JP6421017B2 - トンネル掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、薬液注入装置による前方地山の地盤改良可能なトンネル掘削機に関する。

トンネル掘削機は、円筒形状を成す掘削機本体（スキンプレート）の前方部に円盤形状を成すカッタヘッドがカッタ駆動装置により駆動回転可能に支持されると共に、掘削機本体の後方部に当該掘削機本体を前進させる複数の推進ジャッキと既設トンネルの内壁面（地山の周壁）にセグメントを組み付けるエレクタ装置とが装着されて成る。

トンネルを形成する際に軟弱地盤が確認された場合には、一般に、地上から薬液（固結材）を注入することによって、当該箇所の地盤改良がなされる。しかし、形成するトンネルの深度が深い場合や地上に構築物がある場合などには、地上からの薬液注入を行うことができないため、当該軟弱地盤が確認された箇所の手前まで掘進させたトンネル掘削機の内部から、前方の地山に薬液を注入することが要求される。

特開平１１−１０７６８２号公報

このようにトンネル掘削機の内部から前方の地山全域に薬液注入装置を打ち込むためには、薬液注入装置を挿通させる挿通穴をバルクヘッドに多数形成しなければならないので、バルクヘッドの強度が極度に低下する虞がある。

このようなバルクヘッドの強度低下を回避し、トンネル掘削機の内部から前方の地山全域に薬液注入装置を打ち込むことができるトンネル掘削機としては、例えば、特許文献１に記載のものがある。特許文献１においては、センタシャフト（中央支持）タイプのシールド掘削機において、カッタフレームを支持するセンタシャフトを軸部と円筒部とフランジ部とによって構成し、このフランジ部に設けた薬液注入用の孔から薬液注入装置によるカッタフレーム前面の地山への薬液注入が行うことができるようにしている。

しかし、特許文献１に記載された技術は、センターシャフトタイプのトンネル掘削機に限られたものであり、中央支持タイプを適用することのできない大口径のトンネル掘削機には、採用することができないものである。

また、特許文献１に記載のシールド掘削機においては、バルクヘッドに沿うような形状のフランジ部がカッタフレームと共に回転駆動するため、チャンバ内に取り込まれた掘削土砂が撹拌され難い状態にある。よって、チャンバ内に取り込まれた掘削土砂が、フランジ部に固着するなどして、掘削土砂の排出性が低下する虞がある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、薬液注入装置による前方地山への薬液注入が可能なトンネル掘削機において、カッタヘッドの支持タイプに因らず、バルクヘッドの強度の低下を抑えて前方地山への薬液注入を容易にすることができるようにすることを目的とする。

上記課題を解決する第一の発明に係るトンネル掘削機は、略円筒形状の掘削機本体と、前記掘削機本体の前方部に装着されるカッタヘッドと、前記掘削機本体における前記カッタヘッドの後方側に設けられるバルクヘッドと、前記バルクヘッドに形成される略円環形状のリング穴と、前記リング穴に回転自在に設けられるバルクヘッドリングと、前記バルクヘッドリングを前記カッタヘッドと独立して回転させる回転手段と、前記バルクヘッドリングに形成され、前記カッタヘッドと前記バルクヘッドとの間に画成されるチャンバに連通し、各種機材を含む所定の装置を挿通可能な連通穴とを備えたことを特徴とする。
上記課題を解決する第二の発明に係るトンネル掘削機は、第一の発明に係るトンネル掘削機において、前記連通穴に着脱可能に設けられる蓋部材を備えたことを特徴とする。
上記課題を解決する第三の発明に係るトンネル掘削機は、第一または第二の発明に係るトンネル掘削機において、前記連通穴は、径方向に長い形状であり、前記所定の装置は、径方向に対する角度を変えて前記連通穴に挿通可能なものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第四の発明に係るトンネル掘削機は、第一から第三のいずれか一つの発明に係るトンネル掘削機において、前記回転手段が、一方向に伸縮可能な伸縮部材を備え、前記伸縮部材の伸縮動作によって前記バルクヘッドリングを回転させるものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第五の発明に係るトンネル掘削機は、第四の発明に係るトンネル掘削機において、前記回転手段が、前記伸縮部材の伸長動作によって前記バルクヘッドリングを一方向に回転させ、前記伸縮部材の収縮動作によって前記バルクヘッドリングを逆方向に回転させるものであることを特徴とする。
上記課題を解決する第六の発明に係るトンネル掘削機は、第四または第五の発明に係るトンネル掘削機において、前記伸縮部材は、前記バルクヘッドの後方に揺動可能に取り付けられるものであり、前記バルクヘッドリングは、後方へ突出して前記伸縮部材と着脱可能に連結される旋回棒を有することを特徴とする。

