Effect of joint dip angle and inter-hole parameters on blasting crack propagation in layered rock mass
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摘要: 针对层状岩体隧道采用钻爆法施工过程中,爆炸能量分布不平衡易引起严重的超欠挖,以节理倾角和孔间延时及孔间距为主要影响参数,采用分层浇筑的方法制备了不同节理角度的模拟岩体试样,开展了层状岩体爆破试验,基于ABAQUS模拟软件,分析了层状岩体在不同节理倾角下爆破裂纹扩展及应力波传播特性。结果表明:节理倾角对应力波传播具有显著的导向作用,通过影响应力分布导致不同位置峰值应变及损伤程度的差异,进而促使裂纹在节理面处或炮孔周围扩展。孔间延时对裂纹扩展路径具有关键调控作用,随着延时增大,先爆孔与后爆孔的应力波叠加区域由节理中心逐渐向后爆孔周围转移,导致节理中心峰值应变与损伤值先增后减,岩体破坏区域相应向后爆孔偏移;但延时过长会削弱双孔应力波的协同效应。孔间距增大将减弱节理中心的应力叠加,使能量集中于炮孔周边,裂纹扩展模式从节理贯通转向孔周放射状分布;而过大的孔间距则因能量衰减与应力叠加不足,易导致孔间裂纹贯通失效,显著降低岩体破碎效率。Abstract: In the construction process of drilling and blasting method for layered rock tunnel, the unbalanced distribution of explosion energy was easy to cause serious over- and under-excavation. The joint dip angle, inter-hole delay, and hole spacing were the main influencing parameters. The simulated rock mass samples with different joint dip angles were prepared by the layered pouring method, and the blasting test of layered rock mass was carried out. Based on the ABAQUS simulation software, the blasting crack propagation and stress wave propagation characteristics of layered rock mass under different joint dip angles were analyzed. The results show that the joint dip angle has a significant guiding effect on the stress wave propagation. By affecting the stress distribution, the peak strain and damage degree at different positions are different, which in turn promotes the crack propagation at the joint surface or around the blast hole. The inter-hole delay plays a key role in regulating the crack propagation path. With the increase of delay time, the stress wave superposition area of the pre-blasting hole and the post-blasting hole gradually shifts from the joint center to the surrounding of the post-blasting hole, resulting in the peak strain and damage value of the joint