CN110922949B - 淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料及制备方法,泥浆材料由基础组分和外掺组分组成,泥浆材料的控制指标为:泥浆的失水量<15mL,泥浆比重<1.05,泥浆粘度20s~50s。制备方法包括如下步骤:(1)确定控制指标,(2)基础配方筛选,(3)试验检测,(4)正交试验,(5)试验检验,(6)确定基础组分和外掺组分的配比。本发明的护壁泥浆材料在软硬地层界面,形成的泥饼很好地支撑了钻孔孔壁的稳定性,控制了软硬地层界面的偏移量,使之保持在3‰以内。钻杆拔出后,钻孔内泥浆、泥饼、空气与钻孔形成欠压平衡系统,该平衡系统能长时间保持稳定,维持钻孔稳定性长达9h以上,实现了冻结管顺利下放。
Description
技术领域
本发明涉及土木建筑技术领域。具体地说是一种用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料及制备方法。
背景技术
城市地下空间的开发是解决城市资源与环境危机的重要措施。随着我国城市化进程的加速,特别是近10年以来,城市交通拥堵问题越来越突出,地铁的建设成为解决城市交通堵塞问题的最有效途径之一。因此,伴随着城市化进程的发展,轨道交通建设在过去的20年其建设规模和速度世界罕见。截至2017年底,我国大陆轨道交通运营总里程已达4712公里,运营城市33座。目前,全国在建轨道交通城市48座,在建里程5636km,预计2020年,全国拥有轨道交通的城市将超过50座,运营里程将超过9000公里,我国迎来了轨道交通建设的高峰期。
由于某些地下工程存在复杂的淤泥质粘土和流砂软弱地层条件,繁忙的交通、密集的建筑及复杂的管线,给城市地下工程建设提出了种种挑战。人工地层冻结技术以加固土体强度高、封水效果佳、环境影响小等独特优势,在这场挑战中赢得了发展历史机遇,拓展了新的应用空间。
随着北上广地铁建设率先步入网络化发展,地铁建设立体交叉,大体量、长距离穿越工程不断涌现。以上海为例,国权路冻结穿越工程水平冻结钻孔长度超过40m,钻孔地层处于富水软弱的淤泥质粘土中。由于穿越既有车站,钻孔过程中要穿透复杂的障碍物(桩、格构柱、地连墙)。钻孔要频繁穿过软硬地层,对淤泥质粘土与障碍物界面护壁效果提出了更高的要求。在钻进过程中发现采用常规的泥浆配方难以满足界面钻孔稳定性需要,长时间的冲刷会带走大量粘土,界面处钻头极易失稳,导致偏斜过大,甚至钻孔失效;钻杆拔出后塌孔现象时有发生,从而导致冻结管下放困难。分析常规的垂直孔钻进,例如垂直冻结孔,注浆法钻孔,钻井法钻孔,钻孔过程中孔壁的稳定性主要靠调节泥浆的比重来实现,泥浆比重通常超过1.1,对泥浆的粘度参数要求更高,以解决钻进过程中的抱钻、排渣需要。再如顶管推进过程中,由于推进与支护一次完成,泥浆主要起润滑减阻作用,对泥浆的润滑系数要求高;泥水平衡盾构推进过程中,由于推进与支护同时进行,泥浆起着维持开挖面稳定、循环携渣和润滑冷却刀具等作用,掌子面的稳定主要通过泥水的加压平衡地压来实现,对泥浆的粘度指标要求更高。长水平冻结钻孔的特点是不仅要解决钻进过程中软硬地层界面孔壁稳定性问题,而且水平冻结钻孔成孔后需拔出钻具,重新下放冻结管。钻具拔出及冻结管下放需要长达9h以上,钻孔处于欠压平衡状态,需要泥饼这种薄膜支护体与周围小孔径地层一起形成平衡系统,以降低钻具拔出及下放冻结管过程中可能出现的塌孔现象。
发明内容
为此,本发明所要解决的技术问题在于从水平冻结钻孔泥浆护壁的机理出发,考虑形成的泥饼薄而有韧性,提出了一种低比重高性能泥浆护壁材料及制备方法以解决长水平冻结钻孔过程中软硬地层界面钻头跑偏及钻具拔出后冻结孔塌孔的问题。
为解决上述技术问题,本发明提供如下技术方案:
一种用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料,由基础组分和外掺组分组成,泥浆材料的控制指标为:泥浆的失水量<15mL,泥浆比重<1.05,泥浆粘度20s~50s。
上述用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料,泥浆材料的优选控制指标为:泥浆的失水量<10mL,泥浆比重为1.03~1.05,泥浆粘度25s~40s。
上述用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料,所述基础组分为钠基膨润土和水形成的膨润土浆液,向膨润土浆液加入纯碱使得膨润土浆液的pH值为9.0~10.0;所述外掺组分由聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素组成。