上記課題を解決する第七の発明に係るトンネル掘削機は、第一から第六のいずれか一つの発明に係るトンネル掘削機において、前記所定の装置として、前記カッタヘッドの前方側に薬液を注入するための薬液注入装置を備えたことを特徴とする。

第一の発明に係るトンネル掘削機によれば、バルクヘッドのリング穴に回転自在に設けられたバルクヘッドリングに連通穴を形成しているので、各種機材を含む所定の装置（例えば、薬液注入装置）を当該連通穴に挿通させることにより、カッタヘッドの支持タイプに因らず、バルクヘッドの強度の低下を抑えて前方地山への薬液注入を容易に行うことができる。また、カッタヘッドと独立してバルクヘッドリングを回転させることができるので、チャンバ内に取り込まれた掘削土砂が撹拌され易く、掘削土砂の流通性および排出性が低下することはない。
第二の発明に係るトンネル掘削機によれば、蓋部材を連通穴に装着した（取り付けた）場合には、チャンバ内の土砂の浸入を防止することができ、蓋部材を連通穴から離脱した（取り外した）場合には、チャンバと連通して各種機材を含む所定の装置（例えば、薬液注入装置）を挿通させることができる。
第三の発明に係るトンネル掘削機によれば、連通穴が径方向に長い長丸形状であり、各種機材を含む所定の装置（例えば、薬液注入装置）を、角度を変えて連通穴に挿通させることができるので、チャンバおよびトンネル掘削機の前方地山における広範囲（径方向の複数箇所）に向けて当該装置を挿通させることができる。なお、バルクヘッドリングを回転させて連通穴の周方向位置を変えると共に、バルクヘッドリング（連通穴）に対する各種機材を含む所定の装置（例えば、薬液注入装置）の挿通角度を変えることによって、チャンバおよびトンネル掘削機の前方の地山全域に向けて当該装置を挿通させることができる。

第四の発明に係るトンネル掘削機によれば、油圧ジャッキ等の簡易な部材および構造でバルクヘッドリングを回転させることができる。

第五の発明に係るトンネル掘削機によれば、バルクヘッドリングの回転方向を変えることができるので、前方地山への薬液注入を容易かつ早期に行うことができる。
第六の発明に係るトンネル掘削機によれば、伸縮部材の伸縮動作によって直接的にバルクヘッドリングを旋回させることができ、回転手段の構成を簡易なものとすることができる。

第七の発明に係るトンネル掘削機によれば、薬液注入装置を連通穴に挿通させ、前方地山への薬液注入、すなわち、地盤改良を行うことができる。

実施例１に係るトンネル掘削機の構造を示す概略断面図である。 実施例１に係るトンネル掘削機におけるバルクヘッドリングを示す説明図（図１におけるII−II矢視図）である。 実施例１に係るトンネル掘削機におけるリング旋回ジャッキの先端部を示す説明図である。

以下に、本発明に係るトンネル掘削機の実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることは言うまでもない。

本発明の実施例１に係るトンネル掘削機の構造について、図１から図３を参照して説明する。

図１に示すように、トンネル掘削機１は、掘削機本体としての円筒形状を成すスキンプレート１０と、スキンプレート１０の前方部（図１における左方側）に回転自在に装着される円盤形状のカッタヘッド１１と、スキンプレート１０の後方部（図１における右方側）に設けられるエレクタ装置１２および推進ジャッキ（推進手段）１３とから構成されている。

カッタヘッド１１は、その後方に配置されるカッタ旋回モータ（カッタ駆動手段）１４と図示しないリングギヤ等のギヤ機構を介して連結されている。カッタ旋回モータ１４を駆動することにより、図示しないギヤ機構を介してカッタヘッド１１を回転駆動し、前方の地山を掘削することができるようになっている。

