CN113959283A - 大断面隧道爆破施工方法 - Google Patents

大断面隧道爆破施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大断面隧道爆破施工方法，该方法采用先在大断面隧道的爆破面中部位置实施类环形爆破，爆破后的大断面隧道的爆破面围岩形成掌子面中心围岩与大断面隧道周边围岩，且在爆破处形成预裂缝，该预裂缝将掌子面中心大部分围岩与大断面隧道周边围岩隔开且彼此不受力，然后再依次爆破掌子面中心围岩和大断面隧道周边围岩，最后进行超欠挖控制实现大断面隧道爆破施工，本发明提出大断面隧道爆破施工方法，确定楔形掏槽孔至隧道设计轮廓线的最小距离d1，掌子面中心围岩和隧道周边孔采用进行宽孔距布置，钻孔数量将大幅减少，提高施工效率，提高了各炮孔的炮孔利用率，大大节省了施工成本。

Description

大断面隧道爆破施工方法
技术领域
本发明涉及大断面隧道开挖技术领域，具体为一种大断面隧道爆破施工方法。
背景技术
随着济经社会的快速发展，传统小断面隧道已无法满足公路运输需求，三车道、四车道等大断面隧道在近年来修建的公路中广泛出现。钻爆法具有高效经济优点，是我国隧道开挖的主要方法，但若按传统方法进行大断面隧道炮孔孔网布设，将会导致钻孔数量增加、钻孔成本提高，影响工程进度。
炮孔孔网布设一直是隧道爆破的研究热点，大量专家学者对此进行了诸多研究：雷战等研究了炮孔与空孔间距对岩体的爆破作用机理，得到了空孔与炮孔不同间距下双炮空孔间及两侧空孔的断裂导向作用并分析了空孔周围测点的应力变化规律。李洪伟等研究了不同炮孔间距对岩石(角岩)爆炸裂纹扩展的影响规律。满轲等为计算适宜于工程爆破的周边眼间距，从爆破原理、断裂力学及经验方法研究了周边孔间距对光面爆破效果的影响。单仁亮等提出一种准直眼掏槽方式，克服了直眼掏槽和斜眼掏槽的弊端，提高了岩巷掘进速度。余永强等根据爆破理论与经验公式计算，结合试验工作面的具体情况，介绍了硬岩巷道条件下合理掏槽方式、炮孔深度以及掏槽孔布置参数的选取。张理维等分析了爆破过程中岩石产生的损伤，并采用数值模拟方法对爆破方案中的炮孔布置进行了优化，通过损伤因子D对现场爆破爆破效果进行了评价。俞杨明等对周边眼的耦合装药爆破过程进行了数值模拟，得出了较为合理的周边眼的炮孔间距，尽可能减小对围岩的扰动且保证岩石正常崩落。徐帮树等通过开展现场掘进爆破试验和层状岩体破坏机理分析，对隧道开挖的光面爆破参数、掏槽孔布设方案和最大单孔装药量参数进行了优化，并对爆破开挖引起的隧道拱部易离层以致超挖、掌子面底部欠挖的工程问题进行控制。吴兆华等采用理论分析与数值模拟相结合的方法研究了深孔爆破后炮孔周围的裂隙扩展情况和裂隙圈范围。刘赶平等研究了大断面隧道爆破的钻孔机器，结合光面爆破设计原理，提出了适用于采用气腿式凿岩机钻孔的大断面隧道的光面爆破方案。姚洪瑞等提出了短进尺的浅孔弱爆破方案，解决了富水软弱围岩条件下爆破过程中的围岩稳定性问题。费鸿禄等研究得出了符合实际的裂隙区范围计算公式，分析了空气不耦合装药条件下裂隙区范围的计算方法，计算了初始损伤和粉碎区存在的岩石裂隙区半径,并在此基础上运用阿贝尔原理和岩石止裂条件考虑了爆生气体准静态作用下裂隙的二次扩展。
