KR101259364B1 - 가압식 지반보강 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그라우팅시 지반에 천공한 공벽에서 나오는 물과 이물질을 신속하게 배출시켜 그라우트재가 신속하게 경화되도록 하고, 패커에도 그라우트재를 충전시켜 그라우팅 작업이 끝난 다음 패커를 제거하지 않고 천공홀에 충전된 그라우트재와 함께 경화되게 함으로써 최단시간 내에 지반보강을 위한 그라우팅 작업을 끝낼 수 있는 가압식 지반보강 장치 및 이를 이용한 지반보강 공법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 가압식 지반보강 장치는, 지반에 천공한 천공홀에 가압식으로 그라우트재를 충전시키는 장치인데, 상기 장치는, 천공홀의 중심에 길이방향을 따라 위치하게 되는 네일; 천공홀의 길이방향을 따라 네일과 인접하여 위치하게 되며, 그라우트재를 주입하는 통로가 되는 주입호스; 천공홀의 길이방향을 따라 네일과 인접하여 위치하게 되며, 천공홀에 있는 물과 공기 및 이물질을 배출시키기 위한 배출호스; 네일과 주입호스 및 배출호스가 각각 관통되게 삽입되고, 천공홀의 상단 부분에 일정 간격을 두고 설치되는 제1 및 제2스펀지 배출필터; 통 형상의 천으로 제작되어, 통 형상의 양단(兩端) 부분이 제1 및 제2스펀지 배출필터를 내부에 두고 케이블타이에 의해 체결되어 설치되는 패커를 포함하여 구성되고, 주입호스가 패커 내에 위치하는 부분에는 주입호스에 패커충전홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

가압식 지반보강 장치{Ground reinforcing apparatus}

본 발명은 가압식 지반보강 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 그라우팅시 지반에 천공한 공벽에서 나오는 물과 이물질을 신속하게 배출시켜 그라우트재가 신속하게 경화되도록 하고, 패커에도 그라우트재를 충전시켜 그라우팅 작업이 끝난 다음 패커를 제거하지 않고 천공홀에 충전된 그라우트재와 함께 경화되게 함으로써 최단시간 내에 지반보강을 위한 그라우팅 작업을 끝낼 수 있는 가압식 지반보강 장치에 관한 것이다.

일반적으로 도로 건설, 주택단지 조성, 수로 및 제방공사 등 각종 토목공사 시행과정에서 성토지 또는 절개지의 사면은 우수나 지하수 등의 침투에 따른 토사 유실로 인한 붕괴를 방지하기 위하여 지반보강공사를 시행하게 되고, 지반을 보강하기 위한 지반보강공법은 다양한 방법이 있지만, 절개지와 같은 사면에 보강재를 매설하는 소일 네일링(soil nailing) 공법, 앵커(anchor) 공법, 락볼트(rock bolt) 공법 등이 많이 사용되고 있는데, 상기 공법들은 절개지와 같은 경사면에 매설홀을 천공하고 보강재를 삽입한 후, 매설홀에 콘크리트 모르타르와 같은 충전물(그라우트재)을 주입, 양생함으로써 보강재가 원지반에 고정 지지되도록 하는 공법이다.

이와 같은 공법은 충진물의 주입방식에 따라 중력으로 충전물을 주입하는 중력식 공법과, 충전물을 가압 주입하는 가압식 공법 등으로 분류할 수 있는데, 중력식 공법은 정착지반이 토사지반이거나 연약할 경우 앵커와 지반 사이의 주면마찰저항이 작아 소정의 설계 앵커력을 확보하지 못하게 되는 경우가 발생하기 때문에 앵커 간격을 좁히거나 앵커의 길이를 연장하여 비교적 단단한 지반 혹은 암반에 정착시켜야 하므로 천공 깊이, 앵커 길이 및 앵커 공수의 증가로 인해 공사비용이 많이 소요된다는 등 문제가 있어서 천공 깊이가 줄어 들고 앵커 길이 및 앵커 공수가 적은 가압식 공법이 많이 사용되고 있다.

