地震作用下隧道工程动力失稳判定方法发展概况,职称论文

地震作用下隧道工程动力失稳判定方法发展概况,职称论文内容摘要：为寻求地震作用下隧道工程失稳断定方式方法的突破口，对隧道工程现有静力和动力失稳断定方式方法的原理、优缺点及适用范围进行了讨论，力求提出切实可行的断定思路。通过阐述隧道工程在地震作用下的响应特性和毁坏机理，以及7种类型隧道工程静力失稳断定方式方法的研究现在状况；结合隧道工程地震响应特性和静力失稳断定方式方法，从定性断定、理论推断、振动台模型试验断定3个方面阐述了隧道工程动力失稳断定方式方法发展大概情况；总结了当下隧道工程动力失稳断定方式方法存在的问题和缺乏，包括定性断定标准缺少理论支撑，由静力断定法发展来的动力断定理论方式方法研究深度不够，缺乏动力失稳断定方式方法的振动台毁坏试验专项研究；最后提出了隧道工程在地震作用下的失稳断定方式方法的研究瞻望，为从事该领域研究的科研人员提供一定参考。本文关键词语：隧道工程;震害机理;失稳断定;非线性;振动台模型试验;StudyonInstabilityCriterionMethodofUndergroundEngineeringUnderSeismicActionTANXukaiGAOFengXUWeiLUOXingSchoolofCivilEngineering,ChongqingJiaotongUniversityStateKeyLaboratoryofMountainBridgeandTunnelEngineering,ChongqingJiaotongUniversityAbstract：Inordertopromotethestudyoninstabilitycriterionmethodofundergroundengineeringunderseismicaction,theprinciple,advantagesanddisadvantages,limitationoftheexistingstaticanddynamicinstabilitycriterionmethodsforundergroundengineeringwereanalyzed.Firstly,theseismicresponse,seismicdamagemechanism,andthecurrentoverviewofsevenstaticinstabilitycriterionmethodsofundergroundengineeringweredescribed.Thedevelopmentsituationofdynamicinstabilitycriterionmethodsforundergroundengineeringwasanalyzedfromqualitativeanalysis,theoreticalanalysisandshakingtabletestanalysis.Theshortagesoftheexistingdynamicinstabilitycriterionmethodsweresummarized,suchaslackoftheoreticalsupportforqualitativecriterionmethod,lackofresearchdepthforthemethodevolvedbythestaticcriterionmethod,lackofspecialstudyforshakingtabledestructivetest.Finally,theprospectsforfutureresearchofdynamicinstabilitycriterionmethodareproposed,whichprovideinformationforscientificresearcherinthisfield.20世纪以来，地下工程在一系列大地震中遭遇了不可修复的严重毁坏，如日本阪神地震、中国四川汶川地震中出现地下工程坍塌事故[1,2]。