摘 要:【目的】我國季凍區(qū)交通網(wǎng)在地震帶上的占比持續(xù)增大,有必要研究凍融循環(huán)與地震動雙重作用對寒區(qū)隧道洞口段的影響?!痉椒ā客ㄟ^水熱力三場耦合控制方程獲得襯砌背后凍融圈內(nèi)隨時間變化的凍脹荷載,一并與自重應力近似考慮為初始地應力,將地震荷載等效為各質(zhì)點的體積力,考慮凍融循環(huán)對凍融圈內(nèi)土體強度與襯砌力學參數(shù)的影響,采用擬靜力法研究寒區(qū)淺埋隧道洞口段地震響應規(guī)律?!窘Y(jié)果】無論凍結(jié)與否,不易察覺的墻腳部位最易進入塑性,仰拱呈現(xiàn)內(nèi)拉外壓的受力特征,頂部拱圈、側(cè)面曲墻等部位受力均勻且較小。地震對襯砌的影響均表現(xiàn)出破壞的可能性隨凍融時間(次數(shù))的推移而增大,尤其以墻腳內(nèi)側(cè)壓應力區(qū)最為明顯。受統(tǒng)計方法約束,凍融前10 a襯砌的地震響應較弱,從凍融第15 a開始洞口段襯砌地震穩(wěn)定性有了較明顯的劣化?!窘Y(jié)論】相較于冬令期,融化期發(fā)生地震時隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更差。在全球氣候變暖的背景下,更應深入研究寒區(qū)隧道洞口段融化期的地震響應規(guī)律。
關(guān)鍵詞:凍融循環(huán);寒區(qū)隧道洞口;破碎凍融圈;地震
中圖分類號:U25 文獻標志碼:A 文章編號:1003-5168(2024)18-0055-09
DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.18.011
Study on Seismic Response of Tunnel Entrance Section in Cold Area
Affected by Freeze-Thaw Cycle
HE Xiongfei1 LIU Zhiqiang1 SUN Yongkang2
(1.School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2.CCCC Second Public Bureau Third Engineering Co., Ltd.,Xi'an 710016, China)
Abstract: [Purposes] With the increasing proportion of the traffic network in the earthquake zone, it is necessary to study the influence of freeze-thaw cycle and ground motion on the tunnel entrance section in the cold region. [Methods] The freeze-heaving load in the freeze-thawing ring behind the lining was obtained through the coupled heat-moisture-stress control equation, and the initial ground stress was approximated with the dead weight stress. The seismic load was equivalent to the physical strength of each particle, and the influence of the freeze-thaw cycle on the strength of soil in the freeze-thawing ring and the mechanical parameters of the lining was considered. The quasi-static method is used to investigate the seismic response rule of the entrance section of shallow buried tunnel in cold area. [Findings] No matter frozen or not, the foot of the wall that is not easy to detect is the most easy to enter the plasticity. The invert exhibits the stress characteristics of inner pulling and outer pressing, and the top arch ring and side curved wall have uniform and small forces. The earthquake effect on lining shows that the possibility of damage increases with freezing and thawing time (times), especially in the inner compressive stress area of wall foot. Constrained by the statistical method, the seismic response of the lining in the first 10 years of freeze-thaw is weak, and the seismic stability of the lining in the hole section has deteriorated significantly since the 15th year of freeze-thaw. [Conclusions] Compared with the winter period, the stability of tunnel structure is worse during the earthquake during the melting period. Under the historical background of climate warming, it is more necessary to study the seismic response rule of the tunnel entrance during the melting period in the cold area.