가압식 공법과 관련하여 특허등록 제778608호 "이중관을 이용한 가압식 네일링 장치 및 방법"을 도 1을 참조하여 설명하면, 천공홀에 삽입되어 지반을 지지하는 외부케이싱(1)과, 외부케이싱의 내부에 삽입되고 입구에 그라우팅 주입구(2)가 설치된 내부케이싱(3)과, 내부케이싱을 관통하여 천공홀에 삽입되는 보강봉(4)과, 내부케이싱과 외부케이싱 사이에 지지되는 고무나 우레탄으로 제조된 팽창패커(5)와, 팽창패커를 팽창시키기 위하여 공기나 물과 같은 유체를 주입시키는 충전호스(6)와, 보강봉의 둘레에 끼워져 보강봉과 천공홀 사이의 공간 간격을 균일하게 유지하는 적어도 하나의 스페이서(7)로 구성되어 있다.

하지만 상기 네일링 장치 및 공법은 다음과 같은 문제가 있다.

첫째, 팽창패커를 조립하여 외부케이싱에 내에 위치시키고, 그라우팅 작업이 완료된 상태에서 팽창패커에 주입된 물이나 공기와 같은 유체를 주입물을 제거한 후, 다시 팽창패커를 제거하고 외부케이싱을 천공홀로부터 이탈시켜야 하는데, 이와 같은 과정에서 많은 장비와 작업시간이 소요될 뿐만 아니라 천공홀에 견고하게 압입된 외부케이싱이 쉽게 분리되지 않으므로 제거하는데 많은 시간이 요구되고 작업도 힘들다는 문제가 있다.

둘째, 그라우트재를 주입하는 내부케이싱의 선단이 팽창패커의 하단 부분에 위치하기 때문에 천공홀에 채워지는 그라우트재가 가압방식이 아닌 중력방식으로 채워지는 것과 동일하므로, 시멘트와 물이 잘 교반되지 못할 뿐만 아니라 압력이 가해지면서 충전되는 것이 아니므로 시공후 강도 문제 등 중력식이 갖는 문제를 그대로 갖게 된다.

세째, 그라우팅 작업시 지반에 천공한 공벽에서 나오는 물과 이물질 등을 배출시키는 배출구가 없기 때문에 이들이 충전시킨 그라우트재와 섞이게 되므로, 천공홀에 충전되는 그라우트재의 상부와 팽창패커 사이에는 언제나 물과 공기 및 이물질이 충만하게 되어 그라우트재가 경화되는 시간도 오래 걸리며, 팽창패커를 제거하고 난 다음에 그라우트재 상부에 고여 있는 물과 이물질을 빼내고 그 부분에 그라우트재를 충전하는 작업을 해야 하므로 작업도 번거롭고 복잡해지게 된다는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 그라우팅 작업시 지반에 천공한 공벽에서 나오는 물과 공기 및 이물질을 신속하게 배출시켜 그라우트재가 신속하게 경화되도록 하고, 패커에도 그라우트재를 충전시켜 그라우팅 작업이 끝난 다음 패커를 제거하지 않고 그대로 다른 그라우트재와 함께 경화되게 함으로써 작업공정이 단순하여 최단시간 내에 지반보강을 위한 그라우팅 작업을 끝낼 수 있는 가압식 지반보강 장치를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 과제 해결을 위하여 본 발명에 따른 가압식 지반보강 장치는, 지반에 천공한 천공홀에 가압식으로 그라우트재를 충전시키는 장치인데, 상기 장치는, 상기 천공홀의 중심에 길이방향을 따라 위치하게 되는 네일(nail); 상기 천공홀의 길이방향을 따라 상기 네일과 인접하여 위치하게 되며, 그라우트재를 주입하는 통로가 되는 주입호스; 상기 천공홀의 길이방향을 따라 상기 네일과 인접하여 위치하게 되며, 천공홀에 있는 물과 공기 및 이물질을 배출시키기 위한 배출호스; 상기 네일과 주입호스 및 배출호스가 각각 관통되게 삽입되고, 상기 천공홀의 상단 부분에 일정 간격을 두고 설치되는 제1 및 제2스펀지 배출필터; 통 형상의 천으로 제작되어, 통 형상의 양단(兩端) 부분이 상기 제1 및 제2스펀지 배출필터를 내부에 두고 케이블타이에 의해 체결(바인드)되어 설치되는 패커(packer); 상기 배출호스의 선단에 끼워져서 설치되고, 주면(柱面)에는 천공홀 내부에 있는 물과 공기 및 이물질을 신속하게 배출시키기 위하여 일정 간격으로 구멍이 형성된 다공 배출필터를 포함하여 구성되고, 상기 주입호스가 패커 내에 위치하는 부분에는 주입호스에 패커충전홀이 형성되어 있고, 상기 네일과 주입호스의 선단(先端)은 천공홀의 바닥 부분까지 위치하게 되며, 상기 배출호스의 선단은 상기 제1스펀지 배출필터의 하부까지만 위치하게 되어 있으며, 상기 주입호스가 제1스펀지 배출필터의 하단 부분에 위치하게 되는 부분에는 주입호스를 가압하는 가압핀이 체결되어 있고, 상기 네일의 하단 부분에는 네일이 천공홀의 중앙에 위치하도록 하기 위한 스페이서가 더 체결되어 있으며, 상기 제1 및 제2스펀지 배출필터에는 상기 네일과 주입호스 및 배출호스가 관통 삽입되는 홀이 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

