CN114876473A - 一种基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备及施工方法 - Google Patents

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CN114876473A CN202210529157.8A CN202210529157A CN114876473A CN 114876473 A CN114876473 A CN 114876473A CN 202210529157 A CN202210529157 A CN 202210529157A CN 114876473 A CN114876473 A CN 114876473A
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周丽红
谢玉芳
卿启湘
姚宪平
王和川
王建新
何展通
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Abstract

本发明涉及隧道施工技术领域,尤其涉及一种基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备及施工方法(简称HTCJ工法)。一种基于水平全回转套管顶进的地铁联络通道设备,包括切削单元、机头管、钢管节、回转驱动机构、主推装置、滑动式固定装置、支撑机构和密封机构;所述回转驱动机构用于驱动所述机头管或所述钢管节旋转带动所述切削单元环向切削管片或前方土体。所述基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备其施工方法,具有设备小型化、切削高效、成本低,切削面积小,带土掘进施工扰动小、姿态可控、质量高、无污染等优点,解决了传统机械法地铁联络通道施工需对主隧道管片特殊处理、切削面积大、易发生坍塌和涌水涌砂、接收姿态控制难等问题。

Description

一种基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备及施工方法
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域,尤其涉及一种基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备及施工方法(简称HTCJ工法)。
背景技术
目前,超大直径盾构隧道的联络通道施工主要有矿山法、盾构法和顶管法等,地层加固主要有注浆法、冻结法,注浆+冻结法,施工风险巨大,稍微不慎,可能引起地层失稳、土水涌入隧道等重大事故(2003年上海地铁4号线、2017 年中国香港屯门隧道、2018年佛山地铁2号线联络通道),而且开洞施工其空间交叉结构型式也会使盾构隧道结构受力更加不利,对结构整体的变形及安全控制造成巨大影响。
当前,在地铁联络通道掘进设备及施工方法方面均存在诸多不足,设备昂贵,施工工艺复杂。
在掘削设备方面,目前普遍采用传统机械法如盾构法和顶管法,盾构法机构多,结构繁而杂,所需空间长且大,受限于主隧道横断面空间,容纳不下;顶管法机构少,所需空间短,但全断面或环形面掘削的刀盘和刀具以及驱动装置均集中布置于顶管机前段,结构复杂,笨重,造成头重脚轻,易栽头,易偏转。
在施工工艺方面,既有施工方法不当,也有地基加固方法失策,或二者兼有的缘故。尤其需要对主隧道管片进行特殊预处理或设计特殊管片,成本高,始发、接收刀盘切削主隧道管片范围大,时间长,破坏面大,且切削下来的管片无法正常排出,需在设备掘进切削至土体前清除,管片清除后会使主隧道外土体暴露,水土压力释放,进而发生坍塌和隧道内涌水涌砂,造成地面沉降和隧道不安全,因此,在破除既有主隧道管片时,需采用注浆或冻结法对洞口土体进行加固,对土体加固效果的依赖程度较高,但地质条件的未知性和复杂性会使加固质量不可控。此外,在接收时,刀盘与管片反向弧面点接触,姿态不易控制,难以对接收端管片进行准确定位和有效切削,接收端机头接收时,预留钢箱及洞门环梁容易偏差,影响隧道施工质量。
在刀具方面,现有刀具磨削盾构管片效率低、时间过长,地面沉降难以控制,横通道姿态难控、机械法排土不畅、堵管、喷涌,以及开口部位结构型式不良导致的管片破裂、结构漏水等风险。
申请号为CN202110696039.1的专利提出一种带有全回转切削钢环的掘进装备,该装备刀盘和驱动装置均布设于机头管上,一方面,它头重脚轻,易于栽头,偏离轴线方向,弯矩、扭矩大;另一方面,因管环内土没有掘削,胸板、支撑杆、驱动装置、油缸等组件均会对管环内土体形成挤压,且越压越实,很快形成土塞,掌子面破坏,地表面起拱破裂,导致掘削失败,此装备在实操中基本上不可行。
总之,就传统机械法而言,主要存在以下问题:(1)对主隧道内与联络通道交叉区域的管片全断面破拆、开孔的切削时间长,破坏面大,且无法对其内嵌的钢筋进行切削,需对联络通道附近的主隧道管片进行特殊化处理;(2)在破除既有主隧道管片时,需采用注浆或冻结法对洞口土体进行加固,对土体加固效果的依赖程度较高,但地质条件的未知性和复杂性会使加固质量不可控;(3) 设备临近接收端时,机头中心点与主隧道管片反弧面接触,难以对接收端管片进行准确定位和有效切削,影响施工质量。
因此,传统机械法不足之处还是比较多,有必要进行新的设备和工艺的研发,在受限空间内研究小型化设备,降低成本,增加效率,安全环保,以满足工程建设日益增加的建造需求。
发明内容