上述用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料,所述基础组分为钠基膨润土和水形成的膨润土浆液,以水为参照,钠基膨润土的掺加量为水的质量的2%~5%,向膨润土浆液加入纯碱使得膨润土浆液的pH值为9.0~10.0;所述外掺组分由聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素组成,所述聚丙烯酰胺的加入量为水质量的0.15‰~0.25‰,所述羧甲基纤维素的加入量为水质量的0.3‰~0.5‰。
一种用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)确定控制指标:从试验研究的角度分析,形成适用于长水平冻结钻孔高效护壁泥饼的测试指标,把失水量控制值作为主要控制指标,泥浆比重和泥浆粘度作为次要控制指标;
(2)基础配方筛选:在基础组分的基础上,从外掺组分的分子结构出发,筛选合适的外掺组分;钠基膨润土的主要成分是蒙脱石,具有片层结构,羧甲基纤维素和聚丙烯酰胺都是线性水溶高分子,在溶于水的情况下,可与钠基膨润土混合;然后进行初步筛选,确定外掺组分的种类;
(3)试验检测:采用泥浆的粘度指标作为基础组分掺量和外掺组分掺量的控制指标;
(4)正交试验:根据步骤(3)中确定的基础组分掺量和外掺组分掺量,设计正交试验方案,进行正交试验;
(5)试验检验:利用自制试验平台,进行长水平冻结孔穿越障碍物试验,测定泥浆护壁效果;
(6)确定基础组分和外掺组分的配比:根据步骤(4)和步骤(5)的试验结果,最终确定基础组分的配方和外掺组分的成分和配比。
上述用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料的制备方法,在步骤(1)中,指标为:泥浆失水量<15mL,泥浆比重<1.05,泥浆粘度20s~50s。
上述用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料的制备方法,在步骤(2)中,所述基础组分由钠基膨润土和水形成的膨润土浆液,并向膨润土浆液加入纯碱使得膨润土浆液的pH值为9.0~10.0;所述外掺组分由聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素组成。
上述用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料的制备方法,在步骤(4)中,做钠基膨润土、聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素三个因素,三个水平的正交试验组数为9组。
上述用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料的制备方法,在步骤(5)中,所述自制试验平台由14节平台单元连接组成;每节所述平台单元长度为3m、高为1.5m、宽为1.5m,每节所述平台单元均由底板、左侧板和右侧板组成,所述底板、所述左侧板和所述右侧板均为5mm厚钢板,所述左侧板和所述右侧板的底部边沿与所述底板焊接,相邻所述平台单元的连接处左右两侧分别固定安装有左侧槽钢和右侧槽钢,所述左侧槽钢和所述右侧槽钢分别通过螺栓固定在所述平台单元上,并且所述左侧槽钢与所述右侧槽钢之间通过钢筋固定连接;所述自制试验平台的两端浇注混凝土进行端头封堵;
所述长水平冻结孔穿越障碍物试验步骤如下:
A、在自制试验平台内预置障碍物,然后再装入淤泥质粘土并进行夯实,每层0.5m厚、分三层进行夯实形成模拟实验地层:第一层夯实后形成第一夯实层,对第一夯实层浸水,使得第一夯实层含水率与待施工地层相同;然后再装入淤泥质粘土,进行第二层夯实,第二层夯实后形成第二夯实层,对第二夯实层浸水,使得第二夯实层含水率与待施工地层相同;最后装入淤泥质粘土,进行第三层夯实,第三层夯实后形成第三夯实层,对第三夯实层浸水,使得第三夯实层含水率与待施工地层相同;
B、从自制试验平台的一端钻进长水平冻结孔,钻至自制试验平台的另一端;
C、拔出钻具后,下放冻结管,测定护壁泥浆材料的护壁效果。