上述研究解决了隧道爆破作业现场的诸多问题，成果颇丰，但随隧道断面的增大，如何减少炮孔布设是亟待解决的科学难题，减孔布设方面的研究鲜有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大断面隧道爆破施工方法，最大限度将楔形掏槽孔位置“向外推”，“解放”隧道中心大部分掌子面，通过开展现场试验研究，验证所提方法的爆破效果，减少炮孔数量、提高掘进效率、确保工程质量，以克服现有技术的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种大断面隧道爆破施工方法，该方法采用先在大断面隧道的爆破面中部位置实施类环形爆破，爆破后的大断面隧道的爆破面围岩形成掌子面中心围岩与大断面隧道周边围岩，且在爆破处形成预裂缝，该预裂缝将掌子面中心大部分围岩与大断面隧道周边围岩隔开且彼此不受力，然后再依次爆破掌子面中心围岩和大断面隧道周边围岩，最后进行超欠挖控制实现大断面隧道爆破施工。
作为本发明的进一步方案：对大断面隧道的爆破面实行分段面逐步延时爆破方式实现，即以隧道中心线和隧道地平线的交点为中心，将大断面隧道从内至外依次分成类半圆形撑子面、掏槽孔位置类半环面，辅助孔位置类半环面和周边孔位置类半环面；爆破顺序为掏槽孔位置类半环面爆破施工——类半圆形撑子面爆破施工——辅助孔位置类半环面爆破施工——周边孔位置类半环面爆破施工。
作为本发明的进一步方案：所述类半圆形撑子面爆破施工是对掌子面中心围岩宽采用宽孔距爆破方式施工。
作为本发明的进一步方案：所述辅助孔位置类半环面爆破施工是对辅助孔位置类半环面采用台阶爆破宽孔距小排距布孔爆破方式施工，即辅助孔多排布设，排距相同，由内至外辅助孔间距逐渐减小，倾斜角度逐渐增加。
作为本发明的进一步方案：所述周边孔位置类半环面爆破施工是采用周边孔爆破控制隧道轮廓方式施工，即周边孔均匀分布，周边孔形成偏斜角，且孔底超出隧道设计轮廓线。
作为本发明的进一步方案：所述掌子面中心围岩上的解炮孔、掏槽孔位置类半环面上掏槽孔和辅助孔位置类半环面上的辅助孔装药结构采用雷管位于孔底部，导爆索一端连接雷管，另一端伸出炮孔，炸药块位于孔内并依次堆积在雷管上，在炮孔孔口处堵满填塞物。
作为本发明的进一步方案：所述周边孔位置类半环面上的周边孔装药结构采用雷管位于孔底部，导爆索一端连接雷管，另一端伸出炮孔，炸药块位于孔内并间隔放置，位于孔内最里的炸药块连接在雷管上，在炮孔孔口处堵满填塞物。
作为本发明的进一步方案：所述大断面隧道的爆破面中部位置的确定是采用该爆破面中部位置上的炮孔位置设置在至离隧道设计轮廓线最小距离d1 处，此时爆破面中部位置上的炮孔爆破时不会对设计轮廓线外的保留岩体造成损伤。
作为本发明的进一步方案：所述最小距离d1的取值的确定方法是：依据爆轰波理论，不耦合装药情况下柱状药包爆破时，炮孔岩石壁受到的初始冲击压力为：
Figure RE-GDA0003280420310000041
式中：ρ0为密度，g·cm-3；D1为爆速，m·s-1；dc为装药直径，db为炮孔直径；lc为装药长度，lb为炮孔长度；爆轰产物撞击药室壁会明显增大压力， n为增大倍数；
依据应力波衰减规律，在比距离
Figure RE-GDA0003280420310000042
处径向压应力峰值计算公式为：
Figure RE-GDA0003280420310000043
式中：
Figure RE-GDA0003280420310000044
d1为计算点至炮孔中心距离，rb为炮孔半径；当前隧道段围岩的抗压强度为Rc，当σrmax<Rc时，可认为爆破不会对设计轮廓线外的保留岩体造成损伤，由此可计算得出爆破面中部位置上的炮孔至离隧道设计轮廓线的最小距离d1。
