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隧道施工方法本章內(nèi)容提要本章教學(xué)目標(biāo):了解隧道施工方法的分類(lèi)及其適用條件;掌握以新奧法為代表的隧道鉆爆施工方法的基本原理、技術(shù)特點(diǎn)和施工原則;熟悉主要的隧道開(kāi)挖方法及其適用條件。隧道施工方法概述1隧道開(kāi)挖方法鉆爆法技術(shù)原理本章內(nèi)容提要本章小結(jié)234隧道施工方法概述1隧道施工方法概述一1.1隧道施工方法分類(lèi)隧道施工是指修建隧道及地下洞室的施工方法、施工技術(shù)和施工管理的總稱(chēng)。明挖法開(kāi)挖地表面回填土石、恢復(fù)地面修建隧道襯砌結(jié)構(gòu)暗挖法通常隧道的開(kāi)挖和支護(hù)等施工作業(yè)全部在地下進(jìn)行隧道施工方法概述一類(lèi)別施工方法明挖法基坑開(kāi)挖法放坡開(kāi)挖法支擋開(kāi)挖法蓋挖法沉管法暗挖法鉆爆法傳統(tǒng)礦山法新奧法淺埋暗挖法新意法挪威法機(jī)械開(kāi)挖法盾構(gòu)法掘進(jìn)機(jī)法(TBM法)頂進(jìn)法銑挖法基坑開(kāi)挖法沉管法鉆爆法機(jī)械開(kāi)挖法隧道施工方法概述一1.2隧道施工方法選擇同時(shí)結(jié)合安全、投資、施工進(jìn)度以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較綜合確定

施工方法的合理選擇——決定隧道修建順利實(shí)施的重要前提條件。具體項(xiàng)目的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件主要選擇依據(jù)隧道斷面尺寸、跨度大小、隧道長(zhǎng)度及輔助坑道設(shè)置+隧道施工方法概述一①山嶺隧道——埋深大、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況較為復(fù)雜,多采用適應(yīng)性較強(qiáng)的鉆爆法進(jìn)行施工,在地層中硬巖占比大時(shí)也可采用TBM法。鉆爆法施工開(kāi)敞式TBM隧道施工方法概述一②城市隧道——施工受到地面建筑物、道路、城市交通、水文地質(zhì)、環(huán)境保護(hù)、施工機(jī)具以及資金條件等因素的影響較大,因此,所采用的施工方法也不盡相同。泥水平衡盾構(gòu)機(jī)當(dāng)城市隧道埋深小,對(duì)周?chē)两狄蟾?,施工?chǎng)地有限時(shí),國(guó)內(nèi)目前常用盾構(gòu)法來(lái)進(jìn)行修筑施工隧道施工方法概述一頂管隧道基坑開(kāi)挖法或蓋挖法乃至淺埋暗挖法經(jīng)常被城市隧道施工所采用。而對(duì)一些小直徑的市政管線(xiàn)及電力電纜隧道或城市綜合管廊,在下穿一些交通干道時(shí),為避免中斷交通,也可采用頂管法進(jìn)行施工地鐵站基坑開(kāi)挖隧道施工方法概述一③水底隧道——施工大多位于水下,通常覆蓋層厚度小,且承受土壓的同時(shí)還要承受高水壓,解決涌水等關(guān)鍵問(wèn)題。因此,施工方法上宜選擇盾構(gòu)法(及TBM法)、沉埋法以及鉆爆法,其中以盾構(gòu)法居多盾構(gòu)法施工沉管隧道管節(jié)預(yù)制隧道施工方法概述一各類(lèi)隧道的適用工法如下圖傳統(tǒng)礦山法隧道施工方法山嶺隧道施工方法(埋深大、巖石)城市隧道施工方法(埋深小、軟土)水底隧道施工方法(埋深小、水壓高)鉆爆法TBM法(掘進(jìn)機(jī))新奧法蓋挖法明挖法淺埋暗挖法盾構(gòu)法沉管法盾構(gòu)法挪威法新意法鉆爆法鉆爆法技術(shù)原理2鉆爆法技術(shù)原理二鉆爆法:即是通過(guò)鉆孔、裝藥、爆破開(kāi)挖巖石的方法,簡(jiǎn)稱(chēng)鉆爆法。