また、スキンプレート１０には、カッタヘッド１１の後方に位置してバルクヘッド１５が固定されており、カッタヘッド１１とバルクヘッド１５との間にチャンバ１６が形成（画成）されている。なお、カッタヘッド１１、カッタ旋回モータ１４および図示しないギヤ機構は、バルクヘッド１５を介してスキンプレート１０に支持されている。

バルクヘッド１５には、略円環形状のリング係合穴（リング穴）５１が形成されており、このリング係合穴５１には、バルクヘッドリング１７が支持されている。また、バルクヘッドリング１７には、トンネル掘削機１内部（図１においては、バルクヘッドリング１７よりも右方側）とチャンバ１６とを連通可能な挿通穴（連通穴）７１が形成されており、この挿通穴７１には、図示しない蓋部材が着脱可能に設けられており、当該蓋部材を挿通穴７１に装着した（取り付けた）場合には、チャンバ１６内の土砂の浸入を防止することができ、当該蓋部材を挿通穴７１から離脱した（取り外した）場合には、チャンバ１６と連通して薬液注入装置１８を挿通させることができるようになっている。

このように薬液注入装置１８を挿通穴７１に挿通させることにより、薬液注入装置１８をトンネル掘削機１の前方地山に打ち込んで薬液を注入する、すなわち、トンネル掘削機１の前方地山に地盤改良を施すことができる。

図２に示すように、挿通穴７１は、径方向に長い長丸形状であり、角度を変えて薬液注入装置１８を打ち込み易いようになっている。このように挿通穴７１に対して薬液注入装置１８の打ち込み角度を変えることによって、トンネル掘削機１の前方地山における広範囲（径方向の複数箇所）に薬液を注入することができる。

また、図２に示すように、挿通穴７１を複数（本実施例においては、四つ）設けることにより、薬液注入装置１８を複数（例えば、四つ）用いて、一度に複数方向（例えば、四方向）の範囲に薬液を注入することができる。

もちろん、本発明における挿通穴の形状および数量は、本実施例のように径方向に長い長丸形状および四つに限定されず、当該挿通穴に薬液注入装置を挿通させて前方地山への薬液注入を行うことができるものであれば良い。例えば、挿通穴を円形状、多角形状、薬液注入装置に合わせた形状等に形成しても良く、また、挿通穴をバルクヘッドリングに一つまたは複数形成しても良い。

また、本発明における挿通穴の位置は、本実施例のように複数の挿通穴７１を同一円周上に配置するものに限定されず、例えば、複数の挿通穴を径方向に位置をずらして配置する、すなわち、前方地山における外周側に薬液を注入するための外周側挿通穴と、内周側に薬液を注入するための内周側挿通穴とを設けるようにしても良い。

また、図１および図２に示すように、バルクヘッドリング１７は、バルクヘッド１５のリング係合穴５１における外周部５１ａおよび内周部５１ｂと図示しない軸受およびシール部材を介して接触しており、カッタヘッド１１と同軸上で回転するようになっている。つまり、バルクヘッドリング１７は、チャンバ１６に臨んでカッタヘッド１１と同軸上で回転可能にバルクヘッド１５に支持されている。

バルクヘッド１５には、後方へ突出するジャッキ支持部５２が設けられており、このジャッキ支持部５２には、バルクヘッドリング１７を回転する回転手段であるリング旋回ジャッキ（伸縮部材）１９がトンネル軸方向と直交する方向を向いて、トンネル軸方向に直交する面内で搖動可能に取り付けられている。

また、図３に示すように、リング旋回ジャッキ１９におけるロッド９１の先端には、半円環形状の支持本体部９２と、当該支持本体部９２の一端に設けられるヒンジ９３と、当該ヒンジ９３を介して支持本体部９２と連結される半円環形状の支持開閉部９４とが設けられている。よって、リング旋回ジャッキ１９は、支持本体部９２に対して支持開閉部９４を開閉することができるようになっている。

