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    山區(qū)高速公路隧道穿越特大型溶洞施工技術(shù)

    2013-10-10 07:07:44高亞軍
    隧道建設(shè)(中英文) 2013年4期
    關(guān)鍵詞:溶洞巖溶巖體

    薛 成,高亞軍

    (中交二公局華盟公司,陜西 西安 710065)

    0 引言

    山區(qū)高速公路隧道施工中會(huì)面臨很多的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造和不良地質(zhì)病害,特別是在隧道開挖施工中出現(xiàn)特大溶洞時(shí),由于受到地質(zhì)、地貌等復(fù)雜情況和處理空間有限等因素的干擾,處理技術(shù)難度會(huì)更大,會(huì)對(duì)工程質(zhì)量、進(jìn)度、安全等產(chǎn)生不利影響。目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于山區(qū)高速公路特大溶洞處理技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)比較少,而關(guān)于一般溶洞處理技術(shù)的文獻(xiàn)較多。文獻(xiàn)[1]對(duì)百色至靖西高速公路隴內(nèi)隧道特大溶洞處理技術(shù)和方法進(jìn)行了介紹,但手段相對(duì)簡(jiǎn)單;文獻(xiàn)[2]對(duì)于特殊不良地質(zhì)狀況下的溶洞處理技術(shù)進(jìn)行了介紹,對(duì)3種溶洞處理的方案進(jìn)行了對(duì)比分析,評(píng)價(jià)了溶洞整體的穩(wěn)定性,其中采用的“樁基托架跨越”與本文隧道基底下部處理有類似之處;文獻(xiàn)[3]主要分析了宜萬鐵路巖溶隧道災(zāi)害及防治對(duì)策。本文主要針對(duì)山區(qū)高速公路,當(dāng)隧道跨越特大溶洞時(shí),在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下采取的不同技術(shù)處理措施。

    1 工程概況

    清連高速B4標(biāo)白須公1#隧道位于清遠(yuǎn)市陽(yáng)山縣南部“粵北山字型”構(gòu)造,設(shè)計(jì)里程K2178+015~+425,長(zhǎng)410 m。開挖到K2178+074時(shí),在隧道上半斷面發(fā)現(xiàn)特大型溶洞。經(jīng)實(shí)地踏勘,該溶洞洞內(nèi)表面溶蝕發(fā)育,隨處可見鐘乳石、石筍、石柱,表面有裂隙水,并伴有流水,溶洞最寬處近百米,距地表最小垂直深度約50余米,最深的側(cè)洞達(dá)數(shù)百米,實(shí)測(cè)隧道穿越區(qū)域溶洞空腔最高110 m、寬約70 m、長(zhǎng)約101 m;沿洞壁向溶洞左側(cè)行走至600 m可外延溶洞出口,洞底有水流。在溶洞內(nèi)樁號(hào)K2178+136.5隧道中心線右側(cè),有一橫向溶洞,最高處約15 m,最寬處約25 m,深度約15 m;溶洞前38m(K2178+074~+112)需在溶洞中部右側(cè)擴(kuò)挖12.4 m隧道,后28 m(K2178+112~+140)段隧道要橫穿溶洞。

    2 溶洞施工處理技術(shù)難點(diǎn)

