一体化聚能水压爆破技术在软弱围岩隧道的应用

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2023.06.053

一体化聚能水压爆破技术在软弱围岩隧道的应用

甘会莲^,¹, 蒋新闻¹, 陈志伟¹, 乔永昕¹, 陈淑华¹, 王建国^,²

1.云南交投公路建设第六工程有限公司，云南昆明 650100

2.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093

Application of Integrated Shaped Water Pressure Blasting Technology in Soft and Weak Surrounding Rock Tunnels

GAN Huilian^,¹, JIANG Xinwen¹, CHEN Zhiwei¹, QIAO Yongxin¹, CHEN Shuhua¹, WANG Jianguo^,²

1.YCIC Highway Construction Sixth Co. , Ltd. , Kunming 650100, Yunnan, China

2.Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, Yunnan, China

通讯作者: 王建国（1987-），男，河南信阳人，副教授，从事冲击动力学和爆破技术方面的研究工作。wangjg0831@163.com

收稿日期: 2023-04-06 修回日期: 2023-08-30

基金资助:

2021年云南交投科技创新计划项目“高原山区高速公路隧道新型聚能水压爆破施工关键技术研究及工程示范”. YCYC-YF-2021-14
2022年云南省基础研究计划面上项目“水压爆破波衰减规律及岩石致裂机理研究”. 202201AT070178

Received: 2023-04-06 Revised: 2023-08-30

作者简介 About authors

甘会莲（1976-），女，云南昆明人，高级工程师，从事项目管理和技术开发方面的研究工作450580851@qq.com , E-mail：450580851@qq.com

摘要

针对传统光面爆破技术在隧道Ⅳ级和Ⅴ级软弱围岩中应用时常出现的超挖和进尺率低等问题，基于聚能水压光面爆破技术的原理及应用现状，设计了一种轴向多孔聚能管，通过将管内水袋、药卷交替间隔搭配导爆索和数码电子雷管形成一体化聚能水压装药结构，并在云南勐省隧道Ⅳ级围岩区域开展了连续装药光面爆破、水袋间隔光面爆破、空气间隔光面爆破和聚能水压光面爆破4种试验。爆后使用测距仪、卷尺和标杆对循环进尺、半孔率和超欠挖等爆破技术指标进行测量。试验结果表明：前3种试验的半孔率依次为13%、45%和38%，一个循环进尺依次为3.40 m、3.50 m和3.45 m，轮廓面围岩破碎存在超欠挖现象，而采用一体化装药结构的聚能水压光面爆破后的半孔率达62%，一个循环进尺为3.60 m，试验区域轮廓线比较平整，没有明显的超欠挖现象。现场应用结果表明：新型一体化聚能水压爆破在软弱围岩隧道周边轮廓平整度控制中效果显著，在减少钻孔数量和炸药量的同时，保持了围岩的完整性，是一种环保、节能的控制爆破技术。

