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桩基工程

第10章桩基工程

第1节桩基工程概况

1、桩基设计概况

表10-1-1华润大厦人工挖孔桩统计表

桩编号

桩身直径d(m)

桩身混凝土强度等级

单桩承载力特征值(KN)

桩端持力层

预估有效桩长(m)

护壁厚度(mm)

配筋率

下口

上口

T1-T16

4.5

C40

171000

中风化

16.0—27.7

150

200

0.40

C1-C28

2.5

C40

46000

中风化

16.5—25.6

150

200

0.40

表10-1-2纯地下室人工挖孔桩统计表

桩编号

桩身直径d(m)

桩身混凝土强度等级

单桩抗拔承载力特征值(KN)

单桩抗压承载力特征值(KN)

桩侧持力层

预估有效桩长(m)

估算数量(根)

数量合计

P1

1.2

C35

3500

7500

中风化

14

303

630

P2

1.2

C35

3500

6000

全/强风化

20

54

P3

1.2

C35

3500

6000

全/强风化

23

169

P4

1.2

C35

3500

6000

全/强风化

26

104

注:

酒店部分人工挖孔桩暂缺图纸。

2、工程地质情况

按地质年代和成因类型来划分,本次钻探揭露岩土层分为素填土、人工填石、淤泥、粘土、砾砂、砾质粉质粘土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩,但桩基础考虑在基坑底施工,基坑深度约28m,因此素填土、人工填石及淤泥基本不在桩基础成孔土层范围内,桩基础成孔范围地质情况详见下表。

 

表10-1-3桩基成孔范围地质勘察岩土单元(层)一览表

分类

成因类型

地层代号

分层代号

岩性

层厚

顶板埋深

土层

第四系全新统冲洪积层

Q4al+pl

⑤1

粘土

0.30~6.10m

第四系全系统冲洪积层

Q4al+pl

⑤2

砾砂

0.40~8.90m

第四系中更新统残积层

Qel

砾质粉质粘土

0.40~30.50m

岩层

燕山期侵入岩

γ53

⑨1

全风化花岗岩

1.20~16.00m

16.40~45.00m

⑨2

强风化层花岗岩

2.20~36.60m

21.00~53.70m

⑨3

中风化花岗岩

1.20~36.80m

31.30~74.30m

⑨4

微风化花岗岩

0.50~9.60m

35.20~80.60m

3、地下水情况

场地内地下水主要有两种类型:

一是松散土层孔隙潜水,二是基岩裂隙水。

孔隙潜水主要赋存在第四系全新统砾砂中,水量丰沛,此外残积砾质粉质粘土、全风化岩亦有少量赋存。

基岩裂隙水主要赋存在基岩强风化层~中风化岩的裂隙中(局部钻孔中风化层较厚、裂隙发育,裂隙水较发育),其上覆残积砾质粉质粘土和全风化岩,但二者渗透性相近。

因此上述两种类型的地下水一般不具承压性。

本次勘察期间,场地范围混合地下水埋深1.80~9.40m,水位高程-0.22~5.22m,由于本次勘察正值旱季,雨季水位会更高。

地下水主要补给来源为大气降水和少量海水补给,地下水的排泄以径流为主,与海水具有水利联系。

场地原始地貌为滨海潮间带,现已填海造地,本场地紧临亚洲唯一永久F1赛艇场(水平直线距离约100m),距深圳湾海域很近。

水质分析结果表明地下水中C1-离子含量偏高,证明地下水与海水尚有水力联系。

降雨集中季节,地下水向海排泄,方向由西向东。

枯水季节地下水位低于海平面时,则接收海水补给。

4、水文情况

深圳市气候属亚热带季风气候,热量丰富,日照时间长,雨量充沛。

气候和降雨量随冬、夏季风的转换而变化。

冬季无严寒,夏季湿热多雨,一年内有冷暖和干湿季之分。

具有雨热同季,干凉同期的特点。

但降水和气温的年季变化较大,灾害性天气也较多。

深圳地区主要气候要素如下:

a、气温

Ⅰ、年平均气温22.4℃,月平均气温1月为14.3℃,7月为28.3℃;

Ⅱ、极端最高气温38.7℃(1980年7月10日);

