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工程测量21
第二篇工程测量
第1章工程测量概述
1.1工程测量的任务与发展
1.1.1工程测量的任务
工程测量包括在工程建设的勘测、设计、施工和管理各阶段所进行的各种测量工作,它直接为各项建设工程的勘测、设计、施工、安装、竣工、监测以及运营管理等提供保障和服务。
工程测量工作遍布国民经济建设和国防建设的各部门和各个方面。
其工作内容包括工程控制网建立、工程地形图测绘、施工放样定位、竣工测量以及工程变形测量等。
工程测量可以根据其服务的对象划分为工业建设测量、铁路公路测量、桥梁测量、隧道及地下工程测量、建筑工程测量以及水利工程建设测量等。
1.1.2工程测量的发展
目前,工程测量发展主要体现在理论方法、技术手段和应用服务等方面。
发展的特点可以归纳为:
测绘方案追求科学化和合理化;测绘过程趋向自动化、智能化、集成化、动态化和(准)实时化;测绘成果呈数字化、可视化和多样化;应用领域更加广泛化。
1.理论方法的发展
近年来,工程测量理论的发展主要包括测量平差理论、工程控制网优化设计理论和方法以及变形监测数据处理理论等。
此外,三维景观模型、地面和地下工程信息集成管理等也是目前工程测量理论研究的热点。
2.技术手段的发展
工程测量的技术基础是大地测量、摄影测量与遥感、地图制图与地理信息系统技术以及专门的工程测量技术方法。
这些技术的发展为工程测量提供了更先进适用的技术手段。
其中值得关注的包括基于电子全站仪的测量机器人、GPS、地面三维激光扫描、移动道路测量系统、数字近景摄影测量以及现代传感器测量等技术。
3.应用服务的发展
工程测量的应用领域不断拓宽,主要体现在精密大型工程测量、特殊异形建筑变形监测,工业测量,数字城市建设、城市地下管线探测以及工程数据库和信息管理系统建立等方面。
1.2工程测量的应用
1.2.1在工程勘察设计阶段的应用
任何一项工程都需按照设计与实际环境相结合进行选址与勘测设计,在勘察设计阶段的主要测量工作包括:
提供各种比例尺的地形图与数字地形资料,并为工程地质勘探、水文地质勘探以及水文测验等进行测量。
对于重要的工程或在地质条件不良的地区进行建设,还要对地层的稳定性进行观测。
勘察设计阶段测绘的主要任务就是在收集各类地形图的基础上,结合资料规范及实地环境要求,测绘出各类设计用图。
一般来说1:
5000比例尺地形图可用于勘测没计,如厂址选择、最优路线设定、厂区规划等。
选择更大比例尺的地形图用于细节和施工设计。
对于建筑物密集、精度要求高的施工设计,需要1:
500甚至更大比例尺的地形图。
1.2.2在工程施工建设阶段的应用
施工建设阶段需要将工程中设计目标的位置标定在现场,作为实际施工的依据。
在施工过程中还需对工程进行监理检测,以确保工程的质量。
工程施工建设阶段的测量工作主要分为施工测量和监理测量两部分。
施工测量的主要内容为施工控制网的建立和施工放样。
整个过程需要遵循“从整体到局部,先控制后碎部”的测量原则。
对于施工控制网,一般建筑或厂区等多采用矩形控制网,对于通视困难或地形起伏大的区域采用与GPS结合的边角网或导线网。
在施工放样中,目前主要使用GPS和全站仪联合作业的模式进行。
监理测量的工作主要为检查并审核施工测量数据。
以一般地面工程为例,在施工开始阶段监理工程师需进行施工控制网的复测、检查;施工期间进行验收施工方的施工定线、施工放样检测、施工质量抽查、审批施工图等工作。
1.2.3在运营管理阶段的应用
工程竣工后,需要测绘工程竣工图或进行工程最终定位测量,作为工程验收和移交的依据。
对一些大型工程和重要工程,还需对其安全性和稳定性进行周期性监测,为工程的安全运营提供保障。
工程运营管理阶段测绘的主要任务是工程建筑的变形观测,针对不同的工程对象,需要采用不同的测量方式。
