KR20100114738A - 경사계를 이용한 지중변위 계측 모델 - Google Patents

Abstract

경사계를 이용한 지중변위 계측 모델을 개시한다. 개시된 모델에서는 지중경사계(11a,11b,11c,…)를 연직방향이 아닌 일정각도로 기운 경사방향으로 설치하고, 경사계프로브에서 검출된 신호로부터 암반의 수직 및 수평변위가 포함된 데이터를 처리한다. 경사방향으로 설치된 지중경사계의 변위에는 암반의 수평 변위뿐만 아니라 수직 변위 정보가 포함된다. 암반의 수평변위와 수직변위를 동시에 검출할 수 있고, 특히 종 및 횡 방향의 수평변위가 포함된 3차원 심층 분석이 가능하다. 또한 경사진 지중경사계에 의하면 임의 방향 거동에 대해 대체로 수직에 가깝게 놓이며, 또한 연직방향의 암반 침하방향에 대해서도 일정 각도로 기울어져 있으므로 높은 측정 감도로 미소한 암반 거동이나 침하방향의 암반 거동도 측정가능한 등 기존 연직방향의 지중경사계에 비해 계측의 신뢰성과 효율성이 월등하게 된다.

사면 계측, 경사계, 수직변위, 수평변위

Description

경사계를 이용한 지중변위 계측 모델{MODEL OF MEASURING UNDERGROUND DISPLACEMENT USING INCLINOMETER}

본 발명은 경사계를 이용한 지중변위 계측 모델에 관한 것으로서, 특히 임의 방향의 암반 거동에 대해 수직 및 수평방향의 변위량을 측정하는 신 개념의 사면 계측을 위한 것이다.

도로, 철도, 터널, 교량, 댐, 항만 등의 건설로 인위적으로 절취되는 사면이 늘고 있다. 인위적으로 절취되는 사면은 암반 이완 등 내ㅇ외부 요인에 의해 붕괴될 위험성이 높다. 그러므로 사면 절취 및 보강 공사에 있어서는 사전 조사를 통해 대상 사면에 대한 안정성을 평가한 다음, 적절한 설계와 시공 방안을 수립하는 것이 바람직하다. 그러나 사면 내 암반에는 절리, 층리, 단층과 같은 불연속면이 존재하는 데다, 그 불연속면의 방향과 지질학적 특성에 의한 붕괴 유형이 다양하여 안정성을 평가하는데 어려움이 따른다. 특히 사면의 규모가 커질수록 사전 조사와 정확한 평가에 한계가 있으므로, 대부분의 사면이 안정성에 대한 불확실성 요인을 안은 채 설계 및 시공되고 있는 실정이다.

이러한 사면의 불확실성 요인을 보완하고 붕괴 시기를 예측하기 위해 사면 계측은 필수적이다. 사면 계측은 사면 공사 기간 뿐만 아니라 공사 완료 이후의 사고 예방을 위한 지속적인 감시 및 유지관리에도 필요한 것이다. 사면 계측에 있어서는 암반의 붕괴나 활동의 위험성, 계측기기의 특성, 현지 조건 등을 고려하여 계측기기를 선정하고 암반의 거동을 효율적으로 파악할 수 있는 위치에 적절히 배치하는 것이 중요하다.

몇가지 암반의 붕괴 유형을 예로들어 설명하면, 평면파괴의 경우 인장 균열의 변위, 속도를 측정할 수 있는 신축계와 활동면 위치를 측정할 수 있는 지중경사계가 주로 이용된다. 쐐기파괴의 경우는 평면파괴 유형과 같이 신축계, 지중경사계가 이용된다. 암반사면에서 비교적 사례가 적은 원호파괴의 경우는 평면파괴 유형에서 설치되는 계측기와 유사하며 지표면의 활동 진행에 따라 회전운동이 발생하는 사면 머리부를 측정하기 위해 지반경사계를 추가로 사용한다. 층 구조가 전도되어 발생하는 전도파괴의 경우는 이동 말뚝과 타게트, 지반경사계, 신축계, 지중경사계 등이 설치되는데, 전도파괴 지역 전체의 활동붕괴를 체크하기 위해서 지중경사계를 활동면 아래까지 삽입하여 계측을 실시한다. 한편 주로 터널 굴착면에 대해 연직방향의 지중 변위 측정에 이용되는 지중변위계가 암반사면의 수평방향 이완 성향을 측정하는데 이용되기도 한다.

