盾構(gòu)管片預(yù)埋滑槽技術(shù)在蘭州地鐵中的應(yīng)用

馬曉波

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司城建院，西安　710043)

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盾構(gòu)管片預(yù)埋滑槽技術(shù)在蘭州地鐵中的應(yīng)用

馬曉波

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司城建院，西安710043)

摘要:傳統(tǒng)隧道內(nèi)安裝管線及固定設(shè)備采用打孔、化學(xué)錨栓與金屬支架配合的方式，存在安裝時效低、施工環(huán)境惡劣、對管片結(jié)構(gòu)損傷大、維修保養(yǎng)困難等一系列問題，以蘭州地鐵1號線工程為研究背景，對盾構(gòu)管片預(yù)埋滑槽技術(shù)進行系統(tǒng)的研究和探討，通過典型工況下滑槽的受力分析、現(xiàn)場安裝試驗以及成品檢測和實驗室試驗，論證地鐵隧道內(nèi)設(shè)計預(yù)埋滑槽的方案是安全可靠的，并確定了盾構(gòu)管片預(yù)埋滑槽截面型式、材質(zhì)、連接方式、鍛造工藝與力學(xué)性能等設(shè)計參數(shù)和生產(chǎn)工藝要求，進一步明確了耐腐蝕性能是滑槽可靠性的控制性因素。預(yù)埋滑槽技術(shù)，改善了現(xiàn)場施工環(huán)境，提高設(shè)備與管線安裝效率，對隧道結(jié)構(gòu)零損傷，延長工程使用壽命，可在地鐵行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:蘭州地鐵;預(yù)埋滑槽;管片;受力性能;耐久性

1　概述

城市軌道交通建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，地鐵隧道的安全建設(shè)及后期的維護成為很多城市軌道交通建設(shè)部門關(guān)注的焦點。傳統(tǒng)上，在隧道內(nèi)安裝管線及固定設(shè)備都會采用化學(xué)錨栓與金屬支架配合的方式。而用預(yù)埋滑槽的方式替代后，設(shè)備及管線布設(shè)將更加方便靈活，大大改善現(xiàn)場安裝施工環(huán)境，能較大地提高安裝工作效率，且大量減少運營階段的維護工作量。其優(yōu)點在于:對隧道結(jié)構(gòu)零損傷，延長工程使用壽命，提高設(shè)備安裝效率，改善安裝環(huán)境，運營期間設(shè)備更換、增加等更加方便，節(jié)省費用，縮短工期。

國外預(yù)埋槽道技術(shù)的應(yīng)用起始于1931年，目前已廣泛應(yīng)用于建筑幕墻、高速鐵路隧道、火車站、核電廠、電梯、橋梁、市政隧道與電力隧道等領(lǐng)域，我國高鐵也已引進此項技術(shù)并成功應(yīng)用于武廣、哈大、京滬等高鐵線路上。

槽道預(yù)埋技術(shù)［1］作為地鐵工程上的創(chuàng)新技術(shù)，能避免在隧道管片上的打孔作業(yè)。這不僅使得隧道內(nèi)管線及設(shè)備的安裝更為便捷，而且能為地鐵的百年安全運營打下堅實的基礎(chǔ)。本文依托蘭州地鐵1號線實際工程，對滑槽各類設(shè)計參數(shù)進行了系統(tǒng)介紹，然后對滑槽的耐久性，尤其是耐腐蝕性能進行了深入闡述并提出了相應(yīng)要求，明確了耐腐蝕性能重要性，最后進行了典型工況下滑槽的受力分析，驗證了設(shè)計方案的可行性，可以在后續(xù)類似工程中推廣應(yīng)用。

