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3、围堰各层拼装时,以竣工底节的实际中心线为准,要求围堰上口半径的误差不大于30㎜.内外壁板允许互相搭接,亦可加盖板焊接,但上下层舱板应对准,所有搭接缝应满焊,并经煤油渗透水密试验,确保不漏水。
4、围堰在着床前,受水流影响,河床必然在一定程度和一定范围上受到冲刷,为了减少冲刷,可以采取抛一定数量大小均匀的碎石或卵石,以保护河床,减少局部冲刷。
5、采用围堰内壁舱注水压重下沉的方法进行围堰着床时,应同时启动几台水泵均匀对称向各个对应隔舱注水,以尽快着床。
着床过程中,发现刃脚有部分着床而大部分任然悬空时,可采取局部吸泥,使得刃脚全部嵌入河床,待围堰着床达到稳定后,再接高下一节围堰。
6、当围堰下层困难时,为加大沉降系数及加强围堰抽水时的结构强度,可在围堰井壁内从刃脚起一定高度内灌注水下混凝土。
水下混凝土灌注高度应满足下列要求:
围堰自重能够满足沉降要求;
围堰内抽水时的水位要求;
围堰水下切割后最低水位要求。
7、围堰在覆盖层中下沉,初期应以纠偏为主;
下沉中期及后期以纠正倾斜为主;
当围堰接近设计标高时以清基为主。
8、围堰封底前,应将护筒与护筒之间、护筒与围堰设置支撑予以固定,以防变形和变位。
护筒与基岩间缝隙也应堵住。
9、钢围堰的烧割亦在围堰内进行。
由于钢壳内填充的混凝土表面不平整,一般烧割线距离混凝土面不宜低于1米,同时应沿烧割线先焊接一圈钢筋,以便潜水工能够准确摸到烧割位置。
10、围堰烧割成上下两半节时,上节围堰受到水流冲击将向下游移动,而且在围堰断开的一瞬间突然移动,为了使潜水员安全施工,可以在烧割线的上下各焊接一个连接件,其间以倒插螺杆连接,并能够承受水平力,起吊围堰时,可以将螺杆拔出,同时用方木将围堰上节支撑于礅身,以防止围堰倾倒。
四、准备工作:
1、技术准备:
施工图设计中地形、地质构造、河床构造、覆盖层构造、厚度,基础形式、基础埋深、承台尺寸,礅身(柱)截面尺寸,施工期间水位、流速、涌浪变化情况,通航河流船只运行情况、封航时间等情况调查。
设计说明中关于水中施工的要求,施工组织设计中水中施工方案,施工组织设计总说明、施工方法与相应的技术组织措施、施工进度计划、施工现场平面布置、各种资源需要量及其供应情况。
尤其对于水上运输船只设备的检查,双壁钢围堰下水坡道地点的选择(下游)、确定、加固、检查。
结合平面布置图选择、确定双壁钢围堰制作场地,清理与加固。
2、施工准备:
人员组织、材料、设备、工具、零件准备:
根据施工设计,计算所需各种规格材料数量、下料长度、焊接工艺,焊接设备是否满足需要、起重设备、零配件是否满足需要、工作是否正常。
电力设施是否满足要求,备用发电机能否正常运转发电等。
运输道路加固、运送台架的可靠性,水上浮运船只吨位、数量应满足工作要求。
水上起重设备搭设应满足要求。
3、水上定位
根据施工设计,对拟建墩位进行定位,确定定位船(或定位桩)、导向船位置。
(1)定位船:
又称锚船,为水上大型施工定位用,一端直接和锚绳相连系固定船位,另一端用缆绳和导向船、施工结构连接。
船上设有滑车组可以随时收放缆索调整结构位置。
定位船一般设在结构上游,如果有潮水或逆流的江面,则在上下游均应设置定位船。
定位船应有足够的工作面,船上的系泊设备主要根据主锚和浮运船组连接到定位船上的拉揽数目而定。
定位船可以用铁驳或两艘木船组合而成,铁驳作定位船时,其甲板上应有马口、带缆柱、复式滑车组、固定座等设备;
