JP7148783B2 - 掘削機用拡大ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、既製杭や場所打ち杭などの杭の先端部に拡径した根固め球根を築造するために用いられる掘削機用拡大ヘッドに関するものである。

地中杭の造成において、掘削機に例えばアースオーガを用い、リーダマストに沿って移動自在に支持された駆動部により回転駆動される掘削ロッドの下端部にスパイラル状の掘削刃を有する掘削ヘッドを設け、堀削して掘削孔を形成する工法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。さらに、掘削ヘッドにおいて、通常の掘削刃の他に、拡大掘削刃を設けて支持力を増す拡大根固め工法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。このような拡大根固め工法においては、掘削ヘッドの拡大掘削刃を縮閉した状態で所定の深度まで掘削して、次いで拡大掘削刃を拡開して拡大掘削し、セメントミルクやモルタル等を注入して、根固め球根を築造し、杭の支持力を増大させる。その後は、拡大掘削刃を縮閉し、掘削ヘッドを地上に引き上げる。そして、形成した掘削孔内に既製杭を建込むようにしている。

このような拡大掘削刃は、掘削ロッドの正逆回転による土砂の抵抗を利用して開閉させるのが一般的である。すなわち、掘削ロッドの正回転では拡大掘削刃が土砂により押し付けられて縮閉し、掘削ロッドが逆回転すると、拡大掘削刃の先端部分に土砂が入り込み、拡大掘削刃が外方に向かって起立して拡開する構造とされている。

しかしながら、土質によっては、十分に拡大掘削刃の先端部分に土砂が入り込まず、拡大掘削刃が拡開しないことがあった。このため、十分な拡大根固め工法が実施できない虞があった。このような問題を解決するものとして作動機構を用いて確実に開閉させる開閉装置（例えば、特許文献２参照。）や、拡開動作が行われたか否かを確認する方法（例えば、特許文献３～５参照。）が開発されている。

特開２０１６－１１３７９６号公報 特許４１１１２６７号公報 特許３２２２９７３号公報 特開２０１０－７４００号公報 特許５６０５９４０号公報

しかしながら、作動機構を用いたものは構造が複雑であり、装置コストが大きくなるという問題があった。また、拡開動作が行われたか否かを確認する方法は拡開動作により変形又は破壊される拡翼確認部材を設けたものであり、拡開動作を確実に行わせるものではなかった。

そこで、本発明は、各種の土質に対応して、逆回転時における拡大堀削刃の拡開動作を安価な構造で確実に行わせることができる掘削機用拡大ヘッドを提供することを目的とする。

請求項１に記載された発明は、地盤を掘削する掘削方向に回転軸を有し、この回転軸周りに正逆回転可能な掘削ロッドと、この掘削ロッドに設けられた螺旋翼と、この螺旋翼に対し逆回転時に拡翼可能な拡大掘削刃と、この拡大掘削刃の先端より内側で前記拡大掘削刃の前記回転軸に沿った方向の両面から突設され、前記掘削ロッドの逆回転によって掘削対象物が当接することにより前記拡大掘削刃を拡翼させる方向の力を作用させる一対の当接部材と、を具備している。