Keywords: freeze-thaw cycles; tunnel entrance in cold area; broken freeze-thaw circle; earthquake
0 引言
凍融循環(huán)通過使季凍區(qū)工程中的水冰交替相變、遷移而改變其微觀結(jié)構(gòu),持續(xù)破壞其原有平衡,最終導致工程結(jié)構(gòu)惡化。在我國已投入運營的寒區(qū)鐵路隧道中,一些隧道由于溫度場短周期多頻次[1]以及地下水隨季節(jié)周期性變化產(chǎn)生的凍融破壞、襯砌圍巖的約束和各種微裂縫的共同作用[2],50%以上存在各種凍害現(xiàn)象[3],發(fā)生凍害的公路隧道更是達到了80%以上[4-5],而且這些隧道大部分位于地震帶上。一方面凍融循環(huán)會加劇圍巖的物理風化,使寒區(qū)隧道洞口段圍巖的破碎凍融圈隨時間的推移而增大[6];另一方面由于“土—結(jié)構(gòu)”相互作用的影響,逐漸增大的破碎凍融圈在地震時吸收的地震波能量大,變形大且極不穩(wěn)定[7],這又為凍融圈內(nèi)凍脹荷載的發(fā)育提供了更便利的條件,從而加劇了凍脹作用與凍融循環(huán)的破壞。
非寒區(qū)地下結(jié)構(gòu)的抗減震研究已取得了諸多成果,寒區(qū)隧道的研究也從理論走向了實踐,主要以襯砌法對凍脹力、運營期間溫度場、凍融循環(huán)等幾個方面[8]的突破為主。但目前除吳紫汪等[6]用彈黏塑性方程對達坂山隧道進行了有限元分析外,關(guān)于凍融循環(huán)對寒區(qū)隧道洞口段地震響應影響的研究還較少。2022年初的門源地震使浩門—山丹之間的隧道襯砌出現(xiàn)拱頂坍塌、拱肩開裂、底板縱向裂縫等病害,祁連山區(qū)頻繁發(fā)生地震迫使蘭新高鐵重新選線。同樣,以新219國道、川藏鐵路雅安—林芝段、中尼鐵路等為代表的戰(zhàn)略通道的開工,以及《“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》中強調(diào)交通強國的建設將主要集中于出疆入藏、中西部山區(qū)等地震帶密集的季節(jié)性凍土區(qū),因此對于寒區(qū)隧道抗震設防問題的研究顯得尤為迫切。
本文在上述研究的基礎上,基于熱傳導微分方程獲得了土體瞬態(tài)溫度T,通過瞬態(tài)非飽和液體流動控制微分方程獲得凍-融土體中水分遷移的表達式,再利用熱膨脹理論計算土體中的凍脹應力,一并與自重應力近似考慮為土體的初始應力,最后將地震慣性力等效為各質(zhì)點的體積力,考慮凍融循環(huán)對凍融圈內(nèi)土體黏聚力[c、內(nèi)摩擦角φ]值與襯砌彈性模量、峰值應力的影響,探求凍融循環(huán)對寒區(qū)隧道洞口段地震響應的影響。本研究需要滿足以下基本假定:①凍融土體與結(jié)構(gòu)為均質(zhì)且連續(xù)的各向同性,且其各自的導熱系數(shù)[λ]、比熱[Cd]、密度[ρ]等均按常數(shù)處理;②凍融過程中不考慮附加荷載對于凍土水熱過程的反作用,僅考慮液態(tài)水分遷移與相變熱對應力場的影響;③土體凍融前后均為理想的彈塑性體,服從D-P(Drucker-Prager)準則;④僅計算水平地震力,圍巖與結(jié)構(gòu)滿足位移協(xié)調(diào)條件。
1 水熱力三場耦合控制方程
凍土問題其實是水的問題,解決好凍土問題,關(guān)鍵在于水。當土溫低于凍結(jié)溫度時,未凍區(qū)的液態(tài)水在土水勢[9]梯度的作用下逐漸向凍結(jié)鋒面遷移并相變?yōu)榭紫侗尫懦龃罅康南嘧儫?,影響土溫及相關(guān)參數(shù),導致土體的性質(zhì)隨溫度發(fā)生變化[10]。土體溫度場的變化又通過引起水分場的變化而改變應力場、位移場,應力場的變化反過來又影響溫度場和水分場[11]。因此,土體凍融過程中產(chǎn)生的凍脹力實則是一個動態(tài)形變壓力,對于寒區(qū)隧道洞口段來說,其大小就由凍融圈變形量、圍巖與襯砌剛度共同決定[12]。溫度、水分、應力三場間唇齒相依般的耦合是一個極其復雜的高度非線性關(guān)系,且貫穿于整個凍融全周期。