這一方法從早期由人工手把釬、錘擊鑿孔,用火雷管逐個(gè)引爆單個(gè)藥包,發(fā)展到用鑿巖臺(tái)車(chē)或多臂鉆車(chē)鉆孔,應(yīng)用毫秒爆破、預(yù)裂爆破及光面爆破等爆破技術(shù)。傳統(tǒng)礦山法鉆爆法新奧法淺埋暗挖法新意法挪威法2.1鉆爆法概述傳統(tǒng)礦山法鉆爆法技術(shù)原理二2.2新奧法(NATM)基本原理:應(yīng)用巖體力學(xué)理論,充分利用圍巖的自承能力和開(kāi)挖面的空間約束作用,采用以錨桿和噴射混凝土為主要支護(hù)手段,及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行加固,約束圍巖的松弛和變形,并通過(guò)對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)控、測(cè)量來(lái)指導(dǎo)地下工程的設(shè)計(jì)與施工。傳統(tǒng)礦山法與新奧法原理對(duì)比鉆爆法技術(shù)原理二核心內(nèi)容:充分發(fā)揮圍巖自承能力,圍巖是承載的主體,

支護(hù)結(jié)構(gòu)是輔助手段新奧法三大要素:光面爆破、噴錨支護(hù)監(jiān)控量測(cè)鉆爆法技術(shù)原理二復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式錨桿噴混凝土二次襯砌巖體圍巖松弛區(qū)新奧法支護(hù)體系支護(hù)體系:復(fù)合式襯砌,由初期支護(hù)、防水層和二次襯砌組合而成。鉆爆法技術(shù)原理二新奧法施工工序流程圖施工順序:開(kāi)挖→一次支護(hù)→二次支護(hù)鉆爆法技術(shù)原理二施工基本原則:“少擾動(dòng)、早支護(hù)、勤量測(cè)、緊封閉”勤量測(cè):以直觀、可靠的量測(cè)方法和量測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)圍巖(或圍巖加支護(hù))

的穩(wěn)定狀態(tài)或動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì),以便及時(shí)調(diào)接支護(hù)形式、開(kāi)挖方法緊封閉:一方面采取噴射混凝土等防護(hù)措施,避免圍巖因長(zhǎng)時(shí)間暴露而致強(qiáng)

度和穩(wěn)定性的衰減;另一方面要適時(shí)對(duì)圍巖施作封閉形支護(hù)少擾動(dòng):隧道開(kāi)挖時(shí),盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)、強(qiáng)度、范圍和持續(xù)時(shí)間早噴錨:開(kāi)挖后及時(shí)施作初期錨噴支護(hù),使圍巖變形進(jìn)入受控制狀態(tài)鉆爆法技術(shù)原理二淺埋暗挖法:在距離地表較近的地下進(jìn)行各類(lèi)地下洞室暗挖施工的一種方法。工程基本特點(diǎn):埋深淺、地質(zhì)條件差、周邊環(huán)境復(fù)雜、輔助工法多樣、開(kāi)挖方法繁多、風(fēng)險(xiǎn)管理難度大、施工影響小。適用于各種地質(zhì)條件、斷面形式??捎行Э刂频乇沓两怠3鞘械叵鹿こ虠l件下,優(yōu)越性明顯。與盾構(gòu)法相比,經(jīng)濟(jì)性好。與明挖法相比,減少對(duì)地面交通的影響。2.3淺埋暗挖法已在我國(guó)廣泛應(yīng)用,并形成了一套完整的綜合配套技術(shù)在北京地鐵復(fù)興門(mén)折返線(xiàn)工程的設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)用成功20世紀(jì)80年代中期1986年5月~1987年5月大秦線(xiàn)軍都山鐵路隧道雙線(xiàn)進(jìn)口黃土試驗(yàn)段研究成功(第一次用小導(dǎo)管、網(wǎng)構(gòu)鋼架)近幾十年來(lái)鉆爆法技術(shù)原理二管超前——指采用超前導(dǎo)管注漿防護(hù)。