鄭州地鐵03標盾構(gòu)施工重難點分析及對策

宋書顯，郭 磊

(中鐵隧道集團有限公司鄭州地鐵一號線一期03標，鄭州 450000)

0 引言

盾構(gòu)法施工已在我國城市軌道交通施工中顯示出技術(shù)經(jīng)濟、安全優(yōu)越性，因此得到快速發(fā)展和推廣，已成為隧道施工首選方案。目前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于盾構(gòu)法隧道施工對建、構(gòu)筑物影響都做了大量的研究工作［1－2］。但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜多樣及施工參數(shù)的變化，使研究成果局限性。本文以鄭州地鐵一號線一期土建工程03標段為背景，介紹盾構(gòu)法在軟土中順利下穿重要建、構(gòu)筑物采取的技術(shù)保證措施，以減少盾構(gòu)隧道施工對地表沉降及周邊建筑的影響。

1 概述

鄭州地鐵一號線一期土建工程計劃于2014年全體通車，東起新東站，西至鄭上路凱旋路站，線路總長度26.2 km，共設(shè)站點20個。其中03標包括二七廣場站、市體育館站、中原東路站—鄭州火車站站區(qū)間、鄭州火車站站—二七廣場站區(qū)間、二七廣場站—市體育館站區(qū)間和市體育館車站—紫荊山車站區(qū)間，詳見圖1。

2 工程重難點分析及對策

2.1 盾構(gòu)穿越鄭州火車站站場難點和對策

鄭州火車站—二七廣場站區(qū)間盾構(gòu)要下穿運輸繁忙的鄭州火車站內(nèi)的多股軌道，此處隧道頂埋深12～16 m，區(qū)間隧道與鐵路位置關(guān)系見圖2。

如何確保盾構(gòu)穿越過程中不影響鐵路安全運營，是本標段施工的重點和難點。受場地及運營安全限制，無法采取地面加固措施，完全依靠洞內(nèi)措施來實現(xiàn)控制站內(nèi)軌道沉降或隆起小于4 mm，結(jié)合實際地質(zhì)條件、周圍環(huán)境等，特制定以下對策。

2.1.1 施工前準備與調(diào)查

1)對掘進穿越范圍地質(zhì)及周邊環(huán)境進行細致探查，根據(jù)調(diào)查情況并結(jié)合地質(zhì)、周邊環(huán)境等進行沉降計算和預(yù)測，在盾構(gòu)通過前對鐵路預(yù)先埋設(shè)實時監(jiān)控設(shè)備。

2)在盾構(gòu)機通過前，提前與路局相關(guān)部門聯(lián)系、溝通，詳細了解鐵路保護標準及列車運行頻次等情況，結(jié)合鐵路局安全、運輸?shù)炔块T的指導(dǎo)建議，制定合理、可靠的保護方案，上報業(yè)主、監(jiān)理、鐵路部門經(jīng)審批同意后進行施工。

2.1.2 掘進參數(shù)選取

1)在盾構(gòu)通過前，選擇類似地質(zhì)及埋深條件下150 m區(qū)段作為模擬推進段，通過模擬段實時沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，不斷調(diào)整優(yōu)化各項參數(shù)，按照控制沉降隆起小于3 mm的嚴格標準來選取相關(guān)參數(shù)，以確保實際穿越時能夠滿足運營沉降不超限，確保安全一次通過。

2)穿越鐵路時，土倉中心土壓力值根據(jù)埋深及土層情況設(shè)定為0.15 ～0.17 MPa，壓力波動控制在 0 ～0.02 MPa，嚴禁土壓出現(xiàn)拉風(fēng)箱式波動，從而擾動土體。

3)盾構(gòu)推進通過對土壓傳感器的數(shù)據(jù)來控制千斤頂?shù)耐七M速度，推進速度控制在2～2.5 cm/min，在推進過程中勻速推進，并保持推進速度、出土速度和注漿量相匹配。