上述用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料的制备方法,在步骤(6)中,最终确定基础组分的配方和外掺组分的成分和配比如下:以水的质量为参照,膨润土掺入2%~5%,聚丙烯酰胺掺入0.15‰~0.25‰,羧甲基纤维素掺入0.3‰~0.5‰,形成的泥饼薄且有韧性,致密性较好。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果:
本发明制备的长水平冻结钻孔护壁泥浆材料,具有低比重的特点,且形成的泥饼致密、薄而有韧性,以在钻进过程中形成高性能泥饼,起到有效护壁的效果。在钻进过程中,在软硬地层界面,形成的泥饼很好地支撑了钻孔孔壁的稳定性,控制了软硬地层界面的偏移量,使之保持在3‰以内。钻具拔出后,钻孔内泥浆、泥饼、空气与钻孔形成欠压平衡系统,该平衡系统能长时间保持稳定,维持钻孔稳定性长达9h以上,实现了冻结管顺利下放。
通过在长水平冻结钻孔中低比重高性能护壁泥浆材料的使用,减少了钻孔中对地层的扰动与水土的流失,使地表、地面构筑物、地下管线的沉降维持在允许范围内。
钻孔对地层扰动小可以大大减少冻结封孔过程中对水泥浆材料的使用量,从而降低了水泥浆水化放热对地层温度场的影响,节约了冷量,实现了钻孔的微扰动控制,创造了良好的经济与社会效益。
附图说明
图1本发明一种用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料的水平冻结钻孔泥浆护壁欠压平衡状态结构示意图;
图2自制试验平台结构示意图;
图3使用本发明中的低比重高性能护壁泥浆材料在水平冻结钻孔穿越淤泥质粘土与障碍物界面处的模拟实验照片,由照片上可以看出:界面处钻孔粘土没有明显流失,不会威胁到穿越段既有建筑物的沉降稳定性,钻具拔出后不会发生塌孔现象,冻结管下放顺利。
图4使用其他泥浆材料在水平冻结钻孔穿越淤泥质粘土与障碍物界面处的模拟实验照片,由照片上可以看出:界面处钻孔粘土存在明显流失,界面处钻头极易跑偏,会威胁到穿越段既有建筑物的沉降稳定性,钻具拔出后易发生塌孔现象,会给冻结管下放带来困难。
图中附图标记表示为:1-泥浆;2-泥饼;3-空气;4-淤泥质粘土;5-底板;6-左侧板;7-右侧板;8-左侧槽钢;9-右侧槽钢;10-螺栓;11-钢筋。
具体实施方式
实施例1
本实施例一种用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料,由基础组分和外掺组分组成,泥浆材料的指标为:泥浆的失水量<15mL,泥浆比重<1.05,泥浆粘度20s~50s。
所述基础组分为钠基膨润土和水形成的膨润土浆液,向膨润土浆液加入纯碱使得膨润土浆液的pH值为9.0~10.0;所述外掺组分由聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素组成。所述基础组分为钠基膨润土和水形成的膨润土浆液,以水为参照,钠基膨润土的掺加量为水的质量的2%~5%,向膨润土浆液加入纯碱使得膨润土浆液的pH值为9.0~10.0;所述外掺组分由聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素组成,所述聚丙烯酰胺的加入量为水质量的0.15‰~0.25‰,所述羧甲基纤维素的加入量为水质量的0.3‰~0.5‰。
进一步优选的泥浆材料的控制指标为:泥浆的失水量<10mL,泥浆比重为1.03-1.05,泥浆粘度25s~40s。
实施例2
本实施例一种用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)确定主要控制指标:针对淤泥质粘土中长水平钻孔对泥浆护壁形成高性能泥饼的需要:(a)解决钻进过程中软硬地层界面钻头跑偏问题;(b)钻杆拔出及冻结管下放需要长达9h以上,钻孔处于欠压平衡状态(如图1所示),需要泥饼这种薄膜支护体与周围小孔径地层一起形成平衡系统,以降低钻具拔出及冻结管下放过程中可能产生的塌孔现象。
从试验研究的角度分析,形成适用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔高效护壁泥饼的测试指标,把失水量控制值作为主要控制指标;主要控制指标为泥浆的失水量,具体详细指标为:失水量控制值<15mL,泥浆比重<1.05,泥浆粘度:20s~50s;进一步优选的控制指标为:泥浆的失水量<10mL,泥浆比重为1.03~1.05,泥浆粘度25s~40s。