针对背景技术提出的问题,本发明的目的在于提出一种基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备,具有装置紧凑,容纳空间需求小,设备小型化、切削高效、低成本、施工环保、施工风险低、施工安全和质量高的优点。该设备包括切削单元、机头管、钢管节、回转驱动机构、主推装置、滑动式固定装置、支撑机构和密封机构,回转驱动机构用于驱动机头管或钢管节旋转并推进;切削单元布设于机头管的最前端,如此,切削单元由机头管驱动并传递推力,不再需要动力驱动旋转和提供切削岩土体贯入力,机头管和钢管节形成护壁,切削掘进完成后,通过外围设备将钢管节(套管)内土体取出,解决了传统机械法城市地铁联络通道施工时空间狭窄、设备难以布设、全断面切削范围大对主隧道破坏大、接收时机头与主隧道管片反弧面接触容易姿态偏向、接收姿态不可控、质量难以保证、设备制造价格昂贵等问题。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
一种基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备,包括切削单元、机头管、钢管节、回转驱动机构、主推装置、滑动式固定装置、支撑机构和密封机构;
所述切削单元环向设置于所述机头管的前端,用于切削主隧道管片和前方土体;
所述机头管的前端环向设置所述切削单元,所述机头管的后端与所述钢管节进行连接;
所述钢管节连接于所述机头管与驱动节之间;
所述回转驱动机构安装于主隧道内的始发台车上,且可前后滑动,所述回转驱动机构的顶部设有若干个所述滑动式固定装置,所述滑动式固定装置支撑于主隧道管片,所述回转驱动机构与所述驱动节连接,所述回转驱动机构用于驱动所述机头管或所述钢管节旋转带动所述切削单元环向切削管片或前方土体;
所述主推装置安装于所述回转驱动机构的后方,所述主推装置用于驱动所述回转驱动机构做前后移动的运动;
所述支撑机构固定设置于始发台车上,所述支撑机构与所述密封机构连接,所述密封机构相对于主隧道静止,所述支撑机构用于支撑所述密封机构;
所述密封机构设置于所述回转驱动机构的前方,且位于所述机头管或所述钢管节的内部,所述密封机构可相对于所述机头管或所述钢管节旋转,所述密封机构用于在所述机头管或所述钢管节内形成管内密封。
更进一步说明,所述回转驱动机构包括主机架以及设置于所述主机架内部的驱动装置,所述驱动节安装于所述主机架的中部,且可前后移动,所述驱动装置与所述驱动节环向连接。
更进一步说明,所述滑动式固定装置包括千斤顶和撑靴,所述千斤顶的前端与所述撑靴的底部连接,所述撑靴的顶部支撑于主隧道管片。
更进一步说明,所述主推装置与所述主隧道管片之间设置有后靠结构,所述主推装置包括若干个主推油缸,所述主推油缸的缸体固定于所述回转驱动机构内,所述主推油缸的活塞杆反撑于所述后靠结构。
更进一步说明,所述密封机构包括密封套筒、密封囊、密封结构、止退装置和密封机构支座;
所述密封套筒的前方设置有所述密封囊,所述密封囊内可填充流动介质;
所述密封套筒的后方设置有若干个所述密封机构支座,所述密封机构支座与所述支撑机构连接;
所述密封套筒的外周设置有所述密封结构,且所述密封结构设置于所述机头管或所述钢管节与所述密封套筒之间,用于形成管内密封;
所述密封套筒的环向设有两组所述止退装置,每组所述止退装置设有若干个止退销,所述止退销固定连接或脱离所述机头管或所述钢管节,固定连接状态时以防止所述机头管或所述钢管节发生回退,脱离状态时以不阻碍所述机头管或所述钢管节被所述回转驱动机构驱动旋转或顶进。
更进一步说明,所述支撑机构包括支撑基座、支撑轴套、支撑轴杆和支撑油缸;
所述支撑轴杆和所述支撑油缸均设于所述支撑轴套内,所述支撑轴杆的一端与所述支撑油缸的前端连接,所述支撑油缸驱动所述支撑轴杆伸出以与所述密封机构支座连接,或者所述支撑油缸驱动所述支撑轴杆缩回以脱离所述密封机构支座;所述回转驱动机构驱动所述机头管或所述钢管节旋转带动所述切削单元环向切削管片或前方土体时,所述支撑轴杆伸出与所述密封机构支座连接以支撑所述密封机构;所述回转驱动机构停止驱动,且安装所述钢管节时,所述支撑轴杆缩回并脱离所述密封机构支座;
所述支撑轴套固定于所述支撑基座,所述支撑基座固定于始发台车上,所述支撑基座位于所述回转驱动机构的后方,所述支撑机构设置于所述驱动节的内部。
采用一种基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备的施工方法,包括洞口土体加固、主隧道管片加固、始发洞门制作和接收洞门制作,还包括以下步骤:
S1、水平全回转套管顶进施工:
S11、设备安装就位:移动始发台车,使所述基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备就位,并固定于主隧道内;
S12、始发掘进阶段:将所述密封机构安装于所述机头管的内部,所述主推装置推进带有所述切削单元的所述机头管对准始发洞口,然后伸出所述支撑机构的前端与所述密封机构支座连接,接着,回转驱动机构驱动所述驱动节旋转带动所述机头管及所述切削单元环向切削始发洞口的主隧道管片,所述回转驱动机构停止驱动,接着,所述止退装置固定连接所述机头管,在主隧道内安装所述钢管节并与所述机头管连接;
S13、正常掘进阶段:所述钢管节安装完成,所述止退装置脱离所述机头管,回转驱动机构驱动所述驱动节旋转带动所述钢管节及所述切削单元环向切削洞口外前方土体,形成一个环形槽,切削掘进完成一个设计行程后,所述回转驱动机构停止,接着,所述止退装置固定连接所述钢管节,在主隧道内安装所述钢管节并与所述机头管连接;循环重复以上工作,持续驱动并推进所述钢管节,直到完成联络通道隧道中岩土体的切削;
S14、接收掘进阶段:所述机头管的所述切削单元环向切削接收端的主隧道管片,接着,在始发端的主隧道内安装所述钢管节,直到所述机头管完全推进至所述接收套筒内;
S2、通道清渣:所述钢管节完全贯通后,清除所述钢管节通道内的管片和岩土体;
S3、顶进置换:
S31、顶进装置就位:在主隧道内,先撤出除所述钢管节外的其他所述基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备,安装就位所述顶进装置;
S32、混凝土管节安装:按顺序从所述钢管节的末节开始安装所述混凝土管节,所述钢管节的末端与所述混凝土管节的前端连接;