4)出土量與土壓力值一樣，也是影響地面沉降的重要因素。盾構(gòu)機的開挖斷面為30.95 m2，管片長1.5，每環(huán)的理論出土量為 30.95 ×1.5 ×1=46.4 m3，在盾構(gòu)機穿越鐵路期間，將出土量控制在理論出值的98%，即46.4 ×98%=45.5 m3左右，保證盾構(gòu)切口上方土體能有微量的隆起(不超過1 mm)，以便抵消一部分土體的后期沉降量，從而使鐵路沉降量控制在最小范圍內(nèi)，確保鐵路線安全。

5)同步注漿量一般控制在建筑空隙的180% ～200%，實際施工中漿液的用量結(jié)合前一階段施工的用量以及監(jiān)測報表和注漿壓力綜合進行合理選擇，同步注漿盡可能保證勻速、勻均、連續(xù)的壓注，防止推進尚未結(jié)束而注漿停止的情況發(fā)生。注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa，注漿量和壓漿點視壓漿時的壓力值和地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)而定。

6)由于盾構(gòu)推進時同步注漿的漿液在填補建筑空隙時，有可能會沿土層裂隙滲透而依舊存在一定間隙，且漿液的收縮變形也存在地面變形及土體側(cè)向位移的隱患，受擾動土體重新固結(jié)產(chǎn)生地面沉降。因此根據(jù)實際情況(監(jiān)測結(jié)果)需要，在管片脫出盾尾5環(huán)后，可采取對管片后的建筑空隙進行二次注漿的方法來填充，漿液為水泥、水玻璃雙液漿、注漿壓力0.4～0.5 MPa。壁后二次注漿根據(jù)地面監(jiān)測情況隨時調(diào)整，從而使地層變形量減至最小。

2.1.3 過程控制

1)配備豐富經(jīng)驗的盾構(gòu)操作司機、值班工程師和熟練的技術(shù)工人，嚴格按照選定參數(shù)結(jié)合專家評審方案進行操作施工。

2)在施工過程中密切聯(lián)系專家組，積極溝通，并根據(jù)鐵路部門的運輸計劃和施工監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整盾構(gòu)推進計劃，安排在鐵路運輸量小的時間段穿越鐵路，盡量減小施工對運營的影響，確保施工安全和鐵路運輸安全。

3)嚴格控制盾構(gòu)掘進過程中的土壓、出土量、掘進速度等施工參數(shù)，及時對環(huán)形空隙進行同步注漿，并且根據(jù)量測結(jié)果做好二次補注漿工作;加強地面沉降監(jiān)測，根據(jù)施工和沉降情況調(diào)整觀測的頻率，及時反饋監(jiān)測信息并指導(dǎo)施工。

2.1.4 其他措施

1)為保證注漿質(zhì)量，應(yīng)每5環(huán)注一個環(huán)向聚氨酯加強環(huán)，使隧道掘進形成節(jié)段，既可以保證注漿的飽滿，又可以隔斷漿液的流動和流失。

2)盾構(gòu)進行平面或高程糾偏的過程中，必然會增加建筑空隙，造成一定程度的超挖，因此在盾構(gòu)機進入鐵路影響范圍之前，將盾構(gòu)機調(diào)整到良好的姿態(tài)，并且保持這種良好姿態(tài)穿越鐵路。在盾構(gòu)穿越的過程中盡可能勻速推進，推進速度不宜過快，最快不大于30 mm/min，確保盾構(gòu)機均衡、勻速地穿越鐵路，減小盾構(gòu)推進對前方土體的擾動。盾構(gòu)姿態(tài)變化不可過大、過頻，控制每環(huán)糾偏量不大于10 mm(高程、平面)，控制盾構(gòu)變坡不大于1‰，以減少盾構(gòu)施工對地層的擾動影響，從而盡可能減少地表沉降，保證鐵路安全。

3)穿越鐵路的過程中，使用質(zhì)量非常好的碴土改良劑(泡沫劑)，確保改良的碴土達到軟塑狀(即牙膏狀)，必要時可以利用刀盤上的加泥孔向前方土體加膨潤土或水來改良土體，增加土體的流塑性。土體流塑性增加之后有3個作用:①使盾構(gòu)機前方土壓力傳感器反映的土壓數(shù)值更加準確;②確保螺旋輸送機出土順暢，減少盾構(gòu)對前方土體的擠壓;③減小刀盤與土體的摩擦力，減小對地層的擾動。