上記構成により、逆回転時に入り込んできた掘削対象物が拡大掘削刃の当接部材に当接することで拡大掘削刃に拡開動作を確実に行わせるための押圧力を与えることができる。

請求項２に記載された発明は、前記当接部材は板状に形成され、前記掘削ロッドの逆回転時に掘削対象物の当接力を前記拡大掘削刃を拡開方向に変換する向きに形成されている。

上記構成により、掘削対象物の当接力を効率良く拡大掘削刃の拡開方向に変換することができる。

本発明によれば、各種の土質に対応して、逆回転時における拡大掘削刃の拡開動作を安価な構造で確実に行わせることができる掘削機用拡大ヘッドを提供できる。

本発明の第１の実施の形態に係る掘削機用拡大ヘッドを用いた掘削方法を示す説明図。 同掘削機用拡大ヘッドを示す側面図。 同掘削機用拡大ヘッドを示す底面図。 同掘削機用拡大ヘッドの要部を示す説明図。 本発明の第２の実施形態に係る掘削機用拡大ヘッドを示す側面図。 同掘削機用拡大ヘッドを図５中ＶＩ－ＶＩ線の位置から示す説明図。 同掘削機用拡大ヘッドの要部を示す説明図。 本発明の第３の実施形態に係る掘削機用拡大ヘッドを示す側面図。 同掘削機用拡大ヘッドを図８中ＩＸ－ＩＸ線の位置から示す説明図。 同掘削機用拡大ヘッドの変形例を示す側面図。 比較用の掘削機用拡大ヘッドの一例を示す側面図。 比較用の掘削機用拡大ヘッドの別の例を示す側面図。

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。この実施形態は、既製杭や場所打ち杭などの先端根固め工法に適用した例である。図１は本発明の第１の実施の形態に係る掘削機用拡大ヘッド１０を用いた掘削方法を示す説明図、図２は掘削機用拡大ヘッド１０を示す側面図、図３は掘削機用拡大ヘッド１０を示す底面図、図４は掘削機用拡大ヘッド１０の要部を示す説明図である。なお、図１中Ｐは掘削孔、Ｑは拡大掘削孔、Ｒは延長ロッドを示している。また、図中Ｃは回転軸を示している。

掘削機用拡大ヘッド１０は、延長ロッドＲの先端に着脱自在に取り付けられている。延長ロッドＲは、掘削孔Ｐに挿入され、回転軸Ｃ周りに図１中矢印Ｓ方向（正回転）及びＧ方向（逆回転）に回転する。

図２に示すように、掘削機用拡大ヘッド１０は、掘削ロッド２０を有する。この掘削ロッド２０の外周には、その上端から下端にわたり、一対の螺旋翼３０，３０が互いに１８０°位相をずらして突設されている。これら螺旋翼３０，３０の下端には複数の掘削爪４０が下方に向け突設されている。

螺旋翼３０の上下方向の位置には、短翼状の切欠部３１が設けられ、この切欠部３１の下端側には拡翼機構５０が形成されている。

拡翼機構５０は、螺旋翼３０の切欠部３１の下端側に形成され、水平方向に延設された軸受板５１を備えている。この軸受板５１には、回転軸Ｃ方向に沿って孔部５１ａが形成されている。孔部５１ａには円柱部材５２が圧入されている。円柱部材５２には、図３及び図４に示すように拡大掘削刃６０が揺動自在に取り付けられている。

拡大掘削刃６０は、軸方向に対して垂直に切断した断面形状が、揺動中心となる円柱部材５２側が太く、先端側が細くなる短翼状の刃本体６１を備えている。

拡大掘削刃６０の揺動範囲は、縮径位置（図３中実線で示す）と、拡径位置（図３中二点鎖線で示す）との間である。軸方向に対して垂直に切断した断面形状が、刃本体６１の外側面６１ａは、縮径位置にあるときに螺旋翼３０の外周円に沿うように形成されている。刃本体６１の内側面６１ｂは、縮径位置にあるときに切欠部３１の内側壁３１ａに沿うように形成されている。なお、拡大掘削刃６０の円柱部材５２側は一対の板状のブラケット６２となり、軸受板５１を挟持している。

また、拡大掘削刃６０の刃本体６１の上下面にはそれぞれ板状の鋼角材（当接部材）６５が取り付けられている。鋼角材６５は、図３及び図４に示すように、逆回転した際に土砂（掘削対象物）から受けた力Ｆ１を径方向外側への力Ｆ２に変換する向きに取り付けられている。なお、鋼角材６５の向きや寸法は、土砂の種類や掘削ロッド２０の回転速度や上昇・下降速度によって適宜定めることができる。

このように構成された拡翼機構５０は、掘削ロッド２０を正回転方向Ｓに回転させると土砂が刃本体６１の外側面６１ａを押圧し、拡大掘削刃６０が縮径する。また、掘削ロッド２０を逆回転方向Ｇに回転させると土砂が鋼角材６５を押圧し、拡大掘削刃６０が拡開する。