隧道抗震研究逐步引起学界的重视。地下工程抗震研究起步相对地面工程要晚得多，其抗震研究方式方法和理论大多延用了地面工程的成果，但地下构造受围岩约束随岩土介质一起振动，自振特性表现不明显，其地震响应特性与地面构造差异不同较大。随着对地下工程地震特性认识的逐步增加，地下工程的抗震研究方式方法也在不断改良。但地下工程属于支护构造和岩土体共同作用的综合性承载体系，受岩土体构造复杂性和未知性影响，地震作用下的地下工程受力特性复杂，当前还没有系统、成熟的理论及抗震减震体系，对于地下构造地震稳定性和失稳判据等重大问题还未获得突破。当前隧道工程抗震设计规范条款扼要，主要依附于其他综合性规范，直至2022年才开场执行国内首个专项规范(GB/T513362021(地下构造抗震设计标准〕)，当下所有规范中关于抗震设防目的及极限地震毁坏状态断定等关键条款还属于定性或经历体验描绘叙述，浙江直接影响隧道抗震设计的精到准确性。针对地下工程静力和动力整体失稳的极限状态断定方式方法及标准一直是地下工程研究的重点和难点，虽也有大量学者从不同角度对此问题展开了大量研究，获得了很多有效成果，但当前尚未构成普遍认可的、切实可行的地下工程体系整体失稳断定方式方法和理论。1地下工程地震响应特性及毁坏机理1.1地下工程地震响应特性地下工程地震特性研究相对地面工程，虽起步相对较晚，但随着地下工程建设数量的增加，及地下工程动力研究理论和方式方法的不断深切进入，地下工程抗震研究迅猛发展。随着研究深切进入，当前对地下工程地震响应特性构成了如下认识[3,4,5]：1〕地震作用下，地下构造受围岩约束，其地震反响受围岩体振动变形所控制。故当围岩体地质条件存在变化，或者存在软弱破碎带时，围岩体之间的相对差异变形容易导致地下构造损坏；地震作用下地下构造的自振特性不明显；地下构造不同部位具有明显的相位差；地下构造抗震关键是适应围岩体的地震变形运动，建议在高烈度地震区设计柔性支护；2〕地震作用下，地下构造和围岩体重度差会引起惯性力相对差异，导致构造-围岩间产生互相作用力，且当重度差异越大，该互相作用力越大；3〕地震作用下，地下构造及围岩构造体系越均匀，地下构造地震响应值越小，地震毁坏最容易出如今构造断面或刚度突变部位；4〕地下构造尺寸一般远小于地震波长，构造对地震影响可忽略不计。但当某些特定的大型地下构造尺寸接近或大于地震波长时，地下构造必然会对地震波产生影响；5〕地下构造地震反响与地震波波幅、持时、震中距成正比；6〕地下构造主要受地震中的低频部分影响；7〕地下构造的地震反响受地震波入射角的影响较大；8〕当地下构造位于断层带、砂土地层或软弱破碎带时，在地震作用下，围岩有可能出现错位、液化等失稳现象，会直接导致地下构造强迫毁坏；9〕单从地震荷载影响角度分析，地下构造埋深越深，地震响应越小。1.2地下构造地震毁坏类型及毁坏机理国内外学者通过大量震害调查，统计了地下构造主要的震害有如下类型[6,7]：1〕洞口段：边仰坡地表开裂、失稳、垮塌，支档防护工程出现裂缝、倾斜、下沉，截排水沟开裂、沉陷等；2〕洞门：洞门墙体开裂、下沉、倾斜、垮塌等；3〕洞身段：隧道衬砌开裂、剥落、错台、垮塌、侵限、脱空、渗水等；4〕路面：开裂、下沉或隆起、断裂、渗水等；5〕检修道、电缆沟、预埋沟〔槽、管〕开裂、错台等。通过对地震灾祸现场调查及地震反响特性研究，总结了地下工程的地震毁坏机理如下[8,9]：1〕地震引起岩土介质失稳毁坏，进而导致地下构造强迫毁坏。如地震作用导致断层带滑移错台毁坏、砂土地层液化毁坏、软化震陷毁坏、边坡滑坡毁坏等，这些围岩介质毁坏将直接导致地下构造发生强迫位移而发生毁坏；2〕地下构造在岩土介质振动变形和相对惯性力差等综合荷载作用下发生毁坏。该类毁坏主要基于地震波能量传递经过中地下构造体系本身到达动力强度极限而发生的毁坏。从地下工程地震反响特性和毁坏机理而言，地下工程是支护构造和岩土体构成的共同承载体系；在地震荷载作用下，地下构造体系整体失稳毁坏是围岩和支护构造均到达承载能力极限后发生的，故其失稳断定方式方法应综合考虑。