위에서 열거된 계측기기 가운데, 지중경사계는 경사계를 이용하여 사면 내 암반 거동에 의한 심도별 수평변위를 측정하게 된 것으로, 주 거동 심도를 추정할 수 있어 거의 모든 암반 붕괴 유형에서 사면 암반의 거동 특성을 파악하는데 주로 이용되어져 왔다.

도 1은 가상의 자연 사면에 대한 경사계를 이용한 종래 지중경사계의 사면 계측 모식도이다. 도면에 있어서, 부호 1은 자연 사면을 나타내 것이고, 부호 1a,1b,1c,…는 절취 사면을 나타낸다. 자연사면(1)은 높이에 따라 위에서부터 단계적으로 내려오면서 다단의 절취사면(1a,1b,1c,…)으로 시공되며, 각 단계의 시공에 앞서 안전을 위해 지중경사계(10a,10b,10c,…)가 차례로 시공되는 것이다. 좀더 자세히 설명하면, 첫 번째 시공 위치 안쪽에 제1지중경사계(10a)를 설치하여 해당 부위의 토사 또는 암반 거동을 파악하면서 제1절취사면(1a) 시공을 하고, 이어서 제2지중경사계(10b) 설치후 제2절취사면(1b) 시공을, 제3지중경사계(10c) 설치후 제3설취사면(1c) 시공을 한다. 여기서 절취사면(1a,1b,1c,…)의 각 시공은 그라우트 어스앵커(2a,2b,…) 등의 보강공사로 마무리된다. 도 1에 있어서 부호 3은 암반 내 예상되는 활동면을, 4 및 5는 각각 암반의 거동 영역을 나타낸다.

종래의 지중경사계(10a,10b,10c,…)는 각각 개착면에서 암반 내 예상되는 활동면(3) 보다 깊게 연직방향으로 굴착한 구멍에 설치되어 왔으며, 도 2와 같이, 경사계관(11)과 경사계프로브(12) 및 데이터로거(13)로 이루어진다. 경사계관(11)은 연직방향의 굴착공(6)에 삽입되고 그 주위에 충진된 그라우트재(7)에 의해 암반과 일체화된다. 암반과 일체화된 경사계관(11)은 암반의 거동에 따라 대체로 같은 방향으로 변형되어 심도에 따라 점차 기울게 되고, 내부에 삽입된 경사계프로브(12)에 의해 그 기울어진 각도가 검출된다. 경사계프로브(12)에서 검출된 신호는 케이블(14)을 통해 데이터로거(13)로 출력되며, 데이터로거(13)는 경사계프로브(12)에서 검출되는 신호에 기초하여 암반의 심도별 수평 이완에 관한 데이터를 처리한다.

도 3을 참조하면 경사계관(11)의 기울어진 각도가 θ이고 경사계프로브(12)의 바퀴 간격이 L일 때, 각 계측 구간의 수평 변위는 Lㅧsinθ로서 처리되며, 심부 고정점에서부터 심도별 각 계측구간의 변위를 누적하여 각 심도별 수평 변위에 관한 데이터가 얻어지는 것이다.

일반적으로 사면 내 암반은 층리나 절리 방향으로 이완되면서 중력의 영향을 받아 연직면에 대해 대체로 경사진 방향으로 거동하게 된다. 다시말해서 암반의 거동에 의해 수직 침하와 수평 이완이 발생되는데 그 역학 관계를 도식화하면 도 4와 같다. 즉, 암반 거동방향의 힘 F₀에 대한 수직분력 F_v에 의해 암반이 침하되고 동시에 수평분력 F_h에 의해 암반이 이완되는 것이다. 이와 같은 역학 관계에서 종래 연직방향으로 설치된 경사계관은 그에 수직한 방향으로 작용하는 수평분력 F_h에 의해 변형되고, 그와 평행한 수직분력 F_v에 의해서는 거의 변형되지 아니한다. 즉, 종래 연직방향의 경사계관의 기울기 정보에는 암반의 수평방향 이완 정보만 포함되어 있으며, 결과적으로 심도별 수평변위에 따른 암반의 수평방향 거동을 감시할 수 있었을 뿐이다.