また、図１および図２に示すように、バルクヘッドリング１７には、後方へ突出する旋回棒７２が周方向に所定間隔離間して複数（本実施例においては、二十一本）設けられており、この旋回棒７２には、リング旋回ジャッキ１９の先端部が着脱可能に連結されるようになっている。つまり、リング旋回ジャッキ１９を伸縮させることによって、先端部を所定の位置（旋回棒７２の近傍）に位置させ、更に、本体部９２に対して支持開閉部９４が開閉することによって、旋回棒７２を着脱可能に連結（支持）するようになっている。

よって、支持開閉部９４を閉じてリング旋回ジャッキ１９と旋回棒７２とが連結した状態においては、リング旋回ジャッキ１９を伸縮させることによって、当該リング旋回ジャッキ１９に連結された旋回棒７２を周方向に移動、すなわち、バルクヘッドリング１７を回転させることができる。図２においては、リング旋回ジャッキ１９を伸長させることによってバルクヘッドリング１７を左回転（正回転）させ、リング旋回ジャッキ１９を収縮させることによってバルクヘッドリング１９を右回転（逆回転）させるようになっている。

なお、本実施例においては、旋回棒７２は略円柱形状を成しており、リング旋回ジャッキ１９の支持本体部９２の内側部９２ａおよび支持開閉部９４の内側部９４ｂは、旋回棒７２の形状に対応した円形状を成している（図３参照）。

図２に示すように、リング旋回ジャッキ１９は、周方向に複数本（本実施例においては、六本）設けられており、そのうちの一部（本実施例においては、三本）のリング旋回ジャッキ１９ａ、または、その他（本実施例においては、三本）のリング旋回ジャッキ１９ｂを伸縮させることによって、バルクヘッドリング１７を回転させることができる。

つまり、三本のリング旋回ジャッキ１９ａを旋回棒７２と連結して伸長させることによって、バルクヘッドリング１７を所定角度だけ回転（図２においては左回転）させた後、残りの三本のリング旋回ジャッキ１９ｂを旋回棒７２と連結して伸長させると共に、前述の三本のリング旋回ジャッキ１９ａを旋回棒７２と離脱して収縮させることにより、バルクヘッドリング１７を更に所定角度だけ回転（図２においては左回転）させることができる。

このように、三本のリング旋回ジャッキ１９ａおよび他の三本のリング旋回ジャッキ１９ｂの旋回棒７２への着脱動作および伸縮動作をそれぞれ交互に繰り返すことにより、バルクヘッドリング１７を任意の角度（例えば、３６０°）回転させることができる。

そして、バルクヘッドリング１７を回転させて挿通穴７１の周方向位置を変えると共に、バルクヘッドリング１７（挿通穴７１）に対して薬液注入装置１８の打ち込み角度を変えることによって、トンネル掘削機１の前方の地山全域に薬液注入装置１８を打ち込んで薬液を注入することができる。つまり、トンネル掘削機１の前方の地山全域に地盤改良を施すことができる。

本発明におけるバルクヘッドリングは、本実施例のようにリング旋回ジャッキ１９の伸縮動作によって回転動作するものに限定されず、モータまたは他の駆動源によって回転動作するものであっても良い。

また、バルクヘッドリング１７に形成した挿通穴７１を、薬液注入装置１８を挿通させる以外に、図示しないカッタビットの交換等その他メンテナンスの際に作業者または各種機材を挿通させることに利用しても良い。

図１に示すように、チャンバ１６には、送泥管２０と排泥管２１とが連通接続されている。送泥管２０は、その一端がチャンバ１６の上部に開口し、他端が機外に位置するように延設されている。排泥管２１は、その一端がチャンバ１６の下部に開口し、他端が機外に位置するように延設されている。つまり、送泥管２０よって、チャンバ１６内に泥水が供給され、排泥管２１よって、チャンバ１６内の掘削土砂が供給された泥水と共に排出されるようになっている。