S33、混凝土管节顶进:启动所述顶进装置,向前推进所述混凝土管节,从始发端顶进所述混凝土管节至接收端,直至完全置换所述钢管节,形成联络通道,回收所有所述钢管节;
S4、洞口处理及壁后注浆:分别施作始发端的后浇洞门环梁与接收端的后浇洞门环梁和进行防水处理,使联络通道与主隧道连成整体,接着,向混凝土管节外压注浆液使管节与周边土体有效固结。
更进一步说明,所述主隧道管片加固包括:采用碳纤维布对主隧道洞口范围的管片进行加强处理;
所述始发洞门制作包括:在联络通道的始发端洞口范围施作洞门墙和密封止水装置;
所述接收洞门制作包括:在联络通道的接收端洞口范围施作洞门墙和密封止水装置,并安装接收套筒。
更进一步说明,所述步骤S12、S13和S14进行水平全回转切削及掘进施工的过程中,还包括以下内容:1)环向切削后的管片和岩土体全程保留在所述机头管或所述钢管节内;2)在所述机头管和所述钢管节的内侧、外侧均预留注浆孔,通过注浆装置向所述机头管和所述钢管节的管壁内外压注润滑减阻材料,所述注浆装置设置防注浆管缠绕接头。
与现有技术相比,本发明的实施例具有以下有益效果:
与传统机械法的掘进设备相比,本发明基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备的最大优点在于:
第一,基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备具有小型化的特点(始发及接收简化,始发台车也简化),采用机械法施工,全封闭作业,安全性高、稳定性好;
第二,机头管前端布设特制高强合金材质的切削单元,切削单元可以环形切削钢筋混凝土管片,可以在任意位置确定横通道,而不需在主隧道上预留特殊管片,对主隧道管片破坏面小,施工更安全。传统机械法施工联络通道需预留特殊管片且切削整个断面,切削范围大,对主隧道破坏面大,施工风险大。
第三,环状切削避免全断面切削管片,即切削提高效率,又可大幅降低设备制造成本;
第四,水平全回转施工全程带土掘进,首先减小土体扰动,沉降可控;其二,带土掘进形成的土塞效应有利于减小掌子面的水土压力对洞口止水装置和后方回转驱动机构的影响;
第五,机头管和钢管节预留注浆孔,旋转切削时在管壁内外压注润滑剂。在外部注润滑浆液以减小机头管和钢管节外壁与土体之间的摩阻力及切削扭矩;在内部注注润滑浆液减小机头管和钢管节内壁与土体的摩阻力,同时带土掘进时减小内部土体对机头管或钢管节的惯性矩;
第六,全回旋跟管顶进,使切削单元与接收端主隧道管节环状切削,轴线姿态可控,可实现精准接收,避免了传统机械法的机头与主隧道管片反弧面接触导致定位不准接收姿态不可控的情况;
第七,采用密封机构和支撑机构配合作用,在始发端主隧道管片被切削后,作为洞口的密封结构和支护结构,无需清除管片,降低了外部土体暴露引起涌水涌砂及隧道失稳的安全风险;
第八,在钢管节内完成清理土方,并采用钢筋混凝土管节置换钢管节,使钢管节得以重复利用,减少造价;
本发明还创新性地提出了一种使用基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备的施工方法,先采用全回转机头管上布设的切削单元切削主隧道管片或四周土体,回转驱动机构驱动机头管或钢管节旋转,切削旋转全程不排土掘进,初期通过不排土的形式由钢管节形成联络通道的初期支护;然后在清理钢管节内土体后用钢筋混凝土管节置换钢管节,最后再施作洞门环梁,将通道与主隧道连接成整体,具有施工对主隧道破坏面小、对周边土体扰动小、降低地面沉降风险、对土体加固的依赖程度低、环向切削接收姿态可控、整体施工安全性高和施工效率高以及质量可控的优点,解决了传统机械法城市地铁联络通道施工方法中安全性低、施工风险大和质量不可控等问题。
附图说明
图1是本发明一个实施例的基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备的始发布置结构示意图;
图2是本发明一个实施例的基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备的回转驱动机构的正视图;
图3是本发明一个实施例的基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备的回转驱动机构的剖视图;
图4是本发明一个实施例的基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备的密封机构的剖视图;
图5是本发明一个实施例的基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备的支撑机构的剖视图;
图6是本发明一个实施例的基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备的机头管的剖视图;
图7是本发明一个实施例的施工方法的简化工艺流程示意图;
图8是本发明一个实施例的施工方法的始发掘进示意图;
图9是本发明一个实施例的施工方法的正常掘进示意图;
图10是本发明一个实施例的施工方法的接收掘进示意图;
图11是本发明一个实施例的施工方法的顶进置换示意图;
图12是本发明一个实施例的施工方法形成联络通道的示意图;
附图中:回转驱动机构1、主机架11、驱动装置12、驱动节13、主推装置 2、主推油缸21、滑动式固定装置3、千斤顶31、撑靴32、密封机构4、密封套筒41、密封囊42、介质压注管路421、阀门422、密封结构43、密封环431、钢丝刷432、油脂管433、止退销44、密封机构支座45、支撑机构5、支撑基座 51、支撑轴套52、支撑轴杆53、支撑油缸54、钢管节6、机头管61、切削单元 611、注浆孔612、注浆通道613、后靠结构7、管节安装空间8、始发台车101、主隧道管片102、顶进装置103、主顶装置1031、顶铁1032、混凝土管节104、后浇洞门环梁105、接收台车106、始发洞门环梁107、接收洞门环梁108、接收套筒109。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“纵向”、“横向”“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征,用于区别描述特征,无顺序之分,无轻重之分。