實(shí)際上就是采用超前支護(hù)的各種手段提高掌子面的穩(wěn)定性,防止圍巖松弛和坍塌嚴(yán)注漿——在導(dǎo)管超前支護(hù)后,立即進(jìn)行壓注水泥砂漿或其它化學(xué)漿液,填充圍巖空隙,使隧道周?chē)纬梢粋€(gè)具有一定強(qiáng)度的殼體,以增強(qiáng)圍巖的自穩(wěn)能力短開(kāi)挖——一次注漿,多次開(kāi)挖,即限制一次進(jìn)尺的長(zhǎng)度,減小圍巖的松弛淺埋暗挖法施工原則的十八字方針鉆爆法技術(shù)原理二強(qiáng)支護(hù)——在淺埋的松軟地層中施工,初期支護(hù)必須十分牢固,具有較大的剛度,以控制開(kāi)挖初期的變形快封閉——在臺(tái)階法施工中,如上臺(tái)階過(guò)長(zhǎng)時(shí),變形增加較快,為及時(shí)控制圍巖松弛,必須采用臨時(shí)仰拱封閉,開(kāi)挖一環(huán),封閉一環(huán),提高初期支護(hù)的承載能力勤量測(cè)——對(duì)隧道施工過(guò)程進(jìn)行經(jīng)常性的量測(cè),掌握施工動(dòng)態(tài),及時(shí)反饋,是淺埋暗挖法施工成敗的關(guān)鍵鉆爆法技術(shù)原理二2.4新意法(NITM)新意法定義:通過(guò)對(duì)隧道掌子面超前核心巖土介質(zhì)的勘查、預(yù)測(cè)其穩(wěn)定性,隧道開(kāi)挖后圍巖劃分為穩(wěn)定、暫時(shí)穩(wěn)定、不穩(wěn)定三種形態(tài),根據(jù)信息化設(shè)計(jì)支護(hù)措施,采用全斷面開(kāi)挖方法穿越復(fù)雜地層的一種動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工方法。提出:20世紀(jì)70年代中期,意大利的PietroLunardi教授開(kāi)始對(duì)數(shù)百座隧道進(jìn)行理論和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,并逐步創(chuàng)立了巖土控制變形分析法(ADECO-RS法),該方法用中文解釋為“新意法”。鉆爆法技術(shù)原理二基本原理開(kāi)挖施工引起開(kāi)挖面及前方一定范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力重分布。開(kāi)挖后圍巖變形也在擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)提前發(fā)生。隧道施工變形由三部分組成(掌子面擠出變形、預(yù)收斂變形及收斂變形),所有變形及變形引起的不穩(wěn)定現(xiàn)象均直接或間接與掌子面前方超前核心土的強(qiáng)度有關(guān)。通過(guò)調(diào)節(jié)和改良超前核心土強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)隧道變形量級(jí),并將超前核心土作為穩(wěn)定圍巖的工具。鉆爆法技術(shù)原理二主要評(píng)價(jià)目標(biāo)掌子面超前核心巖土的變形與隧道的穩(wěn)定性與新奧法相比:新意法不僅考慮到了隧道后方的變形影響,同時(shí)重點(diǎn)考慮前方掌子面的變形對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響;而新奧法則沒(méi)有考慮開(kāi)挖面前方核心巖土的影響。

