CN115125783A - 抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于道路修复技术领域，具体涉及一种抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治方法及装置，该方法包括对施工区域进行地质勘探，确定融化盘分布边界情况；利用DCP成孔，并通过锤击次数评价融化盘的严重程度；在融化盘边界及分布区域进行低放热型聚氨酯注浆孔的布设；在融化盘分布区域布置抽水孔点位；在融化盘边界的低放热型聚氨酯注浆孔处进行低放热型聚氨酯材料注浆形成封闭区；通过抽水孔进行抽水，抽融化盘水时同时在融化盘分布区域的低放热型聚氨酯注浆孔处进行低放热型聚氨酯材料注浆。本发明在融化盘边界位置处注浆防渗形成封闭区，然后在融化盘分布区域通过抽水孔将水抽出来，融化盘分布区域注低放热型聚氨酯进行填充。

Description

抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治方法及装置

技术领域

本发明属于道路修复技术领域，具体涉及一种抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治方法及装置。

背景技术

我国冻土区域面积约占国土面积的22.4％。而多年冻土具有热稳定性差，对外界温度变化十分敏感的缺点。因此，由温度变化引起的冻土路基融沉和冻胀进而使公路产生不均匀沉降乃至开裂是该地区高速公路所面临的主要工程病害，据统计青藏公路绝大部分的病害也是由此导致。尤其是对冻土区公路，当路面温度较高时，温度由面层向下传递，使冻土逐渐融解，而当路面温度逐渐降低时，同样温度由面层向下传导，使融解冻土重新冻结，但仍然会有部分区域未重新冻结，为液态水，位于重新冻结层与永冻层之间，即产生融化盘。融化盘的存在严重影响公路的性能和长期使用寿命，给国民经济和生产生活造成了巨大损失，解决温度变化对冻土路基的影响，保证冻土区道路的长期稳定具有重大的社会和经济意义。

现有冻土路基公路融沉防治方法主要有两类：主动冷却措施和被动冷却措施。主动措施以采取积极改造冻土热状况为主，主要为了提高冻土的热惰性和降低冻土的热敏感性。如碎石路基、块石路基、通风管-块石复合路基和热棒路基等复合路基结构等，虽然这些方法可以有效降低路基温度，缓解路面融沉问题，但是这类方法施工成本高，工期长，且都只能应用于新修公路。被动措施以保持地温的初始状况或减缓冻土退化为主，如遮阳棚、遮阳板和保温路基等。遮阳板针对改善路基阴阳坡问题效果较为显著，保温路基原理是通过在路基内设置一层隔热保温材料如XPS板和EPS板等，利用其高热阻性能，从而减少大气和人为热源进入冻土层。同样，其缺点是需要在修建公路时将保温材料预置在回填路基下部，无法应用到已修建完成的公路。因此，迫切需要研发一种针对已运营公路冻土路基的融沉防治技术。

高聚物注浆技术是上世纪70年代发展起来的地基快速加固技术。该技术通过向地基中注射非水反应类双组份高聚物材料，利用两种材料混合后迅速反应膨胀并固化的特性，达到加固抬升地基或填充脱空的目的。由于高聚物材料具有质量轻，反应快，耐久性好，隔热防渗性能优良等特点。目前，大量应用于道路、铁路等交通领域的防渗、加固和修复工程中。然而目前单一的注浆手段无法对融化盘进行处治，尤其是融化盘中部的存蓄水难以处理，将严重影响冻土区公路安全。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治方法及装置，施工方便、操作简单，解决了无法对已运营公路冻土路基融化盘进行处治的问题，有效防止了融化盘导致的冻土路基冻胀和融沉。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供了一种抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治方法，包含以下步骤：