在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1至图12所示,一种基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备,包括切削单元611、机头管61、钢管节6、回转驱动机构1、主推装置2、滑动式固定装置3、支撑机构5和密封机构4;
所述切削单元611环向设置于所述机头管61的前端,用于切削主隧道管片 102和前方土体;
所述机头管61的前端环向设置所述切削单元611,所述机头管61的后端与所述钢管节6进行连接;
所述钢管节6连接于所述机头管61与驱动节13之间;
所述回转驱动机构1安装于主隧道内的始发台车101上,且可前后滑动,所述回转驱动机构1的顶部设有若干个所述滑动式固定装置3,所述滑动式固定装置3支撑于主隧道管片102,所述回转驱动机构1与所述驱动节13连接,所述回转驱动机构1用于驱动所述机头管61或所述钢管节6旋转带动所述切削单元611环向切削管片或前方土体;
所述主推装置2安装于所述回转驱动机构1的后方,所述主推装置2用于驱动所述回转驱动机构1做前后移动的运动;
所述支撑机构5固定设置于始发台车101上,所述支撑机构5与所述密封机构4连接,所述密封机构4相对于主隧道静止,所述支撑机构5用于支撑所述密封机构4;
所述密封机构4设置于所述回转驱动机构1的前方,且位于所述机头管61 或所述钢管节6的内部,所述密封机构4可相对于所述机头管61或所述钢管节 6旋转,所述密封机构4用于在所述机头管61或所述钢管节6内形成管内密封。
通过设置所述回转驱动机构1,所述回转驱动机构1用于驱动所述机头管61或所述钢管节6旋转带动所述切削单元611环向切削主隧道管片102或前方土体,为所述机头管61或所述钢管节6的旋转提供扭矩,由于所述机头管61 的前端设有所述切削单元611,所述切削单元611可以环形切削钢筋混凝土管片,可以在任意位置确定联络通道,而不需要在主隧道上预留特殊管片,同时采用所述切削单元611切削,可以大大减小切削面积,减少切削时间,对隧道结构环形切削的宽度可控,避免全断面切削管片,提高施工效率,大大降低设备成本,在掘进过程中,全程带土掘进,能够减小土体扰动,沉降可控,且全回旋跟管顶进,轴线姿态可控,接收端主隧道砼管节环状切削,可实现精准接收;此外,通过设置所述支撑机构5和所述密封机构4,两者相配合作用,在始发端主隧道管片被切削后,作为洞口的密封结构和支护结构,初期无需清除管片,降低了外部土体暴露引起涌水涌砂及隧道失稳的安全风险,所述基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备具有小型化、机械法施工全封闭作业,安全性高、稳定性好的优点,能够解决传统机械法城市地铁联络通道施工时需要对主隧道管片进行特殊处理、切削的管片无法正常排出、容易发生坍塌和隧道内涌水涌砂、接收时姿态不易控制等施工技术难题。
具体地,所述回转驱动机构1的底部设置有滑动装置,通过所述滑动装置实现所述回转驱动机构1在所述始发台车101上的滑动安装,使得所述回转驱动机构1安装于所述始发台车101上,可以前后滑动,而不能发生纵向滑动和扭转,所述滑动装置可以采用现有的滑动装置,比如滑轨与滑块的配合,具体地,始发台车101上设有导轨,导轨上端涂抹有润滑材料,导轨安装时需精准定位。
更进一步说明,所述回转驱动机构1包括主机架11以及设置于所述主机架 11内部的驱动装置12,所述驱动节13安装于所述主机架11的中部,且可前后移动,所述驱动装置12与所述驱动节13环向连接。
通过在所述主机架11的内部设置所述驱动装置12,具体地,所述驱动装置 12由其内部的回转驱动油缸驱动,并连接外部的液压系统,以驱动所述驱动节 13旋转,所述驱动节13为钢管节6的回转传递扭矩,所述驱动节13的长度略大于所述回转驱动机构1的横向长度,所述机头管61是第一节钢管节,所述机头管61的前端设有切削单元611,而所述驱动节13则设置于所述回转驱动机构 1的中部,所述机头管61的后端设有接头,所述钢管节6的前端和后端均设有接头,所述驱动节13的前端设有接头,所述机头管61与所述钢管节6之间、两节所述钢管节6之间以及所述钢管节6与所述驱动节13之间均采用固定销连接,连接稳定性强;
更进一步说明,所述机头管61前端的切削单元611具体为刀具,刀具设有切削外齿、切削中齿、切削内齿,刀具的材质优先采用现有的高强合金材料,使得所述刀具的强度高、耐磨、切削稳定性强。
更进一步说明,所述滑动式固定装置3包括千斤顶31和撑靴32,所述千斤顶31的前端与所述撑靴32的底部连接,所述撑靴32的顶部支撑于主隧道管片 102。
通过在所述滑动式固定装置3设置所述千斤顶31和所述撑靴32,所述千斤顶31伸缩使所述撑靴32支撑或者不支撑主隧道管片102,从而起到抵抗扭矩的作用,以实现在全回转掘进过程中,对前后移动的所述回转驱动机构1的支撑,保证掘进施工过程中设备的稳定性。
更进一步说明,所述主推装置2与所述主隧道管片102之间设置有后靠结构7,所述主推装置2包括若干个主推油缸21,所述主推油缸21的缸体固定于所述回转驱动机构1内,所述主推油缸21的活塞杆反撑于所述后靠结构7。
具体地,在掘进时,所述主推油缸21伸出,使所述回转驱动机构1向前移动,安装钢管节6,所述主推油缸21缩回,使所述回转驱动机构1向后移动,使得所述回转驱动机构1与所述密封机构4之间形成有管节安装空间8,为钢管节6的安装提供安装空间;
更进一步说明,所述后靠结构7采用弧形钢结构,所述后靠结构7紧密贴合于始发端的主隧道管片102上,所述后靠结构7与主隧道管片102之间还设置有缓冲材料,所述缓冲材料可以使用橡胶垫,能够防止主隧道管片102由于应力集中而发生破坏。