由两条木船组成导向船时,若两船露出水面高度不等时,应先对木船进行压舱使之等高,使两船甲板面为一平面进行拼连,与托架相连接的角钢应靠船的龙骨或横梁上。
(2)拼装船:
拼装船是为了大型水上结构施工之用,可由铁驳或浮箱组拼而成,若用铁驳组拼时,应拆除船员宿舍,以利于后期拼装船退出。
拼装船上应用槽钢或钢板桩反扣作为平台,并进行找平,最大误差不超过±
5㎜。
大型水上施工结构待拼装船组拼检查合格后,即可在船上组拼。
对于采用沉船入水施工的拼装船,应有对称的密封的隔舱,以利于注水下沉及充气上浮。
(3)导向船:
导向船的主要作用在于保证水上大型施工结构在桥墩墩位的准确位置并在其稳固于基底之前予以支护。
同时,导向船又是深水桥墩施工的工作场地。
在导向船上安装有供水上大型结构入水的起重设备,如龙门吊及其它生产、生活设施,并兼作桥墩施工时临时停靠的施工、交通船舶的趸船。
大型水上结构系支承在起重塔架上,设在导向船中部内侧,故需要在导向船外侧用片石、砂包进行压舱,以平衡连接梁所受力矩。
没入水中的大型施工结构连同导向船则以强大的锚锭设施定位于水上。
导向船的组成一般为两艘800t铁驳和下述几项特制结构和设备组成:
铁驳面连接结构即连接梁、起重龙门吊、导向架等。
连接梁的作用:
使两条导向船连接成整体;
作为天车的走行道;
作为平衡重吊点和辅助吊点的挂梁。
天车及小车:
天车一般由万能杆件组成桁梁。
整个起吊设备布置有2台天车,每台天车上有起重小车一台及电动滑车一台。
天车运行部分安设在梁的两端,电力传动,每端有4个走行轮,其中两个为主动轮,2个位从动轮。
小车包括起吊设备、运行部分和构架。
辅助吊点:
在围囹上下游各设一个辅助吊点,系承受在插管柱时管柱重量对围囹的偏载。
导向塔架及支承结构:
导向塔架是大型施工结构下沉时导向之用,塔架与托架间的支承梁由2根槽钢及2根角钢组成。
铁驳面连接系:
由于连接梁离导向船面较高,故在船面上下游各设置导向船间的连接系,他的结构系在铁驳上伸出一个三脚架,三脚架的顶点在两导向船对称中线处连接。
所有水平力直接传到船面上,垂直力传至船舷及中隔舱上,并可利用它作为两个导向船间的工作走到和脚手架。
(4)锚定布置
整个锚锭系统按顺水流方向布置,水上大型施工结构、导向船与定位船连接。
锚锭的形式和重量不同,作用也不一样,分为铁锚和混凝土锚,铁锚重量在数百公斤到2~3T不等。
混凝土锚重量约15~45T不等。
锚与船之间用锚绳、锚链连接。
靠近猫头一端用锚链。
锚绳一般用钢丝绳,锚链有三种作用:
一是自重大,一般为同直径钢丝绳的10倍左右,增加锚链与河床的摩擦力;
二是锚链由单个链环组成,转动灵活;
三是稳定与缓冲。
锚链宜采用有挡锚链,使用前均需试拉合格,其负荷安全系数采用4。
锚链由末端链节、中间链节、锚端链节组成。
各节段按使用部位由普通链环、加大链环末端链环、转环、连接连环等配件组成。
中间链节理论长度为25米,实际长度为25~27米。
(5)抛锚
将锚锭按设计位置放入河中,一般铁锚(约8T以下)用“甩梢”的方法进行抛设,此法用15~20米的一段直径16~22㎜钢丝绳挂置。
此处注意锚绳的预拉力一般拉到设计拉力的80%左右,对称锚绳的拉力差控制在10%以内。
4、浮运
浮运前必须完成下列工作:
(1)锚锭系统施工完毕;
(2)处于导向船中间的拼装船上的拼装大型施工结构完毕,验收合格;
(3)导向船之间的连接、船上的起重设备、锚锭设备安装完毕、验收合格;
