軟土地區(qū)蓋挖逆作施工地鐵換乘站變形性狀的數(shù)值分析

曹力橋

隨著城市地鐵建設(shè)快速發(fā)展以及地下空間開發(fā)力度的加大，新建地鐵車站近距既有地鐵結(jié)構(gòu)、重大建構(gòu)筑物施工的情況日益增多［1－3］。軟土深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的分析與計(jì)算是基坑研究的重要方面。它不但可用來指導(dǎo)基坑的設(shè)計(jì)與開挖，而且由于支護(hù)墻體的變形與坑周土體的變形密切相關(guān)，還可用來指導(dǎo)坑周環(huán)境的維護(hù)。

新建地鐵車站的施工不可避免要引起鄰近既有結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力增加。尤其是在沒有預(yù)留換乘節(jié)點(diǎn)的車站旁新建地鐵車站，在建設(shè)過程中會(huì)引起既有地鐵結(jié)構(gòu)和軌道的變形及其內(nèi)力的增加。當(dāng)超過其承受能力或允許值時(shí)，就可能引起其結(jié)構(gòu)破壞。此外，由于地鐵結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的變形，還可能導(dǎo)致凈空限界不足而影響列車運(yùn)營(yíng)安全。因此，新建地鐵結(jié)構(gòu)近距既有地鐵結(jié)構(gòu)施工時(shí)，必須根據(jù)既有地鐵的保護(hù)要求，采取科學(xué)的方案和有效措施，以減小周圍土體和既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形。

蔣洪勝［3］等人通過對(duì)某基坑周圍土體位移場(chǎng)的理論分析及其臨近的地鐵隧道由基坑開挖引發(fā)變形的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析，從隧道的垂直沉降、水平移動(dòng)以及隧道的橫向變形等角度探討了基坑開挖對(duì)臨近地鐵隧道的影響。王衛(wèi)東［4］等人結(jié)合位于地鐵正上方超大基坑開挖對(duì)地鐵的影響，考慮了地鐵土體加固、時(shí)空效應(yīng)開挖土方等措施，動(dòng)態(tài)地分析了施工過程中開挖卸荷對(duì)地鐵的影響。陳郁［5－8］等人通過數(shù)值模擬分析，對(duì)既有軌道交通周邊基坑開挖進(jìn)行了變形和內(nèi)力研究，并分析了其相互影響關(guān)系。丁勇春［9－10］等人通過施工監(jiān)測(cè)分析，研究了臨近基坑施工對(duì)既有軌道交通變形和內(nèi)力的影響。劉濤［11］等人對(duì)如何控制上方基坑底部加固擾動(dòng)引起下臥地鐵隧道的變形、確保地鐵安全運(yùn)營(yíng)的問題進(jìn)行了研究。高廣運(yùn)［12］等人將數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)進(jìn)行比較，分析了基坑施工對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的變形影響，并提出了控制變形的方法。劉映晶［13］等人采用有限元分析了上海某逆作法施工基坑開挖對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響。汪小兵［14］等人對(duì)軟土地區(qū)臨近地鐵運(yùn)營(yíng)線的深大基坑進(jìn)行了檢測(cè)和數(shù)值模擬，分析了減少基坑開挖對(duì)既有軌道交通影響的控制措施。丁勇春［15］結(jié)合上海軟土地區(qū)深基坑工程實(shí)踐，采用理論分析、數(shù)值模擬、原位試驗(yàn)及施工監(jiān)測(cè)等方法，對(duì)軟土地區(qū)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)（地下連續(xù)墻）施工和基坑開挖引起的變形及基坑變形控制方法進(jìn)行了研究。

根據(jù)中國地鐵建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，蓋挖逆作法施工引起的周邊環(huán)境影響較小。作者以華東軟土地區(qū)某蓋挖逆作法施工換乘車站為例，擬采用FLAC3D軟件模擬蓋挖逆作車站施工全過程，通過車站基坑開挖各階段的變形場(chǎng)分析，得到不同施工階段的結(jié)構(gòu)變形量，從而為地鐵車站設(shè)計(jì)和施工提供較好的變形控制方案，為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供一定的參考和借鑒。