更进一步说明,所述密封机构4包括密封套筒41、密封囊42、密封结构43、止退装置和密封机构支座45;所述密封套筒41的前方设置有所述密封囊42,所述密封囊42内可填充流动介质;所述密封套筒41的后方设置有若干个所述密封机构支座45,所述密封机构支座45与所述支撑机构5连接;
所述密封套筒41的外周设置有所述密封结构43,且所述密封结构43设置于所述机头管61或所述钢管节6与所述密封套筒41之间,用于形成管内密封;
所述密封套筒41的环向设有两组所述止退装置,每组所述止退装置设有若干个止退销44,所述止退销44固定连接或脱离所述机头管61或所述钢管节6,固定连接状态时以防止所述机头管61或所述钢管节6发生回退,脱离状态时以不阻碍所述机头管61或所述钢管节6被所述回转驱动机构1驱动旋转或顶进。
具体地,所述密封套筒41为圆筒形结构,所述密封套筒41的外径略小于所述机头管61和所述钢管节6的内径,所述密封套筒41的结构内部设有加强构件,比如加劲板;所述密封套筒41的前端设有所述密封囊42,所述密封囊 42在原始状态未充入流动介质,向所述密封囊42充入流动介质使其支撑主隧道管片102(洞口范围内将被切削的管片)和前方土体,设置所述密封囊42的原因在于:主隧道管片102与所述密封套筒41存在一定的间距,若洞口管片被切削,外部土压力较大,土压力释放而导致洞口外土体产生变形,可能引起地面沉降或隧道失稳等问题;特殊地,所述密封囊42上设有介质压注管路421,所述介质压注管路421用于压浆或压气,所述介质压注管路421穿过所述密封套筒41,所述介质压注管路421上设有阀门422;在掘进前,将所述介质压注管路421连接外部的压浆(或压气)系统,根据洞门土压力的大小压入指定压力的流动介质,流动介质可采用空气、清水、泥浆等介质,待压注的介质满足要求后关闭所述阀门,停止压注,并断开外部的压浆(或压气)系统,完成所述密封囊42内的流动介质的填充;
更进一步说明,密封结构43设置于所述钢管节66与所述密封套筒41之间,用于形成管内密封,起到防水的作用,所述密封结构43包括两道密封环431、若干道钢丝刷432和若干道油脂管433,所述密封环431、所述钢丝刷432和所述油脂管433均沿所述密封套筒41的外表面周向布置;所述密封环431设于所述密封套筒41的外周的前后两端,为防止过多约束所述钢管节6的回转,所述密封套筒41与所述钢管节6的内壁之间留有间隙,该间隙会存在渗水风险,因此,在间隙设置所述密封环431,既起到止水作用,也使所述密封套筒41与所述机头管61或所述钢管节6之间起到缓冲作用,防止钢结构间直接摩擦,所述密封环431优先采用摩擦系数小的材料或表面涂抹润滑材料;所述钢丝刷432 设置于所述密封套筒41的外周的中部;
更进一步说明,所述密封套筒41的环向设有两组所述止退装置,每组所述止退装置设有若干个止退销44,所述止退销44固定连接或脱离所述机头管61 或所述钢管节6,固定连接状态时以防止所述机头管61或所述钢管节6发生回退,脱离状态时以不阻碍所述机头管61或所述钢管节6被所述回转驱动机构1 驱动旋转或顶进。
具体地,所述密封机构支座45为圆环形或矩形环形的钢结构,可设有螺栓孔,所述密封机构支座45的前端焊接于所述密封套筒41的后端面,所述密封机构支座45的后端为敞口结构,所述密封机构支座45设置有若干个,具体可以设置2个~4个。
优选地,所述机头管61的前端设有三向的注浆孔612,所述钢管节6的管壁内侧和钢管节6的外侧均设有注浆孔612,所述机头管61和所述钢管节6贯通设有注浆通道613,所述机头管61的注浆通道613与所述钢管节6的注浆通道613相连通,且所述注浆孔612与所述注浆通道613相连通,可同时向机头管61的切削单元611、机头管61的内侧和机头管61的外侧进行注浆,压注润滑材料,为克服土重,水平回转切削对扭矩的要求高,动力大,且旋转切削土体,土体与管节之间会产生较大摩擦,即会增大刀具切削扭矩和全回转设备的负担,通过向机头管61和钢管节6的内侧和外侧的注浆孔612进行注浆的作用是润滑减阻和降温。向切削单元611前端注浆的作用是为切削单元611降温和切削润滑,由于切削单元611持续不断的切削土体,切削单元611自身温度会不断升高,温度升高会影响刀具的切削功能,因此需压注浆液对切削单元611 进行降温,浆液材料优先采用环保材料;具体地,所述机头管61和所述钢管节 6的长度一般为0.8~1.5m,所述钢管节6均采用移动台车运输。
更进一步说明,所述支撑机构5包括支撑基座51、支撑轴套52、支撑轴杆 53和支撑油缸54;所述支撑轴杆53和所述支撑油缸54均设于所述支撑轴套52 内,所述支撑轴杆53的一端与所述支撑油缸54的前端连接,所述支撑油缸54 驱动所述支撑轴杆53伸出以与所述密封机构支座45连接,或者所述支撑油缸 54收回带动所述支撑轴杆53缩回并脱离所述密封机构支座45;所述回转驱动机构1驱动所述机头管61或所述钢管节6旋转带动所述切削单元611环向切削管片或前方土体时,所述支撑轴杆53伸出与所述密封机构支座45连接以支撑所述密封机构4;所述回转驱动机构1停止驱动,且安装所述钢管节6时,所述支撑轴杆53缩回并脱离所述密封机构支座45;
所述支撑轴套52固定于所述支撑基座51,所述支撑基座51固定于始发台车101上,所述支撑基座51位于所述回转驱动机构1的后方,所述支撑机构5 设置于所述驱动节13的内部。
具体地,所述支撑油缸54采用液压驱动,从而驱动所述支撑轴杆53插入至所述密封机构支座45并与所述密封机构支座45连接,或者脱离所述密封机构支座45,驱动平稳性好;
