CN114778799B - 一种隧道盾构土体性能检测用试验台及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道盾构土体性能检测用试验台及其试验方法,涉及隧道盾构试验技术领域,为解决现有隧道盾构模拟试验一次仅能对一种地质的土层和注浆料性能进行检测,若想提高试验准确性,需多次重复试验,效率较低的问题。所述试验台底板的上方设置有试验箱,且试验箱设置有四个,四个所述试验箱的内部均设置有检测腔,且检测腔之间相互连通,所述检测腔的外部安装有拼接式管片,且拼接式管片的端面通过螺栓连接,所述拼接式管片与试验箱之间填充有模拟填充土,所述试验箱下方的两侧均安装有支座,所述试验台底板两侧的上方均安装有侧边支撑框架。
Description
技术领域
本发明涉及隧道盾构试验技术领域,具体为一种隧道盾构土体性能检测用试验台及其试验方法。
背景技术
随着城市化进程的加快,地面空间越来越拥挤,发展城市地下交通已经是大势所趋。盾构隧道施工法凭借着其隐蔽性好、机动性高等优点在城市隧道工程中得到了广泛应用,城市隧道不仅包括地铁隧道,还包括城市大动脉的公路隧道。由于城市隧道多在繁华的市区修建,因此需要侧穿或者下穿多个大型建筑桩基,盾构的直径往往也多达十几米以上,会导致较大的地层损失和土层扰动,同时盾构隧道管片拼装完后,为了填充盾尾间隙、保持管片的稳定,需要在盾尾进行同步注浆,而通过开发模拟盾构隧道施工的试验方法,可以在室内模拟出盾构隧道开挖造成的地层损失和土体扰动以及盾构外壁注浆对地层的变形影响,为现场施工提供数据参考依据,则可以有效减少现场施工的危险。
但是,现有隧道盾构模拟试验一次仅能对一种地质的土层和注浆料性能进行检测,若想提高试验准确性,需多次重复试验,效率较低;所以我们提出了一种隧道盾构土体性能检测用试验台及其试验方法,以便于解决上述中提出的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种隧道盾构土体性能检测用试验台及其试验方法,以解决上述背景技术中提出的现有隧道盾构模拟试验一次仅能对一种地质的土层和注浆料性能进行检测,若想提高试验准确性,需多次重复试验,效率较低的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种隧道盾构土体性能检测用试验台,包括试验台底板,所述试验台底板的上方设置有试验箱,且试验箱设置有四个,四个所述试验箱的内部均设置有检测腔,且检测腔之间相互连通,所述检测腔的外部安装有拼接式管片,且拼接式管片的端面通过螺栓连接,所述拼接式管片与试验箱之间填充有模拟填充土,所述试验箱下方的两侧均安装有支座,所述试验台底板两侧的上方均安装有侧边支撑框架,所述试验箱的上方设置有顶端支撑框架,且顶端支撑框架的两侧与侧边支撑框架焊接连接,所述试验箱的两侧均安装有侧压板,且侧压板与试验箱内腔滑动连接,所述侧压板的外壁上设置有限位框,所述侧压板后端的中间位置处安装有第一液压缸,且第一液压缸的后端与侧边支撑框架固定连接,所述试验箱的上表面设置有顶压板,所述顶压板上端的中间位置处安装有第二液压缸,且第二液压缸的上端与顶端支撑框架固定连接,所述试验箱下端的中间位置处安装有排沙阀,所述拼接式管片的外壁上设置有注浆填充层,所述拼接式管片内壁的下端安装有底支台,所述底支台的上表面安装有电动导轨,所述电动导轨的滑块上安装有底座,所述底座的上端安装有支撑柱,所述支撑柱的上端安装有中心座,所述中心座的前端安装有管片径向变形检测机构。
优选的,所述侧压板内壁的上端和下端均通过柔性耐磨密封贴边与试验箱的内壁粘合连接。
优选的,所述中心座的四周均安装有液压千斤顶,且液压千斤顶设置有四个,四个所述液压千斤顶的一端均安装有弧形支撑板。