このように構成された掘削機用拡大ヘッド１０は、次のようにして動作する。すなわち、図１の（ａ）に示すように、地表面側から掘削孔Ｐ内に掘削ロッド２０を正回転方向Ｓに回転させながら挿入すると、掘削機用拡大ヘッド１０の掘削爪４０が土砂を削りながら下方へ進んでいく。このとき、上述したように、土砂が刃本体６１の外側面６１ａを押圧し、拡大掘削刃６０が縮径したままとなる。また、掘削機用拡大ヘッド１０が所定の深度に到達すると、拡大掘削孔Ｑを形成する工程に入る。すなわち、図１の（ｂ）に示すように、掘削ロッド２０を逆回転方向Ｇに回転させる。これにより、土砂が鋼角材６５を押圧し、拡大掘削刃６０に図４中Ｆ２方向の力が作用し、拡開する。掘削機用拡大ヘッド１０は拡大掘削刃６０が拡開した状態で上方向に移動していくため、拡大掘削孔Ｑの内径は、所定の拡大掘削径となるように拡径される。

拡大掘削孔Ｑを所定の深さだけ形成したら、セメントミルクやモルタル等を注入して、根固め球根を築造し、杭の支持力を増大させる。その後は、掘削ロッド２０を正回転方向Ｓに回転させ、拡大掘削刃６０を縮閉し、掘削機用拡大ヘッド１０を地表面上に引き上げる。そして、形成した掘削孔内に既製杭を建込む。

このように本実施形態に係る掘削機用拡大ヘッド１０によれば、逆回転方向Ｇに回転させると、土砂が鋼角材６５を押圧し、その作用によって拡大掘削刃６０を確実に拡開させることができる。したがって、拡大掘削孔Ｑの内径を所定の寸法に形成することができ、拡大した根固め球根を築造して必要な支持力を発揮させることができる。

図５は本発明の参考例に係る掘削機用拡大ヘッド１０Ａを示す側面図、図６は掘削機用拡大ヘッド１０Ａを図５中ＶＩ－ＶＩ線の位置から示す説明図、図７は掘削機用拡大ヘッド１０Ａの要部を示す説明図である。なお、これらの図において、上述した図１～図４と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図５に示すように、掘削機用拡大ヘッド１０Ａは、掘削ロッド２０を有する。この掘削ロッド２０の外周には、その上端から下端にわたり、一対の螺旋翼３０Ａ，３０Ａが互いに１８０°位相をずらして突設されている。これら螺旋翼３０Ａ，３０Ａの下端には複数の掘削爪４０が下方に向け突設されている。

螺旋翼３０Ａの上下方向の位置には、短翼状の切欠部３１が設けられ、この切欠部３１の下端側に拡翼機構５０Ａが形成されている。螺旋翼３０Ａは、上述した螺旋翼３０に対し、図６に示すように外周側の一部を切欠して形成された案内部３５が形成されており、その下端は切欠部３１に達している。案内部３５が形成される範囲は、図６に示すように、回転軸Ｃを基準にして範囲θにわたって形成されている。範囲θは、例えば、８０～１００°の範囲である。なお、切欠した部位は、図６及び図７中Ｋに示す範囲である。

拡翼機構５０Ａは、螺旋翼３０の切欠部３１の下端側に形成され、水平方向に延設された軸受板５１を備えている。この軸受板５１は、円柱部材５２が圧入されている。円柱部材５２には、拡大掘削刃６０Ａが揺動自在に取り付けられている。

拡大掘削刃６０Ａは、軸方向に対して垂直に切断した断面形状が、揺動中心となる円柱部材５２側が太く、先端側が細くなる短翼状の刃本体６１を備えている。拡大掘削刃６０Ａの揺動範囲は、上述した拡大掘削刃６０と同様の範囲である（図３参照）。なお、拡大掘削刃６０Ａには、鋼角材６５は取り付けられていない。

このように構成された拡翼機構５０Ａは、掘削ロッド２０を正回転方向Ｓに回転させると土砂が刃本体６１の外側面６１ａを押圧し、拡大掘削刃６０Ａが縮径する。また、掘削ロッド２０を逆回転方向Ｇに回転させると土砂が案内部３５に入り込み、さらに切欠部３１に流れ込む。このとき、拡大掘削刃６０Ａを押圧し、拡大掘削刃６０を拡開させる。