1 工程概況

本工程為多條地鐵車站換乘樞紐，靠近既有地鐵車站，車站位于現(xiàn)有鐵路下方，周邊建筑較多。地面標(biāo)高在3.46～4.18m之間。地貌形態(tài)單一，屬濱湖濱海平原地貌類型。新建車站為地下三層島式車站，離最近鐵路股道中心線僅有8.4m。新建車站與既有車站通過換乘通道換乘。

換乘通道主體結(jié)構(gòu)外包全長(zhǎng)約83.00m，寬77.85m，地下第1層開挖深度約為9.700m，地下第2，3層開挖深度約為23.700m，地下第1層采用明挖順作法施工，地下第2，3層采用逆作法施工。

通道結(jié)構(gòu)：采用地下連續(xù)墻作為基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地下第1層區(qū)采用800mm厚地下連續(xù)墻，墻深21.10m；地下第2，3層區(qū)采用1 000mm厚地下連續(xù)墻，墻深46.0m。本工程地基土在75m深度范圍內(nèi)均為第四紀(jì)松散沉積物，地質(zhì)時(shí)代為第四紀(jì)全新世Q43～上更新世Q31，屬第四系濱海平原地基土沉積層，主要由飽和粘性土、粉性土以及砂土組成，具有成層分布的特點(diǎn)。根據(jù)土性和成因類型可分9個(gè)層次，其中第②層、第⑤層、第⑦層及第⑧層各分若干個(gè)亞層。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告對(duì)土層的描述，本工程基坑開挖深度影響范圍內(nèi)，以軟弱粘性土為主，土體有較明顯的觸變和流變特性，并在動(dòng)力作用下，土體強(qiáng)度極易降低。在開挖過程中應(yīng)防止土體擾動(dòng)。第④層中的粉質(zhì)粘土層和第②層中的粉土夾層在動(dòng)水作用下易產(chǎn)生流沙。土體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical－mechanical parameters of the soil

2 基坑施工數(shù)值模擬

常規(guī)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用規(guī)范推薦的平面豎向彈性地基梁法和三維彈性地基板法。這兩種方法均可模擬實(shí)際施工工況，并計(jì)算擋土結(jié)構(gòu)與支撐體系的內(nèi)力和變形。三維彈性地基板法還可考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)。但當(dāng)環(huán)境保護(hù)成為設(shè)計(jì)中的控制因素時(shí)，這兩種計(jì)算方法由于在計(jì)算模型中無法考慮基坑周邊的重要建（構(gòu)）筑物，不能直接計(jì)算對(duì)周邊環(huán)境的影響。因此，在分析基坑開挖的環(huán)境效應(yīng)時(shí)，存在著一定的局限性［8－10］。

本工程分析基坑開挖引起的環(huán)境效應(yīng)采用有限差分法。該方法將基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊一定影響范圍內(nèi)的土體以及某些重要建（構(gòu)）筑物作為整體進(jìn)行分析，以開挖面上土體地應(yīng)力的釋放作為開挖階段的荷載，并以單元的“生死”模擬土體的開挖以及支撐的施工。為簡(jiǎn)化分析，取圍護(hù)結(jié)構(gòu)的幾個(gè)典型剖面按平面應(yīng)變問題近似計(jì)算。由于基坑開挖不僅是一個(gè)動(dòng)態(tài)的施工過程，而且是一個(gè)空間問題。采用三維彈性地基板法分析基坑開挖的環(huán)境效應(yīng)，其優(yōu)點(diǎn)為：①三維彈性地基板法按實(shí)際施工圖建立模型，相比平面豎向彈性地基梁法更能夠反映基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)；②對(duì)于緊鄰圍護(hù)結(jié)構(gòu)的地鐵結(jié)構(gòu)，三維計(jì)算模型可以體現(xiàn)空間上的分布曲線；③從計(jì)算工況的角度來看，三維計(jì)算模型便于更加精細(xì)地模擬實(shí)際施工工況，如：基坑內(nèi)部土體的分區(qū)開挖與底板的分區(qū)澆筑以及盆邊留土的抽條開挖等［8－12］。