また、カッタヘッド１１には、後方に突出する複数の旋回式撹拌棒２２が設けられており、バルクヘッド１５には、前方に突出する複数の固定式撹拌棒２３が設けられている。つまり、旋回式撹拌棒２２および固定式撹拌棒２３は、チャンバ１６内に突出するように設けられており、チャンバ１６内に取り込まれた掘削土砂は、カッタヘッド１１の回転駆動によって旋回される旋回式撹拌棒２２とバルクヘッド１５に固定された固定式撹拌棒２３とによって、送泥管２０から供給された泥水と共に撹拌されるようになっている。よって、掘削土砂の流通性は良好であり、排泥管２１からの掘削土砂の排出も容易になされるようになっている。

エレクタ装置１２は、スキンプレート１０の内側に設置され、グリッパ２４によって保持したセグメントＳを、旋回モータ２５およびリングギヤ２６によって周方向に移動すると共に図示しない昇降ジャッキ等によって径方向に移動し、カッタヘッド１１によって掘削されたトンネル１００の内周面に構築する（組み立てる）ことができるようになっている。

推進ジャッキ（推進手段）１３は、スキンプレート１０の内側に設置され、覆工部材としてトンネル１００の内周面に構築された（組み立てられた）既設のセグメントＳに対して伸長することにより、スキンプレート１０すなわちトンネル掘削機１を掘進させるための反力を得ることができるようになっている。このように、セグメントＳからの反力を得てトンネル掘削機１を掘進させることにより、前方の地山を掘削してトンネル１００を形成していく。なお、推進ジャッキ１２は、スキンプレート１０の円周方向に所定間隔離間して多数配設されている。

本発明の実施例１に係るトンネル掘削機の動作について、図１および図２を参照して説明する。

トンネル掘削機１は、カッタ旋回モータ１４を駆動することによって図示しないギヤ機構を介してカッタヘッド１１を回転すると共に、複数のシールドジャッキ１３を伸長して既設セグメントＳから押し付け反力を得ることによって掘削機本体１０を前進させ、前方の地山を掘削する（図１参照）。

掘削された土砂は図示しない土砂取込開口からチャンバ１６内に取り込まれ、送泥管２０から供給された泥水と攪拌されて排泥管２１によって外部に排出される。次に、シールドジャッキ１３の何れか一つを縮み方向に作動して既設セグメントＳとの間に空所を形成し、エレクタ装置１２によってこの空所に新しいセグメントＳを構築する。この作業の繰り返しによって所定長さのトンネルを掘削形成していく。

そして、トンネル掘削機１の前方に軟弱地盤が確認された際には、薬液注入装置１８を準備して、トンネル掘削機１内部からの地盤改良を行う。バルクヘッドリング１７の挿通穴７１に装着された図示しない蓋部材を取り外した後、薬液注入装置１８を挿通穴７１に挿通して、前方地山に薬液（固結材）を注入する。このとき、本実施例においては、バルクヘッドリング１７に四つの挿通穴７１を形成しているので、四つの薬液注入装置１８を用いて、一度に四方向に薬液を注入することができる（図３参照）。

薬液注入装置１８をトンネル掘削機１内部（図１においては、バルクヘッドリング１７よりも右方側）に引き戻し、バルクヘッドリング１７を回転させる。つまり、複数（本実施例においては六本）のリング旋回ジャッキ１９のうちの一部（本実施例においては、三本）のリング旋回ジャッキ１９ａの先端に旋回棒７２を連結させ、当該リング旋回ジャッキ１９ａを伸長させることにより、バルクヘッドリング１７を所定角度回転させる。このとき、他（本実施例においては、三本）のリング旋回ジャッキ１９ｂは、旋回棒７２とは離脱させた状態である（図３参照）。

そして、前述と同様に、所定角度回転されたバルクヘッドリング１７の挿通穴７１に薬液注入装置１８を挿通して、前方地山における前回と異なる箇所（薬液を注入していない箇所）に薬液を注入する（図１参照）。このとき、前述と同様に、本実施例においては、バルクヘッドリング１７に四つの挿通穴７１を形成しているので、四つの薬液注入装置１８を用いて、一度に四方向に薬液を注入することができる（図３参照）。

続いて、薬液注入装置１８をトンネル掘削機１内部に引き戻し、バルクヘッドリング１７を回転させる（図１参照）。つまり、他のリング旋回ジャッキ１９ｂの先端に旋回棒７２を連結させて当該リング旋回ジャッキ１９ｂを伸長させると共に、既に伸長させた状態のリング旋回ジャッキ１９ａの先端を旋回棒７２から離脱させて当該リング旋回ジャッキ１９ａを収縮することにより、バルクヘッドリング１７を所定角度回転させる（図３参照）。

