CN1531622A - 土壤挖掘工具、转体、连接装置及地基改良方法 - Google Patents
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Abstract
一种土壤改良方法，通过旋转具有引导管、轴体和安装在轴体的周围的螺旋状叶片的、上述轴体的安装螺旋状叶片的部分做成沿轴向中央部粗两端部细的、在上述螺旋状叶片的上面和下面设置爪的土壤挖掘工具，并且在从引导管喷出压缩空气的同时挖掘土壤，达到规定的深度之后逆转土壤挖掘工具，在搅拌土壤的同时从螺旋状叶片根部注入水泥浆，使土壤和水泥浆混合，在土壤中造成改良体，使在地上不产生含有水泥浆的排泥，不引起环境问题地实现软弱地基的改良工程。
Description
技术领域
本发明的土壤挖掘工具、转体、连接装置及地基改良方法涉及软弱地基的改良和污染土地的净化。
背景技术
作为原有的软弱地基的改良方法，有用超高压喷射注入材料并进行搅拌的方法和使用大型机械进行机械地喷射和搅拌的方法。
在原有的地基改良方法中，由超高压喷射进行喷射搅拌的方法和由大型机械进行螺旋钻搅拌的方法是主体，在超高压喷射方法中，在施工搅拌桩的情况下，由于是在水泥浆上加上20Mpa至40MPa的高压之后用从喷嘴的顶端喷射的压力作桩的方法，所以具有排泥多的缺点，而由大型机械进行机械式搅拌的方法，存在由于机械非常大使施工场所受制约等问题。
在超高压喷射搅拌方法中，由比较小型的机械进行工作是可能的，但是产生大量的排泥，对于环境不利，如果对该排泥进行处理，又有增加高额费用的问题。
另一方面，在由大型机械进行机械式的搅拌的方法中，施工机械是大型的，存在可以施工的场所受限制的问题，由于需要搬运和设置施工用的大型机械设备，必需构建大的场地，也存在费用高的问题。
再有，作为产业活动的结果，有害物质泄漏到大地中，土壤受污染在近年来也成了问题，抑制有害物质的排出是重要的，一旦排出来之后没有有效的解决手段。即使散布分解和中和有害物质的药剂，其效果也只限于表面的土壤，处理到地中深处是困难的，假如用机械的方式挖掘出来，要花费很多的费用才能把地中有害物质挖到地面上来。
为了强化软弱地基，超高压喷射搅拌方法是强有力的方法，由产生的排泥而引起的环境问题或者产生的处理费用问题已经叙述过了。作为解决上述问题的有利技术，在日本特开2001-159130号公开特许公报的“机械搅拌空气—水泥浆混合压送方法及装置”中记载了如下技术：用压气机压送空气，一边从切削钻头的顶端部喷出空气一边用切削钻头掘进地基，钻孔完了后用泥浆泵压送水泥浆并搅拌挖掘的土壤和水泥浆，造成地桩。根据该技术，由于完全搅拌切削下来的土壤和水泥并形成地桩。所以，不把排泥排出到地面上，不引起环境问题，而且可以廉价方便地实施土壤强化工程。本发明是与日本特开2001-159130号公开特许公报中记载的发明相关联的发明，提供发展了该发明的土壤挖掘工具、转体、连接装置及地基改良方法，其目的在于解决伴随原有的方法产生的排泥所引起的环境问题及由大规模的设备引起的大的费用问题。
发明内容
本发明的土壤挖掘工具是具有引导管、轴体和安装在轴体的周围的螺旋状叶片的土壤挖掘工具，在上述轴体上安装螺旋状叶片的部分做成中央部粗两端部细的形状。在上述螺旋状叶片的上面和下面设置爪，可以更有效地进行土壤的搅拌。另外，把上述爪做成板状，设置在与以轴体为中心的圆周相切的方向上，可以顺利地进行搅拌，再有，上述爪做成长方形板状，螺旋状叶片的上面的爪，向下行进时的旋转时的行进方向侧的角被切下，螺旋状叶片的下面的爪，向上行进时的旋转时的行进方向侧的角被切下，由爪可以更顺利地进行土壤的搅拌和螺旋状叶片的进退。