사면 계측에 있어서의 신뢰성은 암반의 미소한 거동을 포함하여 정확한 암반의 거동 방향과 각 방향의 변위량을 정확히 파악할 수 있을 때 비로소 확보될 것이다.

그러나 전술한 종래의 지중경사계에 의한 사면 계측에 있어서는 경사계가 연직방향으로 설치되어 임의의 암반 거동에 대해 수평분력 F_h에 의한 암반의 수평 이완만을 측정하고 수직분력 F_v에 의한 암반 침하량은 측정하지 못함으로써 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 경사계를 기준으로 안쪽에 위치한 암반 거동은 용이하게 감시되나, 외측의 암반 거동, 예컨대 도 1에 있어서의 경사계(1a,1b) 각 우측의 암만 거동 영역(5,6)은 감시가 불가하였으며, 이로 인해 그 외측에 위치하는 사면에 대한 작업 도중 붕괴 예측이 어려웠다.

둘째, 경사방향 암반 거동의 수평분력에 의한 수평 이완만을 측정하므로 측정감도가 저하되어 계측의 신뢰성이 떨어지고, 정확한 암반의 거동 특성을 파악할 수 없는 등 데이터 활용도가 낮았다.

셋째, 연직방향의 거동에 의한 침하나 수직 절리의 암반층 거동은 거의 측정이 불가하였으며, 특히 부분 침하에 의한 공동을 감시하지 못하여 일순간에 붕괴하는 사고의 예측이 불가하였다.

넷째, 사면 계측 공정과 절취사면 공정을 분리 시공하므로 공기가 지연되고 인건비가 상승하므로 비경제적이다.

다섯째, 자연 사면의 경사가 급한 경우 굴착 장비 동원이 어렵고, 토사층이 높은 대절토사면의 경우 안정 암반까지의 굴착공이 깊어지므로 시공이 어려웠다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 지중경사계의 사면 계측에 있어서 사면 내 암반의 수평 이완 뿐만 아니라 수직 침하를 포함한 모든 방향의 암반 거동을 측정할 수 있으며, 측정감도가 높아 미소한 암반 거동도 감시할 수 있는 신 개념의 경사계를 이용한 지중변위 계측 모델을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하는 본 발명에 따른 경사계를 이용한 지중변위 계측 모델은 사면 내 암반을 굴착한 굴착공에 삽입 및 일체화된 경사계관, 이 경사계관 내에 삽입되어 암반 거동에 따른 경사계관의 심도별 기울기 신호를 검출하는 경사계프로브, 이 경사계프로브에서 검출되는 신호에 기초하여 암반 거동에 관한 데이터를 처리하는 데이터로거를 포함하는 것에 있어서, 상기 경사계관이 연직방향에 대해 일정각도로 기운 경사방향으로 설치되고, 상기 데이터로거가 상기 경사계프로브에서 검출된 신호로부터 암반의 수직 및 수평방향의 변위가 포함된 데이터를 처리하도록 프로그램된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 경사계가 2축 각도 센서를 내장하여, 상기 수평변위로서 사면과 나란한 종방향의 수평변위 및 사면에 수직한 횡방향의 수평변위를 동시에 측정할 수 있다.

또한 바람직하게는 상기 경사계관의 설치 각도가 30ㅀ 내지 60ㅀ의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 경사계를 이용한 지중변위 계측 모델.

본 발명에 있어서의 경사계관은 연직방향에 대해 일정 각도로 기운 경사방향으로 설치되므로 임의 방향의 암반 거동에 따른 수평 및 수직하중에 의해 변형되 고, 그 변형된 경사계관의 기울기에는 암반의 수평 변위뿐만 아니라 수직 변위 정보가 포함된다. 따라서 경사계관의 기울기 정보로부터 암반의 수평변위와 수직변위를 동시에 검출할 수 있고, 특히 종 및 회방향이 수평변위가 포함된 3차원 심층 분석이 가능하여 보다 정밀한 암반 거동 특성 분석이 가능한 것이다.