优选的,所述弧形支撑板的两端均安装有加固杆,且加固杆的一端与液压千斤顶的伸缩杆体外壁焊接连接。
优选的,所述电动导轨的两侧均设置有辅助导轨,且辅助导轨的下表面与底支台焊接连接,所述底座的两侧均设置有导向块,且导向块与辅助导轨滑动连接。
优选的,所述管片径向变形检测机构包括传动座、检测座和连接板,所述传动座的底端通过连接板与检测座的底端固定连接,所述传动座的一侧安装有步进电机,所述传动座的另一侧安装有镜面座,所述步进电机的输出端与镜面座传动连接,所述镜面座的外壁上安装有反射镜,且反射镜的倾斜角度为四十五度,所述检测座的内部安装有激光测距探头。
优选的,所述注浆填充层的下端安装有注浆管,注浆管的一端贯穿并延伸至试验箱的外部,且与外置泵料机的输入输出端相连通。
优选的,所述注浆管的外壁通过抱箍与试验箱的底面固定连接,且抱箍设置有两个。
优选的,所述第一液压缸的四周设置有第一从动伸缩杆,且第一从动伸缩杆的两端分别与侧边支撑框架和侧压板固定连接,所述第二液压缸的四周均设置有第二从动伸缩杆,且第二从动伸缩杆的两端分别与顶端支撑框架和顶压板固定连接。
优选的,所述的一种隧道盾构土体性能检测用试验台的试验方法,包括以下步骤:
步骤一:首先驱动电动导轨,带动液压千斤顶支撑机构和管片径向变形检测机构移动至第一个试验箱的检测腔处,并驱动四组液压千斤顶,使其输出端的弧形支撑板伸出,支撑住拼接式管片,模拟未掘进时土层的支撑状态;
步骤二:启动管片径向变形检测机构,由检测机构内部的激光测距探头射出检测激光,通过斜四十五度反射镜的折射作用,使激光偏转至拼接式管片内壁,同时步进电机带动反射镜旋转,使激光绕拼接式管片内壁圆周旋转,检测出当前截面平整度;
步骤三:第二液压缸带动顶压板顶升,从外部接入管道向试验箱内填充模拟填充土;
步骤四:填充完毕后,驱动第二液压缸和第一液压缸,带动顶压板和侧压板从试验箱两侧和上方向内部的模拟填充土施加压力,模拟拼接式管片受到的周身地层抗力以及垂直和水平土压力;
步骤五:待压力模拟完毕后,由液压千斤顶带动弧形支撑板撤离,模拟掘进状态下土层流失造成的卸载状态,同时由外部泵料机将浆料沿注浆管注入拼接式管片外壁的注浆填充层,模拟同步注浆状态对拼接式管片的支撑加固状况;
步骤六:待该试验箱完成注桨后,电动导轨驱动液压千斤顶支撑机构和管片径向变形检测机构移动至下一试验箱的检测腔处,由液压千斤顶完成拼接式管片的支撑后,通过外部接入管道向该试验箱内填充不同性质的模拟填充土,并重复上述步骤,直至四个试验箱均完成模拟过程;
步骤七:电动导轨驱动管片径向变形检测机构返回第一个试验箱的检测腔处,由管片径向变形检测机构再次检测该截面的平整度,通过与一次检测数据比对,得出管片受力后的径向变形数据,重复该过程,分别得出四组试验箱内不同性质土体造成的管片径向变形差异。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、本发明通过设置四组试验箱,在四组试验箱内部设置有相互连通的检测腔,同时液压千斤顶支撑结构和管片径向变形检测机构通过电动导轨安装于检测腔内,试验时,首先驱动电动导轨,带动液压千斤顶支撑机构和管片径向变形检测机构移动至第一个试验箱的检测腔处,并驱动液压千斤顶支撑机构完成对拼接式管片的支撑,模拟未掘进时土层的支撑状态,之后启动管片径向变形检测机构,对当前拼接式管片的截面平整度进行检测,完毕后第二液压缸带动顶压板顶升,从外部接入管道向试验箱内填充模拟填充土,再驱动第二液压缸和第一液压缸,带动顶压板和侧压板从试验箱两侧和上方向内部的模拟填充土施加压力,待压力模拟完毕后,由液压千斤顶带动弧形支撑板撤离,模拟掘进状态下土层流失造成的卸载状态