2地下工程静力失稳断定方式方法地下工程动力受力特性研究相较于静力受力特性研究要晚得多，静力学方面研究成果相对系统和成熟。地下工程动力分析方式方法和理论当前主要以静力学已有成果为基础而展开。地下工程支护构造及围岩体均为非均匀脆性材料，因而地下构造体系失稳具有突发性。地下工程系统在静力荷载作用下稳定性研究主要集中在施工稳定性，邻近工程扰动作用下的稳定性，及运营经过中降雨、堆荷等作用下的稳定性等。地下工程体系极限承载状态断定一直是隧道工程中的重点和难点，受国内外学者重视，但受围岩体构造的复杂性和未知性限制，很难通过传统力学分析方式方法断定失稳极限状态。故国内外学者从各个角度出发，研究并提出了大量关于地下工程静力失稳极限状态断定方式方法。2.1极限相对位移(极限位移速率)断定法极限相对位移(极限位移速率)断定法是最直接、最表观的方式方法。该方式方法通过定义地下构造洞室极限相对位移或极限位移速率等作为失稳断定标准。如：朱永全[10]提出通过经历体验断定隧道失稳的几个方式方法：表观发现地下工程局部落石或层状劈裂，初支出现大量裂纹；洞室总变形到达极限值的2/3后还无收敛趋势；洞室日变形速率到达极限值的10%；洞室变形速率在未受干扰情况下突增。现行铁路隧道及公路隧道相关规范中均根据经历体验及实测数据统计总结，考虑洞室跨度、围岩级别、埋置深度等因素规定了隧道初支极限相对位移。地下工程极限相对位移(极限位移速率)断定法固然很直观，但由于地质条件的独特性、复杂性及未知性，每个独立的工程或区段极限位移值具有很大的个性特点且很难确定，故其断定误差很大，甚至会出现误判。2.2围岩变形速率拐点断定法由于岩体的非连续性、非均匀性，在其受力经过中呈现出阶段性变形特点，当前对地下工程开挖经过中的变形和受力演化阶段基本有了共性认识：分为压密、弹性、塑性及破裂毁坏这4个阶段[11]，不同阶段呈现不同的变形特征。刘镇等[12]基于协同学方式方法研究了隧道施工经过中的变形规律，研究表示清楚：在隧道开挖后，洞室变形经历了初始平衡变形、等速稳定变形、加速失稳变形这3个阶段，进而提出通过洞室变形加速度预判隧道失稳的观点。郭瑞等[13]通过隧道失稳毁坏试验，研究了洞室变形规律，研究表示清楚：盾构隧道受力变形分为弹性、带裂缝、失稳毁坏这3个阶段，当从带裂缝阶段过渡到失稳毁坏阶段时，洞室变形速率突增，最终失稳。地下洞室变形速率拐点断定法具有明确的力学机理，且直观易实现；在当前的失稳断定研究中应用较多，且在动力稳定性断定经过中也有使用。但该方式方法存在下面缺乏：①决定地下工程变形特征的因素多且复杂，变形速率拐点可能由失稳因素以外的其他外部因素导致；②变形速率往往都是通过关键点变形特性具体表现出的，而关键点变形速率突增主要具体表现出于局部毁坏，但局部毁坏并不能完全代表整体失稳。2.3基于岩土体强度准则失稳断定法强度准则是描绘叙述介质承载毁坏极限的准则，根据方式方法分为理论强度准则和经历体验强度准则[14]。理论强度准则是基于材料力学、弹塑性力学等通过严格推导演化而来，如莫尔-库仑准则、D-P准则及修正准则等；经历体验强度准则是通过经历体验方式方法统计总结得出，如Hoek-Brown强度准则、Barton-Brown准则等。强度准则虽能从材料力学角度分析材料在极限承载状态下的毁坏，但材料的毁坏并不能具体表现出岩体毁坏程度和稳定性。由于岩体到达强度极限时仍然能承当荷载，失稳往往发生在应变弱化区段，而岩石具有流变性，外部因素也能使其进入应变弱化区段。故在地下工程静动力分析中，强度准则只能断定体系出现损坏，而无法断定体系出现整体失稳毁坏[15,16]。2.4基于塑性力学的失稳断定法岩体属于弹塑性脆性材料，基于塑性力学失稳断定法由郑颖人等[17]在边坡工程中获得成功应用，其提出的强度折减法已成为边坡稳定性研究的主要方式方法，其提出通过塑性区贯穿、计算不收敛、位移忽然增大等作为失稳的断定标准。