用三維快速拉格朗日算法計(jì)算基坑開挖。根據(jù)開挖過程和步序，分為若干工況進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算步驟為：

1）計(jì)算基坑開挖前的初始應(yīng)力場(chǎng)｛σ0｝和初始位移場(chǎng)｛δ0｝。考慮土體在開挖前經(jīng)歷了長(zhǎng)期固結(jié)過程，認(rèn)為初始位移場(chǎng)｛δ0｝＝0。

2）計(jì)算下一次開挖由于卸荷與結(jié)構(gòu)變化而引起的應(yīng)力場(chǎng)｛Δσi｝和位移場(chǎng)｛Δδi｝。

3）第i次開挖后的應(yīng)力場(chǎng)｛σi｝和位移場(chǎng)｛δi｝為：

4）根據(jù)基坑開挖步驟，重復(fù)2）和3）的計(jì)算，直至開挖結(jié)束。開挖結(jié)束時(shí)的最終應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)為：

對(duì)式（2）中應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)進(jìn)行離散，可以得出基坑開挖的相關(guān)方程。分析模型包括基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑周邊既有地鐵車站和基坑周邊及一定影響范圍內(nèi)的土體等。

3 模型建立和計(jì)算方案

基坑平面尺寸為83m×78m，開挖深度為23.6m。考慮基坑的開挖對(duì)周圍土體及既有地鐵車站的影響，三維模型取為420m×450m×80m，計(jì)算模型的上邊界為自由邊界，底部為全約束，各個(gè)側(cè)面為限制水平方向的位移。采用實(shí)體（zone）單元模擬土體及坑內(nèi)加固體；采用3節(jié)點(diǎn)殼（shell）單元模擬既有車站主體結(jié)構(gòu)以及通道接口外墻，采用liner單元模擬通道地下連續(xù)墻，能更好地反映土體與墻之間的非線性接觸效應(yīng)；采用空間梁（beam）單元模擬5道鋼筋混凝土支撐；采用樁（pile）單元模擬立柱樁和工程樁，采用3節(jié)點(diǎn)殼（shell）單元模擬通道樓板。三維整體計(jì)算模型（扣除基坑開挖部分）如圖1所示。結(jié)構(gòu)單元計(jì)算模型（不含樓板）如圖2所示。

圖1 三維計(jì)算模型Fig.1 Three－dimensional calculation model

采用線彈性3節(jié)點(diǎn)殼單元模似基坑圍護(hù)墻，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，按經(jīng)驗(yàn)關(guān)系考慮混凝土剛度折減，彈性模量取24GPa，泊松比取0.2，重度取25kN／m3。主體結(jié)構(gòu)：采用地下連續(xù)墻作為基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地下第1層采用800mm厚地下連續(xù)墻，墻深23.0m；地下第2，3層采用1 000mm厚地下連續(xù)墻，墻深47.50m；北側(cè)地下第1層與新建地鐵車站臨時(shí)封堵墻采用1 000mm厚地下連續(xù)墻，墻深40.5m；南側(cè)與通道區(qū)地下第2，3層臨時(shí)封堵墻采用800mm厚地下連續(xù)墻，墻深29.5m。地下連續(xù)墻接頭采用柔型接頭。

圖4 通道基坑分區(qū)、分塊開挖平面示意Fig.4 Sketch of partition of the pit excavation

圖2 基坑結(jié)構(gòu)單元計(jì)算模型Fig.2 A model for the structural elementary calculation