本发明的转体是旋转自由地支持土壤挖掘工具的部件，在非旋转部上设置空气导入口和注入材料导入口，相对于非旋转部旋转自由地设置旋转轴，前期旋转轴是由内管和外管构成的二重管，内管内部的中空部与空气导入口或注入材料导入口的任意一方可通过流体地连接，内管和外管之间的空间与空气导入口或注入材料导入口的另一方可通过流体地连接。
为了达到上述的目的，本发明的连接装置，是建设机械的旋转轴的连接装置，作为二重管的上述旋转轴的各内管之间和各内管与外管之间的空间之间具有流体可通过地连接的通路，而且设置了防止旋转轴之间的相对旋转的旋转防止机构。
而且，本发明的建设机械，把上述的土壤挖掘工具与上述的转体及连接装置一起安装在作业台车上，通过连接装置使土壤挖掘工具旋转。
另外，本发明的地基改良方法，其特征在于，使土壤挖掘工具旋转，同时在由引导管喷出压缩空气的同时挖掘土壤，在达到规定的深度之后使土壤挖掘工具逆转，在搅拌土壤的同时从螺旋状叶片根部注入水泥浆，使土壤与水泥浆混合，在土壤中造成改良体，上述土壤挖掘工具具有引导管、轴体和设置在轴体的周围的螺旋状叶片，上述轴体上安装螺旋状叶片的部分做成沿轴向中央部粗两端部细的形状，上述螺旋状叶片的环做成从顶端向中央部直径扩大，再向上直径又变小的形状。在上述螺旋状叶片的上面和下面设置用于搅拌土壤的多个爪。
作为注入材料使用净化土壤中的污染物质的药剂代替水泥浆，可以实现土壤净化方法。
附图说明
图1是本发明的土壤挖掘工具的立体图。
图2是本发明的土壤挖掘工具的正视图。
图3是本发明的土壤挖掘工具的俯视图。
图4是土壤挖掘工具的爪的立体图。
图5是本发明的转体的剖面图。
图6是表示转体中的注入材料和空气的流向的剖面图。
图7是表示转体中的注入材料和空气的流向的剖面图。
图8是表示连接装置的详细构造的剖面图。
图9是表示本发明的建设机械的正视图。
图10是表示螺旋状叶片上的爪的配置例的展开图。
图11是表示螺旋状叶片上的爪的另一个配置例的展开图。
具体实施方式
为了更详细地表示本发明，根据附图对其进行说明。图1是表示本发明的土壤挖掘工具的一例的立体图，图2是其正视图，图3是其俯视图。本发明的土壤挖掘工具1是在轴体的周围具有螺旋状叶片的挖掘工具。顶端上具有引导管2并设置了切削刀片3。在由切削刀片3切削地基的同时，引导管2进入地中。连接引导管2地设置轴体4，在其周围设置螺旋状叶片5。轴体4为中空的，但如图2所示，设置螺旋状叶片5的部分做成沿轴向中央部粗而两端部细的形状。在此，如图2所示，成为在圆柱的两侧连接圆锥的形状，从两端部向中央部直径变大。而且，即使从包含螺旋状叶片5的整体形状来看，作为整体也是从两端部向中央部直径变大。为了不产生排泥，螺旋状叶片5的最大直径最好是400mm以上，为了使设备规模不太大最好是2000mm以下。在本实施例中，螺旋状叶片5的最大直径是1000mm。另外轴体4的长度为大约800mm，中央部分的大约160mm为固定的粗度。在上下大约320mm的范围内，轴径从大约140mm到大约400mm以一定比例变化，其锥角是22°左右。如后述那样，轴体4的锥角在螺旋状叶片5在地中行进时具有顺利地向后方送土的有用的功能，为了充分发挥这样的功能，最好做成22°左右。螺旋状叶片5的节距是向轴向每前进160mm转一周，沿轴体4的长度转5周。在轴体4为锥状的范围内，螺旋状叶片5的外径向中央部以一定比例变大。另一方面，轴体4的粗度在一定的范围内，螺旋状叶片5的外径也成为一定。在本实施例中，螺旋状叶片5在外径为最大的状态下转了完整的一周，如果从底视图看，由于形成完全的圆形，在掘进时轴不偏向地笔直前进。