关键词： 光面爆破 ; 隧道掘进 ; 软弱围岩 ; 聚能水压爆破 ; 一体化装药结构

Abstract

There are few rugged plains in southwest China，and tunnel construction plays an important role in southwest China.However，when the tunnel is excavated by blasting in grade Ⅳ and Ⅴ weak surrounding rock，the traditional continuous charge smooth blasting technology often has problems such as over-excavation，low footage rate and large fragmentation after blasting.In order to solve such problems，based on the principle and application status of shaped water pressure smooth blasting technology，an axial porous shaped charge tube was designed.The integrated shaped water pressure structure was formed by alternately arranging the water bag and cartridge in the tube with detonating cord and digital electronic detonator.Four kinds of tests were carried out in the Ⅳ surrounding rock area of Mengsheng tunnel in Yunnan Province，including continuous charge smooth blasting，water bag interval smooth blasting，air interval smooth blasting and shaped water pressure smooth blasting.In order to maintain comparability，15 holes at the vault position were selected for the four tests.The blasting effect was checked one hour after blasting，and the blasting technical indexes such as single cycle footage，half-hole rate and overbreak and underbreak were measured by using range finder，tape and benchmark.The test results show that the half-hole rates of continuous charge smooth blasting，water bag interval smooth blasting and air interval smooth blasting are 13%，45% and 38% respectively，and the footage of one cycle is 3.40 m，3.50 m and 3.45 m respectively.The surrounding rock of the contour surface is broken and there is overbreak and underbreak phenomenon，while the half-hole rate of the shaped water pressure smooth blasting with integrated charge structure is 62%.The contour of a test area with a cycle footage of 3.60 m is relatively flat，there is no obvious over-excavation phenomenon，and the gravel after blasting is small.The comparison between the control test groups verifies the superiority of the energy-gathering structure based on plastic pipe research and development.The field application shows that the new shaped water pressure blasting has a significant effect on the flatness control of the surrounding contour of the weak surrounding rock tunnel.While reducing the number of boreholes and the amount of explosives，it maintains the integrity of the surrounding rock.It is an environmentally friendly and energy-saving controlled blasting technology.

Keywords： smooth blasting ; tunnel excavation ; weak surrounding rock ; shaped water pressure blasting ; integrated charging structure

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本文引用格式

甘会莲, 蒋新闻, 陈志伟, 乔永昕, 陈淑华, 王建国. 一体化聚能水压爆破技术在软弱围岩隧道的应用[J]. 黄金科学技术, 2023, 31(6): 944-952 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2023.06.053

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隧道是一种重要的公共交通设施，也是民用基础设施的重要组成部分。其中，光面爆破技术在隧道掘进工程中得到了广泛应用，不仅提高了爆破质量，而且改善了安全状况（刘海波等，2017；李启月等，2019；李继业等，2020；刘敦文等，2021）。然而，常规光面爆破技术存在一些不足，例如：隧道断面通常较大，密集布孔会导致打孔作业时间太长；在地质条件较差的区域进行施工时，时常会出现超欠挖现象。因此，在常规光面爆破的基础上，辅以水压爆破技术，二者结合形成聚能水压爆破技术，通过聚能爆破的聚能射流和水压爆破的“水楔”作用，对围岩进行二次破碎（李增恩，2021），可控制爆破振动范围，减少对围岩的损伤（李淮等，2023）。水压爆破利用水介质传递爆轰波，传能效率高，具有“水楔”效应，且爆破时产生的炮烟少（Huang et al.，2011；Trivedi et al.，2014），因而被广泛运用于建筑拆除和岩土爆破等领域。聚能爆破则是通过控制爆炸应力场分布和爆生气体对围岩的准静态作用和尖劈作用，以此控制被爆介质的开裂方向（孙余好等，2021）。集合以上2种爆破技术优势于一身的聚能水压光面爆破技术得到了深入研究和广泛应用。

在聚能水压爆破原理方面，闫海伦（2020）通过ANSYS/LS-DYNA数值模拟分析及现场试验得出聚能水压光面爆破聚能槽方向岩石裂隙最大值是炮泥、水袋和聚能爆破的联合作用；王汪洋（2019）利用ANSYS LS-DYNA有限元分析软件进行聚能水压单孔和双孔爆破试验，研究了聚能射流的发展规律以及不同条件下聚能射流对岩石的侵彻规律。在聚能结构方面，Myasnikov et al.（2000）提出聚能水压爆破中聚能结构对光面爆破效果具有重要的影响；吴波等（2022）建立了聚能结构上、下以及两端3种不耦合装药结构的三维数值模型来模拟岩体受到冲击荷载作用的过程，得出在炮孔中加入水介质会极大地增强爆破效果，并使得聚能方向的裂纹扩展具有优先性；何广沂（2021）指出聚能装置和水袋增添了高温高压高速射流和水楔作用以及增强膨胀气体静力作用；宋鹏伟等（2022）设计了6种聚能水压装药结构，并运用LS-DYNA数值模拟确定了一种较好的装药结构，现场验证表明孔痕率达到 95%以上，超欠挖值最小，炮孔利用率最高。在现场应用方面，熊炎林等（2019）以段家坪隧道工程为依托，采用数值模拟方法和现场试验对聚能爆破在隧道开挖成型控制中的作用进行了研究，结果表明周边孔采用聚能水压爆破技术可有效减小超欠挖值，改善光爆效果；刘海波（2019）在成兰铁路金瓶岩隧道掘进工程中应用了聚能水压光面爆破技术，认为聚能水压光面爆破技术具有施工便利、有效降低超挖量、提升施工效率和降低施工成本等优点；李伟等（2019）在呼和乌素煤矿巷道掘进中应用了聚能水压光面爆破技术，相比常规光面爆破，聚能水压光面爆破技术不仅降低了施工成本，而且提升了施工效率和施工安全性；李敬国等（2020）使用第二代聚能管在下归里隧道进行聚能水压爆破应用研究，结果表明使用聚能水压爆破技术可以有效减少每循环施工时间和每循环炸药使用量，显著提高爆破效果，减少支护及混凝土衬砌时间，增加了经济效益。