1.1 溫度場
土體瞬態(tài)溫度場導熱微分控制方程[10,13]見式(1)。
[C?T?t=??xλ?T?t+??yλ?T?t+??zλ?T?t]
[+L·ρi?θi?t] (1)
隧道襯砌結(jié)構(gòu)中的傳熱方程去掉熱源項[Lρi·(?θi?t)];土體凍融過程中水的質(zhì)量守恒[13],則定義凍土的體積含水率[θ]見式(2)。
[θ=θu+ρiρwθi] (2)
以上式中:C為容積熱容量;[ρi]、[ρw]為冰、水的密度;[L]為相變潛熱;[θ]u為圍巖中的未凍水體積含量,%;[θ]i為圍巖中的孔隙冰體積含量,%。
1.2 水分場
瞬態(tài)非飽和液體流動的微分控制方程[14](Richards)見式(3)。
[??xkxhm?hm?x+??ykyhm?hm?y+??zkzhm?hm?z+1=Chm?hm?t] (3)
式中:[khm]為非飽和土的滲透系數(shù)函數(shù);[hm]為基質(zhì)吸力水頭;z方向的附加項是由位置水頭引起;定義比水容量[Chm=?θ/?hm]為液體體積含量與基質(zhì)吸力水頭關(guān)系曲線的斜率,由土—水特征曲線確定;假定液體的密度[ρ]為常數(shù);[θ]為液體體積含量,%。
盧寧等[14]定義非飽和土的水力擴散系數(shù)[D?=k?hmChm],則式(3)可由[θ]表示為式(4)。
[??xDxθ?θ?x+??yDyθ?θ?y]
[+??zDzθ?θ?z+?kzθ?z=?θ?t] (4)
凍土中水力擴散系數(shù)考慮冰的阻抗[15-16],定義為式(5)。
[D?=k?hmChm?I] (5)
式中:[I=10-10θi],為阻抗因子,表示未凍水遷移過程中孔隙冰的阻滯作用。
聯(lián)立式(2)、式(4)和式(5),可得凍土中水分滲流遷移的控制方程(Richards)見式(6)。
[?θu?t+ρiρw?θi?t=?Dθ?θ+kθ] (6)
1.3 水熱耦合聯(lián)系方程
徐斅祖等[10]給出了確定凍土中未凍水質(zhì)量含量Wu(%)的經(jīng)驗方法,見式(7)。
[Wu=W0TTfB] (7)
呂鵬[17]用固相率Bi來定義凍土中冰與水的體積比,引入上式后建立了溫度場和水分場的聯(lián)系方程,見式(8)。
[BiT=θiθuρwρiTTfB-ρwρi, T<Tf 0 , T≥Tf] (8)
式中:[W0]為土體初始含水量,%;T為土體瞬時溫度的絕對值,℃;[Tf]為土體凍結(jié)溫度的絕對值,℃;B為與土的含鹽量有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)。本研究圍巖以粉質(zhì)黏土為主,[Tf]=-0.26 ℃,B=0.567 5。
1.4 應力場控制方程
本研究將凍土中的總應變分為地震荷載應變與凍脹應變,其幾何方程見式(9)。
[σ=Dε+εi] (9)
式中:[D]為應力應變剛度矩陣;[σ]為應力張量;[ε]為荷載應變;[εi]為凍脹應變。
考慮凍土中含冰量與土溫負相關(guān),把凍土凍脹過程看作各向同性材料熱膨脹[18]效應進行應力計算。由《凍土工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[19]給出凍土凍脹率,見式(10)。
[η=1.09ρd2ρww-wp] (10)