,同时由外部泵料机将浆料沿注浆管注入拼接式管片外壁的注浆填充层,模拟同步注浆状态对拼接式管片的支撑加固状况,注桨完成后电动导轨驱动液压千斤顶支撑机构和管片径向变形检测机构移动至下一试验箱的检测腔处,由液压千斤顶完成拼接式管片的支撑后,通过外部接入管道向该试验箱内填充不同性质的模拟填充土,并重复之前步骤,直至四个试验箱均完成模拟过程,再由电动导轨驱动管片径向变形检测机构返回第一个试验箱的检测腔处,由管片径向变形检测机构再次检测该截面的平整度,通过与一次检测数据比对,得出管片受力后的径向变形数据,重复该过程,分别得出四组试验箱内不同性质土体造成的管片径向变形差异,短时间内即可采集到多种不同性能土体和注浆料在隧道盾构时的管片径向变形影响,方便对比以得出更全面的试验结果,解决了现有隧道盾构模拟试验一次仅能对一种地质的土层和注浆料性能进行检测,若想提高试验准确性,需多次重复试验,效率较低的问题。
2、通过在试验箱的侧边设置由第一液压缸驱动的侧压板,而试验箱的上方则设置有由第二液压缸驱动的顶压板,试验时,当土体填充完毕后,可驱动第二液压缸和第一液压缸,通过惯用计算法对地层抗力的计算,驱动顶压板和侧压板从试验箱两侧和上方向内部的模拟填充土施加压力,模拟拼接式管片受到的垂直和水平土压力值,使模拟试验结果更接近实际参数。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图;
图2为本发明的内部结构示意图;
图3为本发明的内部俯视结构示意图;
图4为本发明的A处结构放大图;
图5为本发明的管片径向变形检测机构局部结构示意图;
图中:1、试验台底板;2、试验箱;3、检测腔;4、拼接式管片;5、支座;6、侧压板;7、侧边支撑框架;8、第一液压缸;9、第一从动伸缩杆;10、顶端支撑框架;11、第二液压缸;12、第二从动伸缩杆;13、顶压板;14、注浆填充层;15、模拟填充土;16、限位框;17、柔性耐磨密封贴边;18、中心座;19、液压千斤顶;20、弧形支撑板;21、加固杆;22、管片径向变形检测机构;221、传动座;222、检测座;223、连接板;224、激光测距探头;225、镜面座;226、反射镜;227、步进电机;23、支撑柱;24、排沙阀;25、注浆管;26、抱箍;27、底支台;28、底座;29、电动导轨;30、导向块;31、辅助导轨。
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。
请参阅图1-5,本发明提供的一种实施例:一种隧道盾构土体性能检测用试验台,包括试验台底板1,试验台底板1的上方设置有试验箱2,且试验箱2设置有四个,四个试验箱2的内部均设置有检测腔3,且检测腔3之间相互连通,检测腔3的外部安装有拼接式管片4,且拼接式管片4的端面通过螺栓连接,拼接式管片4与试验箱2之间填充有模拟填充土15,试验箱2下方的两侧均安装有支座5,试验台底板1两侧的上方均安装有侧边支撑框架7,试验箱2的上方设置有顶端支撑框架10,且顶端支撑框架10的两侧与侧边支撑框架7焊接连接,试验箱2的两侧均安装有侧压板6,且侧压板6与试验箱2内腔滑动连接,侧压板6的外壁上设置有限位框16,侧压板6后端的中间位置处安装有第一液压缸8,且第一液压缸8的后端与侧边支撑框架7固定连接,试验箱2的上表面设置有顶压板13,顶压板13上端的中间位置处安装有第二液压缸11,且第二液压缸11的上端与顶端支撑框架10固定连接,试验箱2下端的中间位置处安装有排沙阀24,拼接式管片4的外壁上设置有注浆填充层14,拼接式管片4内壁的下端安装有底支台27,底支台27的上表面安装有电动导轨29,电动导轨29的滑块上安装有底座28,底座28的上端安装有支撑柱23,支撑柱23的上端安装有中心座18,中心座18的前端安装有管片径向变形检测机构22。