采用線彈性梁?jiǎn)卧M基坑4道鋼筋混凝土水平支撐，每道支撐混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，按經(jīng)驗(yàn)關(guān)系考慮混凝土剛度折減，彈性模量取24GPa，泊松比取0.2，重度取25kN／m3。計(jì)算模型中基坑水平支撐和圍護(hù)墻如圖3所示。

圖3 基坑水平支撐和立柱樁俯視圖Fig.3 Top view sketch of level supports and piles in excavation

本工程采用蓋挖逆作法，進(jìn)行新建地鐵車站地下第2，3層的開挖。本模型土體和坑內(nèi)采用修正劍橋模型，加固本構(gòu)模型。根據(jù)勘察報(bào)告提供的土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表，進(jìn)行模型參數(shù)取值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確定土體彈性模量。

地鐵通道基坑的開挖主要采用分塊、分層進(jìn)行開挖，開挖的平面如圖4所示。基坑平面按長(zhǎng)度方向分4段，按寬度方向分3塊，共12塊。深度方向采用分層開挖，通道區(qū)第1層綜合大廳分3層土進(jìn)行開挖，新建地鐵車站第2，3層共分成4層進(jìn)行開挖。本模型完全按照實(shí)際施工的開挖順序進(jìn)行計(jì)算。本次計(jì)算主要分析通道和地鐵第2，3層的開挖。

在施工中，先分區(qū)、分層開挖通道區(qū)到第1道支撐標(biāo)高處，施工第1道支撐；然后分區(qū)、分層開挖至第2道支撐標(biāo)高處，施工第2道支撐；再分區(qū)、分層開挖至坑底。地鐵車站第2，3層分4次開挖：第1次挖土至第3道砼支撐底面處，第2次挖土至中二層樓板下1 500mm處，第3次挖土至第4道砼支撐下20cm處，第4次挖土至底板底部。

整個(gè)模型在數(shù)值計(jì)算分析中抽象為計(jì)算工況步，數(shù)值模擬過程的基本步驟見表2。計(jì)算平面開挖順序如圖4所示。豎向開挖的順序如圖5所示。

表2 基坑開挖施工工序模擬步驟Table 2 Steps of the simulation for the excavation construction process

圖5 通道基坑豎向分層開挖立面示意Fig.5 Vertical excavation of foundation pit

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形結(jié)果分析

地下連續(xù)墻的側(cè)向變形對(duì)于基坑變形意義重大。由于基坑兩個(gè)方向的圍護(hù)墻長(zhǎng)度比較接近，基坑開挖使得圍護(hù)墻的變形形態(tài)也比較接近。由于開挖，基坑底部土體卸載回彈，土體于圍護(hù)墻之間存在著一定的摩擦力，使得整體圍護(hù)墻出現(xiàn)上抬，坑外土體對(duì)圍護(hù)墻作用主動(dòng)土壓力，迫使圍護(hù)墻向坑內(nèi)變形，表現(xiàn)為圍護(hù)墻的側(cè)向變形。

新建地鐵車站蓋挖段基坑開挖過程中各地下連續(xù)墻的x向和y向側(cè)向變形等值云圖如圖6所示。由于通道一層已經(jīng)施工完畢，主要圍護(hù)墻變形集中在新建車站蓋挖逆作段圍護(hù)墻。由于地鐵車站是狹長(zhǎng)形，y向的側(cè)向變形大于x向的，圍護(hù)墻的變形隨著施工工況的進(jìn)行逐漸增大。由于沿車站走向的圍護(hù)墻較長(zhǎng)，其側(cè)向變形較為明顯；另一方向圍護(hù)墻的側(cè)向變形較小。

從圖6中可以看出，通道層地下第1層區(qū)的圍護(hù)墻變形較小，并且有部分側(cè)向變形往基坑外部。

隨著施工的進(jìn)行、開挖深度的不斷增大，車站圍護(hù)墻兩個(gè)方向的最大側(cè)向變形亦不斷增大，最大側(cè)向變形發(fā)生位置不斷下移。至車站開挖結(jié)束后，車站第2，3層北側(cè)地下連續(xù)墻y向最大側(cè)向變形為10.7mm，南側(cè)最大變形達(dá)到11.3mm；x向的側(cè)向變形較大，最大側(cè)向變形達(dá)到17.2mm，比y向的大。最大位移點(diǎn)發(fā)生在基坑底部附近。