例如,普通建筑物变形测量,主要包括建筑基础沉降、水平位移,上部倾斜、裂缝监测等;工业设备运营监测,主要包括设备运营中的主轴线水平位移量和竖向垂直偏移量观测等。
此外,根据应用需要,还可以建立工程数据库和工程信息管理系统等。
第2章工程控制网建立
2.1工程控制网及其特点
2.1.1工程控制网的定义和分类
工程控制测量是为工程建设而建立的平面控制测量和高程控制测量的总称,其任务是根据某项具体工程建设测图、施工、竣工、管理等的需要而布设专用控制网。
工程控制网按用途可以分为:
测图控制网、施工(测量)制网、变形监测网、安装(测量)控制网、精密工程控制网等。
其中,测图控制网是在工程施工前勘测设计阶段建立的,其目的主要是为测绘地形图服务。
规范中测图平面控制网的等级依次分为:
二、三、四等三角网;一、二级小三角网;或一、二、三级导线网;或一、二级导线。
现在,已不再有纯粹的测角三角网,首级控制一般采用GPS网。
施工控制网的点位、密度以及精度取决于建设的性质。
施工控制网点的精度一般要高于测图控制网,它具有控制范围小,控制点的密度大,精度要求高,受施工干扰大等特点。
变形监测控制网是在施工及运营期间为监测建筑工程对象的变形状况而建立的控制网。
此外,工程控制网按网点性质可以分为:
一维网(或称水准网、高程网)、二维网(或称平面网)、三维网等;按网形可以分为:
三角网、导线网、混合网、方格网等;按施测方法可以分为:
测角网、测边网、边角网、GPS网等;按坐标系和基准可以分为:
附合网(约束网)、独立网、经典自由网、自由网等;按其他标准划分为:
首级网、加密网、特殊网、专用网等。
2.1.2工程控制网的特点
工程控制网的特点主要包括:
(1)控制网的大小、形状、点位分布,应与工程的大小、形状相适应,点位布设要考虑施工放样的方便,如隧道控制网一定要保证隧道两端有控制点;
(2)地面控制网的精度,不要求网的精度均匀,但要保证某一方向和某几个点的相对精度高,如隧道控制网要能保证隧道横向贯通的准确性;
(3)投影面的选择应满足“控制点坐标反算的两点间长度与实地两点间长度之差应尽可能小”的要求,如隧道施工控制网一般投影到隧道贯通平面上。
也可以投影到定线放样精度要求更高的平面上;
(4)可采用独立的坐标系,其坐标线应平行或垂直于建筑物的主轴线,该线通常由工艺流程方向、运输干线或主要厂房的轴线所决定。
2.1.3工程控制网的作用
工程控制网的作用是为工程建设提供工程范围内统一的空间参照框架,为各项测量工作提供位置基准,满足工程建设不同阶段对测绘在质量、进度和费用等方面的要求。
工程控制网具有控制全局、提供基准和控制测量误差积累的作用。
2.1.4工程控制网的建立过程
工程控制网的建立步骤一般为设计、选点埋石、观测和平差计算。
(1)工程控制网的设计:
根据建立控制网的目的、要求和控制范围,经过图上规划和野外选点,确定控制网的图形和决定参考基准(起始点);根据测量仪器条件拟定观测纲要(观测方法和观测值的预期精度);根据观测所需的人力、物力进行成本预算;根据控制网图形和观测精度进行目标成果的精度估算与分析,并与预定的要求相比较,作必要的方案修正。
根据需要,可进行控制网的优化设计。
(2)选点埋石:
根据设计埋设标志,建立观测墩、台和观测标志。
平面点标石类型包括普通标石、深埋式标石、带强制对中装置的观测墩等;水准点标石类型包括平面点标石,混凝土水准标石、地表岩石标、平硐岩石标、深埋式钢管标等。
(3)按预定纲要进行观测,按观测数据评定观测精度。
(4)对观测成果进行处理、平差计算,对目标成果的精度进行评定。
2.2工程控制网的布设
2.2.1工程控制网的质量准则
1一精度准则
精度准则主要分为:
总体精度准则、点位精度和相对点位精度、未知数函数的精度、主分量和准则矩阵等5类。
这些准则可根据实际工程控制网建立的需要选择其中一个或多个。
2可靠性准则
控制网的可靠性是指发现(或探测)观测值粗差的能力(称内部可靠性)和抵抗观测值粗差对平差结果影响的能力(称外部可靠性)。