Ⅲ、极端最低气温0.2℃(1957年2月3日);

b、风

Ⅰ、风向与频率:

常年盛行南东东风(频率17%)和北北东风(频率14%),其次为东风(频率13%)和东北风(频率11%),随季节和地形等不同,风向频率也不同。

Ⅱ、风速:

①年平均风速2.6m/s;

②极端最大风速40m/s(为南或南南东向台风);

c、降雨量

Ⅰ、年平均降雨量为1933.3mm,雨季(5~9月)降雨量1516.1mm;

Ⅱ、日最大降水量412mm(1964年10月12日);

Ⅲ、年降水日数144.7天,连续最长降水日数20天;

d、年平均气压:

101.08kPa

e、相对湿度

Ⅰ、平均相对湿度79%;

Ⅱ、最小相对湿度11%;

Ⅲ、最大相对湿度可达100%;

f、年平均蒸发量1755.4mm

g、雷暴日数:

年平均雷暴日数73.9日/年(1951~1985年)。

5、现场施工现状

总承包进场时现场施工现状如下图所示,其中东侧场地标高为-15.00m,华润大厦场地标高为-28.14m,周边为-24.14m。

图10-1-1总承包进场时现场施工现状图

第2节桩基施工分区及组织

1、施工准备阶段

a、进场前察看基坑内场地承载力是否满足施工要求,如场地不能满足施工要求,则对施工区域进行石渣铺填,以满足机械行走要求。

同时进行材料、机械、人员、技术准备以及现场临时设施准备、水电线路布设。

b、配合建设方选定临建搭设位置以及临时土方堆放位置,以便于桩芯土的堆放不影响其余工序的连续施工。

c、规划好现场的材料堆放位置以及材料场、加工场的转移路线。

2、施工总体部署

h、施工区域划分及流向

共分为6个大区(见后图),施工顺序为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅵ。

除了Ⅲ区及酒店的桩基,各区桩基开挖前先进行土方开挖,挖至垫层底标高以下50mm,并浇筑100mm厚垫层。

Ⅰ区内细分为5个区,施工顺序为Ⅰ—1、Ⅰ—4、Ⅰ—5→Ⅰ—2→Ⅰ—3

Ⅱ、Ⅲ区与Ⅰ区同时开始施工,进场后立即开挖Ⅲ区东南角范围的桩基,完成后在Ⅲ区内填土坡道(见后图),Ⅲ区坡道覆盖内桩基施工作业面为-15m,非土坡道覆盖范围内桩基施工前需将土方开挖至垫层底标高;在东南角开设大门,作为桩基及底板施工的主要行车路线。

Ⅲ区内细分为4个区,施工顺序为Ⅲ—3、Ⅲ—4→Ⅲ—1、Ⅲ—2

Ⅳ区紧跟Ⅱ区施工,Ⅴ区紧跟Ⅳ区施工,Ⅵ区需等Ⅰ区施工完毕后进行。

图10-2-1桩基施工流水段划分图

i、出土道路规划

桩基施工作业面为100mm厚垫层,垫层浇筑时需规划出土行车道路,道路所在处垫层厚度为150mm,配筋A12@200mm。

人工挖孔桩的桩孔土方开挖后集中于集土坑,集中一定的土方量后由挖掘机统一铲出装车外运。

集土坑及行车道路规划图如下:

图10-2-2集土坑及出土行车道路规划图

j、施工进度计划分析

Ⅰ、华润大厦大直径人工挖孔桩工效分析:

华润大厦共有44根桩,预估有效桩长为16~26.3m,预估入岩深度大多数为1m,有7根为3.9~7.3m。

土方开挖阶段每天进深约1m,入岩爆破阶段每天进深约0.8m。

直径4.5m的桩单根施工工期按45天考虑,考虑爆破时对相邻桩的影响,分2批间隔开挖,第一批完全成孔之后第二批开始开挖,间隔时间为39天。

直径2.5m的桩单根施工工期按41天考虑,考虑桩净距小于4.5米,分2批间隔开挖,第一批完全成孔之后第二批开始开挖,间隔时间为35天。

Ⅱ、纯地下室人工挖孔桩工效分析:

纯地下室人工挖孔桩共有以下4类:

P1(估算桩长14m,入岩深度4m,Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区)、P2(估算桩长20m,无入岩,Ⅱ区、Ⅰ-4区)、P3(估算桩长23m,无入岩,Ⅰ-1、Ⅰ-2区)、P4(估算桩长26m,无入岩,Ⅲ区)

土方开挖阶段每天进深约1m,入岩爆破阶段每天进深约0.8m。

Ⅲ、土方及锚索工程工效分析:

土方开挖阶段按每天出土60车考虑,每车9m3,即每天出土540m3;土方开挖时提前开挖锚索施工作业面,使锚索施工穿插于土方开挖过程中,清除土坡道后剩余60根锚索,按2.6根/机/天,投入两台机械。

表10-2-1桩基施工进度计划表

任务名称

工期

开始时间

完成时间

桩基工程

180工作日

2013/11/27

2014/6/21

Ⅰ区桩基施工

92工作日

2013/11/27

2014/3/25

Ⅰ区大面土方开挖

5工作日

2013/11/27

2013/12/1

垫层施工

3工作日

2013/12/2

2013/12/4

Ⅰ-1区

32工作日

2013/12/5

2014/1/5

Ⅰ-2区

32工作日

2014/1/6

2014/3/5

Ⅰ-4区

32工作日

2013/12/5

2014/1/5

Ⅰ-3区

21工作日

2014/1/6

2014/2/22

Ⅰ-5区华润大厦

84工作日

2013/12/5

2014/3/25

T1-T16奇数桩施工

45工作日

2013/12/5

2014/1/18

C1-C28奇数号桩施工

41工作日

2013/12/5

2014/1/14

C1-C28偶数号桩施工

41工作日

2014/1/9

2014/3/17

T1-T16偶数桩

45工作日

2014/1/13

2014/3/25

酒店和Ⅲ区土坡道施工、桩基施工

180工作日

2013/11/27

2014/6/21

Ⅲ区人工挖孔桩

80工作日

2013/11/27

2014/3/13

非土坡道范围(Ⅲ-1、Ⅲ-2区)人工挖孔桩

45工作日

2014/1/1

2014/3/13

土坡道范围(Ⅲ-3、Ⅲ-4区)人工挖孔桩

35工作日

2013/11/27

2013/12/31

土坡道施工

20工作日

2014/1/1

2014/2/16

多余土方外运

85工作日

2014/1/1

2014/4/22

锚索施工

65工作日

2014/1/11

2014/4/12

清除土坡道

85工作日

2014/3/29

2014/6/21

剩余锚索施工

20工作日

2014/4/28

2014/5/17

酒店桩基施工

70工作日

2014/3/21

2014/5/29

Ⅱ区桩基施工

25工作日

2013/11/27

2013/12/21

Ⅳ区桩基施工

25工作日

2013/12/22

2014/1/15

Ⅴ区桩基施工

25工作日

2014/1/16

2014/3/8

Ⅵ区桩基施工

25工作日

2014/3/26

2014/4/19

k、施工机械设备配置计划

表10-2-2人工挖孔桩施工机械设备配置计划

设备名称

序号

型号

数量(台)

每台功率(kw)

垂直提土设备

1

0.5T卷扬机

200台

3

潜水泵

2

30—40米扬程

200台

2.5

手推车

3

500台

鼓风机

4

50台

25

空压机

10台

116

钢模板

5

1m、0.5m

400套

砼下料槽

6

10套

电焊机

7

BX1—400

5台

11

振动器

8

Ф70mm

8套

4.5

钢筋切割机

9

QJ40

4台

5

挖掘机

10

KATO1.5m3

1台

风镐

11

30套

毒气测试仪

12

XPO—317

4台

红外线体温测试仪

13

2台

防毒面具

14

40套

人货车

15

1.75t

5辆

氧气袋

16

50个

第3节桩基施工数值分析

10.3.1大直径桩开挖数值分析

1、计算条件

计算时进行了如下假定:

a、本次计算假定桩顶标高为-28m,即基坑顶部以下28m。

此时大直径桩已经全部进入强风化岩中。

b、计算时取大直径桩的桩径为4.5m,桩长25m,护壁层厚度为150mm,混凝土等级为C40,相应的弹性模量3.25e10,泊松比0.2。

c、模型中设置16根桩,采用4*4矩阵式排布,同一排内桩心之间的距离为10m。

在上述假定条件下,用FLAC3D进行了建模,得到如下模型。

图10-3-1计算模型(蓝色为土体,红色为护壁,桩体已开挖完成)