center increasing first and then decreasing, and the failure area of the rock mass shifts to the post-blasting hole accordingly. However, too long delay weakens the synergistic effect of the double-hole stress wave. The increase of hole spacing weakens the stress superposition in the center of the joint, so that the energy is concentrated around the borehole, and the crack propagation mode changes from joint penetration to radial distribution around the borehole. However, too large a hole spacing is easy to lead to the failure of crack penetration between holes due to insufficient energy attenuation and stress superposition, which significantly reduces the crushing efficiency of rock mass. The research results are helpful to the understanding of blasting crack propagation in layered rock mass.
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Key words:
- layered rock mass /
- inter-hole delay /
- hole spacing /
- joint dip angle /
- stress wave
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钻爆法因其经济高效的优点,被广泛应用到隧道及地下工程开挖等领域。但在实际工程中,层状岩体中的裂隙、节理等不连续结构面会导致爆炸能量分布不均匀,引发局部振动效应增强、应力波传播受阻等问题。这不仅削弱了炸药破岩效果,还会严重影响隧道光面爆破的成型质量,导致超欠挖问题突出,造成经济成本增加和降低施工进度[1-4]。因此,研究层状岩体爆破裂纹扩展规律具有重要的现实意义。
目前,学者们对层状岩体破岩效果做了大量研究,徐帮树等[5]通过优化水平层状岩体隧道的周边爆破参数,使超欠挖面积得到有效控制。于飞飞等[6]基于理论分析与现场爆破试验相结合,提出了一种适用于水平层状岩山岭隧道的炮孔优化方案,促进了裂纹扩展,使超欠挖得到了改善。郝广伟等[7-8]通过现场爆破试验,优化爆破参数减少层状岩体隧道超挖,改善了围岩裂纹扩展效果。张万志等[9]通过对隧道拱部层状页岩地层的爆破开挖方法及参数优化,提升了隧道成型效果和围岩稳定性。邓祥辉等[10]基于理论分析爆炸应力波对层状岩体的作用机理,并在现场开展爆破参数优化试验,使超欠挖和周边围岩得到了改善。Salum等[11]通过对周边围岩损伤和爆破振动进行分析,并在隧道周边进行装药试验,提出了控制超欠挖的爆破参数设计方案。Lei等[12]研究了含软弱夹层岩体在爆破荷载作用下的力学响应和周边成效效果,发现改变装药结构和起爆顺序,可以减少对围岩的损伤和提高成型质量。Liu等[13]通过遗传算法和改进的支持向量回归耦合算法来实现爆破参数优化,有效的控制了超欠挖现象。Mei等[14]研究了水平层状岩体中大断面隧道爆破参数的优化方法,发现采用“中心孔+楔形掏槽”的方式,及缩小周边孔距并控制钻孔角度等,有效减少了超欠挖和爆破振动,保障了周围岩体的稳定性。Ding等[15]通过试验和数值模拟,揭示了层状岩体缝控爆破损伤特征,发现层间气体解压主导爆破效果。丁祥[16]利用离散元数值模拟和现场激光扫描图像等方法,优化互层岩体炮孔布置,有效控制了超欠挖。种玉配等[17]通过数值模拟和现场实测,揭示了水平岩层隧道爆破振动传播规律及衰减系数,为振速预测和爆破成型控制提供指导。宋庆刚等[18]通过模拟和现场试验,以半孔率和光面壁不平整度作为爆破效果评价指标,系统分析了炮孔直径对层状板岩隧道爆破成型质量的影响规律。陈正林等[19-20]通过对层状泥岩段隧道爆破的孔径、药量、孔间距和延时进行模拟研究,并结合现场测试验证,优化后的爆破方案显著减少了超欠挖现象。田宝华等[21]通过数值模拟,研究了砂页岩水平互层隧道中,岩层厚度对光面爆破效果的影响,确定了不同厚度条件下最优炮孔间距参数。