このように、複数のリング旋回ジャッキ１９のうちの一部のリング旋回ジャッキ１９ａと他のリング旋回ジャッキ１９ｂとを交互に伸縮動作させることによって、バルクヘッドリング１７を所定角度ずつ回転させ、前方地山における所定の範囲に薬液を注入することができる。そして、最終的に、バルクヘッドリング１７を一回転させ、薬液注入装置１８によって前方地山における全域に薬液を注入することができる。

薬液注入装置１８によって前方地山における全域に薬液を注入し、地盤改良が完了すると、バルクヘッドリング１７の挿通穴７１に図示しない蓋部材を取り付け、再びトンネル掘削機１を掘進させてトンネル１００を形成することができる。

本実施例に係るトンネル掘削機１によれば、簡易な構造でトンネル掘削機１の前方地山への薬液注入を容易に行うことができるので、地上からの地盤改良が困難な軟弱地盤にトンネルを形成する際においても、トンネル施工期間を短縮することができる。

１ トンネル掘削機
１０ スキンプレート（掘削機本体）
１１ カッタヘッド
１２ エレクタ装置
１３ 推進ジャッキ（推進手段）
１４ カッタ旋回モータ（カッタ駆動手段）
１５ バルクヘッド
１６ チャンバ
１７ バルクヘッドリング
１８ 薬液注入装置
１９（１９ａ，１９ｂ） リング旋回ジャッキ（回転手段、伸縮部材）
２０ 送泥管
２１ 排泥管
２２ 旋回式撹拌棒
２３ 固定式撹拌棒
２４ グリッパ
２５ 旋回モータ
２６ リングギヤ
５１ リング係合穴（リング穴）
５１ａ リング係合穴の外周部
５１ｂ リング係合穴の内周部
５２ ジャッキ支持部
７１ 挿通穴（連通穴）
７２ 旋回棒
９１ ロッド
９２ 支持本体部
９２ａ 支持本体部の内側部
９３ ヒンジ
９４ 支持開閉部
９４ａ 支持開閉部の内側部
１００ トンネル
Ｓ セグメント

Claims (7)

1. 略円筒形状の掘削機本体と、
   前記掘削機本体の前方部に装着されるカッタヘッドと、
   前記掘削機本体における前記カッタヘッドの後方側に設けられるバルクヘッドと、
   前記バルクヘッドに形成される略円環形状のリング穴と、
   前記リング穴に回転自在に設けられるバルクヘッドリングと、
   前記バルクヘッドリングを前記カッタヘッドと独立して回転させる回転手段と、
   前記バルクヘッドリングに形成され、前記カッタヘッドと前記バルクヘッドとの間に画成されるチャンバに連通し、各種機材を含む所定の装置を挿通可能な連通穴と
   を備えたことを特徴とするトンネル掘削機。
2. 前記連通穴に着脱可能に設けられる蓋部材を備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削機。
3. 前記連通穴は、径方向に長い形状であり、
   前記所定の装置は、径方向に対する角度を変えて前記連通穴に挿通可能なものである
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトンネル掘削機。
4. 前記回転手段が、一方向に伸縮可能な伸縮部材を備え、前記伸縮部材の伸縮動作によって前記バルクヘッドリングを回転させるものである
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
5. 前記回転手段が、前記伸縮部材の伸長動作によって前記バルクヘッドリングを一方向に回転させ、前記伸縮部材の収縮動作によって前記バルクヘッドリングを逆方向に回転させるものである
   ことを特徴とする請求項４に記載のトンネル掘削機。
6. 前記伸縮部材は、前記バルクヘッドの後方に揺動可能に取り付けられるものであり、
   前記バルクヘッドリングは、後方へ突出して前記伸縮部材と着脱可能に連結される旋回棒を有する
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のトンネル掘削機。
7. 前記所定の装置として、前記カッタヘッドの前方側に薬液を注入するための薬液注入装置を備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。

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