    該溶洞地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬于溶蝕侵蝕高丘微山地區(qū),其地貌單元有斜坡、溶溝、石芽、峰林等地形,隧址區(qū)進(jìn)出口端及山坡表層分布有第四系全新統(tǒng)坡殘積物,以紅黏土為主,夾有灰?guī)r碎石。其他地段大部分基巖裸露,巖性為石炭系下統(tǒng)灰?guī)r,按風(fēng)化程度和巖溶發(fā)育程度劃分為巖溶強(qiáng)發(fā)育灰?guī)r(巖體基本質(zhì)量為V級(jí))、巖溶弱發(fā)育灰?guī)r(巖體基本質(zhì)量為III級(jí)至IV級(jí))。該隧道處于復(fù)雜構(gòu)造帶上,其構(gòu)造屬華南褶皺系南嶺緯向,褶皺斷裂發(fā)育,出露地層巖性主要為石炭系、二疊系、白云巖等碳酸鹽巖,分布范圍廣,沉積厚度大,區(qū)內(nèi)氣候濕熱,雨水充沛,在地表、地下水強(qiáng)烈的淋濾、溶蝕作用下,形成了落水洞及巖溶洼地的巖溶地貌,間有漏斗(見圖1),溶洞兼有風(fēng)化層和軟弱層。若采取對(duì)樁基處理、溶洞設(shè)置簡(jiǎn)易橋、一側(cè)溶洞巖體支撐擋墻處理等措施,以及合理有效地增設(shè)排水系統(tǒng),都會(huì)產(chǎn)生很多技術(shù)難題。由于方案無法確定,隧道停工半年多,且隧道另一洞口處于懸崖處,造成無法開展另一側(cè)的隧道施工,故采取有效合理的施工技術(shù)方案是必不可少的。

    圖1 白須公溶洞概貌Fig.1 General picture of Baixugong karst cave

    3 溶洞處理總體設(shè)計(jì)思路

    本隧道采取增設(shè)導(dǎo)洞,由導(dǎo)洞進(jìn)入主洞先避開溶洞掘進(jìn),然后對(duì)溶洞進(jìn)行技術(shù)處理,結(jié)合以往對(duì)溶洞處理的方式,經(jīng)過反復(fù)勘測(cè)分析論證,會(huì)同專家研究,確定出溶洞處理的總體設(shè)計(jì)思路。

    1)對(duì)溶洞靠隧道的側(cè)壁及頂部圍巖采用清理和噴錨加固處理。

    2)在底部采用樁基處理,并在基礎(chǔ)上構(gòu)建承臺(tái)及支撐墻,溶洞底與隧道結(jié)合處采用橫向聯(lián)系梁連接。

    3)采用超前管棚、鋼拱架、錨噴、仰拱等綜合支護(hù)措施進(jìn)行處理。

    4)對(duì)巖溶水按照“宜疏不宜堵”處理原則,在承臺(tái)下邊設(shè)排水溝,增設(shè)管涵,將巖溶水引入溶洞底的天然溝谷。

    4 溶洞處理具體方案

    4.1 小溶洞和裂隙處理方案

    在隧道穿越的主溶洞側(cè)旁分布有許多小溶洞和裂隙,對(duì)巖層發(fā)育穩(wěn)定、跨度較小且無水的溶洞,根據(jù)其與隧道相交的位置采用混凝土、漿砌片石或干砌片石予以回填封堵。拱部以上空溶洞,可視溶洞的巖石破碎程度采用噴錨支護(hù)加固或加設(shè)護(hù)拱及拱頂回填的辦法處理;破碎程度較嚴(yán)重的,采用注漿固結(jié)或長(zhǎng)大管棚支護(hù)。

    4.2 特大溶洞處理方案

    根據(jù)溶洞所處的實(shí)際情況,對(duì)于特大溶洞其空間大、側(cè)向延伸深度廣,有層間水和山體裂隙滲水,地質(zhì)軟弱帶結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜,具體處理方案如下:

    1)對(duì)溶洞下部采取樁基礎(chǔ)進(jìn)行處理,其上設(shè)置整體承臺(tái),加設(shè)支撐墻并嵌入溶洞頂部,以承擔(dān)上部巖體荷載[4]。

    2)隧道穿越特大溶洞與支洞聯(lián)結(jié)處,支洞一側(cè)采用邊墻鋼筋混凝土基礎(chǔ)加固處理,主洞一側(cè)按方案1)處理。

    3)溶洞段隧道底部處設(shè)置橫系梁代替仰拱,實(shí)現(xiàn)隧道環(huán)向受力。

    4)采取疏導(dǎo)措施處理巖溶水、裂隙水,在承臺(tái)內(nèi)設(shè)排水系統(tǒng)引排巖溶水;在其下邊設(shè)排水溝,增設(shè)涵洞,將裂隙水引入溶洞底的天然溝谷。