众多学者通过理论、试验和数值模拟在单孔装药量、装药结构和炮孔布设方式等爆破参数方面解决了一些工程上常见的超欠挖等问题。然而,由于天然岩体中节理的分布极为复杂,上述学者对于含有不同节理倾角的层状岩体的研究较局限,尚缺乏一个全面且系统的探究,以深入理解地质参数和爆破参数如何影响层状岩体的裂纹扩展规律。为此,本文中,以节理倾角和孔间延时及孔间距作为重要影响参数,通过制备层状岩体试样开展爆破试验,结合动态应变监测和超声波损伤检测,系统揭示裂纹扩展规律,并基于数值模拟阐明应力波传播特性,为类似工程爆破提供帮助。
1. 层状岩体试验设计方案和制备方法
1.1 试验设计方案
共设计了3组工况试验,系统探究不同参数对层状岩体爆破裂纹扩展的影响。
表 1 试验设计方案Table 1. Test design schemes工况 节理倾角/(°) 孔间距/mm 围压 孔间延时/ms σx/MPa σy/MPa 1 30 200 1.0 0.5 0 45 60 90 2 45 200 1.0 0.5 0 5 10 15 3 45 175 1.0 0.5 0 200 225 1.2 制备方法
基于JGJ/T 98— 2010《砌筑砂浆配合比设计规程》[22],采用抗压强度为30 MPa的相似材料进行配比制备了9个尺寸均为500 mm×300 mm×300 mm的层状岩体试样,但实验过程中受骨料损耗、振捣欠密及养护不良等问题的影响,成型试件的实际抗压强度约为25 MPa。试验设计采用2块9 mm厚钢板以30°、45°、60°和90°等4种倾角模拟层状结构。为获取试样的动态应变响应,在试样内部预埋尺寸为20mm×20mm×20mm的应变砖,其中所有工况试样,#1和2#应变砖距试样右边缘分别为250 mm和100 mm。当孔间距为175 mm时,炮孔1、2与1#应变砖间距87.5 mm(等距),与两侧边缘间距162.5 mm,炮孔2与2#应变砖间距62.5 mm;孔间距225 mm时,炮孔1、2与1#应变砖间距112.5 mm(等距),与两侧边缘各间距137.5 mm,炮孔2与2#应变砖间距37.5 mm。统一设置炮孔参数:直径18 mm、孔深100 mm、节理1与节理2的垂直间距40 mm。考虑到试样体积较实际工程缩小
1000 -2000倍,采用装药量为实际工程0.1%的数码电子雷管模拟爆破荷载,实施连续装药、孔底起爆及炮泥密封,如图1所示。爆破试验过程中,首先采用围压加载装置对试样施加
σx=1.0 MPa,σy=0.5 MPa的围压,通过DH5922D动态应变仪实时监测预埋应变砖数据,同时使用数码电子雷管精确控制起爆时序。爆后采用RSM-SY6型超声波检测系统对试样内部损伤进行扫描检测,如图2所示。2. 爆破试验结果分析
2.1 爆破效果对比分析
2.1.1 不同节理倾角爆破效果
根据方案将倾角为30°、45°、60°、90°的层状岩体进行爆破,分析爆后岩体裂纹扩展规律,爆破后试样裂纹扩展情况如图3所示。
图3中红色线条表征预制节理面,当倾角为30°时,两炮孔产生的裂纹沿节理面向试样边缘扩展,孔间未形成贯穿裂纹,且炮孔周围都未出现明显的粉碎区(图3(a));当倾角为45°时,裂纹在节理中心处实现交汇贯通,并在两炮孔周围形成粉碎区和径向裂纹向外扩展(图3(b));当倾角为60°时,裂纹数量减少,粉碎区范围进一步扩大,裂纹主要向试样左右两侧边缘扩展,节理面未贯穿(图3(c))。当倾角为90°时,两炮孔周围粉碎最严重,在粉碎区外产生近乎垂直节理的径向裂纹向外扩展,但节理面仍未贯穿(图3(d))。这表明节理角度对裂纹的扩展具有导向作用,小倾角(30°)节理虽引导裂纹走向,但不利于实现孔间贯通。大倾角(60°~90°)裂纹导向作用减弱,能量更多用于为岩体破碎而非定向断裂。在倾角45°时最有利于促进孔间裂纹贯通。
2.1.2 不同孔间延时爆破效果