(2)基础配方筛选:在基础组分的基础上,从外掺组分的分子结构出发,筛选合适的外掺组分;钠基膨润土的主要成分是蒙脱石,具有片层结构;然后进行初步筛选,确定外掺组分的种类;所述外掺组分由聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素组成,羧甲基纤维素和聚丙烯酰胺都是线性水溶高分子,在溶于水的情况下,可与钠基膨润土混合;所述基础组分由膨润土和水形成的膨润土浆液,并向膨润土浆液加入纯碱使得膨润土浆液的pH值为9.0~10.0。
(3)试验检测:采用泥浆的粘度指标作为基础组分掺量和外掺组分掺量的控制指标,粘度的控制指标在20s~50s之间,优选控制在25s~40s。
(4)正交试验:根据步骤(3)中确定的基础组分掺量和外掺组分掺量,设计正交试验方案,进行正交试验;做钠基膨润土、聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素三个因素,三个水平的正交试验组数为9组,如下表1所示。
表1
(5)试验检验:利用自制试验平台,进行长水平冻结孔穿越障碍物试验,测定泥浆护壁效果;所述自制试验平台用于试验测定参数有:钻孔的偏斜量、下管的时间和地层流失量;
所述自制试验平台由14节平台单元连接组成;每节所述平台单元长度为3m、高为1.5m、宽为1.5m,每节所述平台单元均由底板、左侧板和右侧板组成,所述底板、所述左侧板和所述右侧板均为5mm厚钢板,所述左侧板和所述右侧板的底部边沿与所述底板焊接,相邻所述平台单元的连接处左右两侧分别固定安装有左侧槽钢和右侧槽钢,所述左侧槽钢和所述右侧槽钢分别通过螺栓固定在所述平台单元上,并且所述左侧槽钢与所述右侧槽钢之间通过钢筋固定连接;所述自制试验平台的两端浇注混凝土进行端头封堵;
所述长水平冻结孔穿越障碍物试验步骤如下:
A、在自制试验平台内预置障碍物,然后再装入淤泥质粘土并进行夯实,每层0.5m厚、分三层进行夯实形成模拟试验地层:第一层夯实后形成第一夯实层,对第一夯实层浸水,使得第一夯实层含水率与待施工地层相同;然后再装入淤泥质粘土,进行第二层夯实,第二层夯实后形成第二夯实层,对第二夯实层浸水,使得第二夯实层含水率与待施工地层相同;最后装入淤泥质粘土,进行第三层夯实,第三层夯实后形成第三夯实层,对第三夯实层浸水,使得第三夯实层含水率与待施工地层相同;
B、从自制试验平台的一端钻进长水平冻结孔,钻至自制试验平台的另一端;
C、拔出钻杆后,下放冻结管,测定护壁泥浆材料的护壁效果。
图3为使用本发明中的低比重高性能护壁泥浆材料在水平冻结钻孔穿越淤泥质粘土与障碍物界面处的模拟试验照片,由照片上可以看出:界面处钻孔粘土没有明显流失,不会威胁到穿越段既有建筑物的沉降稳定性,钻具拔出后不会发生塌孔现象,冻结管下放顺利。使用开发泥浆配方界面处钻孔后效果。
图4为使用其他泥浆材料在水平冻结钻孔穿越淤泥质粘土与障碍物界面处的模拟试验照片,由照片上可以看出:界面处钻孔粘土存在明显流失,极有可能会威胁到穿越段既有建筑物的沉降稳定性,钻具拔出后易发生塌孔现象,会给冻结管下放造成困难。
由于市政地铁施工中,通常水平冻结钻孔在地下20m左右,地压相对较小,考虑试验平台模拟原状地层的可行性及方便布设障碍物便于对泥浆护壁效果检测,设计试验平台为两端封闭、顶部开口的U型结构;顶部开口便于在试验平台内预置障碍物,并非常方便地装入淤泥质粘土及进行分层夯实,最大程度地实现模拟实际施工地层状况。通过试验验证:通过本发明自制试验平台模拟试验得到的泥浆材料配方,在上海国权路水平冻结穿越工程钻孔(超过40m)中进行试验,钻孔地层处于富水软弱的淤泥质粘土中,穿越既有车站,钻孔过程中要穿透复杂的障碍物(桩、格构柱、地连墙),即钻孔要频繁穿过软硬地层,对淤泥质粘土与障碍物界面护壁效果良好,形成的泥饼很好地支撑了钻孔孔壁的稳定性,控制了软硬地层界面的偏移量。钻杆拔出后,钻孔内泥浆、泥饼、空气与钻孔形成欠压平衡系统,该平衡系统能长时间保持稳定,维持钻孔稳定性长达9h以上,实现了冻结管顺利下放。
(6)确定基础组分和外掺组分的配比:根据步骤(4)和步骤(5)的试验结果,最终确定基础组分的成分、外掺组分的成分和配比。
最终试验确定基础组分的成分、外掺组分的成分和配比如下:以水的质量为参照,膨润土掺入2%~5%,聚丙烯酰胺掺入0.15‰~0.25‰,羧甲基纤维素掺入0.3‰~0.5‰,形成的泥饼薄且有韧性,致密性较好。