基本原則掌子面變形控制全斷面開(kāi)挖超前支護(hù)和加固鉆爆法技術(shù)原理二2.5挪威法(NMT)圍巖評(píng)價(jià)體系——Q系統(tǒng)巴頓(NickBarton)等為進(jìn)行隧洞圍巖分類(lèi)提出了巖體質(zhì)量指標(biāo)(Q),根據(jù)自然界巖體的Q值,將隧洞圍巖劃分為9種類(lèi)型,結(jié)合隧洞設(shè)計(jì)跨度等其他因素,對(duì)每一類(lèi)型圍巖提出了相應(yīng)的施工方法和襯砌類(lèi)型概念:由正確的圍巖評(píng)價(jià)、合理的支護(hù)參數(shù)和高性能的支護(hù)材料三部分組成的一種經(jīng)濟(jì)而安全的隧道施工方法。挪威法是指根據(jù)隧道質(zhì)量指標(biāo)Q值進(jìn)行圍巖分類(lèi)并選定支護(hù),是對(duì)新奧法的完善、補(bǔ)充和發(fā)展。鉆爆法技術(shù)原理二基于Q值的圍巖分類(lèi)與支護(hù)類(lèi)型選擇圖隧道開(kāi)挖方法3隧道開(kāi)挖方法三3.1隧道開(kāi)挖方法分類(lèi)按隧道開(kāi)挖的橫斷面分部情形來(lái)分,隧道開(kāi)挖方法可分為全斷面開(kāi)挖法、臺(tái)階開(kāi)挖法以及各種分部開(kāi)挖法等。三臺(tái)階法雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道開(kāi)挖方法三3.2全斷面法概念:按照隧道設(shè)計(jì)輪廓一次爆破成形,然后修建支護(hù)和襯砌的施工方法?;咀鳂I(yè)線(xiàn):開(kāi)挖、裝運(yùn)襯砌、噴錨輔助作業(yè)適用條件:Ⅰ~Ⅲ級(jí)整體性好的圍巖;Ⅳ級(jí)圍巖時(shí),圍巖應(yīng)具備從全斷面開(kāi)挖后到支護(hù)前這一時(shí)間內(nèi),保持自身穩(wěn)定;有大型施工機(jī)械;隧道長(zhǎng)度或施工區(qū)段長(zhǎng)度不宜太短,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般不應(yīng)小于1km,否則,采用大型機(jī)械化施工經(jīng)濟(jì)性隧道開(kāi)挖方法三3.3臺(tái)階法概念:將整個(gè)斷面分層自上而下地進(jìn)行開(kāi)挖的施工方法,因縱向斷面成臺(tái)階狀而得名。臺(tái)階法分為二臺(tái)階法、三臺(tái)階法以及三臺(tái)階預(yù)留核心土法。隧道開(kāi)挖方法三二臺(tái)階法長(zhǎng)臺(tái)階法超短臺(tái)階法短臺(tái)階法按臺(tái)階長(zhǎng)度劃分①二臺(tái)階法:將隧道開(kāi)挖斷面分為上半斷面和下半斷面兩次開(kāi)挖成型隧道開(kāi)挖方法三臺(tái)階法的優(yōu)點(diǎn):靈活多變,適應(yīng)性強(qiáng)足夠的作業(yè)空間和較快的施工速度臺(tái)階法的缺點(diǎn):上下部作業(yè)有干擾增加圍巖擾動(dòng)次數(shù)隧道開(kāi)挖方法三②三臺(tái)階法:是將隧道分成三部分開(kāi)挖,施工時(shí)先開(kāi)挖上臺(tái)階,待開(kāi)挖到一定長(zhǎng)度后再同時(shí)開(kāi)挖中臺(tái)階及下臺(tái)階,形成上、中、下三臺(tái)階同時(shí)并進(jìn)的施工方法。隧道開(kāi)挖方法三③三臺(tái)階預(yù)留核心土法:也叫三臺(tái)階七步法,是以弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖留核心土為基本模式,分上、中、下三個(gè)臺(tái)階七個(gè)開(kāi)挖面,各部位的開(kāi)挖與支護(hù)沿隧道縱向錯(cuò)開(kāi)、平行推進(jìn)的施工方法。