综上所述，国内外学者已在聚能水压爆破方面开展了诸多研究工作，但基于炸药聚能射流理论开发的塑料管材聚能结构的聚能效率尚未在软弱围岩条件下验证，装药操作也较为繁琐。因此，本文针对隧道Ⅳ级和Ⅴ级围岩掘进，提出了一种基于径向多孔聚能管的新型一体化聚能水压光面爆破技术，在勐省隧道Ⅳ级围岩进行试验，以验证该技术在工程实践中的可行性，并建立了对照组试验，通过对比进尺率、半孔率和超欠挖等参数，分析一体化聚能水压光面爆破技术的爆破效率。

1 新型聚能水压爆破原理

炸药起爆后，由于聚能管、水袋和炸药为耦合接触，因此爆轰波和爆轰产物同时作用在聚能管和水袋上。药包爆破破岩过程大致可划分为3个阶段：第一阶段为爆轰波与聚能管相互作用阶段；第二阶段为爆轰波与水压耦合作用阶段；第三阶段为水压聚能破岩阶段。

（1）第一阶段，爆轰波在聚能管内的传播可划分为聚能方向和非聚能方向。其中，聚能方向爆轰波和爆轰产物直接作用于岩体，形成定向的高温、高压和高速冲击；非聚能方向，由于聚能药包的外壳特征阻抗大于炸药特征阻抗（张玉明等，2001），爆轰波经管壁反射再作用于孔壁形成爆炸应力波。聚能和非聚能方向上的爆轰压力关系（王雁冰等，2023）表示为

\frac{P_{F}}{P_{Q}} = ϑ \frac{(k - 1) [\frac{k - 1}{{(k + 1)}^{2}} ρ_{e} {(ρ_{50} D_{50} - D_{e})}^{2} + ρ_{50}^{2} D_{50}^{2}]}{ρ_{e} {(ρ_{50} D_{50} - D_{e})}^{2} + (k + 1) ρ_{50}^{2} D_{50}^{2}}

（1）

式中： $P_{F}$ 为非聚能方向孔壁压力峰值； $P_{Q}$ 为聚能方向孔壁压力峰值； $D_{50}$ 为孔壁介质中的纵波波速； $ρ_{50}$ 为孔壁介质的密度； $ϑ$ 为增大系数， $ϑ = \frac{10 ρ_{50}}{ρ_{0}}$ ， $ρ_{0}$ 为聚能管材密度； $D_{e}$ 为炸药的爆速； $k$ 为等熵指数； $ρ_{e}$ 为炸药的初始密度。

（2）第二阶段，炸药与水爆炸耦合，由于水的不可压缩性（王建国等，2022），爆轰波几乎无能量损失，爆轰波在水介质和炮孔壁的界面发生反射和透射，该荷载强度大且集中于聚能处。当入射冲击波到达水和炮孔壁的界面时，由于2种介质的波阻抗不同，冲击波透射入炮孔壁，又反射回到水介质，根据冲击波波阵面能量守恒可得：