将不同孔间延时下的层状岩体进行爆破,爆破后试样裂纹扩展情况如图4所示。
在图4中,炮孔1为先爆孔,炮孔2为后爆孔。同时起爆时,爆生裂纹贯穿节理面并向试样两侧扩展,如图4(a)所示;延时为5 ms时,两炮孔主裂纹在节理面2处汇合,还形成密集的次生裂纹区,且炮孔2粉碎区范围增大,如图4(b)所示;10 ms延时下,两炮孔周围的裂纹密度增大,主裂纹在节理处贯通,炮孔2周围粉碎区范围最大,其诱发的次生裂纹较炮孔1更深,如图4(c)所示;15 ms延时下,仅形成局部粉碎区和微小裂纹,未能实现孔间贯穿,如图4(d)所示。这说明延时可改变应力波的叠加位置,适当的延时(5 ms)在节理处的叠加效应最强,可以促进裂纹的定向扩展。过长延时(15 ms)会导致叠加效应失效,降低爆破效果。
2.1.3 不同孔间距爆破效果
对不同孔间距下的层状岩体进行爆破,爆破后试样裂纹扩展情况如图5所示。
从图5(a)~(b)可知,当炮孔间距从175 mm增大到200 mm时,爆生裂纹集中区从节理中心向炮孔近场转移,同时粉碎区面积达到峰值,且2种间距下均能实现孔间裂纹贯通。从图5(c)可以看出,225 mm孔间距下,裂纹主要向试样边缘扩展,孔间裂纹未实现贯穿,粉碎区范围最小。这表明过小间距(175 mm),爆破能量集中在两炮孔之间,造成能量重叠浪费。过大间距(225 mm)导致能量分散,整体爆破效果最差。200 mm的孔间距可实现爆破能量利用效率与裂纹扩展效果的最佳平衡。
2.2 峰值应变结果分析对比
基于动态应变仪采集的数据,提取各工况下应变砖测点的峰值应变,绘制成柱状图,如图6~8所示。
从图6可以看出,随着倾角的增大,节理中心处的峰值应变呈先增后减的变化趋势,在倾角为45°时达到最大值,而炮孔周围的峰值应变随倾角的增大,持续上升,倾角为90°时达到最大值。这表明,当节理倾角在30°~45°增大时,“楔形效应”导致沿节理面的应力分量增大,促使节理中心的应变最大化。当倾角增至60°~90°时,应力波与节理面的相互作用减弱,能量主要沿垂直节理面方向传播,导致应变向炮孔近场集中。
从图7可以看出,随孔间延时的增长,整体峰值应变先增大后减小,其中节理中心和炮孔周围的峰值应变,分别在延时为5和10 ms时达到最大值,周围产生的叠加效应最强;而15 ms的延时过长导致应力波消散,未能有效叠加。
从图8可知,当孔间距不断增大时,节理中心的峰值应变单调递减,而炮孔周围的峰值应变呈先增大后减小的变化特征。说明在175 mm的间距下,炮孔与节理的距离较近,应力波叠加效应显著,使得节理中心的峰值应变最大;间距增至200 mm时,应力波衰减导致能量向炮孔周围集中;间距增至225 mm时则因能量过度衰减导致峰值应变最小。
2.3 致裂损伤结果分析对比
为获取试样爆破内部的损伤规律,利用超声波检测仪对所有岩石采集P波波速,在试样y向两侧划分100×100 mm的网格,测量时将声波探头上涂抹黄油作为耦合剂以确保数据检测的准确性。通过在网格单元上测量试样破坏前后的波速,提取红色框线内9个测点的数据,用于分析炮孔及节理中心附近的损伤变化,其中,炮孔1、节理中心以及炮孔2附近测点分别为点1、2、3,逐渐往岩体下侧采集,如图9所示。
爆破前岩石内部完整性较好,初始波速在3 012~3 285 m/s之间,鉴于各工况材料配比相同,统一采用均值3 111 m/s作为初始波速基准,统计受损波速。根据波速损伤公式计算出损伤变量:
D=1−(c/cc0c0)2 (1) 式中:c为受损波速,c0为初始波速,D为损伤变量。不同工况下试样爆破损伤和波速变化如图10~12所示。
图10~12所示,随着测点采集方向逐渐向下延伸,所测位置与炮孔之间的距离持续增大,使得P波波速逐渐增大到完整岩体状态,岩体受爆炸损伤效应的影响显著减弱。从图10可以看出,随着节理倾角的增大,2个炮孔附近区域爆破前后的平均损伤变量逐渐增大,而节理中心附近的损伤变量则呈现先增大后减小的变化趋势,在倾角为45°时达到峰值。从图11可以看出,随着延时的增长,炮孔1附近的损伤变量单调递减,而节理中心和炮孔2的损伤分别在延时为5和10 ms时出现极值。从图12可以看出,炮孔周围的损伤随孔间距的增大呈先增大后减小的变化趋势,在间距为200 mm时到达峰值,而节理中心的损伤随间距的增大单调递减。
3. 爆破数值模拟分析