適用條件:開(kāi)挖斷面為100~180mm2;具備一定自穩(wěn)條件的Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖地段隧道開(kāi)挖方法三3.4分部開(kāi)挖法概念:將隧道斷面分部開(kāi)挖逐步成型,且一般將某部超前開(kāi)挖,故也可稱(chēng)為導(dǎo)坑超前開(kāi)挖法。適用條件:主要適用于地層差的大斷面地下工程,尤其是限制地表下沉較為嚴(yán)格的城市地下工程的施工分部開(kāi)挖法環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法雙側(cè)壁導(dǎo)坑法單側(cè)壁導(dǎo)坑法中隔壁法(CD法)交叉中隔壁法(CRD法)隧道開(kāi)挖方法三①環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法:也稱(chēng)臺(tái)階分部開(kāi)挖法,在上部斷面以環(huán)形導(dǎo)坑超前,支護(hù)好后開(kāi)挖上部核心土,其次開(kāi)挖下半部?jī)蓚?cè),支護(hù)好后再開(kāi)挖中部核心土的方法隧道開(kāi)挖方法三適用于一般土質(zhì)或易坍塌的軟弱圍巖中,常用于Ⅵ級(jí)圍巖單線(xiàn)和Ⅴ~Ⅵ級(jí)圍巖雙線(xiàn)隧道掘進(jìn);環(huán)形開(kāi)挖進(jìn)尺為0.5~1.0m,不宜過(guò)長(zhǎng)。隧道開(kāi)挖方法三②單側(cè)壁導(dǎo)坑法:先開(kāi)挖隧道開(kāi)挖斷面一側(cè)的導(dǎo)坑,并設(shè)置臨時(shí)初期支護(hù)側(cè)壁構(gòu)件封閉成環(huán),再分部開(kāi)挖剩余部分的施工方法。適用于斷面跨度大,地表沉陷難于控制的軟弱松散圍巖中隧道開(kāi)挖方法三適用于圍巖穩(wěn)定性較差(如軟弱松散圍巖),隧道跨度較大,地表沉陷難于控制地段。該法確定側(cè)壁導(dǎo)坑的尺寸很重要,一般側(cè)壁導(dǎo)坑的寬度不宜超過(guò)0.5倍洞寬,高度以到起拱線(xiàn)為宜。優(yōu)點(diǎn):是通過(guò)形成閉合支護(hù)的側(cè)導(dǎo)坑將隧道斷面的跨度一分為二,有效地避免了大跨度開(kāi)挖造成的不利影響,明顯地提高了圍巖的穩(wěn)定性。

缺點(diǎn):是因?yàn)橐┳鱾?cè)壁導(dǎo)坑的內(nèi)側(cè)支護(hù),隨后又要拆除,增加了工程造價(jià)。隧道開(kāi)挖方法三③雙側(cè)壁導(dǎo)坑法:又稱(chēng)眼鏡工法,是在隧道開(kāi)挖斷面的兩側(cè)都布置導(dǎo)坑,并都對(duì)其設(shè)置臨時(shí)初期支護(hù)側(cè)壁構(gòu)件封閉成環(huán),再分部開(kāi)挖隧道開(kāi)挖面中間部分的方法。施工安全,但速度較慢,成本較高當(dāng)隧道跨度很大,地表沉陷要求嚴(yán)格,圍巖條件特別差,單側(cè)壁導(dǎo)坑法難以控制圍巖變形時(shí),可采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道開(kāi)挖方法三1-側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖2-側(cè)壁導(dǎo)坑錨噴支護(hù)及設(shè)置中壁墻臨時(shí)支撐3-后行部分上臺(tái)階開(kāi)挖

4-后行部分下臺(tái)階開(kāi)挖5-后行部分噴錨支護(hù)6-拆除中壁墻7-灌筑仰拱8-灌筑洞周襯砌