2　工程概況

蘭州地鐵1號線一期工程(陳官營—東崗段)全長26.692 km，均布設(shè)于主城區(qū)內(nèi)，全線均為地下線，其中地下區(qū)間隧道長約20.17 km(雙延米)，共20個區(qū)間，盾構(gòu)法隧道17.47 km(雙延米)。為便于管片的管理及滿足曲線模擬和施工糾偏的需要，管片采用通用楔形襯砌環(huán)，通過其不同旋轉(zhuǎn)位置的各種組合來擬合不同的曲線。隧道襯砌采用通用楔形環(huán)錯縫拼裝，楔形環(huán)為雙面楔形，襯砌環(huán)由1個封頂塊(F)、2個鄰接塊(L1、L2)、3個標(biāo)準(zhǔn)塊(B1、B2、B3)組成。盾構(gòu)管片厚度為350 mm，環(huán)寬為1.2 m。

3　預(yù)埋滑槽設(shè)計參數(shù)

根據(jù)目前中國地鐵建設(shè)、運營的環(huán)境條件和施工工藝的方法及我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，地鐵預(yù)埋滑槽的性能須具備防腐、防火、疲勞、承載力、使用年限等要求，只有滿足參數(shù)條件，才能使地鐵工程不留下安全隱患。

3.1截面尺寸

根據(jù)國家強制性標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010－2010)［2］8.2混凝土保護層的規(guī)定，設(shè)計使用年限為100年的混凝土結(jié)構(gòu)，最外層鋼筋的保護層厚度不應(yīng)小于28 mm(環(huán)境類別為二a類)，也就是說槽道高度最大不能超過22 mm。計算100年設(shè)計使用年限的混凝土結(jié)構(gòu)碳化深度，對照現(xiàn)行規(guī)范(GB50010—2010)規(guī)定的混凝土保護層厚度，提出槽道的標(biāo)準(zhǔn)高度為20 mm，寬度為30 mm。預(yù)埋滑槽大樣見圖1，預(yù)埋滑槽產(chǎn)品示意見圖2。

圖1　預(yù)埋滑槽大樣(單位:mm)

圖2　預(yù)埋滑槽產(chǎn)品示意

3.2材質(zhì)

地鐵預(yù)埋滑槽及錨桿和相應(yīng)配件的材質(zhì)選用低碳高合金鋼，其中碳元素含量不大于0.08%，;鉻元素含量不小于0.35%，鎳元素含量不小于0.40%，鉬元素含量不小于0.30%，其機械性能滿足《碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T700—2006)中Q235的要求，也可采用綜合性能優(yōu)于此鋼材的其他材質(zhì)。因為采用C≤0.08%，C含量低，其機械性能、韌性、防腐性能均好，非常適合動載荷載。采用了大量成分的Cr與Ni來滿足防腐性能。采用大量Mo是為了達到耐火性能要求。

3.3滑槽連接方式

槽道與錨桿必須采用雙面焊接而非四面焊接，因為根據(jù)實驗結(jié)果，四面焊接雖然在提高槽道抗拉力上有所增加，但也相應(yīng)增加了槽道的脆性和內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)槽道受到破壞力時，四面焊接的破壞形式為將槽道底板拉脫，且底板上形成一個口字形破壞洞(圖3)。而采用雙面焊接的槽道韌性好，且雙面焊縫的內(nèi)應(yīng)力比四面焊接的內(nèi)應(yīng)力小，所以當(dāng)槽道受到破壞力時，槽道底板只是拉坯破壞，錨桿和底板還是連接在一起且不脫離槽道本體(圖4)。

圖3　四面焊接破壞形式

圖4　雙面焊接破壞形式

另一方面，當(dāng)采用四面焊接時，由于錨桿四周焊縫的圍閉效應(yīng)，在錨桿和槽道底板間形成了一個封閉空間，這個密閉空間還未經(jīng)過防腐處理，容易在大自然環(huán)境中生銹。而采用雙面焊接的槽道，防腐劑可以充分滲透進錨桿與槽道底板間的空隙，從而有效地預(yù)防了錨桿和槽道底板間的腐蝕。