塑性失稳断定法同样被应用于地下工程，关宝树[18]通过研究提出将围岩塑性区到达0.2倍的隧道直径作为隧道失稳断定标准。E．HOEK[19]提出将塑性区到达锚杆支护深度后作为隧道失稳断定标准。郑颖人等[20]从剪切毁坏和拉压毁坏角度出发，分别提出以地下洞室围岩塑性应变或位移发生突变和洞内临空面处(不包括底部临空面)围岩出现第１个单元拉裂毁坏作为隧道失稳断定标准。但隧道体系属于封闭系统，围岩塑性区的发展区域及面积大小与隧道体系失稳关联性并不严格，且缺乏共性规律，因而塑性区只能作为隧道稳定性断定的辅助准则。2.5支护构造失效断定法支护构造失效断定法是地面构造稳定性研究主要方式方法。当前在地下构造分析中也有运用，如现行隧道规范中的极限承载能力设计均采用支护构造截面验算支护构造失效断定方式方法。黄金等[21]在现行规范的衬砌截面强度验算公式基础上，采用贝叶斯网络工具建立了断定隧道失效功能函数。但地下构造以围岩和支护构造为共同承载体系，一个或几个截面毁坏并不一定会导致整个体系的失稳毁坏，故该方式方法比拟片面。2.6非连续介质数值模拟断定法随着数值计算理论及计算机技术发展，非连续介质数值模拟方式方法逐步成熟，当前应用较多的主要为离散元法(DEM)和非连续变形分析法(DDA)等。离散元法由P．A．CUNDALL[22]提出。随着理论不断发展和完善，当前已构成较成熟的商业软件，如UDEC、3DEC、PFC2D、PFC3D等。UDEC、3DEC可基于岩体节理裂隙建立较真实的岩体模型，实现块体的大位移、旋转、滑动及分离，进而模拟岩体非线性大变形特征及地下工程体系的掉块坍塌经过[23,24]。杨忠民[24]通过理论研究、模型试验及数值模拟方式方法相结合，研究了节理岩体大变形引起的塌方问题，通过UDEC软件准确模拟了岩体大变形后隧道变形及毁坏的受力特性。UDEC、3DEC软件的研究对象主要为节理岩体，但不能模拟岩体中裂隙的产生和发展经过。PFC2D、PFC3D颗粒流软件通过微观层面建立由颗粒和黏结材料组成的模型，通过微观颗粒间连接和毁坏模拟介质宏观力学表现(如裂缝的产生和发展、大变形及构造面的张开、滑移等)，其岩体稳定性模拟功能更为全面，故PFC2D、PFC3D离散元软件应用于隧道围岩稳定性方面的研究越来越多[25]。颗粒流软件是从微观角度研究宏观问题，存在单元数量庞大而超出计算机的计算和存储能力情况，部分学者对此提出了离散-连续耦合模型。如文献[26-27]通过FLAC/PFC耦合模型模拟了邻近工程施工、层状软岩隧道施工经过的洞室及围岩变形毁坏特性，获得了良好的模拟效果。非连续变形分析法(DDA)是由SHIGenhua[28]提出，该方式方法类似于3DEC/UDEC法，只是DDA的块体为变形体，3DEC为刚体。DDA法能模拟岩体变形和破损效果，被广泛应用于隧道塌方的研究中。如文献[29-30]通过DDA法分别模拟了节理隧道的施工经过，分析了隧道稳定特性。非连续介质力学数值方式方法较真实的模拟了岩体工程构造特性及其裂损毁坏经过，在地下工程施工稳定性研究中获得了较广泛应用；但当前非连续介质力学计算参数设定、收敛性及对计算机技术要求较高等问题还有待研究完善，以便更准确地对地下工程稳定性进行模拟和研究。2.7基于非线性理论的失稳断定法地下工程常规失稳断定方式方法大多基于强度理论，但岩体构造的复杂性、未知性使得通过严格力学推导获得体系承载极限难度很大。随着地下工程稳定性研究深切进入，发现地下工程失稳毁坏大多从局部毁坏开场，由局部毁坏向整体失稳发展。在局部毁坏和整体毁坏之间存在一个稳定发展阶段，系统仍然能承当荷载，但当系统到达整体失稳临界点时，地下工程系统总刚度发生突变，系统由静止变形转变为无限变形，系统失稳[31]。地下工程系统在由局部毁坏向整体毁坏发展经过中，呈现出明显的非线性特性，基于此变形特性，非线性理论逐步被引用到地下工程稳定性研究中。耗散构造论、分叉及突变理论、混沌理论、分形理论、加卸载响应比理论、神经网络等非线性科学理论与岩土工程相结合发展了大量的穿插理论研究方式方法。