1)内部可靠性
内部可靠性用观测值的多余观测分量来定义,它反映控制网发现观测值中粗差的能力。
某观测值的多余观测分量越小,该观测值的粗差越难被发现;反之,多余观测分量越大。
该观测值上较小的粗差也能发现。
一个好的控制网,观测值的多余观测分量应大于0.3~0.5。
2)外部可靠性
外部可靠性用来衡量未被发现的模型误差对控制网点位坐标或其函数的影响情况,它使用影响因子来度量。
影响因子越小,表示外部可靠性越好。
一般情况下,影响因子在8~10之间,表明网的外部可靠性较好。
3.灵敏度准则
灵敏度准则是针对变形监测网提出的。
灵敏度定义为:
在给定的显著水平和检验功效下。
通过对周期观测的平差结果进行统计检验,所能发现的某一位移向量的下界值。
4.费用准则
控制网的费用一般包括设计、造标埋石、交通运输、仪器设备、观测、计算、检查等各项费用。
在控制网优化设计中,着重考虑造标理石和观测这两项。
而其他各项费用,由于随控制网设计方案改变而变化的幅度不大,可当作不变成本处理。
另外,精度越高,观测值的权越大,则建网费用越高;同样,多余观测数越多,网的可靠性提高,也要以增加费用为代价。
2.2.2工程控制网的布网原则
工程平面控制网布设原则一般为:
(1)分级布网,逐级控制。
对于测图用的工程平面控制网,根据测区面积的大小,通常先在全区范围内布设精度要求最高的首级控制网,随后根据测图需要,再分区加密若于等级精度较低的控制网。
用于工程建筑施工放样的专用控制网,往往分二级布设。
第一级做总体控制、第二级直接为建筑物施工放样而布设。
用于变形监测或其他专门用途的控制网,通常不分级,直接布设成高精度的控制网。
城市或工程GPS控制网在布网时可以逐级布设、越级布设或布设同级全面网。
(2)要有足够的精度和可靠性。
工程平面控制网一般要求最低一级控制网的点位中误差能满足大比例尺的测图需求。
一般工程建设所采用的最大比例尺为1:
500,为使平面控制网能满足l:
500比例尺测图精度要求。
四等以下(包括四等)的各级平面控制的最弱边的边一长中误差(或相邻点的相对点位中误差)顾及测量误差后应使碎部点的点位误差不大于图上0.1mm,由此即可算得碎部点的点位中误差应不大5cm。
这一数值可以作为测图控制网精度设计的依据。
对于大型工程施工控制网和变形控制网,还应具有一定的可靠性。
(3)要有足够的点位密度。
布设工程平面控制网时,要求在测区内有足够多的控制点。
控制点的密度通常是用控制网的平均边长来表示。
(4)要有统一的规格。
工程平面控制网一般是由不同的测绘部门独立施测的,为了能够互相利用和协调。
应制定统一的规范,以便大家共同遵照执行,工程平面控制网规范主要有《城市测量规范》、《工程测量规范》以及《精密工程测量规范》等。
城市与工程测图控制网是为测绘大比例尺地形图而建立的,要求相邻控制点间相对点位误差小于3cm。
专用控制网是为工程建筑物的施工放样和变形观测等专门建立的,其要求具有针对性。
例如,桥梁控制网对于桥梁轴线方向的精度要求应高于其他方向的精度,以利于提高桥墩放样的精度;隧道控制网则对垂直于隧道轴线方向的横向精度的要求应高于其他方向的精度,以利于提高隧道贯通的精度。
2.2.3国家控制点的利用
工程控制网一般采用高斯投影方法,这样既与国际惯例相一致,也便于利用国家控制点的现有成果。
当实测边长归算到参考椭球面上及将参考椭球面上的边长归算到高斯投影面上的两次归算投影改正不能满足工程所需时,为了计算方便,可以采用任意带的独立高斯投影平面直角坐标系,归算的参考面可以自行选定。
1.工程平面控制网坐标系的选择
在工程控制测量时,根据施工所在的位置、施工范围及施工各阶段对投影误差的要求,可采用以下几种平面直角坐标系:
(1)国家3°带高斯平面直角坐标系;