    5)對(duì)于隧道上方的溶洞含有充填物、不穩(wěn)定層的部位,將充填物及不穩(wěn)定層清除,采取增設(shè)錨桿、襯砌加固等措施予以處理。

    6)對(duì)于局部較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu),可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行重新設(shè)計(jì)論證和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。

    5 溶洞處理技術(shù)

    5.1 基底處理

    經(jīng)補(bǔ)充勘察,從溶洞原始地表起算,軟塑性至可塑性黏土夾溶洞小型塌方塊石的充填物,厚度達(dá)20余米,地基承載力不能滿足原設(shè)計(jì)的片石混凝土基礎(chǔ)要求。經(jīng)研究,確定采用樁基礎(chǔ)承臺(tái)支撐墻結(jié)構(gòu)。溶洞底部處理方式為:隧道左側(cè)采用雙排(每排9根)樁徑1.6 m樁基;中部及右側(cè)采用單排(每排4根)樁徑2 m樁基,樁底嵌入堅(jiān)硬持力層不少于3 m。為避免擾動(dòng)和破壞巖層,還考慮空間溶洞的特殊性,機(jī)械施工難度大,全部采用人工挖孔進(jìn)行處理。

    5.2 溶洞頂部及側(cè)壁處理

    在實(shí)際施工過程中,溶洞洞壁圍巖基本為Ⅲ級(jí)圍巖,勘測(cè)分析確定為穩(wěn)定巖體,采取噴錨技術(shù)加以處理。經(jīng)對(duì)初期施工方案分析評(píng)審,取消超前管棚,變更為采用超前錨桿結(jié)構(gòu),并取消仰拱[5]。

    1)施工前清理掉洞內(nèi)危石,對(duì)碎落帶進(jìn)行清理,防止塌落或垮塌,再進(jìn)行錨支護(hù)。

    2)溶洞拱部及側(cè)壁圍巖的支護(hù)采用φ22 mm藥卷錨桿(拱部錨桿長(zhǎng)2 m或6 m;側(cè)壁錨桿長(zhǎng)2.5 m或4 m),呈梅花形布置,間距150 cm×150 cm,掛φ6 mm鋼筋網(wǎng),間距15 cm×15 cm,并噴射15 cm厚C25早強(qiáng)混凝土。

    5.3 溶洞入口段隧道洞身處理

    在K2178+074~+083段原施工過程中,按照Ⅲ級(jí)圍巖已開挖并噴錨支護(hù)完畢,但需擴(kuò)大開挖斷面,其施工難度較大,且會(huì)對(duì)巖層造成再次擾動(dòng)??紤]圍巖穩(wěn)定性好,為加強(qiáng)溶洞入口段隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu),根據(jù)開挖斷面形狀,對(duì)已開挖段落突出部位進(jìn)行局部鑿除后,在滿足二次襯砌35 cm的情況下進(jìn)行加強(qiáng)錨噴。采用5 m φ22 mm藥卷錨桿,間距140 cm×120 cm,環(huán)向11根,與原有錨桿交錯(cuò)布置,并盡快噴射混凝土及掛φ6 mm鋼筋網(wǎng),間距20 cm×20 cm,以保證隧道進(jìn)入溶洞處洞身能達(dá)到穩(wěn)定和承壓的目的。