このように構成された掘削機用拡大ヘッド１０Ａは、次のようにして動作する。すなわち、地表面側から掘削孔Ｐ内に掘削ロッド２０を正回転方向Ｓに回転させながら挿入すると、掘削機用拡大ヘッド１０Ａの掘削爪４０が土砂を削りながら下方へ進んでいく。このとき、上述したように、土砂が刃本体６１の外側面６１ａを押圧し、拡大掘削刃６０が縮径したままとなる。また、掘削機用拡大ヘッド１０Ａが所定の深度に到達すると、拡大掘削孔Ｑを形成する工程に入る。すなわち、掘削ロッド２０を逆回転方向Ｇに回転させる。これにより、土砂が案内部３５に入り込み、さらに切欠部３１に流れ込み、拡大掘削刃６０Ａを押圧し、拡開させる。掘削機用拡大ヘッド１０Ａは拡大掘削刃６０Ａが拡開した状態で上方向に移動していくため、拡大掘削孔Ｑの内径は所定の拡大掘削径となるように拡径される。

その後は、上述したように根固め球根を築造し、掘削ロッド２０を正回転方向Ｓに回転させ、拡大掘削刃６０Ａを縮閉し、掘削機用拡大ヘッド１０Ａを地表面上に引き上げる。そして、形成した掘削孔内に既製杭を建込む。

このように本実施形態に係る掘削機用拡大ヘッド１０Ａによれば、逆回転方向Ｇに回転させると、土砂が案内部３５を通って拡大掘削刃６０を押圧するため、拡大掘削刃６０を確実に拡開させることができる。したがって、拡大掘削孔Ｑの内径を所定の寸法に形成することができ、必要な支持力を発揮させることができる。

図８は本発明の第３の実施形態に係る掘削機用拡大ヘッド１０Ｂを示す側面図、図９は掘削機用拡大ヘッド１０Ｂを図８中ＩＸ－ＩＸ線の位置から示す説明図である。

図８に示すように、掘削機用拡大ヘッド１０Ｂは、掘削ロッド２０を有する。この掘削ロッド２０の外周には、その上端から下端にわたり、一対の螺旋翼３０Ａ，３０Ａが互いに１８０°位相をずらして突設されている。これら螺旋翼３０Ａ，３０Ａの下端には複数の掘削爪４０が下方に向け突設されている。

螺旋翼３０Ａの上下方向の位置には、短翼状の切欠部３１が設けられ、この切欠部３１の下端側に拡翼機構５０が形成されている。螺旋翼３０Ａは、上述した螺旋翼３０に対し、外周側の一部切欠して形成された案内部３５が形成されており（図６及び図７参照）、その下端は切欠部３１に達している。

拡翼機構５０は、螺旋翼３０の切欠部３１の下端側に形成され、水平方向に延設された軸受板５１を備えている。この軸受板５１には、回転軸Ｃ方向に沿って孔部５１ａが形成されている。孔部５１ａには円柱部材５２が圧入されている。円柱部材５２には、図８及び図９に示すように拡大掘削刃６０が揺動自在に取り付けられている。

拡大掘削刃６０は、軸方向に対して垂直に切断した断面形状が、揺動中心となる円柱部材５２側が太く、先端側が細くなる短翼状の刃本体６１を備えている。

拡大掘削刃６０の揺動範囲は、縮径位置と拡径位置との間である（図３参照）。軸方向に投影した場合、刃本体６１の外側面６１ａは、縮径位置にあるときに螺旋翼３０の外周円に沿うように形成されている。刃本体６１の内側面６１ｂは、縮径位置にあるときに切欠部３１の内側壁３１ａに沿うように形成されている。なお、拡大掘削刃６０の円柱部材５２側は一対の板状のブラケット６２となり、軸受板５１を挟持している。

また、拡大掘削刃６０の刃本体６１の上下面にはそれぞれ板状の鋼角材６５が取り付けられている。鋼角材６５は、逆回転した際に土砂から受けた力Ｆ１を径方向外側への力Ｆ２に変換する向きに取り付けられている（図４参照）。