2、计算结果

在上述上条件下进行数值模拟计算,分别针对顺序开挖和跳桩开挖两种施工顺序进行数值模拟计算得到如下结果。

l、顺序开挖

图10-3-2沉降云图

图10-3-3水平位移云图-剖面图

图10-3-4位移矢量云图-剖面图

图10-3-5剪切应力云图-剖面图

图10-3-6最大主应力云图-剖面图

m、跳桩开挖

图10-3-7沉降云图

图10-3-8水平位移云图-剖面图

图10-3-9位移矢量云图-剖面图

图10-3-10剪切应力云图-剖面图

图10-3-11最大主应力云图-剖面图

3、计算结果分析

根据本次模拟计算得到的结果,进行结果分析说明:

a、图10-3-2、图10-3-7为Z方向位移云图,即竖向沉降云图,图中沉降在厘米数量级范围内,最大沉降约4.2cm。

b、图10-3-3、图10-3-8为水平位移云图,图中水平位移在厘米数量级范围内,最大水平位移约为2.8cm,即大直径桩的侧壁产生向桩孔内的位移2.8cm。

最大水平位移出现在桩的中下部。

c、图10-3-4、图10-3-9为位移矢量图,以矢量的形式表现桩周土体的位移方向和大小。

d、图10-3-5、图10-3-10为剪切应力云图,根据云图分布可知,主要剪切应力作用于大直径桩的护壁上。

e、图10-3-6、图10-3-11为最大主应力云图,受桩体开挖的影响,在桩周土体及护壁上有应力集中现象。

通过上述分析,土体的应力变化规律符合力学原理和规律,应变在合理范围内,略偏大,说明桩体开挖对周边环境造成的一定影响。

桩体护壁承受着最大的正应力和切应力,因此护壁的厚度和材料强度对桩周土体的应力应变控制起主导作用。

考虑到本工程大直径桩的桩径为4.5m,桩长25m,护壁层的厚度150mm,护壁厚度相对较小,水平位移相对较大,建议将护壁厚度增加至300mm,以便于更有效的控制变形。

将上述计算中顺序开挖和跳桩开挖的计算结果对比分析可知,跳桩开挖引起的位移及桩体护壁的内力均比顺序开挖时小,且位移和应力的分布更均匀,受力条件更有利。

因此,施工时建议采用跳桩开挖的顺序,减小对相邻桩的影响,有利于土体的稳定性,对周边环境的影响也更小。

10.3.2大直径工程桩混凝土数值分析

1、混凝土桩模型

我司根据施工经验对本工程大直径工程桩混凝土进行数值分析,假定采用普通混凝土、入模温度为28℃。

图10-3-12混凝土桩的整体模型图10-3-13混凝土桩的计算模型

 

2、数值分析结果

图10-3-143d温度场

图10-3-154d温度场

图10-3-1610d温度场

图10-3-1715d温度场

图10-3-1821d温度场

由分析结果可知采用普通混凝土,假定入模温度控制在28℃(冬季),中心最高温度达到77.9℃,对桩身混凝土强度发展可能不利;我司已有类似工程的大直径工程桩成功的施工经验,一旦中标,我司将对其混凝土配合比做进一步的研究降低水化热。

同时,根据深圳气象资料及以往工程经验,如果大直径工程桩在夏季施工时,则很难将其砼入模温度控制在30℃以下,须采取如加冰等特殊措施方可实现。

第4节桩基施工

1、工程重点难点及应对措施

表10-4-1重点难点分析表

1、工程量较大,场地狭小

重点难点分析

本工程人工挖孔桩数量674根,工程场地约20000m2,同时由于基坑出入临时坡道、钢筋堆放场占据面积,给桩机及场内材料运输、混凝土浇筑带来比较大的困难。

 

应对措施

1)、建立一套全面的安全、质量、工期、环保的管理体系;