(4)导向船上的安全设施、救生设施、救火设施、航标、生产生活设施完备;
(5)电源、动力安装检查合格;
(6)封航手续、航运安全措施到位;
(7)导向船与定位船连接可靠。
拖轮的数量、马力能够满足顶推、拖拽要求。
5、定位
定位步骤:
(1)调整定位船边锚,使定位船中心位于桥墩中线上;
(2)调整定位船边锚,使定位船中线位于桥墩中线重和;
(3)在保证定位船定位位置的前提下,观测同直径锚绳的入水长度是否相等,据以调整主锚和定位船边锚,使其受力均匀;
(4)调整导向船边锚,使水上大型施工结构在上下游的方向定位于桥中线上游约1米处,并使拉揽受力均匀;
(5)调整导向船边锚,使水下大型施工结构在左右岸方向定位,并使边锚受力均匀;
(6)起吊水下大型施工结构,撤走拼装船后放入水中,并使不能自浮的施工结构落于导向船的支承结构上,同时,收紧施工结构与定位船的拉揽,使施工结构的顶面保持水平;
(7)调整导向船拉揽,使水下大型施工结构的中心精确定位于桥墩中心;
(8)调整导向船边锚,使水上大型施工结构的中线与桥墩中线重和,然后收紧尾部缆绳;
(9)在保证水下大型施工结构定位位置的前提下,调整各锚绳及拉揽,使其受力均匀;
(10)制定定期观测检查制度和观测检查方法,随时观测水文变化情况及施工过程中加载沉浮情况及变化规律。
五、起吊下水
水上大型施工结构,一般用导向船上的两个主吊点塔架顶部所设滑车组起吊入水。
当主吊点起重重量不够时,则在导向船的连接梁上设四个平衡重托架,安装四个平衡重吊点分担部分起重量。
平衡重吊点的钢丝绳由重物通过滑车组后连到卷扬机上,以便随时收放钢丝绳,使重物处于悬空状态。
每个主吊点的滑车组钢丝绳,两端均连接在卷扬机上。
起吊时,两个主吊点加四个平衡重吊点,共计8台卷扬机同时操作,施工结构入水后,尚需调整拉揽来平衡水流冲击力,防止施工结构倾斜。
由于工作面比较窄,施工人员多,地点分散、施工难度较大,必须统一指挥,明确信号及其传递方法,加强巡查、协同动作,保持水上施工结构的平稳升降。
能够自浮的水上大型施工结构也可采用沉船入水方案,但此方案应注意倾斜防范,采取有效措施降低重心。
注水速度和注水顺序应严格按照施工设计进行,经常测量沉船四角的吃水深度,发现倾斜及时调整,尤其注意船面入水前后的变化。
非对称结构入水时,应采取有效措施进行平衡处理,宜在其本身进行处理,沉船任然可以按照施工设计进行入水。
沉船本身应进行水密性试验,确保注水、充气升降满足设计要求。
沉船升降时,相应的管路、气路应及时随着船的升降进行收放,以免损坏,高度重视水管路、气管路的重要性,专人管理,消除事故隐患。
六、设计实例
双壁钢围堰采用圆形双薄壁钢结构,钢围堰内直径为31m(较承台对角线每侧大100cm),外径32.6m,壁间厚度80cm。
内外壁钢板厚度3m,底节钢板厚度为5mm,
1、双壁钢围堰设计
双壁钢围堰其实就是双壁钢壳沉井,与沉井的区别就在于围堰是临时防水结构,工程结束后需要拆除。
以圆形双壁钢围堰为例。
(一)圆形双壁钢围堰结构设计
某双壁钢围堰采用圆形双薄壁钢结构,钢围堰内直径为31m(较承台对角线每侧大100cm),外径32.6m,壁间厚度80cm。
内外壁钢板厚度3m,底节钢板厚度为5mm,竖向主龙骨采用∠75×
50×
5角钢,横向主龙骨采用∠63×
6角钢,横向主龙骨间采用6mm扁钢加强,壁间斜撑采用∠63×
6角钢。
平面分八块,块间用5mm厚钢板设置隔仓板,底节预制高度为3m,以上节预制高度为4.5m。