2.2 盾構(gòu)穿越二七紀念塔的難點和對策

鄭州市二七紀念塔位于二七廣場車站東南側(cè)，也是國家級文物，車站2號出入口與二七塔凈間距為18.9 m，擬建的地鐵3號線右線隧道中心與二七紀念塔間距為9.2 m，見圖3。由于車站施工對二七塔有一定影響故對二七塔的保護也做為本工程的重點，具體保護措施如下:

圖3 二七塔加固示意圖Fig.3 Reinforcement of Erqi Tower

1)開工后及時與產(chǎn)權(quán)單位進行聯(lián)系，在二七塔周邊布置一周監(jiān)測控制點，對二七塔進行嚴密的監(jiān)控測量。

2)在二七塔一周采用直徑800 mm間距1 200 mm的鉆孔灌注樁進行隔離保護，樁基底部深入擬建的地鐵3號線隧道底部以下2 m，鉆孔灌注樁之間采用直徑600 mm的旋噴樁進行止水隔離，高度從地下水位面以上2 m至鉆孔灌注樁樁底。

3)詳細編制合理的車站基坑施工方案，報專家及有關(guān)部門評審，并嚴格按審定方案施工，確?；臃€(wěn)定和減少樁體變形，對周邊建筑物影響控制在可控范圍內(nèi)。

4)保證止水帷幕質(zhì)量，避免樁間滲水引起水土流失造成地面沉降。

5)施工前與管理單位做好聯(lián)絡(luò)和應(yīng)急預(yù)案的制定工作，在發(fā)生異常時啟動應(yīng)急預(yù)案。

6)做好應(yīng)急預(yù)案，如樁間止水出現(xiàn)滲漏及時進行堵漏止水。

7)合理開啟降水井和采取回灌技術(shù)，控制降水含砂量，減小降水對周邊環(huán)境的影響。

2.3 盾構(gòu)穿越商代古城墻遺址難點和對策

二七廣場站—體育館站區(qū)間盾構(gòu)從體育館站始發(fā)在里程CK19+900處穿越商城城墻，該城墻是國家重點文物，商城城墻為地埋式，地下埋深12.9 m，盾構(gòu)隧道城墻底部間距為2.8 m，平面位置與城墻呈42°斜穿。該段覆土自上而下為雜填土、粉土、粉砂層，隧道穿越地層以粉土和粉砂層為主。從古城墻的歷史和文化意義以及與隧道的位置關(guān)系，考慮采取如下措施:

1)盾構(gòu)穿越前對古城墻進行進一步的探測，確定城墻與隧道的實際位置關(guān)系。

2)在盾構(gòu)通過古城墻前，選擇和類似的地層為模擬段進行試掘進，總結(jié)并制定詳細的城墻段盾構(gòu)掘進參數(shù)，保證城墻段施工的安全。

3)在盾構(gòu)下穿北城墻過程中，將古城墻作為地面荷載進行土壓力計算，計算出城墻與隧道在不同距離時對土壓力敏感性，施工時嚴格控制土壓力、推進速度、總推力、刀盤轉(zhuǎn)速、出土量等施工參數(shù)，減少盾構(gòu)的超挖和欠挖，以改善盾構(gòu)前方土體的坍落或擠密現(xiàn)象，減少土的橫向變形施加于樁基上的橫向力。

4)做好盾尾、鉸接密封和螺旋機處的防噴涌工作，做好盾構(gòu)機姿態(tài)和鉸接處的控制，防止該處出現(xiàn)涌水涌砂造成地層過量損失，地表出現(xiàn)大的沉降。

5)嚴格控制同步注漿量和注漿壓力，注入量控制在150%～200%的理論開挖空隙量。注漿壓力一般略大于隧道底部的水土壓力之和。

6)加強監(jiān)測，通過對構(gòu)筑物的監(jiān)控量測，及時反饋信息，采取措施優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)。必要時在二次注漿后采取跟蹤注漿加固的方式保證城墻的安全。

7)在盾構(gòu)機到達城墻段施工前，提前做好盾構(gòu)機各部件的檢修工作，保證設(shè)備的完好，對可能出現(xiàn)問題的部件進行提前檢修維護，保證盾構(gòu)快速連續(xù)通過該段。