3.4鍛造工藝

預(yù)埋滑槽采用全熱軋帶燕尾齒—全熱軋:因為冷軋槽道只能用于靜荷載，熱軋槽道用于動荷載(由于冷軋槽道存在延時斷裂和內(nèi)應(yīng)力大的缺點，當(dāng)受到動荷載時會快速出現(xiàn)裂紋和破壞，而熱軋槽道是在槽道結(jié)晶溫度區(qū)間軋制，槽道不存在延時斷裂和內(nèi)應(yīng)力，可以用于動荷載)。帶燕尾齒:因為地鐵槽道受力為拉力、剪力、軸向力等各個方向力，故只有帶齒，軸向才能受力，才能防滑。其次，燕尾齒承受軸向力的受力面積大于平齒承受軸向力的受力面積，增加了齒的受力荷載。再次，燕尾齒可以將承受的垂直于槽道軸向的拉力分解，減少對槽道齒的受力。同時燕尾齒的破壞行程大，使破壞時需要擠壓掉燕尾齒才能破壞，增大了承載力。所以地鐵槽道必須全熱軋帶燕尾齒才能滿足地鐵使用的基本要求。

3.5力學(xué)性能

盾構(gòu)管片需要固定強電電纜、疏散平臺、電信管線等各種管線和設(shè)備，通過分析，管片所受附加外荷載主要為強電電纜自重荷載、疏散平臺自重荷載及其上的活荷載，同時需要考慮隧道內(nèi)列車運行活塞風(fēng)的影響。強電電纜自重荷載1.51 kN/m，疏散平臺自重荷載2.0 kN/m，疏散平臺活荷載6.8 kN/m(包含地鐵隧道內(nèi)活塞風(fēng)產(chǎn)生的往復(fù)荷載為q = 3.5 kN/m，疏散平臺支撐每1.2 m設(shè)置1道，平臺寬度約為0.75 m)。蘭州地區(qū)管片環(huán)寬以1.2 m為主，高壓、低壓及弱電電纜支架間距按相關(guān)規(guī)定通常為1 m，需增加轉(zhuǎn)換支架，荷載約為0.5 kN/m。由于疏散平臺荷載為管片所受荷載的控制性荷載，因此管片所受最大附加荷載為

式中，p1為疏散平臺自重荷載; p2為疏散平臺活荷載;β緊急疏散時荷載系數(shù)(可取1.4)。

盾構(gòu)管片與連接螺栓在外荷載作用下可能產(chǎn)生的破壞為:(1)外荷載為盾構(gòu)管片切線方向時，盾構(gòu)管片沿連接螺栓局部受壓破壞; (2)外荷載為盾構(gòu)管片法線方向時，盾構(gòu)管片手孔邊緣位置受沖切破壞; (3)在外荷載較大時，連接螺栓同時受拉與受剪破壞。

經(jīng)計算，將相關(guān)參數(shù)代入式(1)，可得沿管片切向最大荷載為18.48 kN，每個疏散平臺［3］支點假定由兩個T形螺栓承載，則地鐵疏散平臺在列車正常運行時對固定其的槽道產(chǎn)生疲勞工作荷載最大值為9.24 kN，此疲勞工作荷載滿足地鐵設(shè)計規(guī)范中所有管線、給排水、消防水管、漏纜承載力要求。結(jié)合疏散平臺的材質(zhì)和槽道的力學(xué)設(shè)計、疲勞強度設(shè)計，建議選擇工作荷重不低于10 kN的熱軋帶齒槽道。

4　預(yù)埋滑槽耐久性要求

4.1表面處理

預(yù)埋滑槽表面采用多元合金共滲［4］+絕緣封閉層處理，滿足《鐵路混凝土梁配件多元合金共滲防腐技術(shù)條件》(TB/T3274—2011)標(biāo)準(zhǔn)。

(1)多元合金共滲:目的是滿足防腐要求。

(2)封閉層:目的是增加防腐能力并對雜散電流進行防護。

4.2抗疲勞

預(yù)埋滑槽可滿足無預(yù)埋在混凝土?xí)r疲勞100萬次，預(yù)埋在混凝土?xí)r可達到疲勞300萬次，滿足疲勞頻率1～3 Hz，波形為正弦波，荷載基準(zhǔn)及幅值為(10±3) kN。因為無預(yù)埋100萬次時的疲勞是為了檢測錨桿與槽道體之間的焊接質(zhì)量。有預(yù)埋300萬次疲勞是為了檢測槽道在地鐵長期動荷載的作用下，槽道的使用年限能否滿足100年的振動及受力變化。其試驗方法需滿足《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件》(TB/T2073—2010)、《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件試驗方法》(TB/T2074—2010)的要求。