对施工区域进行地质勘探，确定融化盘分布边界情况；

利用DCP成孔，并通过锤击次数评价融化盘的严重程度；

在融化盘边界及分布区域进行低放热型聚氨酯注浆孔的布设；

在融化盘分布区域布置抽水孔点位；

在融化盘边界的低放热型聚氨酯注浆孔处进行低放热型聚氨酯材料注浆形成封闭区；

通过抽水孔进行抽水，抽融化盘水时同时在融化盘分布区域的低放热型聚氨酯注浆孔处进行低放热型聚氨酯材料注浆。

进一步地，对施工区域进行地质勘探，获取融化盘厚度、道路面层到融化盘底部深度和融化盘面积。

进一步地，利用DCP成孔检测融化盘严重程度，PR为进尺10cm锤击次数；

当锤击次数PR值小于等于10时，判断为严重；

当锤击次数PR值为10～30时，判断为中等；

当锤击次数PR值大于等于30时，判断为轻微。

进一步地，所述在融化盘边界及分布区域进行低放热型聚氨酯注浆孔的布设包括：

步骤1.1，根据低放热型聚氨酯材料的扩散半径R₁计算低放热型聚氨酯注浆孔的水平间距L₁；

与注浆压力、融化盘严重程度相关的低放热型聚氨酯材料的扩散半径R₁的计算公式如下：

式中，h₁为低放热型聚氨酯注浆压力，R₀为低放热型聚氨酯注浆孔半径，λ₁为浆液粘度与水的粘度比，t为低放热型聚氨酯材料注浆时间，PR为进尺10cm锤击次数；

低放热型聚氨酯注浆孔的水平间距L₁的计算公式如下：

L₁＝2βR₁

当PR值≤10时，β取0.8；

当PR值为10～30之间时，β取1.0；

当PR值≥30时，β取1.2；

步骤1.2，根据低放热型聚氨酯材料膨胀后密度ρ₁和融化盘厚度H，确定低放热型聚氨酯的单孔注浆量M；

单孔注浆量M的计算公式如下：

M＝1.2R₁ ²Hρ₁

当PR值≤10时，膨胀后密度ρ₁取0.20g/cm³；

当PR值为10～30之间时，膨胀后密度ρ₁取0.15g/cm³；

当PR值≥30时，膨胀后密度ρ₁取0.10g/cm³。

进一步地，所述在融化盘分布区域布置抽水孔点位包括：

抽水孔影响半径R₂参考经验公式：

式中，H_W为道路面层到融化盘底部深度，H为融化盘厚度，PR为进尺10cm锤击次数；

抽水孔的水平间距L₂的计算公式如下：

L₂＝2λ₂R₂

当PR值≤10时，λ₂取1.2；

当PR值为10～30之间时，λ₂取1.0；

当PR值≥30时，λ₂取0.8；

根据抽水孔影响半径确定抽水孔数量

其中S为融化盘面积，

为大于1小于1.3的系数。

进一步地，所述在融化盘边界的低放热型聚氨酯注浆孔处进行低放热型聚氨酯材料注浆形成封闭区包括：

在融化盘边界钻出低放热型聚氨酯注浆孔，在每个注浆孔中放入一根封孔注浆管和一根输料管；

对封孔注浆管进行注浆，低放热型聚氨酯材料反应完全后会将注浆孔口封堵，使注浆孔内处于封闭状态，低放热型聚氨酯为双组分材料；

开始注浆，将低放热型聚氨酯的双组分材料输送到注射枪口，两种材料在注射枪口处混合后通过输料管输送到冻结区顶部位置处，浆液会沿融化盘边界区域进行扩散，并发生化学反应，材料由液体变为固体，体积迅速膨胀，形成封闭区，同时挤密融化盘周围土体。

进一步地，所述在融化盘分布区域的低放热型聚氨酯注浆孔处进行低放热型聚氨酯材料注浆包括：

在融化盘分布区域钻出低放热型聚氨酯注浆孔，在每个注浆孔中放入一根封孔注浆管和一根输料管；

对封孔注浆管进行注浆，低放热型聚氨酯材料反应完全后会将注浆孔口封堵，使注浆孔内处于封闭状态，低放热型聚氨酯为双组分材料；

打开注浆泵进行注浆，将低放热型聚氨酯的双组分材料输送到注射枪口，两种材料在注射枪口处混合后通过输料管输送到冻结区顶部位置处，浆液会沿融化盘分布区域进行扩散，并发生化学反应，材料由液体变为固体，体积迅速膨胀，并把融化盘处未抽干的水通过抽水孔排出。