如刘镇等[32]通过耗散构造理论研究了隧道施工经过中的能量耗散和演化经过，研究了体系能量的非线性发展规律，提出了隧道失稳断定标准。刘镇等[12]还基于混沌理论和协同学方式方法建立了隧道失稳毁坏的动力学演化模型及判据。袁永才等[33]通过突变理论研究了地下工程稳定性。尹祥础等[34]提出的加卸载响应比理论在非线性系统失稳前兆分析中获得了非常好的预测效果，逐步被应用到地下工程系统中。固然地下工程静力稳定性研究当前还没有构成系统成熟的失稳断定方式方法，但当前诸多的研究方式方法均有一定应用价值，为地下工程动力稳定性研究奠定了研究基础，提供了研究思路。3地下工程动力失稳断定方式方法地下工程相对于地面构造具有良好的抗震性能，地震作用下的构造动力失稳研究前期大多集中在地面构造。但地下工程在地震作用下的受力特征及响应规律与地面构造有本质区别，无法延用地面构造失稳断定方式方法。地下工程动力稳定性研究基于静力研究展开，但地下工程在地震作用下的受力环境相较于静力问题要复杂得多，延用静力方式方法需要开展适用性研究和方式方法优化改良；当前地下工程动力稳定性研究的数量、深度及研究成果均严重缺乏，还处于定性和初步理论研究阶段。3.1地下工程动力失稳定性断定方式方法地下工程抗震设防目的延用地面工程的小震不坏，中震可修，大震不倒3级设防目的；抗震设计经过中最重要的是保证大震不倒，但规范中关于大震不倒的极限状态基本为定性或经历体验描绘叙述。如(公路隧道设计细则〕中描绘叙述的隧道构造坍塌断定标准为：衬砌构造出现的塑性铰到达3处及以上。JTG3370.12021(公路隧道设计规范〕中规定：在构造整体变形性能验算时，以二衬采用的最大收敛值作为验算指标；当抗震性能要求为2时，最大收敛界线值应不大于洞跨的5.0；抗震性能要求为3时，最大收敛界线值应不大于洞跨的15.0。GB/T513362021(地下构造抗震设计标准〕中只叙述了地震最危险等级性能要求地下构造不倒塌或发生危机生命的严重毁坏，而没讲明极限状态断定方式方法。3.2地下工程动力失稳断定方式方法理论关于地下构造在地震作用下坍塌毁坏的理论研究较少，主要是将静力稳定性研究方式方法引用到动力稳定性分析中，并加以改良。3.2.1静力法、拟静力法和静力稳定性断定方式方法结合当直接通过静力法和拟静力法进行地下工程地震响应研究时，其失稳断定方式方法即为静力方式方法。如张露晨等[35]通过拟静力法研究了隧道动力特性，引用块体理论断定构造稳定性，并计算了地下构造的安全系数。赵颖等[36]基于拟静力法及支护构造的塑性损伤本构模型研究了地下构造损伤毁坏机理。张佳华等[37]基于拟静力法及塑性理论研究了非偏压和偏压隧道的地震毁坏极限。3.2.2时程分析和支护构造强度断定法结合该方式方法重点基于支护构造损伤本构研究，确定地下构造在地震作用下的失稳临界点断定方式方法，进而模拟体系的失稳毁坏。该类研究重点集中于支护构造为主要承载构造的大型地下工程中，如针对阪神地震大开地铁车站的典型毁坏案例，ANXuehui等[38]基于弥散加筋混凝土模型、土体模型及接触模型，通过有限元动力分析法研究了大开车站在阪神地震中的失稳毁坏机理。杜修力[4,39,40]基于材料软化、毁坏本构模型研究，开展了大量针对大开车站的地震毁坏经过模拟和毁坏机理研究。3.2.3时程分析和塑性力学断定法结合郑颖人等[41,42]延用计算不收敛、关键点位移突变及塑性区贯穿等静力稳定性断定方式方法对地下工程动力稳定性展开了研究，并尝试将强度折减法引入到地下工程动力稳定性研究中。3.2.4非连续介质数值模拟断定法固然非连续介质方式方法模拟地下工程动力问题对计算机要求很高，但仍有学者展开了尝试性研究。如崔臻等[43]利用3DEC离散元软件模拟了某水电站地下洞室的地震稳定性。张波等[44]，金炜枫等[45]分别建立了基于FLAC-PFC的离散-连续耦合模型，对阪神地震大开车站坍塌事故进行了时程分析，直观模拟了车站的失稳坍塌经过。