4.3耐火

預(yù)埋滑槽滿足《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB/T50016—2006)，在火燒的環(huán)境下，耐火承載0.8 kN，且滿足RABT－ZTV標(biāo)準(zhǔn)溫度時間曲線《建筑構(gòu)建耐火試驗可供選擇和附加的試驗程序》(GB/T26784—2011)，在1 200℃，120 min內(nèi)，耐火承載力不喪失［5］。

4.4耐腐蝕

預(yù)埋滑槽使用年限與隧道同壽命，且槽道在無防腐狀態(tài)下，經(jīng)300 h銅加速醋酸鹽霧試驗(CASS)或2 400 h中性鹽霧試驗(NSS)后，其力學(xué)性能及疲勞性能還能滿足預(yù)埋滑槽的力學(xué)與疲勞性能。根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157—2013)規(guī)定:地下結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)環(huán)境類別，按設(shè)計使用年限為100年的要求進行耐久性設(shè)計［6］。根據(jù)《城市軌道交通技術(shù)規(guī)范》(GB50490—2009)結(jié)構(gòu)工程7.4.2規(guī)定:主體結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計使用年限應(yīng)為100年［7］。由于預(yù)埋滑槽產(chǎn)品預(yù)埋在主體結(jié)構(gòu)中，無法更換，屬于主體結(jié)構(gòu)的一部分。所以在主體結(jié)構(gòu)100年的設(shè)計使用年限內(nèi)，槽道應(yīng)該與隧道同壽命，且力學(xué)性能和疲勞性能都能滿足設(shè)計要求。

因為預(yù)埋滑槽暴露在空氣中的部分使用環(huán)境腐蝕氣體嚴(yán)重，且后期對槽道內(nèi)腔防腐維護不易和成本高昂，所以需要槽道的表面防腐層也需要滿足100年的使用要求。因根據(jù)相關(guān)理論與實踐，在大氣自然環(huán)境中1年的腐蝕相當(dāng)于中性鹽霧試驗24 h，銅加速醋酸試驗3 h。所以耐腐蝕年限100年相當(dāng)于中性鹽霧試驗2 400 h，銅加速醋酸試驗300 h。

從現(xiàn)有研究成果與工程實際應(yīng)用情況來看，滑槽的受力性能一般能夠得到較好的保證，但耐久性，尤其是耐腐蝕性能卻難以達到預(yù)期效果。這一方面是由于耐久性的現(xiàn)場檢測相對困難，給產(chǎn)品質(zhì)量隱患留下了伏筆，但根本原因還是槽道表面防腐層本身質(zhì)量與施工不到位，這也很容易成為槽道質(zhì)量的控制性因素。

5　預(yù)埋滑槽受力計算分析及結(jié)果

5.1受力分析

5.1.1工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

蘭州地鐵1號線主要走行于卵石土與砂質(zhì)黃土地層，地下水埋深3～10 m，區(qū)間隧道埋深為10～18 m。

根據(jù)區(qū)間穿越地層情況，選擇具有代表性區(qū)間隧道管片進行力學(xué)性能計算分析。土層參數(shù)見表1。

表1　土層參數(shù)

5.1.2管片結(jié)構(gòu)主要材料參數(shù)

(1)混凝土:強度等級C50，抗?jié)B等級P12。

(2)鋼筋:HPB300、HRB400。

(3)螺栓:縱縫、環(huán)縫均采用M30彎螺栓，8.8級。

5.1.3計算內(nèi)容

(1)受荷載狀態(tài)下隧道管片變形計算

(2)隧道管片混凝土應(yīng)力計算

(3)槽道應(yīng)力計算

(4)錨桿軸力計算

5.1.4分析建模

應(yīng)用軟件為MIDAS/GTS，利用圖形化用戶界面來建立結(jié)構(gòu)實體對象模型，通過先進的有限元模型和自定義標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范接口技術(shù)來進行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計，實現(xiàn)了精確的計算分析過程［8］。