更进一步说明,在水平全回转掘进的过程中,所述密封机构4对钢管节6 及土体起到支撑作用,且不随所述钢管节6回转。所述支撑机构5具备支撑、抵抗一定程度的扭矩和可伸缩的功能,通过设置所述支撑油缸54驱动所述支撑轴杆53伸缩以使所述支撑轴杆53的另一端连接或者脱离所述密封机构支座45,此外,不采用油缸直接支撑,而增加了所述支撑轴套52和所述支撑基座51。为确保所述钢管节6安装空间的要求,可适当增加所述支撑机构5的长度和提高稳定性。所述支撑轴套52与所述支撑基座51完全固定,所述支撑基座51固定于始发台车101上,所述支撑机构5设置于所述驱动节13的内部(具体设置在驱动节13的内部空间,与所述回转驱动机构1形成空间布置),且所述支撑机构5与所述驱动节13互不影响,保证支撑稳定性;
更进一步说明,所述支撑轴杆53与所述支撑油缸54的活塞杆固定连接,所述支撑轴杆53与所述支撑轴套52间可另设其他构造,使所述支撑轴杆53可提供一定的抵抗扭转的能力;
具体地,所述支撑基座51上可以设置2个~4个所述支撑轴套52,当设置有2个所述支撑轴套52时可以是左右布置,当设置有3个或者4个所述支撑轴套52时,可以是分两层布置;
优选地,所述钢管节6安装前,先通过所述钢管节6外部的止退装置对所述钢管节6进行包箍以防止所述钢管节6后退,所述止退销44推出并插入到所述钢管节6内侧的定位孔上,以防止所述钢管节6发生回退;所述钢管节6安装后,所述支撑轴杆53连接所述密封机构4的密封机构支座45并固定连接,再撤回止退销44,所述支撑轴杆53伸出后可以采用紧固件(比如螺栓)与所述密封机构支座45固定连接,以增强所述支撑轴杆53与所述密封机构支座45的连接稳定性。
特殊地,所述钢管节6外部的止退装置靠近始发洞门环梁107安装,可采用气动式、液压式或机械式结构。更进一步说明,液压驱动系统、压浆(或压气)系统、电气控制系统、出渣系统均安装在移动台车上,移动台车设若干个。
采用一种基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备的施工方法,包括洞口土体加固、主隧道管片102加固、始发洞门制作和接收洞门制作,还包括以下步骤:
S1、水平全回转套管顶进施工:
S11、设备安装就位:移动始发台车101,使所述基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备就位,并固定于主隧道内;
S12、始发掘进阶段:将所述密封机构4安装于所述机头管61的内部,所述主推装置2推进带有所述切削单元611的所述机头管61对准始发洞口,然后伸出所述支撑机构5的前端与所述密封机构支座45连接,接着,回转驱动机构 1驱动所述驱动节13旋转带动所述机头管61及所述切削单元611环向切削始发洞口的主隧道管片102,所述回转驱动机构1停止驱动,接着,所述止退装置固定连接所述机头管61,在主隧道内安装所述钢管节6并与所述机头管61连接;
S13、正常掘进阶段:所述钢管节6安装完成,所述止退装置脱离所述机头管61,回转驱动机构1驱动所述驱动节13旋转带动所述钢管节6及所述切削单元611环向切削洞口外前方土体,形成一个环形槽,切削掘进完成一个设计行程后,所述回转驱动机构1停止,接着,所述止退装置固定连接所述钢管节6,在主隧道内安装所述钢管节6并与所述机头管61连接;循环重复以上工作,持续驱动并推进所述钢管节6,直到完成联络通道隧道中岩土体的切削;
S14、接收掘进阶段:所述机头管61的所述切削单元611环向切削接收端的主隧道管片102,接着,在始发端的主隧道内安装所述钢管节6,直到所述机头管61完全推进至所述接收套筒109内;
S2、通道清渣:所述钢管节6完全贯通后,清除所述钢管节6通道内的管片和岩土体;
S3、顶进置换:
S31、顶进装置103就位:在主隧道内,先撤出除所述钢管节6外的其他所述基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备,安装就位所述顶进装置103;
S32、混凝土管节104安装:按顺序从所述钢管节6的末节开始安装所述混凝土管节104,所述钢管节6的末端与所述混凝土管节104的前端连接;
S33、混凝土管节104顶进:启动所述顶进装置103,向前推进所述混凝土管节104,从始发端顶进所述混凝土管节104至接收端,直至完全置换所述钢管节6,形成联络通道,回收所有所述钢管节6;
S4、洞口处理及壁后注浆:分别施作始发端的后浇洞门环梁105与接收端的后浇洞门环梁105和进行防水处理,使联络通道与主隧道连成整体,接着,向混凝土管节104外压注浆液使管节与周边土体有效固结。
具体地,所述密封机构4先安装于所述机头管61的内部,再随所述机头管 61一同安装于导轨上,所述支撑机构5连接所述密封机构4并支撑固定,启动所述主推装置2和所述回转驱动机构1,推进所述机头管61切削始发端的主隧道的部分管片;停止切削后解除所述支撑机构5,使所述回转驱动机构1后移,再安装所述钢管节6,使所述机头管61对始发端的主隧道管片102和加固土体进行切削和掘进,第一节钢管节为机头管61,所述机头管61的前端安装有高强合金材质制作的切削单元611,所述切削单元611在所述钢管节6的内外有一定的超挖量;
特殊地,除了所述机头管61和与所述机头管61连接的钢管节6外,其余的所述钢管节6在安装前,需在始发洞门环梁107上设置外部的止退装置连接已顶进的所述钢管节6,并且需先将所述密封机构4通过所述止退销44固定已顶进的所述钢管节6内部,所述钢管节6安装后再解除外部的所述止退装置和所述止退销44;具体地,在安装所述机头管61和与首节所述钢管节6时,不需要推出止退销44,但需要用所述支撑机构5连接所述密封机构4以支撑前方土体传来的土压力。安装第二节所述钢管节6时,为保证安装所述钢管节的空间,所述支撑机构5的所述支撑轴杆53缩回,相当于水平支撑力撤走,由于所述机头管61进入土体,前方土压力较大,为抵抗土压力,须对已顶进的所述钢管节 6和所述密封机构4进行止退,所述密封机构4通过止退销44将土压力传递到已顶进的所述钢管节6,已顶进的所述钢管节6将压力通过外部的止退装置传递至洞门和主隧道。
具体地,所述步骤S12始发掘进施工中,使所述机头管61的前端上抬10~ 20mm,然后推进机头管61切削始发端洞口处的主隧道管片102。