轴体4为中空的，在内部设置内管，内管与注入材料喷射喷嘴7(注入材料排出口)连接。注入材料喷射喷嘴7在轴体4的直径最大的位置上并面向外面。在本实施例中，注入材料喷射喷嘴7设置2根，也可以设置3根以上。另外，除了与轴体4完全垂直地放置以外，也可以作某中程度的倾斜。轴体和内管之间的间隙为压缩空气的通路，可以从引导管2的顶端喷出压缩空气。
在螺旋状叶片5的上下面上分别安装多个长方形的板状的爪6。爪6设置在与以轴体4为中心的圆周相切的方向上，即爪6的板厚方向为半径方向，由于安装在该方向上，所以难以引起排泥的发生。爪6的长方形的形状中的一个角被倒角。该倒角可以用直线把角切下来，也可以弄圆。该被倒角的角向着螺旋状叶片5的旋转方向。在本实施例中，掘进时向图3中的反时针方向旋转，设置在螺旋状叶片5的上面的爪6b将倒角向着朝向该旋转方向一侧进行安装。相反，当上拉土壤挖掘工具1时，向顺时针方向旋转，设置在螺旋状叶片5的下面的爪6a将倒角向着朝向该顺时针方向一侧进行安装。由于做成这样的方向，掘进时设置在螺旋状叶片5的下面的爪6a在锋利地吃进土壤的同时，有效地搅拌土壤，另外，设置在上面的爪6b会把被切削和搅拌的土壤顺利地送向后方，即使混有拳头大小的石头也难以啮入。相反，上拉时，设置在螺旋状叶片5上面的爪6b有效地切削和搅拌土壤，设置在下面的爪6a顺利地向后方送土壤。
图10表示螺旋状叶片5上的爪6的配置例。在本实施例中，螺旋状叶片5的最大直径是1000mm，爪6的长度是60mm，高度是50mm，厚度是9mm，倒角是C10。爪如图10所示，根据以轴为中心的旋转角按一定的顺序设置。在螺旋状叶片5的外周附近，把一周分六分，即每60°安装一个爪，在相同角度的位置上，在轴体附近也安装一个爪。而且，在外周附近，从有爪的角度开始，在每12分之1周，即30°的角度上也安装一个爪，该爪的半径方向的位置在先前2个爪的中间附近。即，一个爪和两个爪每隔30°交替地配置成锯齿形。再有，在螺旋状叶片5的上端和下端的附近的宽度狭窄的部分上，也可以连续的配置一个爪，即使在这种情况下，半径方向的位置最好能交替地变化。螺旋状叶片5的上面和下面都是同样的配置。因此，在螺旋状叶片5的下端附近由配置在外围附近的爪6和设置在引导管部上的切削刀片3形成大致圆锥状的形状，能像钻头那样有效地切削土壤，而且由配置成锯齿型的爪能有效地搅拌土壤。图11表示在最大直径1500mm的螺旋状叶片5上的爪6的配置例。这种情况也按与1000mm直径的情况大致相同的顺序进行配置，在螺旋状叶片5的外周附近和轴体附近，在安装爪的角度中，在该2个爪之间也配置1个爪。而且在偏移30°的角度上，在该3个爪之间也锯齿状地配置2个爪。
下面，用图5表示本发明的转体的一例。转体9的上部是非旋转部10，不进行旋转。在非旋转部10上，注入材料导入口11和空气导入口12设置在侧面上。相对于非旋转部10通过轴承13旋转自由地安装旋转轴14。旋转轴14为由内管15和外管16构成的二重管构造。内管15是中空的，该中空部构成注入材料通路17。注入材料通路17可以通过从注入材料导入口11导入的注入材料。在内管15和外管16之间设置间隙，该间隙构成空气通路18。空气通路18可以通过从空气导入口12导入的空气。
图7和图8表示本发明的连接装置的一例。连接装置由雄联结器19和雌联结器20组合而成。中间杆22是连接上述转体9和土壤挖掘工具1的构件，在该中间杆的一端上焊接雄联结器19，在另一端上焊接雌联结器20。因此，通过雄联结器19和雌联结器20的组合，2根中间杆被联结起来。在此，雄联结器19的内壁的一部分和雌联结器20的外壁的一部分，剖面为四边形状，该四边形面作为结合面相互接触。即，该结合面把雄联结器19和雌联结器20结合成相互不旋转，起旋转防止机构的作用。另外，雄联结器19和雌联结器20由4根螺栓固定，使之不产生轴向偏差。