2)、选择专业的、具有丰富桩基施工经验的分包队伍;在施工前具体部署到每个桩的施工流向,在平面上先进行施工流向的演示,合理部署钢筋堆场的位置以及移动方向。

避免现场各机械设备的施工互相影响。

3)、成立专门的协调管理部门,备齐人员、材料、机械、资金等各类资源,确保具备进场后能有序的施工;

4)、精心部署施工流程,抓关键线路,做好施工准备保证措施,将整个区域划分为多个施工区域进行流水施工,为钢筋堆放、桩芯土堆放场地预留空间。

2、人工挖孔桩持力层为中风化岩,需进行爆破作业。

重点难点分析

爆破既要保证施工进度和爆破效果,又要保证爆破安全,特别是爆破产生的振动波速在地铁结构外侧不得大于2.0cm/s,爆破时的环境因素、人为因素对施工影响很大,因此,要严格的控制孔内爆破施工的安全及质量要求,防止相距较近的桩孔在爆破过程发穿孔或爆破震动过大而发生塌孔,施工难度很大。

所以,在施工中合理的爆破方案,规范的施工工序,是爆破施工作业控制的重点,也是挖孔桩施工的难点。

 

应对措施

1)、由专业公司承担爆破施工。

2)、钻眼前要求对岩层的类别、产状、地形、地貌和周围环境作周密细致的调查,必要时要进行试验,保证爆破方法的有效性和准确性。

钻孔时要根据设计要求进行孔位、方向、倾斜角和孔深的布置。

若岩层层理裂缝较多不能避开时,最好垂直穿过,并且炮眼底部须在缝隙以上20~30cm。

每孔钻完后首先进行吹孔,将孔内的岩石粉沫清理干净,然后将钻杆提至孔口之上。

3)、装药前,重新测量各项数值进行装药量计算,严格控制装药量,对过浅或过深的炮孔,要调整装药量。

孔中有水时,应尽量排除干净,水排不净的应装防水炸药。

往孔中装药时,要定量定位,要防止卡孔;回填堵塞的材料选取有一定湿度的粘土,为防止卡孔,要分多次回填,边回填边用木制炮棍捣实,禁止使用铁棍捣固,并注意保护好孔中的雷管引线。

起爆采用电雷管起爆,起爆前对起爆系统各联接点要认真检查,确认各联接点连接牢固后,方可进行起爆。

放炮之前,人员及机械撤离至安全地带,设置安全警戒哨。

爆破之后,排险人员进行现场查看,排除哑炮并确认安全后,方可解除警戒。

4)、钻炮眼前认真检查该桩周围相距5米以内的桩孔,确认在爆破平面上周围的桩无空孔(未挖至该平面或已浇完砼),方可钻炮眼施工爆破。

5)、加强爆破阶段的基坑监测及爆破产生的振速监测。

3、临近海边,地下水丰富

重点难点分析

本工程临近海边,地下水较丰富,人工挖孔桩开挖时破坏了其平衡状态,使周围的静态水充入桩孔内,从而影响了人工挖孔桩的正常施工,不仅开挖困难,护壁混凝土也易被水压穿透,发生塌方、塌孔等安全问题,桩身质量也难以保证。

应对措施

1)、从施工顺序考虑,优先选取外围几根孔桩进行先挖抢挖,并同时抽水,把地下水位降低,以减少中间部分的桩在挖孔的涌水量,并采取交替循环施工的方法,组织安排合理,能达到很好的效果。

2)、选用潜水泵抽水,边抽水边开挖,成孔后及时浇筑相应段的混凝土护壁,然后继续下一段的施工。

4、人工挖孔桩估算有效桩长较长

重点难点分析

根据地质报告及设计要求,本工程最深的桩成孔桩长约27.7米,桩孔较深给钢筋制作,成桩后的空桩安全保护、处理都带来一定的难度,所以桩孔较深也是本工程施工的一个难点。

 

应对措施

1)、施工前必须对钢筋工、砼工进行班前安全教育,提高安全意识。

2)、因桩孔较深,工人下井前必须进通风送气、毒气检测,确认安全后系安全带、挂安全绳方可下井作业。

3)、作业完成后井口必须覆盖,一般用间距5cm的钢筋网片。

5、桩径较大,钢筋笼绑扎困难

重点难点分析

由于本工程人工挖孔桩桩径较大且钢筋数量较多,所以进行钢筋笼绑扎时应加强安全施工管理

 