作为本发明的进一步方案：包括以下起爆顺序：楔形掏槽孔爆破预裂成缝——掌子面中心围岩宽孔距爆破——辅助孔宽孔距小排距爆破破岩——周边孔爆破控制隧道轮廓。在楔形掏槽孔形成预裂缝的基础之上，将台阶爆破宽孔距小排距布孔设计理念引入大断面隧道爆破中，加大孔网参数布设。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出大断面隧道爆破施工方法，确定楔形掏槽孔至隧道设计轮廓线的最小距离d1，掌子面中心围岩和隧道周边孔采用进行宽孔距布置，钻孔数量将大幅减少，提高施工效率，提高了各炮孔的炮孔利用率，大大节省了施工成本。
附图说明
图1为本发明中起爆顺序优化示意图；
图2为本发明中上台阶炮孔布置平面示意图；
图3为本发明中解炮孔、掏槽孔、辅助孔装药结构示意图；
图4为本发明中周边孔装药结构示意图。
图中：4、掌子面中心宽孔距爆破；5、掏槽孔爆破预制成缝；6、辅助孔爆破破岩；7、周边孔爆破控制轮廓效果；8、填塞物；9、炸药；10、雷管； 11、导爆索。
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：
一、大断面隧道减孔布设方法
1、传统布孔方式
传统隧道爆破方法的起爆顺序为掏槽孔爆破——辅助孔爆破——周边孔爆破，先在掌子面中心进行掏槽孔爆破，将掌子面中心岩体向外挤出，形成槽腔，为辅助孔爆破提供临空面，辅助孔爆破时，爆炸应力波在临空面上反射形成拉伸波，达到破岩效果，最后进行周边孔爆破，控制隧道轮廓。此方法适用于小断面隧道爆破，炮孔数量依据隧道断面面积和岩石坚固性系数估算：
Figure RE-GDA0003280420310000051
对于大断面隧道，以Ⅳ级围岩、岩石坚固性系数f＝6、隧道断面面积 S＝150m2为例，整个断面需打孔数量将达170余个，钻孔工作量巨大。当前隧道自动钻孔设备并不成熟，主要依靠人工打孔，工人的钻孔效率一般约为3 孔/小时(孔深约4.2m)，以一个钻孔班13人计算，每循环约需4.5小时钻孔时间。传统隧道爆破方法孔网布设如所示，钻孔数量多、打孔时间长，已无法满足大断面隧道爆破高效经济的需求。
2.减孔布设方法(见图1)
掏槽爆破的目的是为辅助孔爆破提供临空面，减小夹制作用，使爆炸应力波在临空面上反射拉伸破岩，对于大断面隧道爆破，掏槽孔没有必要布设在掌子面中心位置。本文依据现场爆破工程需求，提出大断面隧道减孔布设方法，如图1所示，该方法将楔形掏槽孔开口位置“向外推”至离隧道设计轮廓线最小距离d1处，此时楔形掏槽孔爆破不会对设计轮廓线外的保留岩体造成损伤。首先进行楔形掏槽孔爆破，形成预裂缝，将掌子面中心大部分围岩与周边围岩分隔开，被预裂缝隔开的掌子面中心围岩可进行宽孔距爆破，炮孔数量减少。由于预裂缝的存在，爆炸应力波在此处反射拉伸，爆破所受总阻力仅为底面受到的剪切阻力作用，夹制作用将大幅减小，岩体损伤与爆破振动降低。
方法的核心是确定最小距离d1的取值，既能保证保留岩体不受损伤，也能最大限度的将楔形掏槽孔开口位置向外推。依据爆轰波理论，不耦合装药情况下柱状药包爆破时，炮孔岩石壁受到的初始冲击压力为：
Figure RE-GDA0003280420310000061
式中：ρ0为密度，g·cm-3；D1为爆速，m·s-1；dc为装药直径，db为炮孔直径；lc为装药长度，lb为炮孔长度；爆轰产物撞击药室壁会明显增大压力，n为增大倍数，取值为8～11。
本文选用2号岩石乳化炸药进行计算，密度ρ0＝1.24g·cm-3，爆速 D1＝4200m·s-1，装药直径dc＝32mm，炮孔直径db＝42mm，装药长度lc＝2.4m，炮孔长度lb＝4.8m，计算可得炮孔岩石壁受到的初始冲击压力P＝535.25MPa。
依据应力波衰减规律，在比距离