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본 발명에 따른 가압식 지반보강 공법은, 지반에 천공장치를 이용하여 천공홀을 형성하는 단계; 상기 천공홀 내부로 가압식 지반보강 장치를 삽입하는 단계; 상기 지반보강 장치에 구비된 주입호스를 통해 그라우트재를 가압 주입하여 패커 내부에 그라우트재를 충전시키는 단계; 패커에 그라우트재를 충전시킨 후, 천공홀에 그라우트재를 충전하면서, 배출호스를 통해 천공홀 내부에 있는 물과 공기 및 이물질을 배출시키는 단계; 상기 가압식 지반보강 장치에 있는 네일과 주입호스 및 배출호스의 상단 부분을 절단한 후 마무리 하는 단계를 거쳐서 지반보강 그라우팅 작업을 하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 가압식 지반보강 장치 및 이를 이용한 지반보강 공법은, 배출호스 하단에 배출필터를 부착하여 그라우팅 작업시 지반에 천공한 공벽에서 나오는 물과 공기 및 이물질을 신속하게 배출시킴으로써 이들이 그라우트재와 섞이지 않게 되어 그라우트재를 신속하게 경화시키기 때문에, 소일 네일링, 락볼트, 앵커, 파일(pile) 등을 이용한 지반보강을 위한 공사 및 지하수 개발 및 폐공처리, 지열 이용을 위한 유체 순환파이프 매설 등 지반에 천공한 후 그라우팅 작업이 수반되는 모든 공사 현장에 적용하여 천공한 공벽을 신속하게 보강하는데 적합하게 사용할 수 있다. 또 본 발명의 가압식 지반보강 장치 및 공법은 지반에 천공홀을 뚫어서 천공홀에 직접 그라우트재를 충전할 수도 있지만, 천공홀에 중공관과 같은 파이프를 삽입한 후 중공관에 그라우트재를 충전하여 지반을 보강할 때도 그대로 적용된다.

또한, 광목과 같은 천으로 된 패커에도 그라우트재 주입호스에 형성된 패커충전홀을 통해 그라우트재를 충전시켜 그라우팅 작업이 끝난 다음 패커를 제거하지 않고 패커의 하부 천공홀에 충전된 그라우트재와 함께 그대로 경화되게 함으로써, 패커를 충전시키기 위한 별도의 작업이나 장비(펌프, 호스 등)가 필요하지 않기 때문에 작업공정이 단순하여 최단시간 내에 지반보강을 위한 그라우팅 작업을 끝낼 수 있고, 패커에 충전된 충전재가 천공홀에 충전된 그라우트재와 동일 재질이기 때문에 시공후 패커 제거작업을 할 필요가 없어서 공사기간과 비용이 훨씬 절약된다.