또한 본 발명에 따르면 경사계관이 암반의 임의 방향 거동에 대해 대체로 수직에 가깝게 놓이며, 또한 연직방향의 암반 침하방향에 대해서도 일정 각도로 기울어져 있으므로 미소한 암반 거동이나 침하방향의 암반 거동에 대해서 용이하게 변형될 수 있다. 따라서 미소한 암반 거동이나 침하 등 연직방향에 가까운 암반 거동에 대해서도 측정 감도가 높아 보다 정밀한 측정이 가능하게 된다.

또한 본 발명에 따르면 경사진 경사계관은 절취사면 보강을 위한 기존 그라우트 어스앵커 시공을 위한 같은 굴착공에 설치가능하여, 공정과 공기를 단축할 수 있고 인건비를 절감할 수 있어 경제적이다.

또한 본 발명에 따르면 토사층이 높은 사면에 대해서도 대체로 비교적 안정 암반까지의 굴착공 깊이가 깊지 않아도 되고, 특히 기존 그라우트 어스앵커와 같은 굴착공을 이용할 수 있으므로 사면 높이나 경사도에 관계없이 시공이 용이해 진다.

또한 본 발명에 따르면 경사진 지중경사계에 의해 사면에 대해 폭넓은 범위에 걸쳐 암반 거동을 측정하므로, 전술한 바와 같은 도 1의 우측 암반 거동(4)에 대한 감시불능 영역이 거의 없어 그 계측의 신뢰도가 높아진다.

또한 발명에 따르면 경사진 지중경사계는 절취사면 공정으로 이행될 수 있으므로, 예를 들면 계측과 사면의 절취 및 보강 공사를 통합할 수 있으므로 행정적인 사면의 발주와 시공관리가 용이해지는 것은 물론, 시공에서 사후 유지관리까지 일원화하는데 유리하며, 이와 같이 하면 시공 초기의 계측 데이터와 시공중의 안전관리를 위한 계측데이터 그리고 시공후의 유지관리를 위한 계측 데이터의 연속성 확보가 용이해지고, 따라서 인위적인 절취 사면의 불확실성 요인을 최소화하고 정확한 감시가 가능한 것이다.

이하, 도 5 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 이들 도면은 어디까지나 본 발명의 이해를 돕기 위해 실시가능한 한 형태를 나타낸 것일 뿐, 일부분이 과장되거나 생략되는 등 실제와 다를 수 있다. 또한 도면의 실시예들에서 제시된 사면은 특정 사면과 무관하며 특정 사면을 한정하는 것 또한 아니다. 이하의 도면에는 편의상 앞에 설명된 도면들과 동일 또는 대응되는 부분에 대하여 동일한 부호를 사용하였다.

도 5는 본 발명에 따른 경사계를 이용한 지중변위 계측을 위한 신 개념의 사면 계측 모식도이다. 본 발명을 위한 신 개념의 사면 계측 모식도의 가장 큰 특징은 종래와 달리 경사계를 사용한 지중경사계를 연직방향에 대해 임의 각도, 예를 들면 사면에 대해 대체로 수직한 방향으로 경사지게 설치된 점이다. 이와 같이 본 발명은 단지 종래의 연직방향으로 설치하던 것을 그 연직방향에 비교적 큰 각도로 경사지게 설치하는 것만으로 사면 계측의 획기적 변화를 가져올 수 있다.

도 5에 있어서, 부호 20a,20b,20c,…는 본 발명에 따른 개선된 지중경사계이다. 본 발명에 있어서의 지중경사계(20a,20b,20c,…)는 연직방향에 대해 일정각도 경사지게, 바람직하게는 절취사면(1a,1b,1c,…)에 대해 대체로 수직한 방향으로 설치된 것으로, 기존 그라우트 어스앵커(2a,2b,2c,…)와 같은 굴착공에 설치될 수 있는데, 그 시공은 다음과 같다.