应对措施

1)、加强管理。

对绑扎钢筋笼的每个过程、细节都实时跟踪,发生任何安全隐患、及时提出并让工人按照操作流程施工。

2)、检查施工用具是否牢靠。

如安全绳、安全带、卷扬机、半圆板是否安全可用。

3)、井下绑扎工人必须在半圆板的围挡范围内进行施工作业。

4)、空中绑扎箍筋时必须将安全带与护壁牢靠的扣紧后,方可进行操作。

必要时在护壁搭设操作平台后再进行操作。

5)、塔吊安装完毕后,在塔吊的吊重范围内,预先制作一部分钢筋笼后吊装,吊装后剩余部分人工绑扎,以减少绑扎的困难,加快钢筋绑扎的进度。

2、人工挖孔桩施工技术措施

n、施工工艺

挖孔顺序:

总部大厦桩基及其他区同承台桩相邻之间拟采用间隔开挖,以下以T1、T2桩之间开挖顺序为例,T1桩成孔完成后T2桩开始开挖,如下图所示。

图10-4-1间隔开挖顺序示意图

场地整平→放线、定桩位→挖第一节桩孔土方→支模浇灌第一节混凝土护壁→在护壁上二次投测标高及桩位十字轴线→安装活动井盖、垂直运输架、起重电动葫芦或卷扬机、活底吊土桶、排水、通风、照明设施等→第二节桩身挖土→清理桩孔四壁,校核桩孔垂直度和直径→拆上节模板、支第二节模板,浇灌第二节混凝土→重复第二节挖土,支模、浇灌混凝土护壁工序,循环作业直至设计深度→检查持力层后进行扩底→清理虚土,排除积水,检查尺寸和持力层→吊放钢筋笼就位→灌筑桩身混凝土。

具体详见施工工艺流程框图。

图10-4-2人工挖孔桩施工工艺流程图

o、成孔施工

Ⅰ、监测及测量放线工作

①、根据桩基平面图,定出桩基开孔线,并用白灰放出灰线。

用水准仪和标杆形式确定标高,并跟随挖土进度严格控制好开挖的深度。

②、挖孔桩施工前要求监测单位作好场地周边地下管网、周边建筑物(构筑物)、道路的初始监测,并在开挖期间定时或不定时监测。

③、挖孔桩大面积施工前,作好场地周边地下管网、周边建筑物(构筑物)、道路及基坑的初始值测定。

④、开工前作好相关城市管理部门工作,办理好泥头车的临时通行证,保证挖孔桩土方挖运顺利进行。

Ⅱ、资源准备

土方场平开挖用人工将场地平整,同时,做好地表水的截排工作。

人员设备进场,水电布线,布置好搅拌机及砂石、水泥、钢筋等材料场地,进行机具的调试。

成孔设备包括:

①、开挖设备:

手动绞车、铁锹、风镐、橡皮桶等。

②、爆破设备:

空气压缩机、手风钻、起爆器等。

③、排水设备:

潜水泵、胶管、铁皮桶等。

④、护壁设备:

可拼接弧形模板、推车、混凝土吊桶等。

⑤、土方提升设备:

卷扬机、钢结构龙门架、钢丝绳等。

Ⅲ、技术准备

①、挖孔桩施工前进行三级安全技术交底,即公司负责人→项目部管理人员→施工班组长交底。

交底以书面形式表达,随同任务单一起下达到班组,班组长在接受交底后,认真贯彻施工意图。

②、编制工程施工计量管理制度,配置本工程所需的计量、测量、试验等器具计划。

③、开挖前进一步对周边地下管网和构筑物进行勘察和测设,并做好详细标示以备施工期间参考。

Ⅳ、土层成孔施工

挖孔桩的成孔和护壁施工如下图所示。

图10-4-3挖孔桩成孔及护壁施工

①、定位与锁口

测出桩中心位置,在桩周放出桩心十字线,开挖第一节桩孔,支第一节护壁模板,灌护壁砼。

第一节护壁砼高出地面200~250mm,便于挡水和定位。

再重新测量将十字线标记在护壁顶部,保持孔圈中心线与桩孔轴线重合,施工过程中随时通过此控制线和吊线锤校对

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