某基坑開挖對臨近地鐵隧道影響的數(shù)值模擬分析

甘露++許巖劍++肖仁成++劉利猛

摘 要：隨著地鐵的不斷擴(kuò)展，其沿線將成為商業(yè)、住宅建筑等開發(fā)的黃金地帶， 因而越來越多的工程位于已運(yùn)行地鐵隧道旁。本文針對某基坑開挖工程實(shí)例，依據(jù)設(shè)計(jì)開挖工況，采用有限元法對基坑開挖進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析了在不同開挖工況下臨近地鐵隧道的土體沉降及圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移，分析結(jié)果表明：采用該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行基坑開挖及支護(hù)將導(dǎo)致臨近地鐵隧道產(chǎn)生較小的附加變形。采用有限元法對基坑開挖和支護(hù)進(jìn)行可行性預(yù)判，以避免基坑開挖中存在的安全隱患，對基坑設(shè)計(jì)與施工具有實(shí)際參考意義。

關(guān)鍵詞：基坑開挖； 地鐵隧道； 數(shù)值模擬； 地面沉降

前言

在寸土寸金的今天，大量興建高層建筑和地下工程，因而帶來了大規(guī)模的基坑工程，而基坑開挖對臨近構(gòu)筑物的影響已經(jīng)逐漸成為土木工程界的熱點(diǎn)問題之一[1][2]。對于地鐵車站這樣對變形要求極其嚴(yán)格的地下結(jié)構(gòu)物，臨近基坑的工程建設(shè)更是面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。基坑開挖過程是基坑開挖面上卸荷的過程，由于卸荷引起坑底土體產(chǎn)生向上為主的位移，同時也引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)在兩側(cè)壓力差的作用下而產(chǎn)生水平向位移和外側(cè)土體位移，因此基坑開挖引起周圍土層移動的主要原因是坑底土體隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移[3][4]。本文以某基坑工程為背景，采用巖土工程專業(yè)有限元軟件Midas GTS三維有限元分析，考慮最不利的基坑開挖工況，進(jìn)行基坑開挖過程的有限元數(shù)值模擬，以了解本工程基坑土方開挖對臨近地鐵隧道產(chǎn)生的附加變形，進(jìn)而分析了在不同開挖工況下臨近地鐵隧道的沉降及水平位移，可為設(shè)計(jì)施工提供一定的參考，并采取有效措施保證在基坑開挖施工過程中的的安全性。對深基坑施工的順利進(jìn)行及保護(hù)臨近建筑物具有一定的實(shí)際意義。

1.工程概況

1.1 概述及周邊環(huán)境

擬建工程地下室外墻距離地鐵隧道很近（約8.445m）。基地面積39293m2，建筑占地面積為25591m2，總建筑面積約為145559m2。地下兩層，局部設(shè)置一層夾層，地上三層，整個項(xiàng)目呈三角形，擬采用樁基礎(chǔ)。基坑挖深為12.0m。基坑面積約34616m2，周長約為890m，屬于超大基坑。基坑平面示意圖如圖1：

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件[5]

擬建場地屬漫灘相地貌單元，地下水含量豐富，地下水位埋深約1.31～4.00m，場內(nèi)存在三種類型的地下水：淺層潛水型、弱承壓水型、基巖裂隙水。根據(jù)地層結(jié)構(gòu)、沉積環(huán)境、野外勘探、現(xiàn)場原位測試，結(jié)合土工試驗(yàn)成果綜合分析，從上到下依次為人工雜填土、素填土、淤泥粉質(zhì)粘土、粉砂夾粉質(zhì)粘土、中粗砂泥卵礫石、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化粉砂泥巖，具體地質(zhì)情況及各土層參數(shù)如表1所示。

1.3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式

本工程采用整體順作法設(shè)計(jì)方案，即基坑周邊采用板式支護(hù)體系，坑內(nèi)設(shè)置內(nèi)支撐的總體方案。基坑IJKAB段周邊圍護(hù)體擬地下連續(xù)墻，BCDEFGHI段段采用鉆孔灌注樁結(jié)合外側(cè)三軸水泥土攪拌樁止水帷幕。本方案普遍區(qū)域兩道水平支撐，擬采用對撐+角撐邊桁架支撐體系布置。

1.4 地下水處理

IJKAB區(qū)段直接利用地連墻進(jìn)行止水；由于整個場地內(nèi)地下水較豐富，且基坑開挖面以下存在有透水性較好的粉砂層，因此BCDEFGHI段止水帷幕選用可靠性較高的φ850三軸深攪樁作為止水帷幕。為確保基坑降水對周邊環(huán)境影響最小，應(yīng)采用全封閉的止水帷幕。地連墻深度進(jìn)入中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖不小于1.0m，三軸深攪樁進(jìn)入相對隔水層—粉質(zhì)粘土層內(nèi)不小于1.0m。