먼저, 첫 번째 시공 위치 안쪽에 제1지중경사계(20a)를 설치한다. 이어, 제1지중경사계(20a)에 의한 토사 또는 암반의 거동을 파악하면서 제1절취사면(1a)을 시공하고, 이때 제1절취사면(1a)의 보강을 위한 그라우트 어스앵커(2a)와 함께 제2지중경사계(20b)를 설치한다. 그리고 제2지중경사계(20b)에 의한 토사 또는 암반의 거동을 파악하면서 제2절취사면(1b)을 시공을 하고, 그라우트 어스앵커(2b)와 함께 제3지중경사계(20c)를 설치한다. 여기서 각 지중경사계 설치를 위한 굴착공은 별도로 시추하지 않고 기존 그라우트 어스앵커 설치시 추가 시추된 굴착공을 이용할 수 있다.

상기한 지중경사계(10a,10b,10c,…)는 각각 개착면에서 암반 내 예상되는 활동면(3) 보다 깊게 그리고 연직방향에 대해 일정각도로 기운 경사방향으로 굴착한 구멍에 설치되는 것으로, 도 6과 같이, 경사계관(21)과 경사계프로브(22) 및 데이터로거(23)로 이루어진다. 경사계관(11)은 연직방향에 대해 비교적 큰 일정각도로 기운 경사진 굴착공(6′)에 삽입되고 그 주위에 충진된 그라우트재(7)에 의해 암반과 일체화되는 것으로, 그 규격이나 재질 및 기타 설치 조건 등은 종래와 다르지 않다. 다만, 종래와 달리 경사방향으로 누운 자세로 설치되므로 암반 거동에 따라 대체로 같은 방향으로 변형되어 심도에 따라 점차 큰 각도로 눕는 모양으로 기울게 되고, 내부에 삽입된 경사계프로브(22)는 초기 경사각에서 변화된 각도를 검출하게 되는 것이다. 본발명에 있어서의 데이터로거(23)는 경사계프로브(22)에서 검출된 심도별 각도 변화로부터 심도별 수직 침하 및 수평 이완에 관한 데이터를 동시에 처리하는 프로그램된 것이다.

도 7을 참조하면 연직방향에 대한 초기의 설치각도가 θ ₁이고, 암반 거동에 따른 변형 각도가 θ ₂라 하면, θ ₂-θ ₁의 각도 변화가 생기고, 그 각도 변화에는 암반 거동에 의한 수직 변위 ΔV와 수평 변위 ΔH에 관한 정보가 포함되어 있다. 수직 변위 ΔV와 수평 변위 ΔH는 전술한 데이터로거(23)의 프로그램에 의하여 다음과 같이 연산될 수 있다.

ΔV = V₂ - V₁

= L ㅧ sinθ ₂ - L ㅧ sinθ ₁

= L(sinθ ₂ - sinθ ₁)

ΔH = H₂ - H₁

= L ㅧ cosθ ₂ - L ㅧ cosθ ₁

= L(cosθ ₂ - sinθ ₁)

여기서, V₁, H₁은 각각의 기준 위치에 대한 암반의 거동 전 초기의 수직 및 수평 위치를, V₂, H₂는 각각의 기준 위치에 대한 암반의 거동 후 수직 및 수평 위치를, 그리고 L은 경사계프로브(22)의 바퀴 간격을 나타낸다.

상기 ΔV가 양의 값이면 암반의 융기를, 음의 값이면 암반의 침하를 의미하는 것이고, 상기 ΔH가 값이 양의 값이면 암반의 이완을, 음의 값이면 암반의 수축을 의미한다.

또한 심도별 ΔV와 ΔH의 총화(ΣV, ΣH)를 구하면, 암반 수직 침하와 수평 이완의 양상을 쉽게 파악할 수 있다.

상기 경사계프로브(23)의 수평자세를 90ㅀ회전시켜 심도별 계측을 하면, 상기 수평 변위 ΔH에 대해 사면과 나란한 종방향의 수평변위와 사면에 수직한 횡방향의 수평변위를 측정할 수 있다. 즉, 암반의 거동의 수직변위와 종방향 및 횡방향의 수평변위가 포함된 보다 가시적이고 정확한 3차원 심층분석이 가능한 것이다. 또한 상기 경사계프로브(23)에 2축 센서가 내장되면 한 번의 계측으로 그 3차원 심층분석이 가능한 것이다.