式中:[ρd]為土的干密度,g/m3;[ w]為總的質(zhì)量含水率,%;[wp]為土的塑限,%。
針對土體各向均勻凍脹,張偉[18]給出了采用熱膨脹理論時凍脹應變[εi]的計算公式,見式(11)。
[εi=1-1+η3T-Tf] (11)
聯(lián)立式(1)、式(6)、式(8)、式(10)、式(11)可計算凍脹力的大小。凍土水熱耦合模擬函數(shù)見表1。
2 凍融循環(huán)相關(guān)參數(shù)
在每年的“立春”和“冬至”節(jié)氣前后,季凍區(qū)構(gòu)筑物表層都會經(jīng)歷日落凍結(jié)和日出融化這種以天或小時為循環(huán)周期的多達數(shù)百次的凍融作用,結(jié)構(gòu)中的孔隙冰時刻都在發(fā)生變化,對寒區(qū)構(gòu)筑物的凍融損傷也達到峰值。賈海梁[21]認為,上述“短周期、高頻次、速度快”的凍融作用一般只影響巖體表面以下幾厘米。因此對于襯砌背后凍融圈內(nèi)的土體而言,以年或季節(jié)為循環(huán)周期的“長周期、低頻次、速度慢”的凍融作用,隨著時間和次數(shù)的增加才會對隧道結(jié)構(gòu)造成以米為尺度的破壞。
李金玉等[22]統(tǒng)計得出我國西北地區(qū)年平均短周期凍融次數(shù)為118次,且一次“快凍法”凍融試驗相當于自然條件下12次循環(huán)。鄒超英等[22]用“快凍法”測得抗凍混凝土彈性模量E隨凍融循環(huán)次數(shù)n的衰減規(guī)律見式(12)。
[?En=E0-EnEn=-3.57+3.5en122] (12)
式中:[En、E0]分別為n次凍融和未凍融混凝土的彈性模量,GPa。
因此,本研究將鄒超英等[23]給出的襯砌混凝土室內(nèi)每50次凍融循環(huán)試驗的結(jié)果按自然條件凍融5年近似處理。
對于反復凍融循環(huán)作用下土體抗剪強度的變化規(guī)律而言,普遍認為c值變化隨凍融次數(shù)趨于穩(wěn)定,但關(guān)于內(nèi)摩擦角[φ]隨凍融的變化沒有統(tǒng)一的認識。由于各種破壞準則的限制、研究方法的約束、試驗條件的束縛等,導致在確定土的破壞強度時往往存在不穩(wěn)定的人為因素的干擾,因此會得出各種不同的結(jié)論。王大雁等[24]學者采用“快凍法”研究了青藏黏土在沒有外界水源補給時,不同凍融循環(huán)次數(shù)對青藏黏土強度指標的影響,發(fā)現(xiàn)黏土試塊的c、[φ]值經(jīng)過7次凍融循環(huán)后土體c、[φ]值最終均趨于穩(wěn)定。
根據(jù)土的密度—有效應力—抗剪強度唯一性原理及Viklander[25]提出的殘余孔隙比的概念,凍融前后土體強度的改變實則是因為土體孔隙比e與孔隙水壓[μ]的改變而引起的有效應力[σ']的變化。亦即凍融循環(huán)通過改變凍融圈內(nèi)土體密度從而改變寒區(qū)隧道的初始應力場。同時由于土體初始壓實度、保溫防排水措施及后期固結(jié)壓實的影響,凍融圈內(nèi)土體干密度[ρd]及c、[φ]值并不會隨年份的增長而持續(xù)增大。
寒區(qū)隧道洞口段凍融圈內(nèi)的圍巖f4QPCdbGgoYGzJNMD41P3Q==土體在運營期前7年應考慮凍融次數(shù)對其c、[φ]值的改變。為避免隧道開挖熱擾動對溫度場的影響,選取運營通車兩年后的溫度場為初始溫度場。凍融循環(huán)對土體強度的擾動在考慮經(jīng)歷5次以年為單位的循環(huán)后,便僅考慮冷、暖兩季土體處于負、正溫時的變化。對于直接暴露在空氣中的襯砌混凝土結(jié)構(gòu)參數(shù)的擾動則是持續(xù)的。各參數(shù)取值見表2。
3 工程概況及物理參數(shù)