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法雖然開(kāi)挖斷面分塊多一點(diǎn),對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)增加,且初期支護(hù)全斷面閉合的時(shí)間延長(zhǎng),但每個(gè)分塊都是在開(kāi)挖后立即各自閉合的,所以在施工期間變形幾乎不發(fā)展。該法施工安全,但進(jìn)度慢,成本高。隧道開(kāi)挖方法三④中隔壁法(CD法):在軟弱圍巖大跨隧道中,先開(kāi)挖隧道的一側(cè),并施做中隔壁墻,然后再分部開(kāi)挖隧道另一側(cè)的施工方法——適用于Ⅴ~Ⅵ級(jí)圍巖淺埋的雙線(xiàn)隧道,隧道斷面跨度大、地表沉陷量要求較小。隧道開(kāi)挖方法三中隔壁法左右部的臺(tái)階高度應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況、隧道斷面大小和施工設(shè)備確定。每側(cè)按兩部或三部分臺(tái)階開(kāi)挖,開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)施作初期支護(hù)、中隔壁;兩側(cè)先后距離宜保持10~20m,上下斷面的距離宜保持3~5m。隧道開(kāi)挖方法三⑤交叉中隔壁法(CRD法):在軟弱圍巖大跨隧道中,先開(kāi)挖隧道的一側(cè)的一或二部分,施作部分中隔壁墻,再開(kāi)挖隧道另一側(cè)的一或二部分,然后再開(kāi)挖最先施工一側(cè)的最后部分,并延長(zhǎng)中隔壁墻,最后開(kāi)挖剩余部分的施工方法。隧道開(kāi)挖方法三隧道開(kāi)挖方法三1135357911791113571357911911中隔壁法(CD法)交叉中隔壁法(CRD法)24681012132468101213隧道開(kāi)挖方法三條件全斷面法臺(tái)階法單側(cè)壁法雙側(cè)壁法隧道斷面單、雙、三線(xiàn)雙、三線(xiàn)雙、三線(xiàn)三線(xiàn)圍巖條件硬巖較硬巖土質(zhì)松軟地層土質(zhì)松軟地層安全性一般較安全較安全安全施工機(jī)械大型大型或中型中型或小型小型工序及工期簡(jiǎn)單、工期快簡(jiǎn)單、工期快較多、較慢復(fù)雜、工期慢造價(jià)低較低較高高圍巖變化的適應(yīng)性向低較難,向高適應(yīng)向低及高變化均能適應(yīng)各種適應(yīng)性不強(qiáng)向低變化適應(yīng)主應(yīng)力豎直向水平轉(zhuǎn)移雙三線(xiàn)穩(wěn)定增加,單線(xiàn)降低斷面洞室穩(wěn)定性增加最明顯洞室穩(wěn)定性降低洞室穩(wěn)定性降低管線(xiàn)布置很方便方便較方便不方便輔助支護(hù)不容易很容易一般一般關(guān)鍵部支護(hù)一般好較好較好隧道開(kāi)挖方法三3.5其他開(kāi)挖法地鐵車(chē)站地下儲(chǔ)庫(kù)地下商業(yè)街地下洞室大空間施工逐步總結(jié)出新的大跨度隧道及地下空間開(kāi)挖方法中洞法側(cè)洞法柱洞法PBA法(洞樁法)等隧道開(kāi)挖方法三·中洞法:先開(kāi)挖中間部分(中洞),在中洞內(nèi)施作梁、柱結(jié)構(gòu),然后再開(kāi)挖兩側(cè)部分(側(cè)洞),并逐漸將側(cè)洞頂部荷載通過(guò)中洞初期支護(hù)轉(zhuǎn)移到梁、柱結(jié)構(gòu)上的開(kāi)挖方法常與CRD法結(jié)合適用;常用于雙連拱隧道、大跨度車(chē)站隧道開(kāi)挖方法三·PBA法:由邊樁、中樁(柱)、頂梁、底梁、頂拱共同構(gòu)成初期受力體系,承受施工過(guò)程的荷載,在頂蓋的保護(hù)下,逐層向下開(kāi)挖土體,施作內(nèi)部結(jié)構(gòu),最終形成由初期襯砌+內(nèi)層襯砌組合而成的永久承載體系·側(cè)洞法:先開(kāi)挖兩側(cè)部分(側(cè)洞),在側(cè)洞內(nèi)做梁、柱結(jié)構(gòu),然后再開(kāi)挖中間部分(中洞),并逐漸將中洞頂部荷載通過(guò)側(cè)洞初期支護(hù)轉(zhuǎn)移到梁、柱上·

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