본 발명에 따른 경사진 지중경사계는 대체로 암반 거동 방향과 직각에 가깝게 놓이게 되며, 도 8에 나타낸 바와 같이 연직방향에 대해 경사각(α)을 두고 거동하는 암반의 거동력 F₀의 벡터 성분을 본 발명의 경사진 지중경사계에 대한 수직분력 F_a과 그 수평분력 F_b으로 구분하였을 때, 그 수직분력 F_a는 수평분력 F_b보다 대체로 크고, 또한 도 4에 나타난 연직방향에 대한 수직한 수평분력 F_h보다도 크며, 본 발명의 경사진 지중경사계는 그 수직분력 F_a에 의해 변형된다. 즉, 종래의 연직방향으로 설치한 경우에 비해 측정 감도가 높아, 연직방향에 가까운 암반의 수직침하나 미소한 암반 거동을 용이하게 계측할 수 있는 것이다.

본 발명의 경사진 지중경사계(10a,10b,10c,…)의 설치각도는 대체로 연직방향에 대해 30°~60° 범위가 바람직하다. 30°보다 작아지면 암반의 침하방향 거동에 대해 둔감해질 수 있고, 60°보다 커지면 암반의 수평방향 거동에 대해 둔감해질 수 있기 때문이다. 또한 같은 사면에 대해서도 지중경사계(10a,10b,10c,…)의 각 설치각도는 꼭 일치할 필요는 없으며, 예를 들면 암반의 절리나 층리 방향 변화에 따라 각각의 설치각도를 달리할 수 있는 것이다. 바람직하게는 암반층이 대체로 수평한 경우에 45°가 적당하고, 그 층리가 사면쪽으로 많이 기울거나 수직절리의 경우 60°이상 더 기울여도 무방할 것이다.

한편, 도면으로 예시하지는 않았으나, 본 발명의 다른 실시 형태로서, 전술한 경사진 경사계관 내에 일정간격마다 경사계프로브를 삽입 고정하여 원격감시 시스템을 위한 계측이 가능함은 물론이다.

본 발명은 또한 사면 계측뿐만 아니라, 운하나 방파제 등의 대형 옹벽 구조물, 댐 구조물 등 붕괴 위험이 있는 각종 구조물에 대한 계측과 감시에도 응용가능함은 물론일 것이다.

도 1은 종래의 경사계를 이용한 지중경사계의 사면 계측 모식도.

도 2는 종래의 경사계를 이용한 지중경사계의 구조를 나타낸 개략도.

도 3은 종래의 경사계를 이용한 지중경사계의 측정원리를 설명하는 도면.

도 4는 종래의 경사계를 이용한 지중경사계의 변위에 대한 역학관계를 설명하는 도면.

도 5는 본 발명에 따른 경사계를 이용한 지중경사계의 사면 계측 모식도.

도 6은 본 발명에 따른 경사계를 이용한 지중경사계의 구조를 나타낸 개략도.

도 7은 본 발명에 따른 경사계를 이용한 지중경사계의 측정원리를 설명하는 도면.

도 8은 본 발명에 따른 경사계를 이용한 지중경사계의 변위에 대한 역학관계를 설명하는 도면.

Claims (3)

1. 사면 내 암반을 굴착한 굴착공에 삽입 및 일체화된 경사계관, 이 경사계관 내에 삽입되어 암반 거동에 따른 경사계관의 심도별 기울기 신호를 검출하는 경사계프로브, 이 경사계프로브에서 검출되는 신호에 기초하여 암반 거동에 관한 데이터를 처리하는 데이터로거를 포함하는 것에 있어서,

   상기 경사계관이 연직방향에 대해 일정각도로 기운 경사방향으로 설치되고, 상기 데이터로거가 상기 경사계프로브에서 검출된 신호로부터 암반의 수직 및 수평변위가 포함된 데이터를 처리하도록 프로그램된 것을 특징으로 하는 경사계를 이용한 지중변위 계측 모델.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 경사계가 2축 각도 센서를 내장하여, 상기 수평변위를 사면과 나란한 종방향의 수평변위 및 사면에 수직한 방향의 횡방향 수평변위를 동시에 측정하게 된 것을 특징으로 하는 경사계를 이용한 지중변위 계측 모델.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 경사계관의 설치 각도가 30ㅀ 내지 60ㅀ의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 경사계를 이용한 지중변위 계측 모델.

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