8)施工前，與城墻的管理單位做好聯(lián)絡(luò)和應(yīng)急預(yù)案的制定工作，在發(fā)生異常時啟動應(yīng)急預(yù)案，確保城墻的安全。

2.4 盾構(gòu)穿越電力隧道的難點和對策

鄭州火車站—二七廣場站區(qū)間盾構(gòu)從二七廣場站始發(fā)后與電力管道平行推進，到達正興街和福壽街交叉口處垂直穿越電力管道，穿越段電力隧道埋深10.7 m，與隧道水平凈間距1 m，電力隧道底部與盾構(gòu)隧道頂部凈間距0.3 m，見圖4。

圖4 電力隧道與盾構(gòu)隧道位置平面示意圖Fig.4 Plan layout shows the relationship between power tunnel and Metro tunnel

二七廣場站—市體育館站區(qū)間在里程CK19+700處斜穿越電力隧道，此處電力隧道底部埋深10 m，電力隧道底部距離隧道頂部4.49 m，該電力隧道為鄭州市供電主線路，如何確保承擔(dān)著繁重電力供應(yīng)任務(wù)的電力隧道的安全將是本工程的重點也是難點。根據(jù)電力隧道與盾構(gòu)隧道的位置關(guān)系，特采取如下措施:

1)與盾構(gòu)隧道平行段電力隧道，在盾構(gòu)穿前采用鉆孔灌注樁對電力隧道進行隔離處理。

2)與盾構(gòu)隧道垂直和斜穿的，在盾構(gòu)穿越前采用注漿加固的方式對電力隧道周圍進行加固。

3)由于電力隧道埋深較深，采取在隧道內(nèi)布置監(jiān)測點的方法監(jiān)測隧道穩(wěn)定，同時穿越前在隧道地面布置深層監(jiān)測控制點和地中沉降監(jiān)測。

4)穿越過程中及時分析監(jiān)測成果，隨時調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)，并在穿越后通過管片上的二次注漿孔對進行補強注漿。

5)與電力部門建立良好暢通的溝通機制，編制詳細的穿越電力隧道的施工方案，經(jīng)電力部門的批準和認可后實施。

2.5 近距離穿越火車站站臺無柱雨棚、紫荊山立交橋等樁基礎(chǔ)的難點與對策

鄭州火車站—二七廣場站區(qū)間盾構(gòu)穿越鄭州火車站站臺無柱雨棚的樁基，樁基礎(chǔ)為直徑800 mm的鉆孔灌注樁，此處隧道與樁基礎(chǔ)的凈間距為 2.1 m，見圖 5。

盾構(gòu)到達紫荊山站前需穿越紫荊山立交橋樁基礎(chǔ)，立交樁基礎(chǔ)采用φ 1 600鉆孔灌注樁，與樁基最小水平凈距離約2 m，如圖6所示。

鄭州火車站—二七廣場站區(qū)間為電力隧道與盾構(gòu)隧道平行段，采用鉆孔灌注樁進行了隔離，盾構(gòu)從二七廣場站始發(fā)需近距離穿越電力隧道隔離樁，樁基與隧道邊緣凈間距為0.2 m。

盾構(gòu)推進時如何減少土倉壓力對近距離樁基的側(cè)壓影響，如何控制地層損失和地層位移對樁基受力產(chǎn)生的不利影響，從而保證盾構(gòu)通過時樁基的安全。對此，擬采取以下措施:

1)施工前詳細調(diào)查紫荊山立交橋及無柱雨棚樁基的資料，進行現(xiàn)場放線，確定隧道輪廓與樁基的實際距離以及樁徑、樁深等參數(shù)，并據(jù)此對盾構(gòu)推進對樁基的影響進行評估，以做好針對性施工措施與施工方案。

2)提前15環(huán)對盾構(gòu)推進參數(shù)進行調(diào)整，對盾構(gòu)機推進采取控制措施，適當(dāng)降低盾構(gòu)土倉壓力，減小盾構(gòu)推力，減小盾構(gòu)機推進對樁基的影響;嚴格控制出土量與推進速度，以減少地層損失產(chǎn)生的土體位移。