    5.4 溶洞內(nèi)承臺(tái)及支撐墻等混凝土結(jié)構(gòu)施工

    針對(duì)該溶洞洞徑巨大、洞內(nèi)主要為無充填溶洞,采用承臺(tái)及鋼筋混凝土支撐墻進(jìn)行加固(見圖2)。承臺(tái)分為3段,厚2 m。第1段承臺(tái)起訖樁號(hào)為K2178+083.7~+097.5,位于隧道左側(cè);第2段承臺(tái)起訖樁號(hào)為 K2178+097.5 ~ +112.5,位于隧道左側(cè);第3 段承臺(tái)起訖樁號(hào)為 K2178+112.5~ +136.5,橫穿隧道。隧道左側(cè)承臺(tái)寬6.7 m,右側(cè)承臺(tái)寬2.23 m,隧道左側(cè)支撐墻底部寬5.7 m,外側(cè)坡比為1∶0.2,內(nèi)側(cè)緊貼巖壁;右側(cè)支撐墻底部寬1.93 m,外側(cè)坡比為1∶0.1,內(nèi)側(cè)緊貼巖壁。在各段承臺(tái)之間設(shè)置了1 cm的變形縫,用泡沫板隔開。為加強(qiáng)承臺(tái)支撐墻與隧道及溶洞洞壁的緊密結(jié)合,在承臺(tái)及支撐墻靠隧道一側(cè)設(shè)置藥卷錨桿。承臺(tái)側(cè)錨桿伸入圍巖5 m,間距0.6 m×0.6 m,梅花形布置,并在承臺(tái)側(cè)加設(shè)通長(zhǎng)橫向聯(lián)系梁,聯(lián)系梁鋼筋與隧道二次襯砌鋼筋連接。支撐墻側(cè)錨桿長(zhǎng)3.5 m,伸入圍巖2.5 m;支撐墻頂部錨桿長(zhǎng)4 m,伸入圍巖3 m。支撐墻頂部約1 m范圍內(nèi)采用C25早強(qiáng)噴射混凝土充填,并在混凝土內(nèi)設(shè)置3 m長(zhǎng)φ50 mm(壁厚4 mm)注漿小導(dǎo)管,小導(dǎo)管間距為1.5 m。

    圖2 隧道承臺(tái)及樁基平面布置圖Fig.2 Layout of caps and pile foundations in tunnel

    5.5 支撐墻外反壓回填處理

    考慮到K2178+140處隧道開挖會(huì)對(duì)溶洞洞壁擾動(dòng)引起塌方,在隧道右側(cè)緊貼溶洞洞壁構(gòu)建一道巖壁擋土墻。C25水泥混凝土墻身長(zhǎng)10 m,厚2 m,高度至溶洞頂部,并嵌入巖體。為防止隧道貫通后支撐墻將承受來自溶洞頂圍巖的巨大壓力,在左側(cè)支撐墻外側(cè)采用了反壓回填,回填高度為9 m,以確保支撐墻受力均衡。

    6 溶洞施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)

    監(jiān)測(cè)目的以隧道施工期檢測(cè)為重點(diǎn),以圍巖變形、錨索支護(hù)應(yīng)力檢測(cè)為主,監(jiān)控的項(xiàng)目包括爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)、隧道拱頂沉降、錨桿軸力量測(cè)、圍巖壓力量測(cè)、溶洞頂板變形檢測(cè),重點(diǎn)對(duì)支撐墻變形加以監(jiān)控。由于溶洞結(jié)構(gòu)沿主洞長(zhǎng)度方向上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他2個(gè)空間方向上的幾何尺寸,且結(jié)構(gòu)上所承受的荷載沿長(zhǎng)度方向均勻分布平行于橫截面,符合彈性力學(xué)平面應(yīng)變理論,將隧道假定為近似平面應(yīng)變問題來解決[6]。采取數(shù)值監(jiān)控評(píng)價(jià)體系,分析確定出處治結(jié)構(gòu)與隧道及溶洞的安全性和可靠性。

    6.1 監(jiān)控驗(yàn)算方法

    監(jiān)測(cè)的應(yīng)力所采用的數(shù)值分析方法為有限單元數(shù)值法,分析程序?yàn)锳NSYS有限元通用計(jì)算機(jī)軟件,利用施加虛擬支撐力逐步釋放法對(duì)隧道控制過程模擬為連續(xù)施工,使數(shù)據(jù)分析過程更為簡(jiǎn)單,也更符合施工實(shí)際,不需要應(yīng)力和位移的疊加。巖土三軸試驗(yàn)結(jié)果表明,白須公1號(hào)隧道受力特征相當(dāng)于中等圍壓狀況,按力學(xué)結(jié)構(gòu)理論假定其為理想的彈塑材料,在此條件下巖土結(jié)構(gòu)體接近理想彈塑性,故將監(jiān)測(cè)體作為理想的彈塑性介質(zhì)加以研究。巖土體的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。