本发明中的用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料,在钻进过程中,在软硬地层界面,形成的泥饼很好地支撑了钻孔孔壁的稳定性,控制了软硬地层界面的偏移量,使之保持在3‰以内。钻杆拔出后,钻孔内泥浆、泥饼、空气与钻孔形成欠压平衡系统,该平衡系统能长时间保持稳定,维持钻孔稳定性长达9h以上,实现了冻结管顺利下放。
同时通过在长水平冻结钻孔中低比重高性能护壁泥浆材料的使用,减少了钻孔中对地层的扰动与水土的流失,使地表、地面构筑物、地下管线的沉降维持在±1cm以内。钻孔对地层扰动小可以大大减少冻结封孔过程中对水泥浆材料的使用量,从而降低了水泥浆水化放热对地层温度场的影响,节约了冷量,实现了钻孔的微扰动控制,创造了良好的经济与社会效益。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
Claims (2)
1.一种用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料,其特征在于,由基础组分和外掺组分组成,泥浆材料的优选控制指标为:泥浆的失水量<10mL,泥浆比重为1.03~1.05,泥浆粘度25s~40s;所述基础组分为钠基膨润土和水形成的膨润土浆液,以水为参照,钠基膨润土的掺加量为水的质量的2%~5%,向膨润土浆液加入纯碱使得膨润土浆液的pH值为9.0~10.0;所述外掺组分由聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素组成,所述聚丙烯酰胺的加入量为水质量的0.15‰~0.25‰,所述羧甲基纤维素的加入量为水质量的0.3‰~0.5‰。
2.如权利要求1所述的一种用于淤泥质粘土中长水平冻结钻孔用低比重高性能护壁泥浆材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)确定控制指标:从试验研究的角度分析,形成适用于长水平冻结钻孔高效护壁泥饼的测试指标,把失水量控制值作为主要控制指标,泥浆比重和泥浆粘度作为次要控制指标;
(2)基础配方筛选:在基础组分的基础上,从外掺组分的分子结构出发,筛选合适的外掺组分;钠基膨润土的主要成分是蒙脱石,具有片层结构,羧甲基纤维素和聚丙烯酰胺都是线性水溶高分子,在溶于水的情况下,可与钠基膨润土混合;然后进行初步筛选,确定外掺组分的种类;
(3)试验检测:采用泥浆的粘度指标作为基础组分掺量和外掺组分掺量的控制指标;
(4)正交试验:根据步骤(3)中确定的基础组分掺量和外掺组分掺量,设计正交试验方案,进行正交试验;
(5)试验检验:利用自制试验平台,进行长水平冻结孔穿越障碍物试验,测定泥浆护壁效果;做钠基膨润土、聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素三个因素,三个水平的正交试验组数为9组;
所述自制试验平台由14节平台单元连接组成;每节所述平台单元长度为3m、高为1.5m、宽为1.5m,每节所述平台单元均由底板、左侧板和右侧板组成,所述底板、所述左侧板和所述右侧板均为5mm厚钢板,所述左侧板和所述右侧板的底部边沿与所述底板焊接,相邻所述平台单元的连接处左右两侧分别固定安装有左侧槽钢和右侧槽钢,所述左侧槽钢和所述右侧槽钢分别通过螺栓固定在所述平台单元上,并且所述左侧槽钢与所述右侧槽钢之间通过钢筋固定连接;所述自制试验平台的两端浇注混凝土进行端头封堵;
所述长水平冻结孔穿越障碍物试验步骤如下:
A、在自制试验平台内预置障碍物,然后再装入淤泥质粘土并进行夯实,每层0.5m厚、分三层进行夯实形成模拟实验地层:第一层夯实后形成第一夯实层,对第一夯实层浸水,使得第一夯实层含水率与待施工地层相同;然后再装入淤泥质粘土,进行第二层夯实,第二层夯实后形成第二夯实层,对第二夯实层浸水,使得第二夯实层含水率与待施工地层相同;最后装入淤泥质粘土,进行第三层夯实,第三层夯实后形成第三夯实层,对第三夯实层浸水,使得第三夯实层含水率与待施工地层相同;
B、从自制试验平台的一端钻进长水平冻结孔,钻至自制试验平台的另一端;
C、拔出钻具后,下放冻结管,测定护壁泥浆材料的护壁效果(6)确定基础组分和外掺组分的配比:根据步骤(4)和步骤(5)的试验结果,最终确定基础组分的配方、外掺组分的成分和配比;
最终确定基础组分的配方和外掺组分的成分和配比如下:以水的质量为参照,膨润土掺入2%~5%,聚丙烯酰胺掺入0.15‰~0.25‰,羧甲基纤维素掺入0.3‰~0.5‰,形成的泥饼薄且有韧性,致密性较好。
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