Figure RE-GDA0003280420310000071
处径向压应力峰值计算公式为：
Figure RE-GDA0003280420310000072
式中：
Figure RE-GDA0003280420310000073
d1为计算点至炮孔中心距离，rb为炮孔半径。
根据现场地质勘探报告，研究段围岩为板岩，抗压强度Rc＝25MPa，当σrmax<Rc时，可认为爆破不会对设计轮廓线外的保留岩体造成损伤，由此可计算得出楔形掏槽孔开口位置至离隧道设计轮廓线的最小距离d1＝2.96m。
因此，将楔形掏槽孔开口位置布设在距离隧道设计轮廓线2.96m处，起爆顺序优化为楔形掏槽孔爆破预裂成缝——掌子面中心围岩宽孔距爆破——辅助孔宽孔距小排距爆破破岩——周边孔爆破控制隧道轮廓。在楔形掏槽孔形成预裂缝的基础之上，将台阶爆破宽孔距小排距布孔设计理念引入大断面隧道爆破中，加大孔网参数布设，其孔网布设如图2所示。
二、工程背景
1、工程概况
白竹山隧道为分离式特长隧道，右幅隧道长4404m，最大埋深323m，左幅隧道长4358m，最大埋深318m，隧道左右幅测设线间距为16m～41m。隧道为人字坡隧道，右幅纵坡依次为2.0％、-1.35％，左幅纵坡坡，度为2.0％、-1.35％。研究段围岩岩性为中风化薄～中厚层状凝灰质板岩，围岩等级为Ⅲ级围岩。
2、设计思想(见图2)
1)考虑现场开挖台车结构构造以及人工钻孔的可操作性，14号、15号楔形掏槽孔至隧道设计轮廓线的距离为2.96m，布设6对水平楔形掏槽孔，楔形掏槽孔间距为0.6m，倾斜角度(与掌子面夹角，后文所述倾斜角度均为与掌子面夹角)为60°，孔深4.8m，水平距离为5.0m。
2)在掌子面中心布设两个解炮孔，将大块岩石分解成小块岩石，解炮孔孔深3m、间距1.0m。
3)助孔三排布设，排距相同，由内至外辅助孔间距逐渐减小，倾斜角度逐渐增加，采用大间距小排距爆破工艺，辅助孔孔深4.2m。
4)周边孔均匀分布，距第三排辅助孔600mm，为便于打孔，周边孔通常偏斜一定角度，形成偏斜角，孔底超出设计轮廓线100mm左右，孔口开孔控制在轮廓线以内偏离轮廓线应小于100mm左右。
3、工程应用
以白竹山隧道ZK19+984～ZK19+954区段为试验区段，进行大断面隧道减孔布设爆破方法的现场试验，上台阶炮孔布置图如图2所示，具体爆破参数如表1所示。
表1爆破参数表
Figure RE-GDA0003280420310000081
对于不同岩性采用不同的装药量，具体装药量如表2所示。
表2不同岩性各炮孔装药量
Figure RE-GDA0003280420310000091
由白竹山隧道ZK19+984～ZK19+954区段超前地质预报检测报告可知，该区段围岩岩性属于中硬岩，故各炮孔装药量如下：解炮孔5条×0.3kg＝1.5kg，线装药密度0.5kg/m；掏槽孔8条×0.3kg＝2.4kg，线装药密度0.5kg/m；辅助孔7条×0.3kg＝2.1kg，线装药密度0.5kg/m；周边孔4条×0.3kg＝1.2kg，线装药密度0.29kg/m；底孔7条×0.3kg＝2.1kg，线装药密度0.5kg/m。
各孔装药结构如图3和图4所示，起爆顺序如表3所示。
表3起爆顺序
Figure RE-GDA0003280420310000092
炮孔堵塞对爆破效果影响很大，不堵塞爆破时，爆炸能量大部分消耗在空气中，产生较大空气冲击波，对岩体的破碎作用较小，因此需进行合理的炮孔堵塞，堵塞长度大于50cm，采用砂和粘土按照4:6制作的炮泥作为堵塞材料。
三、爆破效果与分析
1、钻孔数量