(2)抵偿投影面的3°带高斯平面直角坐标系;(3)任意带高斯平面直角坐标系;(4)选择平均高程面作投影面,以通过测区中心的子午线作为中央子午线、按高斯投影计算的平面直角坐标系;(5)假定平面直角坐标系。
2.不同平面坐标系统间的坐标转换
为了方便利用已有资料,应将施工坐标系统与城市坐标系统或国家坐标系统建立一定的衔接和换算关系。
在坐标系统的转换时,必须建立双向转换关系,使每个点在坐标系中可自由转换。
2.2.4工程控制网的优化设计
1.优化设计分类
控制网优化设计分为4类:
(1)零类设计:
为基准(起始数据)的设计,是在控制网图形和观侧值的先验精度己定的情况下,选择起始数据使网的精度达到最高。
(2)一类设计:
为控制网图形的设计,在控制网成果的精度要求及观测手段可能达到的精度已定的情况下,控制网图形设计的优化,即点位的最佳布设和采用最佳的观测方案。
(3)二类设计:
为观测值权的设计,在控制网的图形和网的精度要求已定的情况下,设计观测值的精度,此时应受到观测值权的总和(代表测量费用)的约束、最大权(代表不能超过的最高精度〕的约束和可靠性(多余观测分量不能小于某一定值)的约束。
(4)三类设计:
为控制网改进的设计(加密设计),通过增删部分观测值和改变部分观测值的权,以及增删及移动点位来改善控制网成果的精度。
2优化设计方法
控制网优化设计有以一下两种方法:
(1)解析法:
它适合于各类设计,是通过数学方程的表达,用最优化方法解算。
零类没计采用S—变换法;一类设计中的最佳点位确定常采用变量轮换法、梯度法等;二类和三类设计主要采用数学规划法。
(2)模拟法:
又称试验修正法。
它适合一、二、三类设计。
对于初步确定的网形与观测精度,模拟一组起始数据与观测值,输入计算机,按间接平差原理与计算方法,组成观测值方程式、法方程式,求逆而得到未知参数的协因数阵,并计算点位误差椭圆和相对误差椭圆的参数,与要求的精度相比较,若结果太好或不满足要求,可以通过增加或删去某些观测值、改变某些观测值的权来修改设计。
当设计者输入修改信息后,计算机将实时算出协因数阵,并显示新的误差椭圆。
重复这个过程直至获得符合各项设计要求的满意的设计方案。
模拟法的计算简单,易于编制设计程序,修改是通过设计人员的分析判断来进行的,因此具有灵活性;其缺点是需要花较多的计算时间.并有可能“漏掉”最优的设计方案。
2.3工程控制网的施测与数据处理
2.3.1工程控制网的施测
1.工程平面控制网的施测方法
目前,工程平面控制网建立的主要方法是GPS定位,也可采用三角网测量、导线测量和交会测量等常规方法建立。
2.工程高程控制网的施测方法
工程高程控制测量主要采用水准测量、三角高程测量和GPS水准方法。
在地面较平坦的地区,通常用水准测量的方法。
工程水准测量按精度分为二、三、四、五等以及用于地形测量的图根水准测量。
在地形起伏较大的地区,通常用三角高程测量的方法。
一般是在平面控制网的基础上布设,分为独立交会高程点、附合或闭合三角高程路线和三角高程网,用于测定平面控制点的高程。
在工程高程控制测量中,光电测距高程导线采用对向观测或中间设站观测,可以代替四等及四等以下水准测量。
在地形较平坦的地区,可采用GPS水准的方法代替四等及四等以下水准测量。
2.3.2工程控制网的数据处理
控制网平差的主要内容包括:
求坐标未知数的最佳估值,评定总体精度、点位精度、相对点位精度以及未知数函数精度等。
1.边角控制网平差
边角控制网平差的方法通常有条件平差法和间接平差法。
2.GPS工程控制网数据处理
GPS控制网测量数据的处理,一般均可借助相应的后处理软件完成。
对观测数据进行处理的基本过程,大体分为:
预处理;基线解算:
平差计算;坐标系统的转换,或与已有地面网的联合平差。
1)观测数据的预处理
预处理的主要目的是对原始观测数据进行编辑、加工与整理,分流出各种专用的信息文件,为进一步的平差计算做准备。
预处理工作的主要内容有:
统一数据文件格式;观测数据的平滑、滤波;卫星轨道的标准化;探测周跳、修复载波相位观测值;对观测值进行各项必要的改。
2)平差计算和转换
平差计算的主要内容包括:
基线向量解算:
无约束平差;坐标系统的转换,或与地面网的联合平差等。
3.高程控制测量数据处理
1)水准测量
水准测量数据处理的目的是为了检查外业观测成果的质量,消除观测数据中的系统误差,对偶然误差进行平差处理、以及对观测成果和平差结果进行精度评定。
水准网平差的基本方法有条件平差法、间接平差法以及单一水准路线平差法、单结点水准网平差法、等权代替水准网平差法等。
2)三角高程测量
三角高程测量数据处理与水准网的计算方法基本相同,不同的是其定权方法不同。
3)GPS水准
GPS水准数据处理通常根据测区分布均匀的GPS/水准公共点,求解测区高程异常模型参数。
由GPS大地高和高程异常确定未知点的正常高。
第3章工程地形图测绘
3.1概述
3.1.1测图比例尺选择
在工程建设的各个阶段,一般都要使用地形图。
这些地形图通常来自国家、省级和城市基础测绘成果,在某些情况下。
当现有地形图的内容、比例尺或现势性等不能满足工程应用需要时,则需要进行专门的地形测绘(包括水下地形测绘)。
工程建设所使用的地形图比例尺,可根据工程设计、规模大小和运营管理的需要进行选择〔见表2-3-1)。
表2-3-1地形图比例尺的选用
1:
10000
可行性研究,总体规划,
厂址选择,初步设计等
1:
5000
1:
2000
可行性研究。
初步设计,
矿山总图管理,城镇详细规划等
1:
1000
初步设计,施工图设计,城镇、
工矿总图管理,竣工验收、运营管理等
1:
500
对于一些大型水利枢纽、能源、交通等工程,在可行性研究和总休规划阶段,经常需要使用1:
25000、1:
50000甚至更小比例尺的地形图。
这些比例尺地形图的测绘和制作可参见本教材第三篇和第四篇相关章节。
3.1.2地形图等高(深)距
按现行《工程测量规范》,地形图的基本等高距应按地形类别和地形图比例尺进行选择,见表2-3-2。
一个测区的同一比例尺测图宜采用一种基本等高距。
对于水域测图。
可按水底地形倾角和测图比例尺选择基本等深(高)距。
表2-3-2地形图的基本等高距
地形类别
地形倾角
α(°)
比例尺
1:
500
1:
1000
1:
2000
1:
5000
平坦地
α<3
0.5m
0.5m
1m
1m
丘陵地
3≤α<10
0.5m
1m
2m
5m
山地
10≤α<25
1m
1m
2m
5m
高山地
α≥25
1m
2m
2m
5m
3.1.3地形图的精度
1.平面精度
按现行《工程测量规范》,地形图上地物点相对于邻近图根点的平面点位中误差,对于一般地区不应超过0.8mm(图上,下同),城镇建筑区和工矿区不超过0.6mm,水域不超过1.5mm,对于隐蔽或施测困难的一般地区测图,可放宽50%。
2高程精度
按现行《工程铡量规范》,地形图等高〔深)线的插求点相对于邻近图根点的高程中误差,不应超过表2-3-3的规定。
对于隐蔽或施侧困难的一般地区侧图,可放宽50%。
当作业困难、水深大于20米或工程精度要求不高时,水域测图可放宽1倍。
表2-3-3等高(深)线插求点的高程中误差
一般地区
地形类别
平坦地
丘陵地
山地
高山地
高程中误差/m
水域
水底地形倾角/(°)
a<3
3≤a<10
10≤a<25
a≥25
高程中误差/m
注:
表中
为地形图的基本等高距。
3.1.4地形图其他要求
为工程应用测绘地形图时,地形图的分幅可采用正方形或矩形方式。
地形图图式和地形图要素分类代码等应采用现行有关国家标准。
3.2测绘方法
3.2.1全站仪数字测图
全站仪数字测图是工程大比例尺地形测绘的主要方法。
基于全站仪的数字测图系统主要有两种类型:
一是全站仪采集数据,利用电子手簿自动或人工记录数据,再传输到成图系统中经处理生成数字图;另一是全站仪与便携式计算机或PDA(个人数据助理)组合,在数据采集的同时实时生成数字图,实现“所见即所测、所见即所得”。