由于基坑圍護(hù)墻的構(gòu)造比較復(fù)雜，使新建車站基坑開挖引起基坑圍護(hù)墻的最大側(cè)移點(diǎn)并不是按常規(guī)發(fā)生在圍護(hù)墻的中部位置，而是有所偏移。這是由基坑的整體結(jié)構(gòu)剛度不均勻造成的。

開挖過程中車站地下連續(xù)墻的側(cè)向變形是基坑工程關(guān)心的重點(diǎn)，隨著施工的進(jìn)行，連續(xù)墻的側(cè)向變形不斷向坑內(nèi)開展。

車站基坑西墻（變形較大）中截面處在各個(gè)工況下的側(cè)向變形如圖7所示。從圖7中可以看出，該工程車站圍護(hù)墻的側(cè)向變形符合大多數(shù)基坑圍護(hù)墻的變形規(guī)律。本計(jì)算中坑外地表沉降變形的最大值出現(xiàn)在東西向靠近基坑的地方，約為1cm，可見，該基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境影響很小。

既有地鐵車站為地下2層島式車站，有效站臺(tái)長(zhǎng)140m，寬14m。站位在新建地鐵車站以南，成東西走向，東端與新建車站南端相交形成L形換乘。因此本工程施工中也必須考慮施工對(duì)既有車站的影響。基坑開挖引起既有地鐵車站地下連續(xù)墻的變形如圖8所示。

從圖8中可以看出，既有車站的自身帶有一定剛度，且距離基坑開挖有一定距離，其變形較小。但仍然隨著施工的進(jìn)行，變形也逐漸增大。大部分變形小于1mm。開挖結(jié)束后，x向的最大變形為0.246mm，y向最大變形為1.48mm，而最大豎向沉降量為0.6mm。

圖6 地下連續(xù)墻水平方向變形（單位：m）Fig.6 Diagrams of the level displacement of the continuous wall due to the excavation（unit：m）

圖7 各階段地下連續(xù)墻側(cè)向變形曲線Fig.7 Curves of lateral deformation diaphragm wall during each stage excavation

4.2 主體結(jié)構(gòu)變形結(jié)果分析

圖8 基坑開挖引起既有車站地下連續(xù)墻變形（單位：m）Fig.8 Diagrams of level displacement in existing diaphragm wall due to the new constructed excavation（unit：m）

1）本工程新建車站采用“蓋挖逆作法”施工，綜合大廳頂板覆土后，上部道路及地鐵正常運(yùn)營(yíng)。可見頂板的變形對(duì)上部影響較大。因此，頂板在下部第2，3層車站開挖過程中的受力以及變形情況尤為重要。各個(gè)開挖工況下頂板的豎向變形情況如圖9所示。基坑開挖條件下周邊地表位移曲線如圖10所示。

圖9 通道大廳頂板的豎向位移（單位：m）Fig.9 Diagrams of the vertical displacement in the roof due to the excavation（unit：m）

圖10 車站周邊地表位移曲線Fig.10 Curves of vertical displacement around the foundation pit excavation and dewatering with an existing pile

在車站開挖過程中，土體卸載，通過立柱樁等向上傳遞給頂板，引起頂板產(chǎn)生隆起變形。由于基坑開挖深度較深，土體卸載，應(yīng)力釋放量很大，以致存在列車荷載的情況下上部結(jié)構(gòu)還整體上抬。其次，開挖區(qū)域正上方是土體應(yīng)力釋放作用最強(qiáng)烈的區(qū)域，因此，隆起量相對(duì)大于其他區(qū)域的。