进一步,侧压板6内壁的上端和下端均通过柔性耐磨密封贴边17与试验箱2的内壁粘合连接,侧压板6通过第一液压缸8驱动,沿试验箱2侧壁伸缩,对土体侧边施加,模拟侧边土压力,而侧压板6与试验箱2的连接处采用柔性耐磨密封贴边17粘合,即可确保侧压板6正常伸缩,也能避免土体从接缝处渗漏的情况发生。
进一步,中心座18的四周均安装有液压千斤顶19,且液压千斤顶19设置有四个,四个液压千斤顶19的一端均安装有弧形支撑板20,液压千斤顶19通过弧形支撑板20对拼接式管片4的支撑作用,模拟未掘进时土层的支撑状态。
进一步,弧形支撑板20的两端均安装有加固杆21,且加固杆21的一端与液压千斤顶19的伸缩杆体外壁焊接连接,加固杆21可提高弧形支撑板20的结构强度,保证支撑稳定。
进一步,电动导轨29的两侧均设置有辅助导轨31,且辅助导轨31的下表面与底支台27焊接连接,底座28的两侧均设置有导向块30,且导向块30与辅助导轨31滑动连接,电动导轨29能够带动液压千斤顶19支撑结构和管片径向变形检测机构22移动至不同的试验箱2,完成对该处拼接式管片4的支撑和平整度检测,电动导轨29两侧的辅助导轨31,可提高移动时的精度,避免发生偏移。
进一步,管片径向变形检测机构22包括传动座221、检测座222和连接板223,传动座221的底端通过连接板223与检测座222的底端固定连接,传动座221的一侧安装有步进电机227,传动座221的另一侧安装有镜面座225,步进电机227的输出端与镜面座225传动连接,镜面座225的外壁上安装有反射镜226,且反射镜226的倾斜角度为四十五度,检测座222的内部安装有激光测距探头224,激光测距探头224射出的检测激光,可通过四十五度反射镜226折射至拼接式管片4内壁,而步进电机227能带动反射镜226旋转,使激光绕拼接式管片4内壁圆周旋转,检测出当前截面平整度。
进一步,注浆填充层14的下端安装有注浆管25,注浆管25的一端贯穿并延伸至试验箱2的外部,且与外置泵料机的输入输出端相连通,外部泵料机可将浆料沿注浆管25注入拼接式管片4外壁的注浆填充层14,模拟同步注浆状态对拼接式管片4的支撑加固状况,浆料可根据需求调节配比,模拟不同浆料的支撑力变化。
进一步,注浆管25的外壁通过抱箍26与试验箱2的底面固定连接,且抱箍26设置有两个,抱箍26可提高注浆管25供液的稳定性。
进一步,第一液压缸8的四周设置有第一从动伸缩杆9,且第一从动伸缩杆9的两端分别与侧边支撑框架7和侧压板6固定连接,第二液压缸11的四周均设置有第二从动伸缩杆12,且第二从动伸缩杆12的两端分别与顶端支撑框架10和顶压板13固定连接,第一从动伸缩杆9和第二从动伸缩杆12无动力机构,主要用于配合第一液压缸8和第二液压缸11辅助伸缩,保证稳定性。
进一步,一种隧道盾构土体性能检测用试验台的试验方法,包括以下步骤:
步骤一:首先驱动电动导轨29,带动液压千斤顶19支撑机构和管片径向变形检测机构22移动至第一个试验箱2的检测腔3处,并驱动四组液压千斤顶19,使其输出端的弧形支撑板20伸出,支撑住拼接式管片4,模拟未掘进时土层的支撑状态;
步骤二:启动管片径向变形检测机构22,由检测机构内部的激光测距探头224射出检测激光,通过斜四十五度反射镜226的折射作用,使激光偏转至拼接式管片4内壁,同时步进电机227带动反射镜226旋转,使激光绕拼接式管片4内壁圆周旋转,检测出当前截面平整度;
步骤三:第二液压缸11带动顶压板13顶升,从外部接入管道向试验箱2内填充模拟填充土15;
