、弹性模量与刚度；

第三计算模块，用于根据所述喷层分担的围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，计算每一施工循环时间内喷层结构的变形量，并将累计后所得总变形即为结构的允许变形值，绘制隧道变形计算值与时间的曲线；

获取模块，获取隧道施工现场实测位移值，绘制隧道变形实测值与时间的曲线；

第四确定模块，用于基于隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线，确定施工调整措施。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述方法包括：

确定隧道工程的基本参数；

根据所述基本参数，确定隧道开挖所需要的作业工序以及每一作业工序对应的时间；

根据每一作业工序及对应的时间，确定围岩压力与时间的对应关系；

对围岩压力按锚杆-围岩承载拱与喷层的刚度进行分配，计算每一施工循环时间内喷层分担的围岩压力；

根据现场测试喷射混凝土弹性模量、混凝土强度随龄期的增长曲线，计算每一开挖工序的喷层参数，其中，所述喷层参数至少包括：喷层强度、弹性模量与刚度；

根据所述喷层分担的围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，计算每一施工循环时间内喷层结构的变形量，并将累计后所得总变形即为结构的允许变形值，绘制隧道变形计算值与时间的曲线；

获取隧道施工现场实测位移值，绘制隧道变形实测值与时间的曲线；

基于隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线，确定施工调整措施。

2.根据权利要求1所述的全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述基于隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线，确定施工调整措施的步骤，包括：

当实测值大于允许变形值、且变形能够收敛时，说明支护结构的安全系数大于1.0，措施如下：加大开挖循环长度，以增加支护前的应力释放率；材料强度增长速度过慢，提高喷射混凝土材料的早期强度；计算参数取值大于实际值，且偏差较大，根据内力监测值进行分析调整，调整确定计算参数，重新计算分析；

当实测值大于允许变形值，且出现结构开裂时，加强支护；

当实测值小于计算允许变形值时，包括：弱化支护参数；计算参数取值小于实际值，且偏差较大，结合内力监测值进行分析调整，调整确定计算参数和重新计算分析。

3.根据权利要求1所述的全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述根据所述喷层分担的围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，计算每一施工循环时间内喷层结构的变形量，并将累计后所得总变形即为结构的允许变形值，绘制隧道变形计算值与时间的曲线包括：

根据所述喷层分担的围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，采用有限元分析计算每一施工循环时间内喷层结构的变形量；

将每一开挖循环所对应的变形量进行累加，获得结构的允许变形值；

并将累计后所得总变形确定为结构的允许变形值；

并根据每一时间点所对应的变形值绘制隧道变形计算值与时间的曲线。

4.根据权利要求3所述的全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述根据每一作业工序及对应的时间，确定围岩压力与时间的对应关系的步骤，包括：

根据每一作业工序及对应的时间，确定支护稳定时的围岩压力以及与硬化速率有关的常数；

根据支护稳定时的围岩压力和所述与硬化速率有关的常数，确定围岩压力与时间的对应关系；

其中，所述对应关系所对应的具体表达式为：

P_i＝P₀·e^-b/t

其中，P_i为任意时刻i所对应的围岩压力；P₀为支护稳定时的围岩压力；b为与硬化速率有关的常数；t为时间。

5.根据权利要求4所述的全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述与硬化速率有关的常数的具体表达为：

其中，D为所述基本参数中监测断面与掌子面的距离，S为所述基本参数中开挖进尺，η为在隧道变形速率小于0.2mm/d时当前时刻围岩压力与围岩变形稳定时的围岩压力之比，△t为隧道每一施工循环时间。

6.根据权利要求1-5任一项所述的全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述根据现场测试喷射混凝土弹性模量、混凝土强度随龄期的增长曲线，计算每一开挖工序的喷层参数的步骤，包括：

根据现场测试喷射混凝土弹性模量、混凝土强度随龄期的增长曲线及其与开挖工序的对应关系，计算每一开挖工序的喷层参数。

7.根据权利要求6所述的全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，开挖循环数的确定步骤，包括：

获取隧道变形基本稳定时掌子面与监控断面的距离；

确定开挖进尺；

将所获取的距离与开挖进尺的比值作为开挖循环数。

8.根据权利要求3所述的全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述根据所述喷层分担的围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，采用有限元分析计算每一施工循环时间内喷层结构的变形量的步骤，包括：

根据所述喷层参数构建荷载结构模型；

根据所述喷层分担的围岩压力与时间的对应关系、所述荷载结构模型，计算每一施工循环时间内喷层结构的变形量。

9.根据权利要求8所述的全断面法开挖隧道支护结构变形预测方法，其特征在于，所述荷载结构模型包括：

梁单元，用于模拟的喷射混凝土层，其对应的弹性模量与混凝土的龄期相对应；

无拉径向弹簧，用于与地层相互作用产生径向作用力；

切向弹簧，用于与地层相互作用产生切向作用力，其刚度与混凝土的龄期有关，与喷射混凝土的强度呈正比。

10.一种全断面法开挖隧道支护结构变形预测装置，其特征在于，所述装置包括：

第一确定模块，用于确定隧道工程的基本参数；

第二确定模块，用于根据所述基本参数，确定隧道开挖所需要的作业工序以及每一作业工序对应的时间；

第三确定模块，用于根据每一作业工序及对应的时间，确定围岩压力与时间的对应关系；

第一计算模块，用于对围岩压力按锚杆-围岩承载拱与喷层的刚度进行分配，计算每一施工循环时间内喷层分担的围岩压力；

第二计算模块，用于根据现场测试喷射混凝土弹性模量、混凝土强度随龄期的增长曲线，计算每一开挖工序的喷层参数，其中，所述喷层参数至少包括：喷层强度、弹性模量与刚度；

第三计算模块，用于根据所述喷层分担的围岩压力、所述喷层参数以及与时间的对应关系，计算每一施工循环时间内喷层结构的变形量，并将累计后所得总变形即为结构的允许变形值，绘制隧道变形计算值与时间的曲线；

获取模块，获取隧道施工现场实测位移值，绘制隧道变形实测值与时间的曲线；

第四确定模块，用于基于隧道变形计算值与时间的曲线和隧道变形实测值与时间的曲线，确定施工调整措施。

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