3)及時對環(huán)形空隙進行同步注漿，采取注漿探測技術(shù)保證注漿飽滿充分，以達到環(huán)形間隙的及時充填，減少由于注漿不充分造成的地層位移。

4)推進前在相應(yīng)樁基布置監(jiān)測點，提前對樁基進行嚴密的監(jiān)測，及時反饋監(jiān)測信息和調(diào)整盾構(gòu)機掘進參數(shù)，確保安全順利的通過。

5)盾構(gòu)通過后，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對樁基的影響進行綜合評估，根據(jù)評估結(jié)果通過預(yù)留注漿孔對管片背部和樁基周圍進行二次補強注漿，必要時采用地面注漿的方法來提高樁基和地層之間的摩擦力。

2.6 盾構(gòu)始發(fā)與到達的難點與對策

盾構(gòu)始發(fā)與到達是施工中的重點，也是盾構(gòu)施工中易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)。因此，如何確保本標段16個端頭的盾構(gòu)機安全始發(fā)和到達是施工中的重點和難點。

1)根據(jù)設(shè)計文件要求，中原東路站東端頭加固為盾構(gòu)接收端加固長度為9 m，其余端頭始發(fā)和到達端加固長度均為10 m，保證加固后土體的強度、抗?jié)B性、勻質(zhì)性均滿足設(shè)計要求?？紤]到施工范圍地質(zhì)以粉土、砂層為主，采用高壓旋噴法進行加固，防止施工盲區(qū)成為滲水通道或薄弱點影響始發(fā)或到達的施工安全。

2)在端頭地層加固施工完畢之后，對加固區(qū)域進行垂直取芯以及在洞門處均勻布置數(shù)個水平探孔，用以檢測加固效果。如有問題，立即組織補充加固，并及時進行降水施工。

3)做好洞口防水密封。盾構(gòu)始發(fā)、到達時，預(yù)先安裝洞門圈預(yù)埋鋼環(huán)，簾布橡膠板以及鉸鏈型密封壓件等洞門密封裝置并確保其能有效使用。

4)盾構(gòu)到達時，則采用簾幕橡膠圈和扇形壓板，以防治漏泥漏水。在刀盤推到達門前一環(huán)開始采用快硬性水泥－水玻璃雙液漿對盾尾建筑空隙進行回填。

5)對臨近洞口的10環(huán)管片采用14槽鋼通過管片吊裝孔進行拉緊，確保在盾構(gòu)反推力較小的情況下，管片環(huán)間的縫隙不至于加大，避免管片間因密封失效而發(fā)生滲漏。

6)加強盾構(gòu)在始發(fā)、到達段的掘進控制。控制好盾構(gòu)姿態(tài)，在保證出碴量正常、同步注漿回填密實的前提下，盡量快速完成盾構(gòu)的始發(fā)與到達。同時，充分考慮到由于對端頭地層進行了加固處理，地層性質(zhì)所發(fā)生的改變，掘進時防止盾構(gòu)姿態(tài)突然變化。

7)在盾構(gòu)機進出加固范圍前，進行盾尾處管片背后注漿或聚氨酯進行封堵水施工。

8)做好端頭井周邊監(jiān)控量測工作以便指導(dǎo)施工。

2.7 其他地段難點與對策分析

市體育館站北側(cè)的新華書店家屬樓距離車站很近，施工過程中對其影響較大，二七廣場站周邊有亞細亞賓館、二七賓館、天然商廈、商城大廈、華聯(lián)商廈及二七廣場的環(huán)行人行天橋等建筑物，施工過程中需進行保護。

中原東路站—鄭州火車站線建筑物眾多，區(qū)間需穿越西鐵社區(qū)多棟居民樓、鐵六中教學(xué)樓和鐵道大廈等建筑物，西鐵社區(qū)居民樓均為磚混結(jié)構(gòu)，年久破損，對沉降要求較高，是盾構(gòu)掘進中作為保護的重點。而沿線道路下管線密集，必須對煤氣管、電纜通訊管道及大管徑等敏感管道進行監(jiān)測。對此，擬采取如下措施:

1)做好建(構(gòu))筑物調(diào)查、評估。施工前詳細調(diào)查各個建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)形式，事先進行攝影像及評估、備案。必要時請專門機構(gòu)進行評估，制定變形控制管理標準;立足于信息化施工，監(jiān)測建(構(gòu))筑物及管線的變化，建立變形與區(qū)間施工的相應(yīng)關(guān)系，采取針對性措施加以控制。

2)保持盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定。除了選擇最佳綜合性能參數(shù)的盾構(gòu)機外，盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定可以通過優(yōu)化掘進參數(shù)控制。掘進參數(shù)主要包括:刀盤和土艙壓力、排土量、推進速度、千斤頂總推力、注漿壓力與時間、注漿量、漿體性能、盾構(gòu)姿態(tài)等。通過設(shè)定推進速度、調(diào)整排土量或設(shè)定排土量調(diào)整推進速度，確保土艙壓力與地層壓力的平衡。根據(jù)地層顆粒成分的變化，地下水壓力等采取隨時調(diào)整添加劑的成份、摻量等措施改良土質(zhì)。

3)同步注漿和二次注漿。為了減少和防止地面沉降，在盾構(gòu)掘進中同步注漿，及時填充管片與圍巖間的空隙。根據(jù)地質(zhì)條件，確定漿液配比，注漿壓力、注漿量及注漿的起止時間。在盾構(gòu)穿越主要的建筑物區(qū)段，適當(dāng)?shù)卦跇藴蕢K與鄰接塊管片上增設(shè)注漿孔，根據(jù)監(jiān)測情況，有選擇地進行二次注漿，以彌補同步注漿的不足，減少地表沉降。

4)地層加固法。根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)類型及對沉降的敏感程度、沉降的允許值，制定建筑物及地面變形警界值。建立完善的監(jiān)測網(wǎng)，及時反饋信息，及時進行跟蹤注漿或補充注漿，對距離較近的既有建筑物基礎(chǔ)，采取預(yù)注漿加固。

5)控制偏差量。嚴格控制盾構(gòu)施工的偏差量，防止因擾動地層導(dǎo)致地面沉降量的增加。

3 結(jié)論與建議

盾構(gòu)施工穿越既有建(構(gòu))筑物等障礙物時，施工前首先要對既有建筑物進行調(diào)查，充分了解具體邊界條件及掌握和判斷地質(zhì)情況和現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)后，才能做好較為準確的風(fēng)險性分析，選擇更適合的施工參數(shù)，更好的穩(wěn)定開挖面地層，順利穿越區(qū)間沿線重要建(構(gòu))筑物，防止地面變形，提高盾構(gòu)隧道施工安全質(zhì)量;其次，監(jiān)控量測作為工程施工的“眼睛”是必須加強的重要環(huán)節(jié)，由于沉降及變形監(jiān)測相對有一定的滯后性，所以對于一些特別重要的建(構(gòu))筑物(如保護要求高、距離特別近等)，采用預(yù)埋土壓力盒、鋼筋應(yīng)力計等實時監(jiān)測手段非常重要;再就是作好設(shè)備準備和預(yù)案準備，在穿越障礙物前做一次盾構(gòu)機的強制檢查保養(yǎng)，確保盾構(gòu)機通過過程中設(shè)備正常運轉(zhuǎn)和連續(xù)性;同時針對穿越障礙物的風(fēng)險，制定相應(yīng)的預(yù)案，以保證在出現(xiàn)意外情況時仍然可以按預(yù)案進行處理而不致手足無措。

經(jīng)過分析論證，盾構(gòu)施工穿越既有建(構(gòu))筑物等障礙物采取技術(shù)對策都是可行的，隨著初期單條線的建成，后續(xù)線路建設(shè)的難度會越來越大。同時，伴隨城市規(guī)劃建設(shè)，特別是通常伴隨地鐵建設(shè)的沿線開發(fā)的增多，工程建設(shè)所面臨的是越來越復(fù)雜的周邊環(huán)境，穿越建(構(gòu))筑物的情況也越來越多，是目前國內(nèi)地鐵盾構(gòu)施工存在的普遍問題、綜合性問題，也是盾構(gòu)施工急需解決的問題。

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