雌联结器20及中间杆22与转体的旋转轴14一样为由内管和外管构成的二重管构造。在转体9和土壤挖掘工具1的端部上也设置同样构造的雄联结器或雌联结器，可以与中间杆22连接。再有，在本实施例中，设置在转体9的下部的雄联结器19a与设置在中间杆22上的雄联结器19b在形状上有些不同，但卡合部分是共通的，中间杆22的雌联结器可以照原样连接。为了抵制排泥的发生，中间杆22的直径最好在60～250mm的范围内。在本实施例中为大约140mm。中间杆22的长度，在考虑作业的效率和施工时设备的高度后决定，若备有6m、4m、2m等多种长度，就成为可以适应各种施工条件的适用性高的系统。
图9表示本发明的建设机械的一例。作业台车23备有履带24并可自动行走，在工地现场可以容易地移动装置的全体。在作业台车23上通过可上下移动的臂25安装导柱26。导柱26是可上下移动地安装卡盘27的导轨式的安装装置。如果在施工现场移动作业台车23，可以调整臂25的角度垂直地立起导柱26，使最上段的中间杆通过卡盘27，用卡盘27夹住中间杆。最上段的中间杆的上端连接转体9，最下段的中间杆的下端连接土壤挖掘工具1。卡盘27由液压驱动，可以在正反两个方向旋转中间杆22。即，中间杆22起到把卡盘27的旋转传递到顶端的土壤挖掘工具1上的驱动轴的作用。注入材料管28和空气管29被连接到转体9上，各管分别连接到未图示的属于机械设备的泥浆泵和压气机上。转体9、中间杆22和土壤挖掘工具1分别是二重管构造，由上述连接机构连接到空气和注入材料的通路上。
当由土壤挖掘工具1掘进时，用压气机把空气送出并从土壤挖掘工具1的顶端喷出，与此同时，土壤挖掘工具1的螺旋状叶片进行旋转使其向下行进。掘进到一定程度，接长中间杆22，能进行更深的掘进。由于螺旋状叶片的上面的爪6a切割行进方向侧，所以，即使是混有石头的土壤，也能把沙土顺利地送往后方。为了把切削下来的沙土顺利地送往后方，螺旋状叶片从顶端向中央部直径逐渐扩大，向上部直径又变小。在此，螺旋状叶片大，对强力推压沙土有利，但是螺旋状叶片在地中受到抵抗，特别是在中央部的螺旋的直径大的部分上抵抗变大。当轴体的粗度一定时，中央部的叶片成为非常凸出的形状，受到较大的力，与此同时，叶片容易破损。另外，加到轴体上的力也变大，轴体容易破损。在本发明的土壤挖掘工具1上，上述轴体4上的安装叶片5的部分沿轴向中央部粗两端部变细。为此，即使在中央部，螺旋状叶片和轴体也很坚固，由于边掘进边向后方送砂土，所以在施工中土壤挖掘工具1在地里很难破损，即使是比较硬的地基或黏土质的地方也可以施工。
如果掘进到了最终深度，使卡盘27的旋转方向逆转，旋转螺旋状叶片使其向上旋转行进，同时上拉土壤挖掘工具1。这时，由注入管28导入注入材料，由土壤挖掘工具1的注入材料排出口把注入材料注入地中。上拉时螺旋状叶片的上面的爪搅拌砂土。由于螺旋状叶片的下面的爪在反旋转时切割行进方向侧，所以同样能顺利地向后方送砂土。而且，在本发明的建设机械和工作方法中，砂土的机械搅拌和由注入材料的喷出引起的砂土的搅拌同时进行，切削下来的砂土和注入材料充分地混合后，切削下来的砂土不作为排泥排出到地面上。上拉时，与掘进时相反，中间杆边顺序取出边进行作业。当上拉到规定的高度时停止注入材料的注入，上拉土壤挖掘工具1。这样做之后，当一个孔的施工完了时，把作业台车23移动到下一个位置上，反复进行同样的施工。