单块钢围堰吊装最大重量约5t。
块与块之间、节与节之间相连均采用焊接。
(二)双壁钢围堰结构布置
双壁钢围堰为全焊水密结构,其主要结构如下:
(1)井壁与内桁架
围堰周围由内外两层钢壁组成,底节内外壁钢板厚度均为5mm,其余节钢板厚度均为3mm。
钢围堰沿周围布置184根竖向∠75×
5角钢作为竖向主龙骨,主龙骨的间距外壁约为58.2cm,内壁约为55.3cm。
四座钢围堰横向主龙骨均采用∠63×
6角钢,高度方向每隔1m一道,中间采用6mm扁钢作环向肋加固。
壁内斜撑采用∠63×
6角钢,主龙骨与斜撑组成水平环行桁架,使内外壁形成整体。
(2)隔仓
为保证围堰在水中悬浮阶段于井壁内灌水下沉时的稳定,以及沉落至河床时能分仓灌水或灌混凝土,以适应河床面的高差和调整围堰的倾斜度,在单个围堰环向分为8块,两端头设置隔仓板,在平面上分成8个互不相通的仓。
隔仓板壁厚5mm。
(3)刃脚
围堰底部150cm设置刃脚,底部用∠160x100x12角钢包角。
(4)其他配置
①吊点:
在每块围堰上部设置加强吊点,用它整体起吊入水,底节钢围堰整体起吊时共设置4个主吊点。
②兜缆锚耳:
在钢围堰外壁上焊接锚耳,用它拢住前后兜缆,防止兜缆松弛时被刃脚压住或互相缠绕,锚耳高度以水面上2m为宜。
③内外连通管:
为保持围堰在接高、下沉、定位施工作业时内外水位的平衡,在最低水位附近围堰下游方向,穿透内外井壁设置两个φ250mm的钢管,钢管与井壁间密焊。
钢管伸入围堰端设有法兰并配有钢板堵头,可根据工序需要由潜水员开闭堵头板。
(5)填壁砼
为保证双壁钢围堰有足够的钢度和下沉重量,并考虑施工完毕后的拆除方便。
双壁钢围堰内壁填充C15砼,并在河床以上部分每3m设一道砂夹层。
七、施工实例
(一)着床型钢围堰
着床型钢围堰通常采用双壁结构,一般适用于泥沙淤积河段承台淹埋于河床内(承台底面底于河床面)或承台底面虽高于河床面但河床覆盖层较浅的桥梁基础施工中,前者如江阴大桥A标主墩基础、润扬大桥E标主墩基础等,其承台底面均位于河床面以下,都采用了着床型钢围堰施工承台,如图“着床型钢围堰
(一)”所示;
安庆大桥A标则属于后一种情形,墩位处由于河床冲刷,虽然承台底面高于河床,但其河床覆盖层较浅,不适于搭设钻孔平台进行桩基础施工,因而也采用着床型钢围堰,该钢围堰兼有钻孔平台和承台施工的挡水结构二种功能,如图“着床型钢围堰
(二)”所示。
着床型钢围堰
(一)
着床型钢围堰
(二)
着床型钢围堰的壁体厚度由所受到的最大水头压力及土压力决定,通常大于80cm、小于200cm,一般在100cm-150cm之间,适当增加钢围堰的壁体厚度可有效提高钢围堰的整体刚度。
钢围堰的总高度由刃脚入土深度、施工期承受的最大水头高度以及施工需要共同决定。
(1)着床型钢围堰的拼装、就位
钢围堰的拼装方式受到拼装场地、运输条件、起吊能力等诸多因素的影响,施工时可根据具体情况,采用适宜的拼装工艺:
1)若桥位区附近有造船厂、钢结构加工厂等可利用的拼装场地,且有大型起重船配合,则可将钢围堰竖向分节在工厂加工制作,利用驳船将制作完成的节段运至现场后整体吊装、上下对接后焊成整体;
2)若桥位处水流平稳,又有大型驳船可以利用,则可就近在驳船上将钢围堰分节拼装成整体,利用起重船吊装;
3)在没有大型起重船的情况下,则可将钢围堰按构造分片(块)在陆上或驳船上加工,块件的重量可根据现有的起重能力进行划分,如将分块重量控制在30t-50t之间以满足小型起重船的吊装能力。