1.5 沉降產(chǎn)生的原因及針對地鐵隧道的保護(hù)措施

（1）由于止水帷幕深度不夠，坑底產(chǎn)生管涌；因此地連墻進(jìn)入中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，止水帷幕樁長進(jìn)入相對隔水層粉質(zhì)粘土層，形成封閉止水體系，減少降水對地鐵隧道的影響。

（2）由于樁端變形過大，樁底土產(chǎn)生塑性流動；因此支護(hù)樁樁徑適當(dāng)加大，樁長適當(dāng)加長，增加土方開挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

1.6 設(shè)計(jì)施工工況

基坑開挖深度為12.0m，基坑底標(biāo)高-12.5m，確定合理的開挖施工順序，注意這種超大深基坑工程的時空效應(yīng)，嚴(yán)格按照現(xiàn)行規(guī)范建議的“分層，分區(qū)，分塊，分段，抽槽開挖，留土護(hù)壁，快挖快撐，先形成中間支撐，限時對稱平衡形成端頭支撐，減少無支撐暴露時間”的原則進(jìn)行開挖。

工況一：開挖溝槽，施工深攪樁、鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻、立柱樁、工程樁及降水井；

工況二：分區(qū)域分層開挖土方至第一層支撐底標(biāo)高（-3.1M），澆筑樁頂圈梁及第一層鋼筋砼支撐結(jié)構(gòu)；

工況三：分區(qū)域分層開挖土方至第二層支撐底標(biāo)高（-8.9M），澆筑鋼筋砼圍檁及第二層鋼筋砼支撐結(jié)構(gòu)；

工況四：開挖土方至底板墊層底標(biāo)高，及時澆筑砼墊層，待墊層達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后開挖基坑內(nèi)坑中坑（集水坑等）土方，并及時施工坑中坑內(nèi)主體結(jié)構(gòu)；

工況五：澆筑主體結(jié)構(gòu)底板至支護(hù)樁邊，待底板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆除第二層鋼筋砼支撐及圍檁；

工況六：施工負(fù)一層樓板及換撐結(jié)構(gòu)，待負(fù)一層樓板及換撐結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆除第一層鋼筋砼支撐；

工況七：負(fù)一層側(cè)墻及一層樓板施工，待側(cè)墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后施工防水工程，及時進(jìn)行基坑側(cè)壁土方回填夯實(shí)。

2.基坑開挖對臨近地鐵隧道影響的有限元分析

2.1 計(jì)算模型

（1） 幾何模型

采用Midas GTS巖土有限元軟件進(jìn)行三維分析，數(shù)值計(jì)算中充分考慮了基坑開挖的影響范圍建立計(jì)算模型，其中模型長（x軸方向）480.0m，寬（y軸方向）417.1m，深度方向（z方向）為50m。模型考慮了基坑開挖對隧道的影響。詳請見圖2-4：

（2） 材料模型

土體采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬；地下連續(xù)墻、地鐵站、隧道襯砌等均采用板單元模擬，并根據(jù)截面進(jìn)行剛度換算。支撐結(jié)構(gòu)梁單元進(jìn)行模擬，并考慮其接觸。其中，土體采用莫爾-庫侖模型模擬；支撐結(jié)構(gòu)以及板認(rèn)為為彈性材料。

（3） 邊界條件及初始條件

在實(shí)際中，土體為半無限空間，考慮到土體實(shí)際中為半無限空間，考慮到計(jì)算量和模型大小，采用模型階段設(shè)置邊界條件，土體底部約束z向位移，東西兩側(cè)約束x向位移自由度，南北兩側(cè)約束y向位移自由度，即認(rèn)為底部和四周不受開挖的影響，位移為零。

計(jì)算中考慮地下水的滲流影響，以及初始固結(jié)沉降和初始應(yīng)力的影響。通過施工階段來模擬施工工況。各土層參數(shù)按工程地質(zhì)勘察報(bào)告取值，詳見表1。

（4）分步施工[6][7]