沿基坑中部上方每10m范圍內(nèi)地表變形的最大豎向位移差值如圖11所示。在圖11中，數(shù)據(jù)點(diǎn)值表示以這點(diǎn)為基點(diǎn)，基點(diǎn)前10m范圍內(nèi)，最大豎向位移差值為這個(gè)點(diǎn)的數(shù)值。從圖11中可以看出，隨著施工的進(jìn)行，地面沉降最大豎向位移差值在逐漸變大，在施工結(jié)束時(shí)，沿線地面沉降的最大豎向位移差值為1.61mm。

圖11 沿軌道每10m最大豎向不平順變形曲線Fig.11 Vertical displacement differential every 10malong the railway track

存在上部荷載的情況下，開挖新建車站，地下第2層板和地下第3層板以下區(qū)域的基坑開挖均采用逆作法施工。類似頂板的變形情況，地下第2層板和地下第3層板的變形均表現(xiàn)為豎向隆起，并且隆起量隨著開挖的進(jìn)行在不斷地增加。由于中一板直接就在開挖面頂部，受到卸載回彈的影響最明顯，其隆起變形最大。到開挖結(jié)束，地下第2層的最大隆起量比頂板的還要大一點(diǎn)，達(dá)到7.50mm。地下第3層是車站第2次開挖后才澆注的，其變形相對(duì)較小一些。到開挖結(jié)束，其最大隆起量達(dá)到3.97mm。地下第2層板豎向變形云圖如圖12所示。

開挖第2層土后，施工地下第3層板。第3，4層土的開挖仍然采用逆作施工，地下第3層板直接承受立柱樁傳遞來的土體卸載應(yīng)力。受力較大，變形較大。地下第3層板豎向變形云圖如圖13所示。

圖12 地下第2層板豎向位移（單位：m）Fig.12 Diagrams of vertical displacement in the ground floor due to the excavation（unit：m）

圖13 地下第3層板豎向位移（單位：m）Fig.13 Diagrams of vertical displacement in the under second floor due to the excavation（unit：m）

該基坑各層結(jié)構(gòu)板在基坑開挖各個(gè)工況下，豎向變形的最大值見表3。

可見，蓋挖逆作法施工過程中，頂板和地下第2層板的變形比較接近，地下第3層板變形較大。

表3 各層結(jié)構(gòu)板豎向變形的最大值Table 3 Steps of maximum vertical deformation in each layer structure board

5 結(jié)論

通過對(duì)華東軟土區(qū)的某蓋挖逆作換乘地鐵車站分析，在考慮時(shí)空效應(yīng)分區(qū)對(duì)稱開挖及地基加固的基礎(chǔ)上，可得到的結(jié)論為：

1）新建車站基坑開挖所采取的蓋挖逆作施工方案，并增加加固措施能夠較好地控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及頂板的變形，確保上部地鐵的正常運(yùn)營(yíng)以及新建基坑安全施工。

2）新建車站頂板出現(xiàn)整體隆起，最大隆起量為7.06mm。地下第2層板最大隆起量為7.51mm；地下第3層板最大隆起量為3.97mm。施工過程中，可根據(jù)計(jì)算隆起量，采取合適結(jié)構(gòu)板起拱措施，以減小結(jié)構(gòu)的變形。

3）新建車站圍護(hù)墻的最大側(cè)向變形為17.2mm（東西向17.2mm，南北向11.2mm）。可在內(nèi)支撐支護(hù)方案設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)此進(jìn)行合理考慮。

4）既有車站大部分變形小于1mm。開挖結(jié)束后，x向的最大變形為0.25mm，y向最大變形為1.48mm，豎向沉降量達(dá)到0.6mm。即通過分區(qū)對(duì)稱開挖，對(duì)既有地鐵車站的影響較小。

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）：

［1］ 王衛(wèi)東，王建華.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計(jì)、分析與實(shí)例［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.（WANG Wei－dong，WANG Jian－h(huán)ua.Design，analysis and case histories of deep excavations supported by permanent structures［M］.Beijing：China Architecture ＆ Building Press，2007.（in Chinese））

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