步骤四:填充完毕后,驱动第二液压缸11和第一液压缸8,带动顶压板13和侧压板6从试验箱2两侧和上方向内部的模拟填充土15施加压力,模拟拼接式管片4受到的周身地层抗力以及垂直和水平土压力;
步骤五:待压力模拟完毕后,由液压千斤顶19带动弧形支撑板20撤离,模拟掘进状态下土层流失造成的卸载状态,同时由外部泵料机将浆料沿注浆管25注入拼接式管片4外壁的注浆填充层14,模拟同步注浆状态对拼接式管片4的支撑加固状况;
步骤六:待该试验箱2完成注桨后,电动导轨29驱动液压千斤顶19支撑机构和管片径向变形检测机构22移动至下一试验箱2的检测腔3处,由液压千斤顶19完成拼接式管片4的支撑后,通过外部接入管道向该试验箱2内填充不同性质的模拟填充土15,并重复上述步骤,直至四个试验箱2均完成模拟过程;
步骤七:电动导轨29驱动管片径向变形检测机构22返回第一个试验箱2的检测腔3处,由管片径向变形检测机构22再次检测该截面的平整度,通过与一次检测数据比对,得出管片受力后的径向变形数据,重复该过程,分别得出四组试验箱2内不同性质土体造成的管片径向变形差异。
对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (8)
1.一种隧道盾构土体性能检测用试验台,包括试验台底板(1),其特征在于:所述试验台底板(1)的上方设置有试验箱(2),且试验箱(2)设置有四个,四个所述试验箱(2)的内部均设置有检测腔(3),且检测腔(3)之间相互连通,所述检测腔(3)的外部安装有拼接式管片(4),且拼接式管片(4)的端面通过螺栓连接,所述拼接式管片(4)与试验箱(2)之间填充有模拟填充土(15),所述试验箱(2)下方的两侧均安装有支座(5),所述试验台底板(1)两侧的上方均安装有侧边支撑框架(7),所述试验箱(2)的上方设置有顶端支撑框架(10),且顶端支撑框架(10)的两侧与侧边支撑框架(7)焊接连接,所述试验箱(2)的两侧均安装有侧压板(6),且侧压板(6)与试验箱(2)内腔滑动连接,所述侧压板(6)的外壁上设置有限位框(16),所述侧压板(6)后端的中间位置处安装有第一液压缸(8),且第一液压缸(8)的后端与侧边支撑框架(7)固定连接,所述试验箱(2)的上表面设置有顶压板(13),所述顶压板(13)上端的中间位置处安装有第二液压缸(11),且第二液压缸(11)的上端与顶端支撑框架(10)固定连接,所述试验箱(2)下端的中间位置处安装有排沙阀(24),所述拼接式管片(4)的外壁上设置有注浆填充层(14),所述拼接式管片(4)内壁的下端安装有底支台(27),所述底支台(27)的上表面安装有电动导轨(29),所述电动导轨(29)的滑块上安装有底座(28),所述底座(28)的上端安装有支撑柱(23),所述支撑柱(23)的上端安装有中心座(18),所述中心座(18)的前端安装有管片径向变形检测机构(22),所述中心座(18)的四周均安装有液压千斤顶(19),且液压千斤顶(19)设置有四个,四个所述液压千斤顶(19)的一端均安装有弧形支撑板(20),所述管片径向变形检测机构(22)包括传动座(221)、检测座(222)和连接板(223),所述传动座(221)的底端通过连接板(223)与检测座(222)的底端固定连接,所述传动座(221)的一侧安装有步进电机(227),所述传动座(221)的另一侧安装有镜面座(225),所述步进电机(227)的输出端与镜面座(225)传动连接,所述镜面座(225)的外壁上安装有反射镜(226),且反射镜(226)的倾斜角度为四十五度,所述检测座(222)的内部安装有激光测距探头(224)。
2.根据权利要求1所述的一种隧道盾构土体性能检测用试验台,其特征在于:所述侧压板(6)内壁的上端和下端均通过柔性耐磨密封贴边(17)与试验箱(2)的内壁粘合连接。