进一步地，在融化盘边界及分布区域钻出低放热型聚氨酯注浆孔包括：

手持式钻机进行成孔，深度至路基顶面；

利用DCP进行成孔，深度达到冻结区顶部；

在注浆孔内放置两根注浆管，其中一根为封孔注浆管，封孔注浆管在注浆孔口位置，另一根为输料管，输料管延伸至冻结区顶部位置。

本发明还提供了一种抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治装置，包括：

地质勘探模块，用于对施工区域进行地质勘探，确定融化盘分布边界情况；

融化盘严重程度评价模块，用于利用DCP成孔，并通过锤击次数评价融化盘的严重程度；

低放热型聚氨酯注浆孔布设模块，用于在融化盘边界及分布区域进行低放热型聚氨酯注浆孔的布设；

抽水孔布设模块，用于在融化盘分布区域布置抽水孔点位；

封闭区形成模块，用于在融化盘边界的低放热型聚氨酯注浆孔处进行低放热型聚氨酯材料注浆形成封闭区；

抽水及低放热型聚氨酯材料注浆模块，用于通过抽水孔进行抽水，抽融化盘水时同时在融化盘分布区域的低放热型聚氨酯注浆孔处进行低放热型聚氨酯材料注浆。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治方法，首先采用在融化盘边界位置注浆防渗形成封闭区，封闭区能够阻挡融化盘外围的水流入融化盘，然后在融化盘分布区域通过抽水孔进行抽水，抽水的同时在融化盘分布区域注入低放热型聚氨酯，利用低放热型聚氨酯具有防渗和膨胀的特性填充融化盘水分抽空区，实现在既有冻土路基等复杂地质条件下防止冻土路基融化盘处产生融沉和冻胀，该方法施工方便、操作简单、经济实用，解决了无法对已运营公路冻土路基融化盘进行处治的问题。

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他的附图。

图1是本发明实施例的抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治方法的流程示意图；

图2是本发明实施例的低放热型聚氨酯注浆孔和抽水孔的平面布置示意图；

图3是本发明实施例的抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治方法中在融化盘边界或融化盘分布区域低放热型聚氨酯材料注浆示意图；

图4是本发明实施例的抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治装置的结构框图。

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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例的抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治方法，如图1所示，包含以下步骤：

步骤S11，对施工区域进行地质勘探，以查明该区域地质条件特征，确定融化盘厚度、道路面层到融化盘底部深度、融化盘面积和融化盘分布边界情况。

步骤S12，利用DCP成孔，并通过锤击次数评价融化盘的严重程度。

具体的，利用DCP成孔检测融化盘严重程度，PR为进尺10cm锤击次数。

当锤击次数PR值小于等于10时，判断为严重；

当锤击次数PR值为10～30时，判断为中等；

当锤击次数PR值大于等于30时，判断为轻微。

步骤S13，在融化盘边界及分布区域进行低放热型聚氨酯注浆孔的布设，具体包括步骤S131和步骤S132。

步骤S131，根据低放热型聚氨酯材料的扩散半径R₁计算低放热型聚氨酯注浆孔的水平间距L₁。

与注浆压力、融化盘严重程度相关的低放热型聚氨酯材料的扩散半径R₁的计算公式如下：

式中，h₁为低放热型聚氨酯注浆压力，R₀为低放热型聚氨酯注浆孔半径，λ₁为浆液粘度与水的粘度比，t为低放热型聚氨酯材料注浆时间，PR为进尺10cm锤击次数。

低放热型聚氨酯注浆孔的水平间距L₁的计算公式如下：

L₁＝2βR₁

当PR值≤10时，β取0.8；

当PR值为10～30之间时，β取1.0；

当PR值≥30时，β取1.2。

步骤S132，根据低放热型聚氨酯材料膨胀后密度ρ₁和融化盘厚度H，确定低放热型聚氨酯的单孔注浆量M。

单孔注浆量M的计算公式如下：

M＝1.2R₁ ²Hρ₁

当PR值≤10时，膨胀后密度ρ₁取0.20g/cm³；

当PR值为10～30之间时，膨胀后密度ρ₁取0.15g/cm³；

当PR值≥30时，膨胀后密度ρ₁取0.10g/cm³。

步骤S14，在融化盘分布区域布置抽水孔点位，具体包括：

抽水孔影响半径R₂参考经验公式：

式中，H_W为道路面层到融化盘底部深度，H为融化盘厚度，PR为进尺10cm锤击次数。

抽水孔的水平间距L₂的计算公式如下：

L₂＝2λ₂R₂

当PR值≤10时，λ₂取1.2；

当PR值为10～30之间时，λ₂取1.0；

当PR值≥30时，λ₂取0.8。

根据抽水孔影响半径确定抽水孔数量

其中S为融化盘面积，

为大于1小于1.3的系数。

步骤S15，在融化盘边界及分布区域钻出低放热型聚氨酯注浆孔，如图2所示，具体包括：

步骤S151，手持式钻机进行成孔，深度0.5m，至路基顶面，注浆孔的水平间距L₁参照步骤S131。

步骤S152，利用DCP进行成孔，深度达到冻结区顶部，钻孔直径5cm。

步骤S153，在注浆孔内放置两根注浆管，其中一根为封孔注浆管，长0.3m，封孔注浆管在注浆孔口位置，主要用于封堵注浆孔使孔内处于保压状态，另一根为输料管，输料管延伸至冻结区顶部位置。