散拼钢围堰的施工工艺较复杂,拼装前需在承台外围设置定位桩、导向桩、支承牛腿及起吊钢梁等。
第1)、2)二种施工方法可减少现场的操作环节,加快施工进度,但需要配备大型起重设备;
第3)种施工方法虽增加了现场焊接工作量,但有效解决了没有大型起重船的限制,只要组织严密、合理配备设备和人员投入,也不失为一种较好的施工方法。
4)对于河床覆盖层较浅的情况,则施工工艺要复杂得多,如在安庆大桥A标施工中钢围堰不仅是承台施工的挡水结构,同时也是钻孔桩施工的操作平台。
这种情况下的钢围堰通常采用整体浮运,现场利用导向船、定位船抛锚定位的施工工艺。
(2)钢围堰的着床、下沉
双壁钢围堰就位后自浮于水中,通常在钢围堰刃脚段浇注一定高度的水下混凝土,以增加刃脚部分的刚度,由于刃脚混凝土客观上增加了钢围堰自重,又可加大钢围堰入土后的下沉速度。
着床型钢围堰受到的水流力在围堰刃脚接近河床顶面时达到最大值,此时应在严格控制钢围堰定位精度的情况下及时着床。
钢围堰刃脚着床后,利用深水抓斗或吸泥机辅以高压射水管吸泥取土,同时向钢围堰壁仓内注水,增加围堰的下沉重量。
吸泥取土时从围堰中间逐步向刃脚处对称分层进行,以保证钢围堰平稳、竖直下沉。
为保证钢围堰顺利下沉,可事先在刃脚内部埋设高压水枪喷嘴,当钢围堰下沉困难时利用高压射水冲击刃脚底部土体,以减少围堰刃脚处的端阻力,同时采取在隔仓壁体内浇注混凝土或灌砂、围堰顶部配重以及空气幕等方法达到助沉目的。
(3)钢围堰的下沉纠偏
钢围堰在下沉过程中可能会出现偏位或倾斜现象,此时可通过及时采取调整偏侧取土量的方法逐步达到纠偏纠斜的目的。
(4)钢围堰的清基封底
钢围堰下沉到位后,采用高压射水冲洗围堰内壁和钢护筒外壁,利用空气吸泥机吸除底部浮泥清基,为浇注封底混凝土做准备。
若河床覆盖层较浅,可由潜水员用袋装混凝土堆砌封堵刃脚,也可采用水下不离析混凝土封堵刃脚部位孔隙以防堰外泥砂流入。
(二)非着床型钢围堰——有底钢吊箱围堰
非着床型钢围堰即通常所说的钢吊箱围堰,一般适用于承台底面高于河床面的深水基础施工,如军山长江大桥主墩基础、润扬大桥C1标主墩基础、南京三桥主墩基础以及杭洲湾大桥Ⅴ标基础施工等,其共同特点是墩位处水深流急、河床冲刷较大、承台底面均高于河床面,为了方便承台施工、节省钢围堰材料的投入,均采用有底钢吊箱围堰。
非着床型钢围堰(钢吊箱围堰)
钢吊箱围堰总高度由封底混凝土的厚度和施工期承受的最大水头高度共同决定,钢吊箱围堰分双壁和单壁二种结构,具体采用哪种结构型式通常由施工期间围堰所受到的水头压力决定。
对于内陆河流中的深水基础,由于受到冬枯夏洪的影响导致水位变化幅度较大,洪水期钢围堰需承受较大的水流力和水头压力,一般采用双壁结构可保证钢围堰有足够的刚度以满足渡洪需要。
对于杭洲湾大桥这样处于外海区域内的桥梁基础施工,虽然海况较复杂,但与内陆河流比较,在正常施工情况下其水位变化幅度不大且有规律可循,施工过程中可根据气象预报避开台风等恶劣天气的影响,在进行钢围堰设计时一般只考虑承受潮汐和波浪力的作用,与内河围堰相比较,后者对壁体刚度的要求小得多,采用单壁结构可满足刚度要求。
不管是单壁或双壁结构,钢吊箱围堰均由壁体、底板、撑杆、拉压杆等组成。
同着床型双壁钢围堰一样,双壁钢吊箱围堰的壁体厚度通常大于80cm,一般在100cm-150cm之间。