한편, 물과 접하는 지하수나 하천 관련 그라우팅 공사의 경우에는 특히 토양에 직접 영향을 미치는 중요한 사항인 바, 본 발명에 따른 가압식 지반보강 공법은 지반에 형성된 공벽을 신속하게 메울 수 있어서, 발암물질인 6가크롬이 용출되는 시멘트 그라우팅 작업현장에서 그라우트재의 조기 경화에 따른 용출 최소화로 하천으로 유입되는 탁도 등 환경오염물질을 저감시켜 환경안정성 확보와 친환경공사가 가능한 공법이다.

도 1은 종래의 지반보강 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 지반보강 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 패커를 상세하게 도시한 도면이다.
도 4는 스펀지 배출필터를 도시한 도면이다.
도 5는 스페이서를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 지반보강 공법으로 시공한 단면도이다.

본 발명에 따른 가압식 지반보강 장치의 가장 큰 기술적 특징은, 그라우팅 작업시 지반에 천공한 공벽에서 나오는 물과 공기 및 이물질을 신속하게 배출시켜 이들이 그라우트재와 섞이지 않게 하여 그라우트재가 신속하게 경화되도록 했다는 점과, 천으로 만든 패커에도 그라우트재를 충전시키고 그라우팅 작업이 끝난 다음 패커를 제거하지 않고 천공홀에 충전된 그라우트재와 함께 그대로 경화되게 함으로써 작업공정이 단순하여 최단시간 내에 지반보강을 위한 그라우팅 작업을 끝낼 수 있게 했다는 점이다.

그라우팅(grouting)이란 균열이나 공동(空洞) 등의 틈새에 그라우트(주입액)를 주입하거나 충전(充塡)하는 일을 말하는데, 토목공사 시행과정에서 지반보강을 위해 지반의 갈라진 틈이나 공동 등에 충전재를 주입하는 것으로, 이때 주입하는 주입재를 그라우트 또는 그라우트재라고 한다. 그라우트재는 시멘트와 물 및 점토 등을 사용한 시멘트계 그라우트재가 많이 사용되고 있으며, 필요에 따라 여러 첨가제를 혼합하여 사용하고 있다. 본 발명의 명세서에서는 그라우팅시 충전하는 물과 시멘트가 포함된 충전재를 '그라우트재'로 기재한다.

본 발명의 가압식 지반보강 장치는 지반에 천공한 천공홀(10)에 가압식으로 그라우트재(30)를 충전시키기 위한 장치로, 지반 보강을 위한 네일(21)과, 그라우트재를 주입하기 위한 주입호스(23)와, 물과 공기 및 이물질을 배출시키기 위한 배출호스(24)와, 제1 및 제2스펀지 배출필터(22a, 22b)와, 패커(22)를 기본적인 구성으로 구비하게 된다.

네일(nail)(21)은 지반에 형성된 천공홀(10)의 중심에 길이방향을 따라 천공홀(10)의 바닥까지 위치하면서 천공홀(10)에 충전되는 그라우트재(30)와 함께 경화되어 지반을 보강하기 위한 철근과 같은 일종의 보강재로(콘크리트 구조물 축조시 들어가는 철근과 같음), 철근이나 연강선 또는 락볼트 등이 사용되고, 네일(21)의 하단 부분에는 네일(21)이 천공홀(10)의 중앙에 위치하도록 하기 위한 스페이서(spacer)(26)를 체결하는 것이 바람직하다. 스페이서(26)는 합성수지재로 제작된 것으로, 일측 방향이 개구되어 있어서 네일(21)의 하단 부분에 끼워지게 된다(도 5 참조).

주입호스(23)는 천공홀(10)의 길이방향을 따라 네일(21)과 인접하여 천공홀(10)의 바닥까지 위치하게 되고, 그라우트재(30)를 가압 주입하는 통로가 되는 구성이다.