步骤S16，在融化盘分布区域钻出抽水孔，抽水孔的水平间距L₂参照步骤S14，如图2所示。

步骤S17，在融化盘边界的低放热型聚氨酯注浆孔处进行低放热型聚氨酯材料注浆形成封闭区，如图3所示，具体包括：

步骤S171，低放热型聚氨酯为双组分材料；对封孔注浆管进行注浆，低放热型聚氨酯材料反应完全后会将注浆孔口封堵，使注浆孔内处于封闭状态。

步骤S172，开始注浆，注浆量参照步骤S132，将低放热型聚氨酯的双组分材料输送到注射枪口，两种材料在注射枪口处经过雾化混合后通过输料管输送到冻结区顶部位置处，浆液会沿融化盘边界区域进行扩散，并发生化学反应，材料由液体变为固体，体积迅速膨胀，形成封闭区，同时可以挤密融化盘周围土体，增强土体的密实程度和强度。

步骤S18，通过抽水孔进行抽水，抽融化盘水时同时在融化盘分布区域的低放热型聚氨酯注浆孔处进行低放热型聚氨酯材料注浆，如图3所示，具体包括：

步骤S181，利用小型抽水泵通过抽水孔进行抽水，同时对封孔注浆管进行注浆，低放热型聚氨酯材料反应完全后会将注浆孔口封堵，使注浆孔内处于封闭状态。

步骤S182，打开注浆泵进行注浆，注浆量参照步骤S132，将低放热型聚氨酯的双组分材料输送到注射枪口，两种材料在注射枪口处经过雾化混合后通过输料管输送到冻结区顶部位置处，浆液会沿融化盘分布区域进行扩散，并发生化学反应，材料由液体变为固体，体积迅速膨胀，填充融化盘水分抽空区，并把融化盘处未抽干的水通过抽水孔排出。

步骤S19，对低放热型聚氨酯注浆孔和抽水孔进行注浆填充封闭。

与上述抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治方法相应地，本实施例还提出一种抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治装置，如图4所示，包括：

地质勘探模块41，用于对施工区域进行地质勘探，确定融化盘分布边界情况；

融化盘严重程度评价模块42，用于利用DCP成孔，并通过锤击次数评价融化盘的严重程度；

低放热型聚氨酯注浆孔布设模块43，用于在融化盘边界及分布区域进行低放热型聚氨酯注浆孔的布设；

抽水孔布设模块44，用于在融化盘分布区域布置抽水孔点位；

封闭区形成模块45，用于在融化盘边界的低放热型聚氨酯注浆孔处进行低放热型聚氨酯材料注浆形成封闭区；

抽水及低放热型聚氨酯材料注浆模块46，用于通过抽水孔进行抽水，抽融化盘水时同时在融化盘分布区域的低放热型聚氨酯注浆孔处进行低放热型聚氨酯材料注浆。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治方法，其特征在于，包含以下步骤：

对施工区域进行地质勘探，确定融化盘分布边界情况；

利用DCP成孔，并通过锤击次数评价融化盘的严重程度；

在融化盘边界及分布区域进行低放热型聚氨酯注浆孔的布设；

在融化盘分布区域布置抽水孔点位；

在融化盘边界的低放热型聚氨酯注浆孔处进行低放热型聚氨酯材料注浆形成封闭区；

通过抽水孔进行抽水，抽融化盘水时同时在融化盘分布区域的低放热型聚氨酯注浆孔处进行低放热型聚氨酯材料注浆。

2.根据权利要求1所述的抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治方法，其特征在于，对施工区域进行地质勘探，获取融化盘厚度、道路面层到融化盘底部深度和融化盘面积。

3.根据权利要求2所述的抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治方法，其特征在于，利用DCP成孔检测融化盘严重程度，PR为进尺10cm锤击次数；

当锤击次数PR值小于等于10时，判断为严重；

当锤击次数PR值为10～30时，判断为中等；

当锤击次数PR值大于等于30时，判断为轻微。

4.根据权利要求3所述的抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治方法，其特征在于，所述在融化盘边界及分布区域进行低放热型聚氨酯注浆孔的布设包括：