单壁钢吊箱围堰的壁体结构较简单,通常由钢板、纵向次梁、环板及支撑桁架组成,根据需要可在单壁壁体外侧嵌入隔热材料以加强对承台混凝土的保温养护,如杭州湾大桥单壁钢吊箱围堰的设计时,就采用了在吊箱单壁外侧(承台范围内)加设一层3mm钢板,通过向钢板与侧壁面板间的夹壁内注射“聚氨脂硬质泡沫塑料”(俗称液体泡沫)达到隔热保温的目的。
钢吊箱底板均由面板、主梁和次梁组成。
杭州湾大桥Ⅴ标单壁钢吊箱保温层构造示意图
(1)钢围堰的拼装
同着床型钢围堰相比较,双壁钢吊箱围堰的高度较小,一般分节不超过2节,其拼装方式、运输及吊装等基本同着床型钢围堰施工:
既可拼装后整体吊装,又可以先加工成块件现场拼装、利用葫芦起吊、注水下沉,不同的是钢吊箱围堰带有底板,因而二者施工工艺又有所不同。
1)在岸上或驳船上拼装成整体的钢吊箱围堰,在吊装前需精确测出桩身偏差及倾斜度等参数,根据钢护筒顶口及吊箱底板设计高程处的平面桩位,采用“投影法”在吊箱底板上预留长圆形(两端为半圆形、中间为矩形)孔洞,以便钢吊箱下放到位,防止钢吊箱在下放过程中被群桩“卡”住;
2)钢吊箱围堰采取在现场拼装时,其底板开孔较容易控制,可根据现场桩位的偏位及倾斜情况预留孔洞,方法同上;
3)双壁钢吊箱整体吊装时需在壁体内侧增加纵横支撑,防止在吊装过程中围堰发生较大变形,对于单壁围堰由于其壁体刚度较小,吊装时尤其要采取可靠支撑,必要时可采用吊具吊装;
4)双壁钢吊箱吊放入水后可利用其自身受到的浮力自浮,通过向壁仓内注水或增加配重调整钢吊箱的入水深度。
单壁钢围堰由于没有壁体空腔,不能满足自浮要求,因此在设计时一般采取在吊箱顶部设置钢挑梁,利用挑梁将钢吊箱悬挂于钢护筒上直接定位。
(2)钢吊箱围堰的就位、固定
钢吊箱围堰与着床型钢围堰除了有底或无底的区别外,拉压杆的使用也是钢吊箱围堰与着床型钢围堰的重要区别。
1)拉压杆
拉压杆在钢吊箱围堰的定位过程中起到平衡吊箱重力、封底混凝土重力及所受浮力的作用,拉压杆的设计必须满足吊箱围堰封底、围堰内排水等不同工况下的受力要求。
为方便拉压杆调整角度,通常将拉压杆下端与套箱底板采用转铰连接。
2)钢吊箱入水、定位
钢吊箱吊放入水后,通过向壁仓注水使之下沉。
对于高度较大、分层拼装下放的钢吊箱,施工时先将拉压杆下端与钢吊箱底板铰接固定,当首节吊箱入水下沉至预定高程后,吊装拼焊下节吊箱,然后重复前述操作向壁仓注水使之下沉,拉压杆随着吊箱的分次接高相应依次接长。
钢吊箱到达设计高度、精确定位后,将拉压杆与钢护筒(钢管桩)顶面的“十”字撑杆焊接固定,通过拉压杆将钢吊箱所受的力传递到钢护筒(钢管桩)上。
(3)底板封孔
钢吊箱安装完成后,潜水员水下用环形(半环形、二只)封堵板封堵吊箱底板与钢护筒(或钢管桩)之间的缝隙。
二块封堵板间用螺栓连接固定,封堵板与吊箱底板间加装一层橡胶垫片以利止水。
(4)水下混凝土封底
底板封孔完成后采用竖管法浇注水下封底混凝土,混凝土由中央集料斗统一供料,沿溜槽流向要浇注的导管。
钢吊箱水下封底混凝土直接浇注在吊箱底板上,封底施工质量比着床型钢围堰封底施工易于控制,因此钢吊箱围堰的水下混凝土封底厚度相对着床型钢围堰而言可适当减小。
围堰结构的类型是多种多样的,除钢围堰外,还有板桩围堰、钢筋混凝土围堰等,无论哪种结构型式的围堰,其目的都是为了止水,以实现承台干施工的作业环境。
工程施工中采用哪种类型的围堰通常会受到工程规模、工程进度的影响,只有经过多方技术论证、进行经济比较后方可决定所采用方案的合理性,满足既保证工程质量、又降低工程投入、加快施工进度的总体目标。
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