本研究將上述方法應用于青海某寒區(qū)鐵路隧道進行分析。該隧址區(qū)季節(jié)性溫差較大,最大積雪厚度約18 cm,最大季節(jié)性凍土深度約256 cm。隧道洞口段圍巖以坡積粉質(zhì)黏土為主,地下水以第四紀松散堆積層孔隙水為主,于DK194+980~DK195+780段平導和正洞下方設置防寒泄水洞。曲墻式二襯厚50 cm,摻入0.025%引氣劑確??箖鲂詢?yōu)良。隧址區(qū)地震動峰值加速度為0.2 g,動反應譜特征周期為0.45 s,地震烈度為八度。材料物理及熱力參數(shù)見表3。
3.1 模型建立
隧道洞口段橫斷面如圖1所示,計算平面模型與網(wǎng)格劃分如圖2所示。該模型寬80 m、高60 m,長度取單元長度(1 m);隧道底部向下取26 m,埋深取平均埋深28 m,凍融圈最大平均厚度為2.8 m。網(wǎng)格采用軟件自帶的細化劃分,共包含6 082個域單元和339個邊界單元。
3.2 溫度場邊界條件
將襯砌內(nèi)表面溫度近似等同于隧道洞口近5年的平均氣溫,襯砌內(nèi)表面溫度Ts擬合關(guān)系見式(13)。
[Ts=24sin2πt365-π+5] (13)
模型中AC、BD為絕熱邊界,隧道襯砌內(nèi)輪廓鋪設5 cm厚的聚氨酯保溫材料且施加對流換熱系數(shù)[α=15 ][[W]/([m2?℃])]。
3.3 水分場應力場邊界條件
在滲流場計算時,襯砌外壁及圍巖邊界設置為零通量邊界。在應力場計算時,襯砌內(nèi)壁和AB邊設置為自由邊界;AC、BD邊為輥支撐,僅允許豎向位移;CD邊設置為固定約束邊界。
4 數(shù)值計算與結(jié)果分析
本研究進行凍融—地震綜合響應計算時,選取計算兩年后的溫度場作為初始溫度場。對每一時間步,先進行水-熱-力耦合計算,將獲得的凍脹應力與自重應力一并近似考慮為模型的初始應力,再選取隧道建成后每年1月20日(凍結(jié)期)與7月20日(融化期)兩個典型時刻研究地震響應。地震荷載僅計算水平地震力,將水平地震慣性力峰值以體積力的形式施加于圖2的有限元模型上。循環(huán)過程中每5 a為一個計算周期,共計算30 a。從襯砌斷面的Mises應力、最大最小主應力、相對位移等4方面對比分析凍融循環(huán)對寒區(qū)隧道洞口段地震響應的影響,襯砌各測點位置示意如圖3所示,水平地震慣性力如圖4所示。隧道建成后第1 a的地震響應如圖5至圖8所示。對凍融第1 a寒區(qū)隧道洞口段地震響應進行對比分析如下。
①考慮破碎凍融圈的寒區(qū)隧道洞口段在凍結(jié)狀態(tài)下的地震響應均弱于融化狀態(tài)。這是因為冬令期凍脹應力對結(jié)構(gòu)的剛化作用和土體強度的增加,顯著減小了襯砌圍巖的剛度差異;而融化期時凍融圈與襯砌剛度嚴重不匹配,地震時襯砌圍巖可相互錯動的區(qū)域較大,水平地震荷載會更多地作用于襯砌結(jié)構(gòu)。
②無論是冷季還是暖季發(fā)震,襯砌墻腳、仰拱處受力不均,且靠近左右墻腳處的高斯點上的應力最大。Mises應力在左右墻腳處均大于C35混凝土抗壓強度22.5 MPa,意味著極為隱蔽的墻腳部位最易進入塑性。墻腳外表面產(chǎn)生一對等大反向且均超過其抗拉強度的切向拉應力,根據(jù)最大拉應力理論則已開裂,這會加速該處結(jié)構(gòu)的塑79iL4nW3Xi5QnUEWS4Vsgg==化開裂且早期不易察覺,即一旦襯砌背后的防排水設施失效或者
因重力作用造成墻腳的局部存水,就會加劇襯砌結(jié)構(gòu)在春融期的凍脹破壞,為隧道的安全運營埋下隱患。仰拱呈現(xiàn)內(nèi)拉外壓的受力特征,但均未超過該襯砌混凝土的強度。上部拱圈、側(cè)面曲墻等部位受力均勻且較小。
③仰拱與拱腳接觸部位的相對位移差凍結(jié)期為6.72 mm,而融化期達17.44 mm,數(shù)倍于凍結(jié)期,所以融化期地震時隧道拱腳仰拱接觸部位更易變形。仰拱內(nèi)壓外拉的受力特點使得仰拱外側(cè)極易產(chǎn)生縱向裂縫或集中開裂,當排水失效或有局部存水時會加劇此處的凍脹破壞。