数字测图系统除具有基本的数据编辑加工、图形分层、符号配置等功能外,有些还具备属性数据录入与挂接、由离散点构建不规则三角网进而生成等高线、影像数据集成与叠加和进行不同数据格式转换等功能。
3.2.2基于GPS的数字测图
基于GPS的地形测图技术主要有:
(1)GPSRTK数字测图技术。
这种方法完全类似全站仪数字测图,只是利用GPSRTK系统代替全站仪。
(2)车载移动测图系统。
又称移动道路测图系统,它是在车上装备GPS接收机、CCD、INS(惯性导航系统)等传感器和设备,在车辆的行驶过程中,快速采集道路及道路两旁地形数据。
3.2.3数字摄影测量与遥感
对于大范围的地形测图以及大型工程建设场地测绘等,可以利用航摄影像,高分辨率卫星遥感影像、机载激光扫描测绘系统(LIDAR)或使用轻型飞机摄取影像,使用数字摄影测量或遥感图像处理系统生成大比例尺DLG、DOM、DEM及三维景观模型。
有关内容参见第三篇和第九篇。
3.3测绘过程与质量控制
3.3.1作业流程
应用全站仪和GPSRTK技术进行大比例尺地形图测绘的生产流程主要包括野外踏勘、技术设计、图根控制测量、野外数据采集、内业成图、质量检查、成果验收等内容。
3.3.2工程测图技术设计
在测图开始前,应编写技术设计书,拟定作业计划,以保证测量工作在技术上合理、可靠,在经济上节省人力、物力。
根据测量任务书和有关的测量规范,并依据所收集的资料,其中包括测区踏勘等资料来编制技术计划。
技术计划的主要内容有:
任务概述,测区情况,已有资料及其分析,技术方案的设计,组织与劳动计划,仪器配备及供应计划,财务预算,检查验收计划以及安全措施等。
根据收集的资料及现场踏勘情况,在已有地形图(或小比例尺地图)上拟定地形控制的布设方案,进行必要的精度估算。
有时需要提出若干方案进行技术要求与经济核算方面的比较。
对地形控制网的图形,施测、点的密度和平差计算等因素进行全面的分析。
并确定最后采用的方案。
根据技术计划的方案,统计工作量,并结合规定计划提交资料的时间.编制组织措施和劳动计划,提出仪器配备计划、经费预算计划和工作进度计划,同时拟定检查验收计划。
3.3.3图根控制测量
测区高级控制点的密度不可能满足工程大比例尺测图的需要,这时应布置适当数量的图根控制点(图根点),直接供测图使用。
图根控制是在各等级控制下进行加密。
一般不超过两次附合。
在较小的独立测区测图时,图根控制可作为首级控制。
图根平面控制点的布设,可采用图根导线、图根三角、交会和GPSRTK等方法。
图根点的高程可采用图根水准和图根三角高程测定。
图根点的精度,相对于邻近等级控制点的点位中误差,不应大于图上0.1mm,高程中误差不应大于测图基本等高距的1/10。
图根控制点(包括已知高级点)的个数,应根据地形复杂、破碎程度或隐蔽情况决定其数量。
就传统成图方法而言,一般平坦而开阔地区每平方公里图根点的密度,对于l:
2000比例尺测图应不少于15个,1:
1000比例尺测图应不少于50个,1:
500比例尺测图应不少于150个。
对数字测图方法,每平方公里图根点的密度,对于1:
2000比例尺测图不少于4个,对于1:
1000比例尺测图不少于16个,对于1:
500比例尺测图不少于64个。
3.3.4野外数据采集
工程大比例尺数字测图野外数据采集,分别使用全站仪测量方法和GPSRTK测量方法。
采用全站仪测量方法,在控制点、加密的图根点或测站点上架设全站仪,全站仪经定向后,观测碎部点上放置的棱镜,将方向、竖直角(或天顶距)和距离等观测值或碎部点的坐标和高程记录在内存中。
如果观测条件可能,也可采用GPSRTK测定碎部点。
野外数据采集除碎部点的坐标数据外还需要有与绘图有关的其他信息。
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