通过爆破试验得到了不同工况的裂纹扩展规律,但对于试块内部应力波扩展过程难以观测。因此,通过利用ABAQUS构建层状岩体结构模型,探究在层状岩体爆破荷载影响下的岩体损伤变化机理,并基于模型试验的物理力学参数,对模型材料属性进行编辑。
3.1 材料选取与模型建立
3.1.1 炸药材料参数
选用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型,结合EOS-JWL状态方程来模拟炸药爆炸过程。该材料模型能够精确表征爆炸冲击波的动态传播特性以及炸药的瞬态力学响应。采用的*EOS-JWL,可准确描述爆轰产物的膨胀过程及其对周围介质的力学作用。这种建模方法能够有效模拟炸药起爆、能量释放及冲击波传播的全过程动力学行为,其状态方程式为:
p=A[1−ω/(R1V)]e−R1V+B[1−ω/(R2V)]e−R2V+ωE0/V (2) 式中:
p 为爆轰压力,A 、B 、R1 、R2 和ω 均为JWL方程的参数,分别取值为214.4 GPa、0.182 GPa、4.5、0.9、0.15;V 为爆轰产物的相对体积;E0 为单位体积内能,取值为3.5 GPa。本文中,炸药的密度ρ 为1.15 g/cm3,爆轰速度D 为4.3 km/s。上述参数值均取自文献[23]。3.1.2 岩石和节理材料参数
岩石和节理均采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE弹塑性本构模型,可准确表征材料在高应变率、大变形及复杂应力状态下的动态损伤演化和破坏行为。岩石和节理材料参数主要参考文献[24]获得,分别取密度
ρ 为2.6和2.04 g/cm3,弹性模量G为28.7和14.86 Gpa,抗压强度σc 为25和15 MPa,归一化内聚强度A2 为0.28和0.79,修正的压力强化系数B2 为2.5和1.6;应变率系数C 为0.00186 和0.007,压力强化指数为0.79和0.61。3.1.3 模型建立
以节理倾角为45°的层状岩体建立模型,尺寸为500 mm×300 mm×1 mm,炮孔1和炮孔2分别位于模型左右两侧,直径均为18 mm。节理面1和节理面2厚度均为1 mm,节理1与节理2垂直间距为40 mm。为探究三种不同的爆破工况对层状岩体应力波传播的影响机制,在两炮孔连线方向上布设5个(C1~C5)监测节点单元,其中C1、C2位于炮孔1左右两侧,C3在节理中心,C4、C5位于炮孔2左右两侧,每种工况的节点取相同位置,模型如图13所示。
在模拟过程中,通过拉剪破坏进行单元删除来模拟岩体爆破损伤,网格属性设置单元删除模式,当某个单元的变形达到算法中的确定标准值时,即判定单元失效,不再参与分析,并且该过程不可逆。
因为计算时主要分析炮孔1和炮孔2的周围以及节理1和节理2的附近,所以对模型网格划分时将炮孔1和炮孔2的周围以及模型中心部分进行密集化。模型中的总单元为5 770个。炸药采用Explicit-三维应力网格,并采用网格粒子化来模拟炸药爆破的冲击波。
3.2 数值模拟结果对比
3.2.1 不同节理倾角下应力波传播规律分析
在围压为
σx=1.0 MPa,σy=0.5 MPa的条件下,节理倾角不同的层状岩体爆破应力波传播云图,如图14所示。图14揭示了节理倾角对应力波传播路径的调控机制,从图14(a)可以看出,在节理倾角为30°时,较近的节理间距促使应力波快速抵达节理面,而节理面作为阻抗界面引导应力波沿着节理面向边缘方向扩展;从图14(b)可以看出,在节理倾角为45°时,应力波既能有效利用节理弱面,又能克服节理约束,有利于应力波在节理处的叠加,可以有效促进裂纹在节理处的贯通;从图14(c)可以看出,在节理倾角为60°时,应力波明显在节理背爆侧产生垂直于节理方向的应力波,直至到达岩体边缘,说明倾角增大应力波在节理处产生了显著的反射效应;从图14(d)可以看出,在节理倾角为90°时,加大了应力波在节理上的反射,使应力波集中耗散于炮孔周围形成大范围破碎区。
3.2.2 不同孔间延时下应力波传播规律分析
在围压为
σx=1.0 MPa,σy=0.5 MPa的条件下,不同延时起爆下层状岩体爆破应力波传播云图,如图15~18所示。由图15可知,在同时起爆(0 ms)下,两炮孔的爆炸应力波分别贯穿节理面1和2,在节理中心应力波汇合实现贯穿,随后继续向节理和岩体边缘扩散,由于炮孔两侧岩体受到的作用相对均匀,因此左右两侧的破坏程度基本相同。由图16可知,5 ms延时下,炮孔1产生的爆炸应力波传播至节理面2时,应力波先沿着节理面2向两侧扩散,之后炮孔2起爆,应力波在节理面2处汇合,由于炮孔2距离应力叠加位置较近,导致炮孔2周围破坏范围大于炮孔1处。由图17可知,10 ms延时下,炮孔1应力波传递到炮孔2周围时,炮孔2起爆,两炮孔应力波叠加在炮孔2周围,其周围岩体破坏最严重。由图18可知,15 ms孔间延时下,因应力波时程分离导致叠加失效,仅形成局部破碎。