30 a內(nèi)凍融循環(huán)作用對寒區(qū)隧道洞口段地震響應影響過程及分析如圖9至圖10所示,主要分析如下。
①地震時襯砌剛度越大,其吸收的變形能也就越多,因此隧道建成初期地震時襯砌的主應力最大。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,襯砌剛度逐漸減小,地震時寒區(qū)隧道襯砌承擔的應力峰值也將逐漸減弱,但破壞程度隨應力差值的增大而增大。即寒區(qū)隧道的襯砌剛度在滿足承載能力的情況下也應與圍巖剛度相匹配。而目前普遍的做法是在寒區(qū)隧道洞口的抗凍設防段襯砌結(jié)構(gòu)依舊采用高強鋼筋混凝土,這一點應在圍巖注漿或打錨桿的過程中尋求“剛度匹配”來加以修正。
②峰值應力折線是試塊經(jīng)“快凍法”測得后,根據(jù)李金玉等[22]的研究折合成相應年份的強度。由于混凝土試塊在凍融循環(huán)中后期的損傷已達內(nèi)部且融化時間較短,因此試塊內(nèi)部孔隙、微裂縫中存在的水泥水化反應以及加載時殘留的冰顆粒均會影響試塊的強度,延緩了峰值應力的降低速率。而依舊可以判斷凍融循環(huán)對洞口段襯砌結(jié)構(gòu)的地震響應影響較大,且破壞程度隨時間的推移而增大如圖9所示。
③以凍結(jié)期各測點主拉應力為例,凍融循環(huán)對寒區(qū)隧道地震響應的影響在各測點均表現(xiàn)出破壞程度隨時間的推移而增大的趨勢,拱肩和拱腰相對穩(wěn)定,如圖10所示。襯砌其他部位30 a內(nèi)拉應力均小于抗拉強度;融化期發(fā)生地震時,各測點拉應力與凍結(jié)期相似,僅數(shù)值更大,不再贅述。
④凍融循環(huán)在時間軸上對寒區(qū)隧道洞口段襯砌地震響應的影響不大,但在不同的凍結(jié)—融化期發(fā)生地震時其相對位移卻表現(xiàn)出差別。除仰拱外,襯砌其他部位在發(fā)生地震時的位移均表現(xiàn)出較好的一致性。仰拱位移隨凍融次數(shù)增加逐漸降低,其他部位位移卻增大,二者之間的位移差持續(xù)增大,如圖11所示。因此不易察覺的墻腳-仰拱接觸部位易產(chǎn)生相對變形,寒區(qū)隧道洞口段的設計中仰拱剛度應適當減弱,以減小地震時墻腳-仰拱交接部位的相對位移造成的底板開裂或錯臺。
5 結(jié)論
綜上所述,凍融循環(huán)對寒區(qū)隧道洞口段地震響應的影響不可忽視,無論凍結(jié)與否,發(fā)生地震時不易察覺的墻腳部位最易進入塑性,墻腳-仰拱接觸部位容易產(chǎn)生相對變形;仰拱呈現(xiàn)內(nèi)拉外壓的受力特征,頂部拱圈、側(cè)面曲墻等部位受力均勻且較小。相較于冬令期,考慮破碎凍融圈的寒區(qū)隧道洞口段在融化期發(fā)生地震時襯砌穩(wěn)定性更差,地震對襯砌的影響隨時間(凍融次數(shù))的推移而增大,凍融第15 a開始洞口襯砌的地震穩(wěn)定性明顯劣化。洞口段的襯砌剛度應主動尋求與圍巖的合理過渡,并適當降低仰拱剛度。
本研究基于凍融圈整體凍脹模型,采用擬靜力法初步探索了寒區(qū)隧道洞口段地震時襯砌結(jié)構(gòu)承受的水平地震力。建議考慮地震波穿越剛度變化區(qū)的放大效應和輸入的隨機性,采用動力時程法進一步探究寒區(qū)隧道洞口段的特殊地震響應,尤其是凍融圈處于融化狀態(tài)下的地震響應。并建議深入統(tǒng)計實際凍融周期與室內(nèi)試驗結(jié)果的擬合關(guān)系,以便使室內(nèi)試驗更符合實際。
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