建立單環(huán)管片三維模型，數(shù)值分析對整體結(jié)構(gòu)施加重力，然后根據(jù)實際荷載進行加載，采用彈簧邊界條件。管片采用實體單元，槽道采用板單元，錨桿采用植入式桁架單元進行模擬［9-10］。管片三維模型見圖5。

圖5　管片三維模型

5.1.5荷載施加(圖6)

覆土厚11.04 m，常水位位于隧道結(jié)構(gòu)頂板以上1.84 m。所處地層情況如表1所示，采用水土分算。隧道拱頂土壓力取拱頂以上，隧道外直徑(1～2) D高的土柱荷載，即按全覆土進行計算;側(cè)向土壓力根據(jù)太沙基松弛土壓力和靜止側(cè)壓力系數(shù)確定。即:

(1)拱頂土壓力P=190.04 kN/m2。

(2)側(cè)向土壓力

隧道拱頂松弛土壓力:Ps=112.81 kN/m2。

側(cè)向土壓力:e1=0.19×112.81=21.43 kN/m2。

e2= 21.43 + 0.19×13×6.2 = 36.74 kN/m2。

(3)水壓力:常水位位于隧道結(jié)構(gòu)頂板以上1.84 m，隧道頂板處水壓力為18.4 kN/m2，頂?shù)滋幩畨毫?0.4 kN/m2。

(4)地面超載:p0= 20 kPa，超載側(cè)壓力e0= 20×0.19=3.8 kPa。

(5)槽道的拉力F=30 kN，剪切力T=30 kN。

圖6　結(jié)構(gòu)計算荷載圖式

5.2計算結(jié)果分析

5.2.1隧道管片變形計算(圖7、圖8)

圖7　管片水平向變形

圖8　管片豎向變形

5.2.2隧道管片應(yīng)力計算(圖9～圖12)

圖9　管片第一主應(yīng)力

圖10　管片第二主應(yīng)力

圖11　管片第三主應(yīng)力

圖12　Mises應(yīng)力

5.2.3隧道管片剪應(yīng)力計算(圖13～圖18)

圖13　F塊剪應(yīng)力云圖

圖14　L1塊剪應(yīng)力云圖

5.2.4槽道應(yīng)力、錨桿軸力計算(圖19、圖20)

圖15　L2塊剪應(yīng)力云圖

圖16　B1塊剪應(yīng)力云圖

圖17　B2塊剪應(yīng)力云圖

圖18　B3塊剪應(yīng)力云圖

圖19　槽道最大剪切應(yīng)力

圖20　錨桿軸力

根據(jù)計算結(jié)果可知:

(1)開槽的隧道管片在荷載組合作用下的最大豎向變形為拱頂6.18 mm，水平變形為1.42 mm;均可滿足沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)開槽的隧道管片在荷載組合作用下的混凝土最大主拉應(yīng)力為1.45 MPa，混凝土最大主拉應(yīng)力小于混凝土開裂容許應(yīng)力。

(3)槽道在荷載組合作用下的最大主應(yīng)力為32.5 MPa，小于鋼材的屈服應(yīng)力。

(4)錨桿在荷載組合作用下的最大軸力為4.01 kN，小于設(shè)計軸力。

(5)隧道管片在荷載作用下的混凝土最大剪切應(yīng)力為2.24 MPa，滿足混凝土剪切容許應(yīng)力。槽道在荷載作用下的最大剪切應(yīng)力為2.04 MPa，均可滿足剪切容許應(yīng)力，確保結(jié)構(gòu)的安全可靠。

6　管片預(yù)埋滑槽的實際應(yīng)用

根據(jù)蘭州地鐵1號線盾構(gòu)管片預(yù)埋滑槽的設(shè)計原則，通過現(xiàn)場安裝及成品檢測，預(yù)埋滑槽順利通過承載力、抗疲勞、防腐、抗拉拔等試驗測試［11］，測試結(jié)果均能滿足設(shè)計要求。