3.2.3 不同孔间距下应力波传播规律分析
在围压为
σx=1.0 MPa,σy=0.5 MPa的条件下,不同孔间距层状岩体爆破应力波传播云图如图19所示。由图19(a)可知,175 mm孔间距下,近场应力波叠加,导致节理中心能量过度集中。由图19(b)可知,200 mm间距实现最优能量平衡,应力波在试块内部分布范围最大,并实现了节理和炮孔区域同步形成充分破碎与贯穿裂纹。由图19(c)可知,225 mm间距则因炮孔与节理间距较远,导致应力波衰减致使能量局域于炮孔周围,节理破碎效果显著降低。
3.3 模型应力峰值对比
通过对各工况下炮孔间连线测点C1~C5的应力峰值进行提取分析,将结果绘制成点线图,如图20~22所示。
由图20可知,随着倾角的增大,节点C2~C4的应力峰值先增大后减小,在倾角为45°时达到最大值。而节点C1、C5处应力,则随节理倾角的增大而增大,这表明节理倾角会动态改变应力集中区域,倾角为30°~45°时,应力更倾向往节理中心聚集,倾角为60°~90°时则应力向炮孔近区转移。由图21可知,0 ms同时起爆下,应力集中在节点C1~C3,而在5~10 ms延时起爆下应力集中转移至节点C4~C5,15 ms延时下应力整体最小。这表明延时调控可定向转移应力波的叠加位置,使叠加区从节理中心逐步向后爆孔迁移。由图22可知可知,节点C1和C5的应力在孔间距为200 mm时达到最大值。而节点C2~C4的应力随孔间距的增大呈下降趋势。适当孔间距可实现最优应力叠加,过小或过大孔间距分别导致应力集中或衰减。
4. 结 论
结合试验和数值模拟,系统探究了不同的节理倾角、孔间延时以及孔间距对层状岩体爆破裂纹扩展的影响,得到的主要结论如下。
(1)节理倾角的变化影响应力波的传播路径,改变爆破损伤的分区特征和裂纹的扩展方向,在节理倾角在30°~45°范围内增大时,楔形效应促进裂纹沿节理面定向贯穿;而节理倾角为60°~90°时,应力波的反射作用增强,能量更多集中在炮孔近区,导致孔周粉碎区不断增大。随节理倾角的增大,节理中心的峰值应变和损伤变量呈现先增大后减小的变化趋势,在倾角为45°时达到最大值,而炮孔周围的峰值应变和损伤变量则呈现单调递增的趋势,在在倾角为90°时达到最大值。
(2)孔间延时通过调控应力波的叠加区域显著影响爆破效果,在0~10 ms的延时范围内,随着延时增长,双孔应力波的叠加区从节理中心逐渐向后爆孔方向迁移,且均能维持有效的孔间贯通效果,其中在延时为5和10 ms时,分别在节理面和后爆孔处生成密集裂纹区。当延时达到15 ms时,由于先爆孔的应力波严重衰减导致波场分离,破碎效果显著降低。在0~10 ms的延时范围内,节理中心的峰值应变和最大损伤变量呈现向后爆孔转移的特征;而当延时增至15 ms时,整体应变水平和损伤范围均明显减小。
(3)孔间距对应力波的传播和叠加效应具有显著影响,当孔间距由175 mm增至200 mm时,应力波叠加效应的最强区域从节理中心向两侧炮孔周边转移,促使裂纹扩展路径由节理导向转为炮孔辐射状分布;当孔间距增至225 mm时,因间距过大,应力波传播过程中能量衰减,导致叠加效应减弱,孔间裂纹未能实现贯穿,爆破破碎效果显著劣化。在孔间距175~225 mm的增大范围内,节理中心的应变和损伤程度呈单调递减趋势,而炮孔周边则先增后减,在孔间距为200 mm时达到最大值。
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表 1 试验设计方案
Table 1. Test design schemes
工况 节理倾角/(°) 孔间距/mm 围压 孔间延时/ms σx/MPa σy/MPa 1 30 200 1.0 0.5 0 45 60 90 2 45 200 1.0 0.5 0 5 10 15 3 45 175 1.0 0.5 0 200 225 -
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