① 模型初始化，激活地下連續(xù)墻、地鐵站、隧道襯砌等板單元，施加初始地應(yīng)力，位移清零；

② 地下連續(xù)墻施工；

③ 基坑初次分區(qū)域分層開挖至2.6m深（應(yīng)力分步釋放）；

④ 施加第一道支撐（支撐結(jié)構(gòu)采用梁單元）

⑤ 基坑第二次分區(qū)域分層開挖至8.4 m深（應(yīng)力分步釋放）；

⑥ 施加第二道支撐（支撐結(jié)構(gòu)采用梁單元）

⑦ 基坑第三次分區(qū)域分層開挖至底板墊層底12.0m深開挖（應(yīng)力分步釋放）；

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析[8]

（1） 各施工階段隧道沉降分析

圖5為各施工階段隧道沿Z方向位移變化曲線圖，由圖可知，隧道最大絕對沉降發(fā)生在施工階段②、⑦，為0.48mm左右，最大隆起位移發(fā)生在施工階段③和施工階段⑥，分別為-1.5mm和-1.8mm。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，基坑開挖對隧道的沉降影響都很小。

由圖6-9各施工階段Z方向位移云圖可知，基坑外（包括地鐵隧道）沉降變形非常小，大約在10-4m數(shù)量級上，可忽略不計(jì)；位移大變形還是在基坑里面。

（2） 各施工階段隧道水平位移分析

圖10為各施工階段隧道X方向位移變化曲線圖，由圖可知，正負(fù)最大向水平位移均發(fā)生在施工階段⑦，分別為-0.48和1.8mm左右。其水平非常小，幾乎可忽略不計(jì)。

3.結(jié) 論

本文介紹了某基坑工程開挖及支護(hù)工況，并采用Midas GTS對基坑開挖進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了不同開挖工況下臨近地鐵隧道的沉降及水平位移，可以得到以下結(jié)論：

（1）深基坑工程由于開挖和降水原因使得土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，并以土體變形方式表現(xiàn)出來，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，造成支護(hù)體系外的土體位移變形，從而使得周邊構(gòu)筑物產(chǎn)生不均勻沉降[9][10]；但是通過采取一定的措施，可以加以控制，使得構(gòu)筑物不均勻沉降和側(cè)向變形在允許的控制范圍內(nèi)[11]。

（2）隧道地鐵站位移變形：在側(cè)向基坑支護(hù)開挖和系基坑支護(hù)的過程中，隧道結(jié)構(gòu)的最大水平位移分別為-0.48mm和1.7mm，遠(yuǎn)小于20mm，滿足地鐵保護(hù)水平位移技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。在整個施工過程中，最大絕對沉降為-0.48mm，最大隆起為1.8mm，均小于20mm，滿足地鐵保護(hù)絕對沉降量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求；且基坑外沉降變形非常小，可忽略不計(jì)，位移大變形還是在基坑里面。

參考文獻(xiàn)

[1] Chang C.Y， Duncan J.M. Analysis of soil movement around a deep excavation. Journal Of the Soil Mechanics and Foundations Division，ASCE，1970，96（SMS）：1629-1653.

[2] Kung G T C， Hsiao E CL， Schuster M， Juang C H. A neural network approach to estimating excavation induced wall deflection in soft clays[J]. Journal of Computers and Geotechnics， 2007， 34（5）： 385-396.

[3] 黃廣龍、衛(wèi)敏、李娟. 參數(shù)變異性對圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響分析. 巖土力學(xué)，2010.31（8）：2484-2488.

[4] 孫鈞、王東棟. 地鐵施工變形預(yù)測與控制的計(jì)算機(jī)技術(shù)管理[J]. 施工技術(shù)，2009，38（1）： 10-13.

[5] 張宇、譚躍虎、張凌輝、郜東明、王德松.深基坑開挖對周邊建筑物的影響和治理方案.巖土工程界，2006.10（5）：78-80.

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[7] 劉興旺、益德清等.基坑開挖地表沉陷理論分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2000，33（4）：51-60.

[8] 曾遠(yuǎn)、李志高、王毅斌.基坑開挖對臨近地鐵車站影響因素研究.地下空間與學(xué)報(bào)，2005.1（4）：642-645.

[9] 蔣洪勝、候?qū)W淵.基坑開挖對鄰近軟土地鐵隧道的影響[J].工業(yè)建筑，2002，32（5）：53-56.

[10] 吉茂杰、劉國彬. 開挖卸荷引起地鐵隧道位移的預(yù)測方法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào).2001，29（5）： 531- 535.

[11] 孔祥鵬、劉國彬、廖少明. 明珠二期上海體育館地鐵車站穿越施工對地鐵一號線車站的影響[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（5）：821- 825.

[12] 陳曉鳳、李紅明.南京中山樂都匯購物中心基坑支護(hù)設(shè)計(jì)綜合說明.