なお、図９中７０は、拡大掘削刃６０が拡開した際に圧潰される確認ピンを示している。この確認ピン７０としては、拡大掘削刃６０が拡開した際に圧潰される痕跡（変形または圧縮破壊もしくはせん断破壊）を起こすように設計された比較的柔らかい金属製パイプや金属棒あるいは硬質樹脂類からなるパイプ及び棒等を用いることができる。

このように構成された拡翼機構５０は、掘削ロッド２０を正回転方向Ｓに回転させると土砂が刃本体６１の外側面６１ａを押圧し、拡大掘削刃６０が縮径する。また、掘削ロッド２０を逆回転方向Ｇに回転させると十分な量の土砂が案内部３５によって切欠部３１に案内され、拡大掘削刃６０及び鋼角材６５を確実に押圧し、拡大掘削刃６０が拡開する。

このように構成された掘削機用拡大ヘッド１０Ｂは、次のようにして動作する。すなわち、地表面側から掘削孔Ｐ内に掘削ロッド２０を正回転方向Ｓに回転させながら挿入すると、掘削機用拡大ヘッド１０Ｂの掘削爪４０が土砂を削りながら下方へ進んでいく。このとき、上述したように、土砂が刃本体６１の外側面６１ａを押圧し、拡大掘削刃６０が縮径したままとなる。また、掘削機用拡大ヘッド１０が所定の深度に到達すると、拡大掘削孔Ｑを形成する工程に入る。すなわち、掘削ロッド２０を逆回転方向Ｇに回転させる。これにより、土砂が鋼角材６５を押圧する。このときの土砂の量は案内部３５に周囲から入り込んだ土砂も加わって十分な量となり、拡大掘削刃６０に図４中Ｆ２方向の力が作用し、拡開する。

掘削機用拡大ヘッド１０Ｂは拡大掘削刃６０が拡開した状態で上方向に移動していくため、拡大掘削孔Ｑの内径は所定の拡大掘削径となるように拡径される。

その後は、上述したように根固め球根を築造し、掘削ロッド２０を正回転方向Ｓに回転させ、拡大掘削刃６０を縮閉し、掘削機用拡大ヘッド１０Ｂを地表面上に引き上げる。なお、確認ピン７０が毀損されているか否かによって、拡大掘削刃６０の拡開の有無を確実に検知できる。そして、確認ピン７０が毀損されていれば、形成した掘削孔内に既製杭を建込む。

このように本実施形態に係る掘削機用拡大ヘッド１０Ｂによれば、逆回転方向Ｇに回転させると、十分な量の土砂が案内部３５を通って切欠部３１に入り込み、拡大掘削刃６０及び鋼角材６５を押圧するため、拡大掘削刃６０を確実に拡開させることができる。したがって、拡大掘削孔Ｑの内径を所定の寸法に形成することができ、拡大した根固め球根を築造して必要な支持力を発揮させることができる。

図１０は掘削機用拡大ヘッド１０Ｂの変形例を示す側面図である。上述した掘削機用拡大ヘッド１０，１０Ａ，１０Ｂにおいては、回転軸Ｃを鉛直方向とした場合であって、軸受板５１を水平方向に設置した。しかしながら、軸受板５１の設置方向はこれに限られず、図１０に示すように、螺旋翼３０の面と平行に設置しても良い。

以下、上述した掘削機用拡大ヘッド１０，１０Ａ，１０Ｂと、図１１に示すように鋼角材６５及び案内部３５を形成しない比較例としての掘削機用拡大ヘッド１００と、図１２に示すように鋼角材６５を下方のみに設け、かつ、案内部３５を形成しない比較例としての掘削機用拡大ヘッド１００Ａについて比較した。図１１及び図１２において、図１～図１０と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