    圖3 巖土體的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of rock mass

    由圖3可知,巖體的強(qiáng)度比土體的強(qiáng)度大得多。巖體的應(yīng)力應(yīng)變曲線—般為Ⅰ線,其中Ⅰa段稍微向上彎曲,Ⅰb段接近于直線,Ⅰc段呈現(xiàn)向下的彎曲。因應(yīng)力應(yīng)變曲線的幾段較為接近線彈性關(guān)系(約占Ⅰ線范圍的2/3),故對(duì)大多數(shù)巖體,當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)可近似按線彈性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行分析;土體的應(yīng)力應(yīng)變?yōu)槌尸F(xiàn)向下彎曲曲線Ⅱ,僅當(dāng)應(yīng)力水平很低時(shí)才接近直線;Ⅲ為巖土材料塑性變形發(fā)展后的主要應(yīng)變形態(tài);Ⅳ為巖石呈現(xiàn)脆性形態(tài)[7]。在監(jiān)控過程中,將隧道巖體作為理想的線彈性結(jié)構(gòu)體,實(shí)施數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析。

    6.2 應(yīng)力分析

    通過對(duì)K2178+010斷面初期支護(hù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)值分析可知:1)初期支護(hù)主應(yīng)力終值為2.7 MPa,最大值為4.2 MPa(小于初期支護(hù)抗拉強(qiáng)度值4.4 MPa,考慮鋼拱架作用)。最大值出現(xiàn)在初期支護(hù)上下臺(tái)階分界處,是由施工過程中應(yīng)力集中所致。2)初期支護(hù)最大主應(yīng)力最大值為10.0 MPa(小于噴射混凝土彎曲抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度值13.5 MPa),出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)拱腳處,也是由應(yīng)力集中所致。K2178+010斷面初期支護(hù)主應(yīng)力隨施工變化見圖4和圖5。K2178+010斷面數(shù)值分析共分11個(gè)荷載步,分別對(duì)應(yīng)的施工步為:荷載步7—上臺(tái)階支護(hù);荷載步8—下臺(tái)階開挖;荷載步9—下臺(tái)階支護(hù);荷載步10—施作橫向聯(lián)系梁;荷載步11—施作二次襯砌。

    在應(yīng)力集中處其所產(chǎn)生的最大應(yīng)力值小于設(shè)計(jì)要求,符合檢測(cè)指標(biāo),表明支護(hù)整體穩(wěn)定可靠。

    6.3 圍巖位移分析

    1)通過對(duì)K2178+010斷面豎向沉降監(jiān)測(cè)值分析可知:①圍巖最大沉降出現(xiàn)在施工結(jié)束后,最大沉降量出現(xiàn)在隧道拱頂附近,為5.3 mm;②仰拱和聯(lián)系梁相接處上拱最大值為0.46 mm;③圍巖穩(wěn)定,滿足沉降要求。圍巖斷面豎向最大沉降量的變化情況見圖6。

    2)通過數(shù)值檢測(cè)分析,可以看出圍巖最大沉降出現(xiàn)在上部圍巖開挖時(shí)。對(duì)K2178+125斷面進(jìn)行檢測(cè)可知:①最大豎向沉降量為1.93 mm,最終豎向沉降量為1.90 mm;②拱頂及溶洞底側(cè)沉降量相對(duì)較小,符合技術(shù)要求。圍巖最大沉降量隨施工工序變化見圖7。K2178+125斷面數(shù)值分析共分8個(gè)荷載步,分別對(duì)應(yīng)的施工步為:荷載步1—圍巖初始地應(yīng)力;荷載步2—施作橋墩;荷載步3—施作承臺(tái);荷載步4—施作擋墻;荷載步5—反壓回填;荷載步6—隧道開挖;荷載步7—隧道支護(hù);荷載步8—施作二次襯砌。

    6.4 橋墩軸力及位移分析

    1)通過對(duì)K2178+125斷面橋墩壓應(yīng)力監(jiān)測(cè)值分析可知,橋墩軸向壓應(yīng)力隨施工過程增大,最大壓應(yīng)力值出現(xiàn)在施工結(jié)束時(shí),為1.7 MPa,地點(diǎn)在橋墩露出地面處,監(jiān)測(cè)值在允許范圍內(nèi)。壓應(yīng)力最大值隨施工變化圖見圖8。