需要说明的是,所述顶进装置103至少包括主顶装置1031和顶铁1032,顶进装置103与常规顶管法的后配套设备相同,唯一的区别就是由于横通道已经掘进形成,不需要采用顶管机二次掘进,只需要通过主顶油缸驱动所述混凝土管节104向前推进而置所述换钢管节6即可,具体地,所有混凝土管节104之间均采用承插口连接,特殊地,在安装首节混凝土管节104前,先在末节所述钢管节6的尾端焊接临时钢承口。
本发明的施工方法使用所述基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备,主要包括全回转掘进和顶进置换两部分,具有以下优点:
(1)创新性地提出一种基于全回转掘进和顶进置换的地铁联络通道施工方法,先采用全回转掘进切削主隧道管片102和原状土体,将钢管节6作为初次支护,钢管节6贯通后再进行清渣,随后再顶进混凝土管节104对钢管节6进行置换,洞门封堵和壁厚注浆加固后即完成联络通道施工;
(2)与既有的机械法施工联络通道相比,本发明的最大特点在于:第一,采用不排土掘进,超挖量少,对上覆土体的扰动较小,降低了地面沉降风险;第二,采用密封机构4和支撑机构5配合作用,在始发端的主隧道管片102被切削后,作为洞口的支护结构和密封结构,提高施工安全性;第三,全程环向切削带土掘进施工对土体加固效果的依赖程度较低。
(3)该方法可直接切削原状岩土体,地层适应性较强;
(4)避免了传统机械法的设备机头与主隧道管片反弧面接触接收定位不准,该方法环向切削,接收定位更准确,对主隧道破坏面更小,工序简单,安全质量更可控。
更进一步说明,所述主隧道管片102加固包括:采用碳纤维布对主隧道洞口范围的管片进行加强处理;所述始发洞门制作包括:在联络通道的始发端洞口范围施作洞门墙和密封止水装置;所述接收洞门制作包括:在联络通道的接收端洞口范围施作洞门墙和密封止水装置,并安装接收套筒109。
具体地,在始发台车101的导轨上还可以涂抹润滑材料,保证设备运行的顺畅性;特殊地,还包括主隧道内布置:在始发台车101和接收台车106上铺设导轨,在始发台车101的后方安装后靠结构7;
具体地,在始发洞门制作中,在联络通道的始发端安装始发洞门环梁107,并安装始发端的密封止水装置,特殊地,始发端的密封止水装置可以使用现有的止水装置,始发端的密封止水装置可以由两道钢丝刷和一道橡胶帘布构成,并设有油脂管,切削管片时通过始发端的密封止水装置内的油脂管向钢管节6 与始发洞门的间隙中压注油脂用于密封止水;
具体地,在接收洞门制作中,在联络通道的接收端安装接收洞门环梁108,并安装接收端的密封止水装置、接收套筒109和反撑架,接收端的密封止水装置可以使用现有的止水装置,接收端的密封止水装置可以由一道钢丝刷构成,并设有油脂管,所述机头管61推进至所述接收套筒109后,立即通过接收端的密封止水装置和所述接收套筒109上的油脂管向钢管节与接收洞门的间隙中压注油脂用于密封止水;接收套筒109的端部设有可拆卸式的舱门,内部设有若干道钢丝刷,并设有油脂管;特殊地,反撑架可以临时支撑于接收端的主隧道管片102和接收套筒109的舱门上。
更进一步说明,所述步骤S12、S13和S14进行水平全回转切削及掘进施工的过程中,还包括以下内容:1)环向切削后的管片和岩土体全程保留在所述机头管61或所述钢管节6内;2)在所述机头管61和所述钢管节6的内侧、外侧均预留注浆孔612,通过注浆装置向所述机头管61和所述钢管节6的管壁内外压注润滑减阻材料,所述注浆装置设置防注浆管缠绕接头。
更进一步说明,在所述机头管61和所述钢管节6的内侧、外侧均预留注浆孔612,通过注浆装置向注浆孔612内压注润滑材料,停止压注后,再启动所述回转驱动机构1驱动所述驱动节13旋转带动所述机头管61及所述切削单元611 环向切削掘进,在掘进的过程中减小所述机头管或所述钢管节与土体之间的摩擦阻力和所述机头管回转扭矩;
特殊地,所述注浆通道613的直径小于所述机头管61或所述钢管节6的壁厚的一半,所述注浆孔612沿所述机头管61或所述钢管节6的周向均匀设若干个,所述注浆孔612的端部设密封件;特殊地,停止压注时,需先空压一段时间,使注浆孔612内的润滑材料排尽,再断开注浆装置;
特殊地,在步骤S33混凝土管节104顶进置换的过程中,需在始发端和接收端洞口压注油脂用于密封止水,顶进置换的过程中还包括顶进减阻的步骤:在混凝土管节104的周向设有若干个注浆孔,内部安装注浆管,在顶进过程中,通过注浆装置沿注浆管向混凝土管节104外压注减阻泥浆以减小顶进摩阻力。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备,其特征在于,包括切削单元、机头管、钢管节、回转驱动机构、主推装置、滑动式固定装置、支撑机构和密封机构;
所述切削单元环向设置于所述机头管的前端,用于切削主隧道管片和前方土体;
所述机头管的前端环向设置所述切削单元,所述机头管的后端与所述钢管节进行连接;
所述钢管节连接于所述机头管与驱动节之间;
所述回转驱动机构安装于主隧道内的始发台车上,且可前后滑动,所述回转驱动机构的顶部设有若干个所述滑动式固定装置,所述滑动式固定装置支撑于主隧道管片,所述回转驱动机构与所述驱动节连接,所述回转驱动机构用于驱动所述机头管或所述钢管节旋转带动所述切削单元环向切削管片或前方土体;
所述主推装置安装于所述回转驱动机构的后方,所述主推装置用于驱动所述回转驱动机构做前后移动的运动;
所述支撑机构固定设置于始发台车上,所述支撑机构与所述密封机构连接,所述密封机构相对于主隧道静止,所述支撑机构用于支撑所述密封机构;
所述密封机构设置于所述回转驱动机构的前方,且位于所述机头管或所述钢管节的内部,所述密封机构可相对于所述机头管或所述钢管节旋转,所述密封机构用于在所述机头管或所述钢管节内形成管内密封。