（3） 邊界條件及初始條件

在實(shí)際中，土體為半無限空間，考慮到土體實(shí)際中為半無限空間，考慮到計(jì)算量和模型大小，采用模型階段設(shè)置邊界條件，土體底部約束z向位移，東西兩側(cè)約束x向位移自由度，南北兩側(cè)約束y向位移自由度，即認(rèn)為底部和四周不受開挖的影響，位移為零。

計(jì)算中考慮地下水的滲流影響，以及初始固結(jié)沉降和初始應(yīng)力的影響。通過施工階段來模擬施工工況。各土層參數(shù)按工程地質(zhì)勘察報(bào)告取值，詳見表1。

（4）分步施工[6][7]

① 模型初始化，激活地下連續(xù)墻、地鐵站、隧道襯砌等板單元，施加初始地應(yīng)力，位移清零；

② 地下連續(xù)墻施工；

③ 基坑初次分區(qū)域分層開挖至2.6m深（應(yīng)力分步釋放）；

④ 施加第一道支撐（支撐結(jié)構(gòu)采用梁單元）

⑤ 基坑第二次分區(qū)域分層開挖至8.4 m深（應(yīng)力分步釋放）；

⑥ 施加第二道支撐（支撐結(jié)構(gòu)采用梁單元）

⑦ 基坑第三次分區(qū)域分層開挖至底板墊層底12.0m深開挖（應(yīng)力分步釋放）；

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析[8]

（1） 各施工階段隧道沉降分析

圖5為各施工階段隧道沿Z方向位移變化曲線圖，由圖可知，隧道最大絕對沉降發(fā)生在施工階段②、⑦，為0.48mm左右，最大隆起位移發(fā)生在施工階段③和施工階段⑥，分別為-1.5mm和-1.8mm。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，基坑開挖對隧道的沉降影響都很小。

由圖6-9各施工階段Z方向位移云圖可知，基坑外（包括地鐵隧道）沉降變形非常小，大約在10-4m數(shù)量級上，可忽略不計(jì)；位移大變形還是在基坑里面。

（2） 各施工階段隧道水平位移分析

圖10為各施工階段隧道X方向位移變化曲線圖，由圖可知，正負(fù)最大向水平位移均發(fā)生在施工階段⑦，分別為-0.48和1.8mm左右。其水平非常小，幾乎可忽略不計(jì)。

3.結(jié) 論

本文介紹了某基坑工程開挖及支護(hù)工況，并采用Midas GTS對基坑開挖進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了不同開挖工況下臨近地鐵隧道的沉降及水平位移，可以得到以下結(jié)論：

（1）深基坑工程由于開挖和降水原因使得土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，并以土體變形方式表現(xiàn)出來，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，造成支護(hù)體系外的土體位移變形，從而使得周邊構(gòu)筑物產(chǎn)生不均勻沉降[9][10]；但是通過采取一定的措施，可以加以控制，使得構(gòu)筑物不均勻沉降和側(cè)向變形在允許的控制范圍內(nèi)[11]。

（2）隧道地鐵站位移變形：在側(cè)向基坑支護(hù)開挖和系基坑支護(hù)的過程中，隧道結(jié)構(gòu)的最大水平位移分別為-0.48mm和1.7mm，遠(yuǎn)小于20mm，滿足地鐵保護(hù)水平位移技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。在整個施工過程中，最大絕對沉降為-0.48mm，最大隆起為1.8mm，均小于20mm，滿足地鐵保護(hù)絕對沉降量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求；且基坑外沉降變形非常小，可忽略不計(jì)，位移大變形還是在基坑里面。

參考文獻(xiàn)

[1] Chang C.Y， Duncan J.M. Analysis of soil movement around a deep excavation. Journal Of the Soil Mechanics and Foundations Division，ASCE，1970，96（SMS）：1629-1653.

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[3] 黃廣龍、衛(wèi)敏、李娟. 參數(shù)變異性對圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響分析. 巖土力學(xué)，2010.31（8）：2484-2488.

[4] 孫鈞、王東棟. 地鐵施工變形預(yù)測與控制的計(jì)算機(jī)技術(shù)管理[J]. 施工技術(shù)，2009，38（1）： 10-13.

[5] 張宇、譚躍虎、張凌輝、郜東明、王德松.深基坑開挖對周邊建筑物的影響和治理方案.巖土工程界，2006.10（5）：78-80.

[6] 董志高、蔣小欣、吳繼敏、王慶紅.基坑工程對周邊建筑物的影響的數(shù)值分析.探礦工程，2005.11：1-3.