表１に示すように、４種類の掘削径及び拡大掘削径の組合せについて、それぞれ試掘を行って拡大掘削刃６０，６０Ａの拡開の状態を調べた。

表１から判るように、鋼角材６５及び案内部３５のいずれも形成されていない掘削機用拡大ヘッド１００については拡大掘削刃６０が開かない場合や、片方のみが開く場合があった。また、鋼角材６５を下方のみに設け、かつ、案内部３５を形成しない掘削機用拡大ヘッド１００Ａについては、どの試掘においても開かなかった。土砂が一方の鋼角材６５のみに当たることで、拡大掘削刃６０の揺動軸としての円柱部材５２が捻れて回転を阻害したものと考えられる。同様に、鋼角材６５を上方のみに設け、かつ、案内部を形成しない掘削機用拡大ヘッドについても、どの試掘においても開かなかった。一方、鋼角材６５を上方のみ或いは下方のみに設けた場合においても、案内部３５を形成した掘削機用拡大ヘッドについては、拡大掘削刃６０を拡開させることができた。

このように、拡大掘削刃６０の上下に鋼角材６５を設けるか、螺旋翼３０に案内部３５を設けるかの少なくとも一方の構成を付加することで、確実に拡大掘削刃６０を拡開させることが可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
地盤を掘削する掘削方向に回転軸を有し、この回転軸周りに正逆回転可能な掘削ロッドと、
この掘削ロッドに設けられた螺旋翼と、
この螺旋翼に対し逆回転時に拡翼可能な拡大掘削刃と、
前記螺旋翼における前記拡大掘削刃の上方側で、かつ、前記拡大掘削刃に臨んで形成され、前記螺旋翼の外周側を前記回転軸側に向けて切欠して形成された案内部と、
を具備した掘削機用拡大ヘッド。
［２］
前記案内部は、前記回転軸周りの８０～１００°である［１］に記載の掘削機用拡大ヘッド。
［３］
前記拡大掘削刃の前記回転軸に沿った方向の両面に掘削対象物が当接する一対の当接部材が形成されている［１］に記載の掘削機用拡大ヘッド。
［４］
前記当接部材は板状に形成され、前記掘削ロッドの逆回転時に前記掘削対象物の当接力を前記拡大掘削刃の拡開方向に変換する向きに形成されている［３］に記載の掘削機用拡大ヘッド。
［５］
地盤を掘削する掘削方向に回転軸を有し、この回転軸周りに正逆回転可能な掘削ロッドと、
この掘削ロッドに設けられた螺旋翼と、
この螺旋翼に対し逆回転時に拡翼可能な拡大掘削刃と、
この拡大掘削刃の前記回転軸に沿った方向の両面に一対の当接部材が形成されている掘削機用拡大ヘッド。
［６］
前記当接部材は板状に形成され、前記掘削ロッドの逆回転時に掘削対象物の当接力を前記拡大掘削刃を拡開方向に変換する向きに形成されている［５］に記載の掘削機用拡大ヘッド。

１０，１０Ａ，１０Ｂ…掘削機用拡大ヘッド、２０…掘削ロッド、３０，３０Ａ…螺旋翼、３１…切欠部、３１ａ…内側壁、３５…案内部、４０…掘削爪、５０，５０Ａ…拡翼機構、５１…軸受板、５１ａ…孔部、５２…円柱部材、６０，６０Ａ…拡大掘削刃、６１…刃本体、６１ａ…外側面、６１ｂ…内側面、６２…ブラケット、６５…鋼角材（当接部材）、７０…確認ピン。

Claims (2)

1. 地盤を掘削する掘削方向に回転軸を有し、この回転軸周りに正逆回転可能な掘削ロッドと、
   この掘削ロッドに設けられた螺旋翼と、
   この螺旋翼に対し逆回転時に拡翼可能な拡大掘削刃と、
   この拡大掘削刃の先端より内側で前記拡大掘削刃の前記回転軸に沿った方向の両面から突設され、前記掘削ロッドの逆回転によって掘削対象物が当接することにより前記拡大掘削刃を拡翼させる方向の力を作用させる一対の当接部材と、
   を具備した掘削機用拡大ヘッド。
2. 前記当接部材は板状に形成され、前記掘削ロッドの逆回転時に掘削対象物の当接力を前記拡大掘削刃を拡開方向に変換する向きに形成されている請求項１に記載の掘削機用拡大ヘッド。
   

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