배출호스(24)는 천공홀(10)의 길이방향을 따라 네일(21) 및 주입호스(23)와 인접하여 위치하게 되는데, 지반을 천공하기 때문에 지반으로부터 물과 이물질 등이 천공홀(10)로 흘러나오게 되므로 이와 같은 물과 공기 및 이물질을 배출시키기 위한 구성으로, 배출호스(24)의 선단은 천공홀(10)의 바닥에 위치하는 것이 아니라 제1스펀지 배출필터(22a)의 하부까지만 위치하게 된다.

배출호스(24)의 선단에는 주면(柱面)에 일정 간격으로 다수개의 구멍이 형성된 다공 배출필터(25)를 부착하는 것이 바람직한데, 이와 같은 다공 배출필터(25)를 통해 천공홀(10) 내부에 있는 물과 공기 및 이물질 등을 신속하게 배출시킴으로써, 천공홀(10)에 주입된 그라우트재(30)에 이들이 섞이지 않게 하여 그라우트재(30)가 신속하게 경화될 수 있게 된다. 이와 같이 그라우트재가 신속하게 경화되어 천공홀을 메우기 때문에 주위의 지하수 및 지반붕괴로 인한 흙이나 이물질 유입을 신속하게 차단하여 지반의 붕괴 방지는 물론 지반 침하를 방지할 수 있게 된다. 또한, 다수개의 구멍이 형성된 다공 배출필터(25)를 부착 사용하기 때문에 흙이나 이물질 등에 의해 호스가 막히는 현상을 방지할 수 있다.

제1 및 제2스펀지 배출필터(22a, 22b)는 원기둥 모양의 스펀지 블럭 형상인데, 네일(21)과 주입호스(23) 및 배출호스(24)가 제1 및 제2스펀지 배출필터(22a, 22b)에 각각 관통되게 삽입되고, 제1 및 제2스펀지 배출필터(22a, 22b)는 천공홀(10)의 상단 부분에 일정 간격을 두고 각각 설치된다. 물론 제1 및 제2스펀지 배출필터(22a, 22b)에는 네일(21)과 주입호스(23) 및 배출호스(24)가 관통될 수 있도록 미리 홀을 형성해 놓는 것이 바람직하다.

패커(packer)(22)는 광목과 같은 천을 사용하여 통 형상으로 제작되어 천공홀(10)의 상단 부분에 위치하게 되는 구성인데, 통 형상의 양단(兩端) 부분이 네일(21)과 주입호스(23) 및 배출호스(24)가 관통 삽입된 제1 및 제2스펀지 배출필터(22a, 22b)를 내부에 두고, 제1 및 제2스펀지 배출필터(22a, 22b)와 케이블타이(22c)(가정이나 사무실에서 케이블 등을 바인드하여 정리하는 일종의 체결구와 같음)에 의해 체결(바인드)되어 설치된다.

패커(22)는 광목과 같은 천으로 만들어져 있기 때문에 패커(22) 내부에 그라우트재가 충전된 후 패커(22) 내부의 물과 공기 등을 신속하게 배출시킬 수 있어서, 그라우트재가 신속하게 경화되어 조기에 강도를 발현할 수 있으므로 지반에 형성된 공벽(천공홀)을 신속하게 메울 수 있게 되어 그라우팅 작업시간이 현저하게 단축시킬 수 있게 된다. 또한, 패커(22)가 고무나 우레탄과 같은 재질이 아니고 천으로 되어 있고, 패커(22) 내부에 충전되는 충전재도 천공홀(10)에 충전되는 그라우트재(30)와 동일한 재질이기 때문에 그라우트재(30)와 패커(22)가 일체로 신속하게 경화되게 되므로 조기에 큰 강도를 발현할 수 있게 된다.