[7] 劉興旺、益德清等.基坑開挖地表沉陷理論分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2000，33（4）：51-60.

[8] 曾遠(yuǎn)、李志高、王毅斌.基坑開挖對臨近地鐵車站影響因素研究.地下空間與學(xué)報(bào)，2005.1（4）：642-645.

[9] 蔣洪勝、候?qū)W淵.基坑開挖對鄰近軟土地鐵隧道的影響[J].工業(yè)建筑，2002，32（5）：53-56.

[10] 吉茂杰、劉國彬. 開挖卸荷引起地鐵隧道位移的預(yù)測方法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào).2001，29（5）： 531- 535.

[11] 孔祥鵬、劉國彬、廖少明. 明珠二期上海體育館地鐵車站穿越施工對地鐵一號線車站的影響[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（5）：821- 825.

[12] 陳曉鳳、李紅明.南京中山樂都匯購物中心基坑支護(hù)設(shè)計(jì)綜合說明.

（3） 邊界條件及初始條件

在實(shí)際中，土體為半無限空間，考慮到土體實(shí)際中為半無限空間，考慮到計(jì)算量和模型大小，采用模型階段設(shè)置邊界條件，土體底部約束z向位移，東西兩側(cè)約束x向位移自由度，南北兩側(cè)約束y向位移自由度，即認(rèn)為底部和四周不受開挖的影響，位移為零。

計(jì)算中考慮地下水的滲流影響，以及初始固結(jié)沉降和初始應(yīng)力的影響。通過施工階段來模擬施工工況。各土層參數(shù)按工程地質(zhì)勘察報(bào)告取值，詳見表1。

（4）分步施工[6][7]

① 模型初始化，激活地下連續(xù)墻、地鐵站、隧道襯砌等板單元，施加初始地應(yīng)力，位移清零；

② 地下連續(xù)墻施工；

③ 基坑初次分區(qū)域分層開挖至2.6m深（應(yīng)力分步釋放）；

④ 施加第一道支撐（支撐結(jié)構(gòu)采用梁單元）

⑤ 基坑第二次分區(qū)域分層開挖至8.4 m深（應(yīng)力分步釋放）；

⑥ 施加第二道支撐（支撐結(jié)構(gòu)采用梁單元）

⑦ 基坑第三次分區(qū)域分層開挖至底板墊層底12.0m深開挖（應(yīng)力分步釋放）；

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析[8]

（1） 各施工階段隧道沉降分析

圖5為各施工階段隧道沿Z方向位移變化曲線圖，由圖可知，隧道最大絕對沉降發(fā)生在施工階段②、⑦，為0.48mm左右，最大隆起位移發(fā)生在施工階段③和施工階段⑥，分別為-1.5mm和-1.8mm。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，基坑開挖對隧道的沉降影響都很小。

由圖6-9各施工階段Z方向位移云圖可知，基坑外（包括地鐵隧道）沉降變形非常小，大約在10-4m數(shù)量級上，可忽略不計(jì)；位移大變形還是在基坑里面。

（2） 各施工階段隧道水平位移分析

圖10為各施工階段隧道X方向位移變化曲線圖，由圖可知，正負(fù)最大向水平位移均發(fā)生在施工階段⑦，分別為-0.48和1.8mm左右。其水平非常小，幾乎可忽略不計(jì)。

3.結(jié) 論

本文介紹了某基坑工程開挖及支護(hù)工況，并采用Midas GTS對基坑開挖進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了不同開挖工況下臨近地鐵隧道的沉降及水平位移，可以得到以下結(jié)論：

（1）深基坑工程由于開挖和降水原因使得土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，并以土體變形方式表現(xiàn)出來，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，造成支護(hù)體系外的土體位移變形，從而使得周邊構(gòu)筑物產(chǎn)生不均勻沉降[9][10]；但是通過采取一定的措施，可以加以控制，使得構(gòu)筑物不均勻沉降和側(cè)向變形在允許的控制范圍內(nèi)[11]。

（2）隧道地鐵站位移變形：在側(cè)向基坑支護(hù)開挖和系基坑支護(hù)的過程中，隧道結(jié)構(gòu)的最大水平位移分別為-0.48mm和1.7mm，遠(yuǎn)小于20mm，滿足地鐵保護(hù)水平位移技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。在整個施工過程中，最大絕對沉降為-0.48mm，最大隆起為1.8mm，均小于20mm，滿足地鐵保護(hù)絕對沉降量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求；且基坑外沉降變形非常小，可忽略不計(jì)，位移大變形還是在基坑里面。

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