在施工中，由于掘进时接长中间杆22，上拉时取下中间杆22，所以露出到地面上的部分通常被抑制到很低的程度，由于不需要扩大防倒的支持体，所以在施工容易的同时，可以在狭小的场所或地基较弱的地方施工。上述的连接装置使中间杆的装卸变得容易，空气和注入材料的供给也能顺利地进行。另外，在本发明中，因为无论在掘进时，还是在上拉时都要积极地进行机械搅拌，所以无论向正反哪个方向旋转时，都需要不能松脱中间杆22的连接，由于在连接装置上设置了旋转防止机构，所以，连接处不会因松脱而脱落。
下面说明把本发明用于地基改良工程的例子。作为注入材料使用高浓度的水泥浆。在本方法中使用的水泥浆，为了使改良体的强度足够高，最好使水泥的比例比原有的方法(例如对于1m3的搅拌后的注入材料，水泥量为760Kg左右)大。在此，由于当水泥量大时注入材料的比重变大且泵的压送性变差，所以最好配合以芳香族砜和特殊变性木质素为主要成分的减水剂。由于该减水剂的配合，水泥浆变得容易流动且易于由泵输送，同时改良体的强度增加。在本实施例中，作为减水剂使用以芳香族砜和特殊变性木质素为主要成分的商品名为山夫罗(サンフロ)-SW-2000S(日本制纸株式会社)，相对于搅拌后的1m3的注入材料，配合水泥1000Kg和山夫罗(サンフロ)-SW-2000S 5Kg，得到1Mpa的改良体的压缩强度(设计基准强度)。有用机械设备把与空气混合的水泥浆在0.6～2.5Mpa的低压下喷出的方法和在18.0～29.0Mpa的超高压下喷出水泥浆的方法。在后者的超高压喷出搅拌的情况下，空气和水泥浆不混合地分别输送，空气在掘进时由引导管顶端向下方喷出，水泥浆在上拉时由螺旋状叶片的横向注入材料排出口7向横向喷出。无论在哪一种方法中，由于切削下来的砂土与水泥浆混合，构成作为改良体的地桩，所以不被作为排泥排出到地面上。上拉时，由于螺旋状叶片向图3中的顺时针方向旋转，从上面导入砂土，同时由叶片把搅拌和混合的砂土和水泥向下强力推压，所以可以形成牢固的地桩，并强力地抑制排泥的发生。为此，不会因排泥引起环境问题，另外，由于也不产生用于排泥处理的高额的费用，所以成为对地球环境无害的，施工性、经济性和安全性出色的方法。
再有，在超高压喷出搅拌的情况下，由于向横向高压喷射水泥浆，所以可以造成比螺旋状叶片的直径更大范围的改良体，可以实现工期的缩短和经济性的提高，同时，紧密施工或改良体的相互的施工成为可能且能谋求工程整体的一体化。例如，在使用直径1m的螺旋状叶片并进行超高压喷射搅拌的情况下，可以造成直径1.6～1.8mm的改良体，而且在这样的范围内，改良体的强度很高。在使用直径1.5m螺旋状叶片的情况下，可以造成直径2.6m左右范围的改良体。在本实施例中，使用直径1m的螺旋状叶片，螺旋状叶片的旋转速度为每秒0.467转，注入材料的喷出压力为18～22MPa，空气排出量为1.5～3.0m3/min，空气排出压力为0.6～0.7MPa。必须注意单位时间的注入量，有时当进行过度的注入时，不能发挥出所谓不发生排泥的本发明的效果。最好在预先掌握不发生排泥的极限的单位时间的注入量之后，以极限注入量的70％左右进行注入，就能可靠地防止排泥。在本实施例中，注入量为70升/分。对于C＜0.01N/mm2(＝MPa)的粘性土，上拉速度(以下，用上拉1米所需的时间表示)用3.0min/m；对于0.01N/mm2≤C≤0.03N/mm2(5≤N≤10)的土质，上拉速度用5.0min/m；对于10≤N≤15的砂质土，上拉速度用6.0min/m。另外，作为泥浆泵，使用70～150升/min能力的泵，用140升/min左右的注入量可以对应使用的直径为1.5m的螺旋状叶片。
另一方面，在低压喷出的情况下，注入材料喷射喷嘴7的内径做成8～12mm，螺旋状叶片的旋转速度为每秒0.467转，注入材料排出压力为0.6～2.5MPa，注入速度为50升/min。