주입호스(23)가 패커(22) 내에 위치하는 부분에는 주입호스(23)에 패커충전홀(23a)이 형성되어 있고, 주입호스(23)가 제1스펀지 배출필터(22a)의 하단 부분에 위치하게 되는 부분에는 주입호스(23)를 가압하는 집게나 클립과 같은 가압핀(23b)이 체결되어 있어서, 주입호스(23)를 그라우트재를 주입하면 그라우트재가 패커충전홀(23a)을 통해 유출되어 패커(22)를 충전시킨 다음, 그라우트재가 계속 가압 주입되므로 압력에 의해 가압핀(23b)이 주입호스(23)에서 이탈되면서 패커(22) 하부에 있는 천공홀(10)로 그라우트재가 충전되게 된다.

본 발명에 따른 가압식 지반보강 공법을 설명하면, 먼저 지반에 천공장치를 이용하여 천공홀(10)을 형성하는 단계를 거친 다음, 천공홀(10) 내부로 가압식 지반보강 장치(20)를 삽입하는 단계를 거치고, 지반보강 장치에 구비된 주입호스(23)를 통해 그라우트재를 가압 주입하여 패커(22) 내부에 그라우트재를 충전시키는 단계를 거치고, 패커(22)에 그라우트재가 충전된 후 계속 그라우트재를 가압 주입하면서 천공홀(10)에 그라우트재를 충전하고, 배출호스(24)를 통해 천공홀(10) 내부에 있는 물과 공기 및 이물질을 배출시키는 단계를 거친 다음, 가압식 지반보강 장치에 있는 네일(21)과 주입호스(23) 및 배출호스(24)의 상단 부분을 절단(호스는 고무 재질이기 때문에 절단하지 않고 상단 부분을 구부려서 넣을 수도 있음)한 후 마무리 하는 단계를 거쳐서 지반보강 그라우팅 작업을 하게 된다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것이고, 명세서에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되고, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사항도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 천공홀
20 : 지반보강 장치 21 : 네일(nail)
22 : 패커(packer) 23 : 주입호스
24 : 배출호스 25 : 다공 배출필터
26 : 스페이서(spacer)
30 : 그라우트재

Claims (8)

1. 지반에 천공한 천공홀에 가압식으로 그라우트재를 충전시키는 지반보강 장치에 있어서,
   상기 장치는,
   상기 천공홀의 중심에 길이방향을 따라 위치하게 되는 네일(nail);
   상기 천공홀의 길이방향을 따라 상기 네일과 인접하여 위치하게 되며, 그라우트재를 주입하는 통로가 되는 주입호스;
   상기 천공홀의 길이방향을 따라 상기 네일과 인접하여 위치하게 되며, 천공홀에 있는 물과 공기 및 이물질을 배출시키기 위한 배출호스;
   상기 네일과 주입호스 및 배출호스가 각각 관통되게 삽입되고, 상기 천공홀의 상단 부분에 일정 간격을 두고 설치되는 제1 및 제2스펀지 배출필터;
   통 형상의 천으로 제작되어, 통 형상의 양단(兩端) 부분이 상기 제1 및 제2스펀지 배출필터를 내부에 두고 케이블타이에 의해 체결(바인드)되어 설치되는 패커(packer);
   상기 배출호스의 선단에 끼워져서 설치되고, 주면(柱面)에는 천공홀 내부에 있는 물과 공기 및 이물질을 신속하게 배출시키기 위하여 일정 간격으로 구멍이 형성된 다공 배출필터;
   를 포함하여 구성되고, 상기 주입호스가 패커 내에 위치하는 부분에는 주입호스에 패커충전홀이 형성되어 있고, 상기 네일과 주입호스의 선단(先端)은 천공홀의 바닥 부분까지 위치하게 되며, 상기 배출호스의 선단은 상기 제1스펀지 배출필터의 하부까지만 위치하게 되어 있으며,
   상기 주입호스가 제1스펀지 배출필터의 하단 부분에 위치하게 되는 부분에는 주입호스를 가압하는 가압핀이 체결되어 있고, 상기 네일의 하단 부분에는 네일이 천공홀의 중앙에 위치하도록 하기 위한 스페이서가 더 체결되어 있으며, 상기 제1 및 제2스펀지 배출필터에는 상기 네일과 주입호스 및 배출호스가 관통 삽입되는 홀이 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가압식 지반보강 장치.
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