    2)通過對(duì)K2178+125斷面橋墩豎向位移監(jiān)測(cè)值分析可知,施工前4個(gè)步驟橋墩豎向位移隨施工過程逐漸增大,后面步驟豎向位移變化不大,最大沉降出現(xiàn)在外側(cè)橋墩與承臺(tái)相接處,沉降量為2.34 mm,最終沉降量為2.3 mm,沉降量符合要求。橋墩豎向位移分布見圖9。

    圖9 K2178+125斷面橋墩最大豎向位移變化圖Fig.9 Variation of maximum vertical displacement of piers of tunnel cross-section at K2178+125

    6.5 錨桿軸力分析

    通過對(duì)K2178+125斷面監(jiān)測(cè)值分析可知,錨桿拉應(yīng)力隨施工過程增大,最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在施工結(jié)束時(shí),其值為2.0 MPa,錨桿拉應(yīng)力隨施工步變化呈斜向上的直線型式,側(cè)墻附近錨桿拉應(yīng)力較大。

    7 結(jié)論與討論

    1)由于溶洞內(nèi)結(jié)構(gòu)空間受限,隧道穿越溶洞處下部采取橋梁下部結(jié)構(gòu)(樁基礎(chǔ)+承臺(tái))形式處理,樁基只能采用人工挖孔,在樁基礎(chǔ)上整體澆筑鋼筋混凝土承臺(tái),從而加固了隧道下部的不良地質(zhì)構(gòu)造,使隧道整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定牢固[8]。

    2)采用開挖平行導(dǎo)洞,可避開溶洞開挖導(dǎo)洞至主線位置,進(jìn)入主線后再實(shí)施開挖施工,同時(shí)對(duì)溶洞兩側(cè)進(jìn)行處理,既節(jié)省工期,也有利于隧道內(nèi)交叉作業(yè)與通風(fēng)。平行導(dǎo)洞的設(shè)計(jì)是在不影響溶洞穩(wěn)定的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的,其與溶洞壁最小距離約為7 m。

    3)在溶洞處理方案設(shè)計(jì)時(shí),考慮到采用新奧法原理施工的同時(shí)充分發(fā)揮支撐墻作用,故一方面,處于溶洞一側(cè)將支撐墻全部嵌入上部巖體中,在支撐墻施工過程中,預(yù)埋隧道初期支護(hù)的鋼拱架使支撐墻與隧道初期支護(hù)形成一個(gè)整體的支承結(jié)構(gòu);另一方面,隧道輪廓以上部分,在溶洞壁施工錨桿,并預(yù)留1 m與支撐墻連成整體,有利于隧道開挖后,應(yīng)力向支撐墻底部的承臺(tái)及樁基擴(kuò)散,消解應(yīng)力集中現(xiàn)象。支撐墻施工結(jié)束,在強(qiáng)度滿足要求后,左側(cè)墻體外采取反壓回填,以消除自拱頂?shù)木薮髩毫Α?/p>

    4)溶洞段隧道底部采取橫向聯(lián)系梁連接取代仰拱,確保隧道整體穩(wěn)定。

    5)在承臺(tái)側(cè)邊設(shè)置排水溝,加設(shè)涵洞,從而使溶洞周圍巖體中的裂隙水引入溶洞底的天然溝谷,以防止?jié)B水對(duì)溶洞產(chǎn)生局部破壞。

    6)在處理類似溶洞前,應(yīng)對(duì)隧道地質(zhì)狀況和技術(shù)方案作全面評(píng)估,對(duì)施工措施的可靠性和安全性預(yù)作專項(xiàng)評(píng)價(jià),從而確保工程施工安全、質(zhì)量可靠。

    [1]謝遠(yuǎn)耀,鄭冰林.百色至靖西高速公路隴內(nèi)隧道特大溶洞處理技術(shù)淺析[J].沿海企業(yè)與科技,2012(4):79 -81,78.

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