白竹山隧道ZK19+984～ZK19+954区段为Ⅳ级围岩，普氏系数f＝6，开挖断面面积S＝97.4m2，按传统炮孔数量经验公式
Figure RE-GDA0003280420310000101
计算，整个断面需打孔数量将达128个，依据本文提出的大断面隧道宽孔距爆破设计方案，此区段整个断面只需打孔105个，每循环钻孔数量将减少23个。现场13位工人采用13台钻孔机钻孔，工人的钻孔效率约为3孔/小时，按传统爆破方案，每循环钻孔时间约为3.3小时，按本文设计爆破方案，每循环钻孔时间约为 2.7小时，每循环将节约钻孔时间0.6小时，全线59km隧道将节约打孔时间约8850小时。对于三车道、四车道等特大断面隧道，按本文提出的大断面隧道宽孔距爆破设计方案，钻孔数量将大幅减少，节约钻孔时间，提高施工效率。
2、炮孔利用率
依据本文提出的大断面隧道宽孔距爆破设计方案，在白竹山隧道 ZK19+984～ZK19+954区段进行5次现场爆破试验，对炮孔利用率进行统计，结果如表4所示。
表4炮孔利用率统计表
Figure RE-GDA0003280420310000102
由表4可知，楔形掏槽孔的平均炮孔利用率为82.1％，其余炮孔的平均炮孔利用率为91.9％，各炮孔的炮孔利用率较高，能够减少根坎，避免因根坎导致的补炮，提高爆破质量，加快施工进度。
3、超欠挖控制效果
每循环爆破完成后，采用全站仪对隧道超欠挖进行测量，结果如表5所示，并统计喷混凝土实际用量，结果如表6所示。
表5超欠挖情况统计表
Figure RE-GDA0003280420310000111
表6喷射混凝土超耗统计表
Figure RE-GDA0003280420310000112
由表5、表6可知，依据本文提出的大断面隧道宽孔距爆破设计方案，能够将超挖厚度控制在15cm以内，平均超挖方量为3.02m3/m，喷混平均超耗量为3.75m3/m，能够将喷混超耗率控制在90％以内。初步测算隧道每降低10cm，可降低直接施工成本约1500元，全线59km隧道将降低施工成本8700万元。
四、结论
本实施例以白竹山隧道ZK19+984～ZK19+954区段为研究对象，开展现场试验研究，对钻孔数量、爆破后的炮孔利用率以及超欠挖控制效果进行分析，得出以下结论：
1)提出大断面隧道爆破施工方法，楔形掏槽孔至隧道设计轮廓线的最小距离为2.96m，掌子面中心围岩采用两个解炮孔进行宽孔距爆破，减少炮孔数量。
2)依据大断面隧道爆破施工方法，每循环钻孔数量减少23个，节约钻孔时间0.6小时，全线59km隧道将节约打孔时间约8850小时。对于三车道、四车道等特大断面隧道，按本文提出的大断面隧道减孔布设爆破方案，钻孔数量将大幅减少，提高施工效率。
3)楔形掏槽孔的平均炮孔利用率为82.1％，其余炮孔的平均炮孔利用率为91.9％，各炮孔的炮孔利用率较高。
4)超挖厚度控制在15cm以内，平均超挖方量为3.02m3/m，喷混平均超耗量为3.75m3/m，喷混超耗率控制在90％以内，预计降低施工成本约8700万元。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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)

1.一种大断面隧道爆破施工方法，其特征在于：该方法采用先在大断面隧道的爆破面中部位置实施类环形爆破，爆破后的大断面隧道的爆破面围岩形成掌子面中心围岩与大断面隧道周边围岩，且在爆破处形成预裂缝，该预裂缝将掌子面中心大部分围岩与大断面隧道周边围岩隔开且彼此不受力，然后再依次爆破掌子面中心围岩和大断面隧道周边围岩，最后进行超欠挖控制实现大断面隧道爆破施工。