接下来，对把本发明用于土壤净化工程的例子进行说明。在本实施例中，作为注入材料，使用分解和中和土壤中的污染物质的药剂。在掘进到取出污染所必需的深度之后，逆转土壤挖掘工具1，在上拉的同时把药剂注入土壤中。边用螺旋状叶片6机械地搅拌砂土边注入药剂的方法是有效的。即使是行进到污染深的地方的情况下，只要是土壤挖掘工具1到达的范围就能去除污染。再有，由于在本实施例中不发生排泥，所以，被污染的砂土不出现在地表上，可以安全地进行施工。与实施例1一样，如果进行超高压喷出搅拌，就可以用少量的作业，在广泛的范围内进行施工。
根据本发明，可以不出现排泥地挖掘及搅拌砂土，可以保护施工现场的周边环境。在地里顺利且有效地搅拌砂土，并且在地里难以被破损。无论在地基改良中还是在污染土壤的净化中，可以不需要大型的设备，可以用短的工期和少量的费用进行有效的施工。
Claims (8)
1.一种土壤挖掘工具，具有引导管、轴体和设置在该轴体的周围的螺旋状叶片，其特征在于，上述轴体上安装螺旋状叶片的部分做成沿轴向中央部粗两端部细的形状。
2.如权利要求1所述的土壤挖掘工具，其特征在于，在上述螺旋状叶片的上面和下面上设置爪。
3.如权利要求2所述的土壤挖掘工具，其特征在于，上述的爪是板状的，设置在与以轴体为中心的圆周相切的方向上。
4.如权利要求3所述的土壤挖掘工具，其特征在于，上述爪是长方形板状，螺旋状叶片的上面的爪被切下螺旋状叶片向下行进时的旋转时的行进方向侧的角，螺旋状叶片的下面的爪被切下螺旋状叶片向上行进时的旋转时的行进方向侧的角。
5.一种转体，用于自由旋转地支承土壤挖掘工具，其特征在于，在非旋转部上设置空气导入口和注入剂导入口，并且设置相对非旋转部自由旋转的旋转轴，上述旋转轴为由内管和外管构成的二重管，内管内部的中空部可通过流体地与空气导入口或注入剂导入口的任一方连接，内管和外管间的空间可通过流体地与空气导入口或注入剂导入口的另一方连接。
6.一种连接装置，为土木机械的旋转轴的连接装置，其特征在于，具有可通过流体地连接作为二重管的上述旋转轴的各内管和内管与外管之间的各空间的通路，而且设置了防止连接的旋转轴之间相对旋转的旋转防止机构。
7.一种土木建筑机械，其特征在于，该机械由作业台车、转体、土壤挖掘工具、中间轴和连接装置构成，其中，上述转体设置非旋转部和相对于非旋转部自由旋转的旋转轴，非旋转部设置空气导入口和注入剂导入口，上述旋转轴是由内管和外管构成的二重管，内管内部的中空部可通过流体地与空气导入口或注入剂导入口的任一方连接，内管和外管之间的空间可通过流体地与空气导入口或注入剂导入口的另一方连接；上述土壤挖掘工具是具有引导管、轴体和安装在轴体的周围的螺旋状叶片的土壤挖掘工具，上述轴体上安装螺旋状叶片的部分做成沿轴向中央部粗两端部细的形状，在引导管上具有空气排出口，在螺旋状叶片上具有注入剂排出口；上述中间轴是由与上述转体和土壤挖掘工具连接的内管和外管构成的二重管；上述连接装置，具有可通过流体地连接作为二重管的旋转轴的各内管和内管与外管之间的各空间的通路，而且设置了防止旋转轴之间相对旋转的旋转防止机构。
8.一种土壤改良方法，其特征在于，使土壤挖掘工具旋转，同时在由引导管喷出压缩空气的同时挖掘土壤，在达到规定的深度之后使土壤挖掘工具逆转，在搅拌土壤的同时从螺旋状叶片部注入水泥浆，使土壤与水泥浆混合，在土壤中造成改良体；其中，上述土壤挖掘工具具有引导管、轴体和设置在轴体的周围的螺旋状叶片，上述轴体上安装螺旋状叶片的部分做成沿轴向中央部粗而两端部细的形状，在上述螺旋状叶片的上面和下面设置爪。
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