2.根据权利要求1所述的一种基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备,其特征在于,所述回转驱动机构包括主机架以及设置于所述主机架内部的驱动装置,所述驱动节安装于所述主机架的中部,且可前后移动,所述驱动装置与所述驱动节环向连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备,其特征在于,所述滑动式固定装置包括千斤顶和撑靴,所述千斤顶的前端与所述撑靴的底部连接,所述撑靴的顶部支撑于主隧道管片。
4.根据权利要求1所述的一种基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备,其特征在于,所述主推装置与所述主隧道管片之间设置有后靠结构,所述主推装置包括若干个主推油缸,所述主推油缸的缸体固定于所述回转驱动机构内,所述主推油缸的活塞杆反撑于所述后靠结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备,其特征在于,所述密封机构包括密封套筒、密封囊、密封结构、止退装置和密封机构支座;
所述密封套筒的前方设置有所述密封囊,所述密封囊内可填充流动介质;
所述密封套筒的后方设置有若干个所述密封机构支座,所述密封机构支座与所述支撑机构连接;
所述密封套筒的外周设置有所述密封结构,且所述密封结构设置于所述机头管或所述钢管节与所述密封套筒之间,用于形成管内密封;
所述密封套筒的环向设有两组所述止退装置,每组所述止退装置设有若干个止退销,所述止退销固定连接或脱离所述机头管或所述钢管节,固定连接状态时以防止所述机头管或所述钢管节发生回退,脱离状态时以不阻碍所述机头管或所述钢管节被所述回转驱动机构驱动旋转或顶进。
6.根据权利要求5所述的一种基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备,其特征在于,所述支撑机构包括支撑基座、支撑轴套、支撑轴杆和支撑油缸;
所述支撑轴杆和所述支撑油缸均设于所述支撑轴套内,所述支撑轴杆的一端与所述支撑油缸的前端连接,所述支撑油缸驱动所述支撑轴杆伸出以与所述密封机构支座连接,或者所述支撑油缸驱动所述支撑轴杆缩回以脱离所述密封机构支座;所述回转驱动机构驱动所述机头管或所述钢管节旋转带动所述切削单元环向切削管片或前方土体时,所述支撑轴杆伸出与所述密封机构支座连接以支撑所述密封机构;所述回转驱动机构停止驱动,且安装所述钢管节时,所述支撑轴杆缩回并脱离所述密封机构支座;
所述支撑轴套固定于所述支撑基座,所述支撑基座固定于始发台车上,所述支撑基座位于所述回转驱动机构的后方,所述支撑机构设置于所述驱动节的内部。
7.采用一种基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备的施工方法,包括洞口土体加固、主隧道管片加固、始发洞门制作和接收洞门制作,其特征在于,还包括以下步骤:
S1、水平全回转套管顶进施工:
S11、设备安装就位:移动始发台车,使所述基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备就位,并固定于主隧道内;
S12、始发掘进阶段:将所述密封机构安装于所述机头管的内部,所述主推装置推进带有所述切削单元的所述机头管对准始发洞口,然后伸出所述支撑机构的前端与所述密封机构支座连接,接着,回转驱动机构驱动所述驱动节旋转带动所述机头管及所述切削单元环向切削始发洞口的主隧道管片,所述回转驱动机构停止驱动,接着,所述止退装置固定连接所述机头管,在主隧道内安装所述钢管节并与所述机头管连接;
S13、正常掘进阶段:所述钢管节安装完成,所述止退装置脱离所述机头管,回转驱动机构驱动所述驱动节旋转带动所述钢管节及所述切削单元环向切削洞口外前方土体,形成一个环形槽,切削掘进完成一个设计行程后,所述回转驱动机构停止,接着,所述止退装置固定连接所述钢管节,在主隧道内安装所述钢管节并与所述机头管连接;循环重复以上工作,持续驱动并推进所述钢管节,直到完成联络通道隧道中岩土体的切削;
S14、接收掘进阶段:所述机头管的所述切削单元环向切削接收端的主隧道管片,接着,在始发端的主隧道内安装所述钢管节,直到所述机头管完全推进至所述接收套筒内;
S2、通道清渣:所述钢管节完全贯通后,清除所述钢管节通道内的管片和岩土体;
S3、顶进置换:
S31、顶进装置就位:在主隧道内,先撤出除所述钢管节外的其他所述基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备,安装就位所述顶进装置;
S32、混凝土管节安装:按顺序从所述钢管节的末节开始安装所述混凝土管节,所述钢管节的末端与所述混凝土管节的前端连接;
S33、混凝土管节顶进:启动所述顶进装置,向前推进所述混凝土管节,从始发端顶进所述混凝土管节至接收端,直至完全置换所述钢管节,形成联络通道,回收所有所述钢管节;
S4、洞口处理及壁后注浆:分别施作始发端的后浇洞门环梁与接收端的后浇洞门环梁和进行防水处理,使联络通道与主隧道连成整体,接着,向混凝土管节外压注浆液使管节与周边土体有效固结。
8.根据权利要求7所述的施工方法,其特征在于,所述主隧道管片加固包括:采用碳纤维布对主隧道洞口范围的管片进行加强处理;
所述始发洞门制作包括:在联络通道的始发端洞口范围施作洞门墙和密封止水装置;
所述接收洞门制作包括:在联络通道的接收端洞口范围施作洞门墙和密封止水装置,并安装接收套筒。
9.根据权利要求7所述的施工方法,其特征在于,所述步骤S12、S13和S14进行水平全回转切削及掘进施工的过程中,还包括以下内容:1)环向切削后的管片和岩土体全程保留在所述机头管或所述钢管节内;2)在所述机头管和所述钢管节的内侧、外侧均预留注浆孔,通过注浆装置向所述机头管和所述钢管节的管壁内外压注润滑减阻材料,所述注浆装置设置防注浆管缠绕接头。
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