2.根据权利要求1所述的大断面隧道爆破施工方法，其特征在于：对大断面隧道的爆破面实行分段面逐步延时爆破方式实现，即以隧道中心线和隧道地平线的交点为中心，将大断面隧道从内至外依次分成类半圆形撑子面、掏槽孔位置类半环面，辅助孔位置类半环面和周边孔位置类半环面；爆破顺序为掏槽孔位置类半环面爆破施工——类半圆形撑子面爆破施工——辅助孔位置类半环面爆破施工——周边孔位置类半环面爆破施工。
3.根据权利要求2所述的大断面隧道爆破施工方法，其特征在于：所述类半圆形撑子面爆破施工是对掌子面中心围岩宽采用宽孔距爆破方式施工。
4.根据权利要求2所述的大断面隧道爆破施工方法，其特征在于：所述辅助孔位置类半环面爆破施工是对辅助孔位置类半环面采用台阶爆破宽孔距小排距布孔爆破方式施工，即辅助孔多排布设，排距相同，由内至外辅助孔间距逐渐减小，倾斜角度逐渐增加。
5.根据权利要求2所述的大断面隧道爆破施工方法，其特征在于：所述周边孔位置类半环面爆破施工是采用周边孔爆破控制隧道轮廓方式施工，即周边孔均匀分布，周边孔形成偏斜角，且孔底超出隧道设计轮廓线。
6.根据权利要求2所述的大断面隧道爆破施工方法，其特征在于：所述掌子面中心围岩上的解炮孔、掏槽孔位置类半环面上掏槽孔和辅助孔位置类半环面上的辅助孔装药结构采用雷管位于孔底部，导爆索一端连接雷管，另一端伸出炮孔，炸药块位于孔内并依次堆积在雷管上，在炮孔孔口处堵满填塞物。
7.根据权利要求2所述的大断面隧道爆破施工方法，其特征在于：所述周边孔位置类半环面上的周边孔装药结构采用雷管位于孔底部，导爆索一端连接雷管，另一端伸出炮孔，炸药块位于孔内并间隔放置，位于孔内最里的炸药块连接在雷管上，在炮孔孔口处堵满填塞物。
8.根据权利要求1所述的大断面隧道爆破施工方法，其特征在于：所述大断面隧道的爆破面中部位置的确定是采用该爆破面中部位置上的炮孔位置设置在至离隧道设计轮廓线最小距离d1处，此时爆破面中部位置上的炮孔爆破时不会对设计轮廓线外的保留岩体造成损伤。
9.根据权利要求8所述的大断面隧道爆破施工方法，其特征在于所述最小距离d1的取值的确定方法是：依据爆轰波理论，不耦合装药情况下柱状药包爆破时，炮孔岩石壁受到的初始冲击压力为：
Figure FDA0003191408550000021
式中：ρ0为密度，g·cm-3；D1为爆速，m·s-1；dc为装药直径，db为炮孔直径；lc为装药长度，lb为炮孔长度；爆轰产物撞击药室壁会明显增大压力，n为增大倍数；
依据应力波衰减规律，在比距离
Figure FDA0003191408550000022
处径向压应力峰值计算公式为：
Figure FDA0003191408550000023
式中：
Figure FDA0003191408550000024
d1为计算点至炮孔中心距离，rb为炮孔半径；当前隧道段围岩的抗压强度为Rc，当σrmax<Rc时，可认为爆破不会对设计轮廓线外的保留岩体造成损伤，由此可计算得出爆破面中部位置上的炮孔至离隧道设计轮廓线的最小距离d1。
10.根据权利要求1-9任一所述的大断面隧道爆破施工方法，其特征在于包括以下起爆顺序：楔形掏槽孔爆破预裂成缝——掌子面中心围岩宽孔距爆破——辅助孔宽孔距小排距爆破破岩——周边孔爆破控制隧道轮廓。在楔形掏槽孔形成预裂缝的基础之上，将台阶爆破宽孔距小排距布孔设计理念引入大断面隧道爆破中，加大孔网参数布设。
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