步骤1.1，根据低放热型聚氨酯材料的扩散半径R₁计算低放热型聚氨酯注浆孔的水平间距L₁；

与注浆压力、融化盘严重程度相关的低放热型聚氨酯材料的扩散半径R₁的计算公式如下：

式中，h₁为低放热型聚氨酯注浆压力，R₀为低放热型聚氨酯注浆孔半径，λ₁为浆液粘度与水的粘度比，t为低放热型聚氨酯材料注浆时间，PR为进尺10cm锤击次数；

低放热型聚氨酯注浆孔的水平间距L₁的计算公式如下：

L₁＝2βR₁

当PR值≤10时，β取0.8；

当PR值为10～30之间时，β取1.0；

当PR值≥30时，β取1.2；

步骤1.2，根据低放热型聚氨酯材料膨胀后密度ρ₁和融化盘厚度H，确定低放热型聚氨酯的单孔注浆量M；

单孔注浆量M的计算公式如下：

M＝1.2R₁ ²Hρ₁

当PR值≤10时，膨胀后密度ρ₁取0.20g/cm³；

当PR值为10～30之间时，膨胀后密度ρ₁取0.15g/cm³；

当PR值≥30时，膨胀后密度ρ₁取0.10g/cm³。

5.根据权利要求3所述的抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治方法，其特征在于，所述在融化盘分布区域布置抽水孔点位包括：

抽水孔影响半径R₂参考经验公式：

式中，H_W为道路面层到融化盘底部深度，H为融化盘厚度，PR为进尺10cm锤击次数；

抽水孔的水平间距L₂的计算公式如下：

L₂＝2λ₂R₂

当PR值≤10时，λ₂取1.2；

当PR值为10～30之间时，λ₂取1.0；

当PR值≥30时，λ₂取0.8；

根据抽水孔影响半径确定抽水孔数量

其中S为融化盘面积，

为大于1小于1.3的系数。

6.根据权利要求1所述的抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治方法，其特征在于，所述在融化盘边界的低放热型聚氨酯注浆孔处进行低放热型聚氨酯材料注浆形成封闭区包括：

在融化盘边界钻出低放热型聚氨酯注浆孔，在每个注浆孔中放入一根封孔注浆管和一根输料管；

对封孔注浆管进行注浆，低放热型聚氨酯材料反应完全后会将注浆孔口封堵，使注浆孔内处于封闭状态，低放热型聚氨酯为双组分材料；

开始注浆，将低放热型聚氨酯的双组分材料输送到注射枪口，两种材料在注射枪口处混合后通过输料管输送到冻结区顶部位置处，浆液会沿融化盘边界区域进行扩散，并发生化学反应，材料由液体变为固体，体积迅速膨胀，形成封闭区，同时挤密融化盘周围土体。

7.根据权利要求6所述的抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治方法，其特征在于，所述在融化盘分布区域的低放热型聚氨酯注浆孔处进行低放热型聚氨酯材料注浆包括：

在融化盘分布区域钻出低放热型聚氨酯注浆孔，在每个注浆孔中放入一根封孔注浆管和一根输料管；

对封孔注浆管进行注浆，低放热型聚氨酯材料反应完全后会将注浆孔口封堵，使注浆孔内处于封闭状态，低放热型聚氨酯为双组分材料；

打开注浆泵进行注浆，将低放热型聚氨酯的双组分材料输送到注射枪口，两种材料在注射枪口处混合后通过输料管输送到冻结区顶部位置处，浆液会沿融化盘分布区域进行扩散，并发生化学反应，材料由液体变为固体，体积迅速膨胀，并把融化盘处未抽干的水通过抽水孔排出。

8.根据权利要求7所述的抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治方法，其特征在于，在融化盘边界及分布区域钻出低放热型聚氨酯注浆孔包括：

手持式钻机进行成孔，深度至路基顶面；

利用DCP进行成孔，深度达到冻结区顶部；

在注浆孔内放置两根注浆管，其中一根为封孔注浆管，封孔注浆管在注浆孔口位置，另一根为输料管，输料管延伸至冻结区顶部位置。

9.一种抽水式冻土公路路基融化盘冻胀融沉注浆防治装置，其特征在于，包括：

地质勘探模块，用于对施工区域进行地质勘探，确定融化盘分布边界情况；

融化盘严重程度评价模块，用于利用DCP成孔，并通过锤击次数评价融化盘的严重程度；

低放热型聚氨酯注浆孔布设模块，用于在融化盘边界及分布区域进行低放热型聚氨酯注浆孔的布设；

抽水孔布设模块，用于在融化盘分布区域布置抽水孔点位；

封闭区形成模块，用于在融化盘边界的低放热型聚氨酯注浆孔处进行低放热型聚氨酯材料注浆形成封闭区；

抽水及低放热型聚氨酯材料注浆模块，用于通过抽水孔进行抽水，抽融化盘水时同时在融化盘分布区域的低放热型聚氨酯注浆孔处进行低放热型聚氨酯材料注浆。

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