3.2.5非线性理论断定方式方法当前针对非线性理论在地下工程动力稳定性断定中的应用研究极少，大部分非线性研究还是在传统材料动力非线性本构关系(如衬砌的动力损伤本构关系)的基础上进行，通过传统时程动力分析进行地下工程的地震响应特性研究[46,47]。非线性理论当前在岩体工程动力稳定性断定主要应用于边坡工程[48,49]，对地下工程应用极少。但源自于地震预测方式方法的加卸载响应比法着眼于非线性系统稳定性变化的动力学本质，从宏观上表示出系统材料损伤演化经过，在方式方法论层面具体表现出出该理论的科学性、合理性和先进性，在地质灾祸预测领域具体表现出出了优良的预测效果[50]，其原理如此图1。当前在地下工程稳定性研究方面也进行了尝试性研究[51,52]，但研究有待于愈加深切进入。图1加卸载响应比原理3.3地下工程动力失稳的振动台试验振动台模型试验是地下工程抗震分析中最重要的研究手段之一，但当前地下工程振动台模型试验研究主要集中在地下工程地震响应特性研究，缺乏针对地下工程动力失稳规律的专项毁坏试验研究。如信春雷等[53]只是通过振动台模型试验呈现了隧道震坏后的裂缝形态；郭子红等[54]仅通过振动台模型试验呈现了强震作用下隧道的塌方范围，其研究表示清楚：隧道拱顶上方出现近似漏斗形状的垮塌区。4结论4.1当前存在的问题综合可见，当前地下工程动力失稳判据研究较少，基本处于定性研究和初步理论研究阶段，缺少成熟的断定方式方法。当前研究主要存在如下问题：1〕当下隧道及地下构造抗震设计规范中对隧道构造坍塌断定采用的是定性断定标准，该定性标准没有考虑岩土的毁坏性能，缺少理论支撑；2〕地下工程动力失稳断定方式方法的理论研究较少，主要延用静力断定方式方法。地下工程动力受力机理较静力问题要复杂得多，静力失稳断定方式方法很难直接运用到动力问题中。如塑性判据中的不收敛、位移突变、塑性区贯穿等在动力有限元分析中，受周期循环的地震荷载影响，断定难度较大；非连续介质数值模拟方式方法在地下工程动力分析中的应用还不够成熟；非线性理论在岩土非线性系统的稳定性研究尚处于初级阶段，且主要集中静力方面或边坡动力稳定性研究方面，地下工程动力稳定性方面研究极少，还有待深切进入研究；3〕缺乏针对地下工程在地震作用下失稳断定方式方法的振动台毁坏试验的专项研究。4.2研究瞻望结合地下工程动力失稳断定方式方法研究现在状况及存在问题，建议从下面方面展开更深切进入研究：1〕非连续介质力学数值方式方法可模拟岩土构造的非连续性，及大位移、旋转、滑动及分离等受力特征；颗粒流软件还能模拟出裂缝的产生和发展，较真实地模拟了岩体工程构造特性及其裂损毁坏经过，非常合适开展地下工程稳定性研究。受微观精细化模拟和地下工程宏大计算模型冲突，限制了非连续方式方法在地下工程动力分析中的应用，有限元-离散元耦合模型的提出和不断发展为从微观层面研究宏观的地下工程问题提供了平台，建议继续深切进入研究和完善有限元-离散元耦合动力模型；2〕加卸载响应比法的提出最初是用于地震预测，该方式方法着眼于非线性系统稳定性变化的动力学本质，从宏观上表示出系统材料损伤演化经过，加上地震等动力荷载循环周期荷载符合加卸载条件，因而，基于加卸载响应比理论的地下工程地震稳定性研究有待更深切进入开发；3〕建议加强地下工程在地震作用下失稳断定研究振动台毁坏试验的专项研究；4〕地下工程抗震设计以抗震设防目的为基础，故建议加强抗震设防目的等级的定量力学描绘叙述研究，便于设计工作者在设计中更为准确地根据设防目的开展计算和设计。以下为参考文献[1]杜修力，李洋，许成顺，等．1995年日本阪神地震大开地铁车站震害原因及成灾机理分析研究进展[J]．岩土工程学报，2021，40(2)：223-236．[2]宋胜武．汶川大地震工程震害调查分析与研究[M]．北京：科学出版社，2018．[3]林皋．地下构造抗震分析综述(上)[J]．世界地震工程，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