7　結(jié)論與建議

(1)蘭州地鐵1號線確定全線采用管片(地鐵隧

道墻壁)預(yù)埋滑槽技術(shù)，提高了主體結(jié)構(gòu)的整體安全性，對隧道結(jié)構(gòu)零損傷，延長了隧道的使用壽命。

(2)應(yīng)用預(yù)埋滑槽技術(shù)，管線安裝操作簡單，功效高，環(huán)境清潔;由于預(yù)埋滑槽的免維護、免更換，在隧道的全生命周期可節(jié)省大量費用，具有很好的經(jīng)濟性。

(3)預(yù)埋滑槽技術(shù)在國內(nèi)軌道交通中的應(yīng)用剛剛起步，尚無相關(guān)設(shè)計規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可遵循;為此，設(shè)計通過典型工況下預(yù)埋滑槽受力分析，論證了地鐵隧道內(nèi)設(shè)計預(yù)埋滑槽的方案安全可靠。

(4)為保證預(yù)埋滑槽效果，通過現(xiàn)場安裝試驗(包括:拉拔試驗、剪切試驗、水平環(huán)堆載試驗，試驗結(jié)果可作為確定預(yù)埋滑槽錨固長度的依據(jù))和實驗室試驗(包括:中性鹽霧腐蝕性及涂層沖擊試驗、耐火性能試驗，對材質(zhì)及耐久性測試)，以及成品檢測，預(yù)埋滑槽順利通過承載力、抗疲勞、防腐、抗拉拔等試驗測試，測試結(jié)果均能滿足設(shè)計要求;并組織國內(nèi)知名專家進行論證和優(yōu)化，確定了設(shè)計參數(shù)和生產(chǎn)工藝要求。

(5)預(yù)埋滑槽安裝過程中需注意避免槽道錨桿與管片鋼筋的接觸，應(yīng)有專業(yè)的操作手進行槽道的安裝，并要求槽道安裝人員與管片制作人員的雙控監(jiān)督管理模式，保證槽道不與管片鋼筋籠接觸，避免運營階段的電化學(xué)腐蝕。

(6)預(yù)埋滑槽產(chǎn)品應(yīng)滿足防腐、絕緣、耐火及承載力等設(shè)計要求，并根據(jù)設(shè)計要求提供有資質(zhì)的質(zhì)檢部門測試報告。

(7)預(yù)埋滑槽的設(shè)計主要在承載力與耐久性兩個方面，承載力可以通過構(gòu)造措施予以解決，長期耐久性往往成為槽道質(zhì)量的控制因素，應(yīng)加強耐久性質(zhì)量控制與現(xiàn)場檢測。

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Application of Embedded Chute in Shield Segment of Lanzhou Metro Line

MA Xiao-bo
(Urban Construction Institute of China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an 710043，China)

Abstract:The traditional method to install pipelines and equipment in tunnel is by drilling with chemical anchor bolt and metal support，which is resulted in such problems as low efficiency，poor construction environment，segment structure damage，and maintenance difficulties.This paper，with reference to Lanzhou Metro Line 1，conducts systematic research and analysis of shield segment embedded channel and justifies the reliability of the practice through force analysis of pre-buried channel under typical working conditions，field installation tests，finished product testing and laboratory tests，specifies design parameters and production process in terms of section type，material，connection，forging process and mechanical properties.It is defined that corrosion resistance is the controlling factor to ensure the reliability of the pre-buried channel.The embedded channel technology improves construction environment，increases efficiency of equipment and pipeline installation，protects tunnel structural components from being damaged and extends the engineering service life of the project，and will see extensive application in the industry.

Key words:Lanzhou Metro; Embedded chute; Segment; Mechanical performance; Durability

作者簡介:馬曉波(1984—)，男，工程師，E-mail:mxb20032344@ aliyun.com。

收稿日期:2015-06-24;修回日期:2015-08-04

文章編號:1004-2954(2016) 03-0101-05

中圖分類號:U231+.3

文獻標(biāo)識碼:B

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.022