3.根据权利要求1所述的一种隧道盾构土体性能检测用试验台,其特征在于:所述弧形支撑板(20)的两端均安装有加固杆(21),且加固杆(21)的一端与液压千斤顶(19)的伸缩杆体外壁焊接连接。
4.根据权利要求1所述的一种隧道盾构土体性能检测用试验台,其特征在于:所述电动导轨(29)的两侧均设置有辅助导轨(31),且辅助导轨(31)的下表面与底支台(27)焊接连接,所述底座(28)的两侧均设置有导向块(30),且导向块(30)与辅助导轨(31)滑动连接。
5.根据权利要求1所述的一种隧道盾构土体性能检测用试验台,其特征在于:所述注浆填充层(14)的下端安装有注浆管(25),注浆管(25)的一端贯穿并延伸至试验箱(2)的外部,且与外置泵料机的输入输出端相连通。
6.根据权利要求5所述的一种隧道盾构土体性能检测用试验台,其特征在于:所述注浆管(25)的外壁通过抱箍(26)与试验箱(2)的底面固定连接,且抱箍(26)设置有两个。
7.根据权利要求1所述的一种隧道盾构土体性能检测用试验台,其特征在于:所述第一液压缸(8)的四周设置有第一从动伸缩杆(9),且第一从动伸缩杆(9)的两端分别与侧边支撑框架(7)和侧压板(6)固定连接,所述第二液压缸(11)的四周均设置有第二从动伸缩杆(12),且第二从动伸缩杆(12)的两端分别与顶端支撑框架(10)和顶压板(13)固定连接。
8.基于权利要求1-7任意一项所述的一种隧道盾构土体性能检测用试验台的试验方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:首先驱动电动导轨(29),带动液压千斤顶(19)支撑机构和管片径向变形检测机构(22)移动至第一个试验箱(2)的检测腔(3)处,并驱动四组液压千斤顶(19),使其输出端的弧形支撑板(20)伸出,支撑住拼接式管片(4),模拟未掘进时土层的支撑状态;
步骤二:启动管片径向变形检测机构(22),由检测机构内部的激光测距探头(224)射出检测激光,通过斜四十五度反射镜(226)的折射作用,使激光偏转至拼接式管片(4)内壁,同时步进电机(227)带动反射镜(226)旋转,使激光绕拼接式管片(4)内壁圆周旋转,检测出当前截面平整度;
步骤三:第二液压缸(11)带动顶压板(13)顶升,从外部接入管道向试验箱(2)内填充模拟填充土(15);
步骤四:填充完毕后,驱动第二液压缸(11)和第一液压缸(8),带动顶压板(13)和侧压板(6)从试验箱(2)两侧和上方向内部的模拟填充土(15)施加压力,模拟拼接式管片(4)受到的周身地层抗力以及垂直和水平土压力;
步骤五:待压力模拟完毕后,由液压千斤顶(19)带动弧形支撑板(20)撤离,模拟掘进状态下土层流失造成的卸载状态,同时由外部泵料机将浆料沿注浆管(25)注入拼接式管片(4)外壁的注浆填充层(14),模拟同步注浆状态对拼接式管片(4)的支撑加固状况;
步骤六:待该试验箱(2)完成注桨后,电动导轨(29)驱动液压千斤顶(19)支撑机构和管片径向变形检测机构(22)移动至下一试验箱(2)的检测腔(3)处,由液压千斤顶(19)完成拼接式管片(4)的支撑后,通过外部接入管道向该试验箱(2)内填充不同性质的模拟填充土(15),并重复步骤一到步骤五,直至四个试验箱(2)均完成模拟过程;
步骤七:电动导轨(29)驱动管片径向变形检测机构(22)返回第一个试验箱(2)的检测腔(3)处,由管片径向变形检测机构(22)再次检测该截面
的平整度,通过与一次检测数据比对,得出管片径向变形数据,重复该过程,
分别得出四组试验箱(2)内不同性质土体造成的管片径向变形差异。
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