\{\begin{matrix} - u_{1} = σ_{1} / ρ_{1} c_{1} \\ u_{2} = σ_{2} / ρ_{1} c_{1} \\ - u_{3} = σ_{3} / ρ_{2} c_{2} \end{matrix}

（2）

式中： $u_{1} 和 u_{2}$ 分别为入射波和反射波在水中的质点速度； $u_{3}$ 为透射波在炮孔壁的质点速度； $σ_{1}$ 为入射冲击波； $σ_{2}$ 为反射波； $σ_{3}$ 为透射波； $ρ_{1} c_{1}$ 为水的波阻抗； $ρ_{2} c_{2}$ 为岩石的波阻抗。

（3）第三阶段，炸药爆炸后相邻周边孔互为“空孔”，周边孔连线方向压应力集中，加之聚能定向侵彻作用，孔间岩体产生初始裂隙，孔壁产生应力松弛现象，水楔效应对其进行劈裂，使裂缝进一步扩展、贯穿，形成孔间主裂隙。主裂隙引导了周边孔的大部分爆炸能量，抑制了其他方向裂纹的产生。水袋的“水楔”效应限制了爆炸能量对其他方向的破坏，延长了爆生气体在装药空间的滞留时间，加强了对聚能方向孔壁的破坏作用（车玉龙，2015）。聚能水压爆破作用原理如图1所示。

图1

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图1 聚能水压爆破作用原理

Fig.1 Principle of shaped water pressure blasting effect

2 工程概况

勐省隧道位于云南省临沧市沧源县勐省镇，处于北回归线南侧附近，海拔相对高差大，地形复杂。隧道所在地属横断山脉南段纵谷区，区域内褶皱和断裂较发育，褶皱大多被断层所破坏。隧道进口端位于勐省镇金江水泥厂1 km处，出口端位于勐省镇芒阳村，全长7 183 m。隧道底部宽12.43 m，顶部高7.41 m，断面周长为46.56 m，断面面积为76.35 m²。隧道岩性主要为白云质灰岩，岩体裂隙发育，围岩等级为Ⅳ~Ⅴ级，岩石静态力学参数见表1。

表1 岩石静态力学参数

Table 1 Static mechanical parameters of rock

参数名称		数值
单轴抗压强度/MPa	单值1	24.30
	单值2	36.70
	单值3	22.90
	平均值	28.00
抗拉强度/MPa	单值1	4.61
	单值2	4.47
	单值3	5.07
	平均值	4.72
抗剪强度（直剪）	黏聚力/MPa	7.02
抗剪强度（直剪）	内摩擦角/（°）	31.80
单轴压缩变形	静弹性模量/（×10⁴ MPa）	5.55
单轴压缩变形	泊松比	0.20

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勐省隧道原采用连续装药光面爆破掘进，超欠挖现象较为严重，围岩支护和喷射混凝土成本高，易产生大块。隧道掘进断面共设置125个炮孔，包括周边孔35个、内圈孔30个、辅助孔36个、掏槽孔16个和底板孔5个，详细爆破参数见表2。连续装药光面爆破中周边孔孔径为40 mm，炮孔长短间隔，长孔孔深为4 m，装药4卷，短孔孔深为1.5 m，不装药，均未填塞，最后在同一延期时间（950 ms）下起爆。

表2 隧道掘进爆破参数

Table 2 Blasting parameters of tunnel excavation

炮孔类型	炮孔深度/m	炮孔个数/个	炮孔间距/m	孔径/mm
合计	-	125	-	-
周边孔顶拱	4.0	15	0.4~0.5	40
周边孔左帮	4.0	10	0.4~0.5	40
周边孔右帮	4.0	10	0.4~0.5	40
内圈孔	3.5	30	0.6	40
辅助孔	3.5	36	0.5~0.7	40
掏槽孔	4.5	16	0.4~0.6	40
底板孔	4.5	8	1.0~1.2	40

注：炸药选用1号岩石乳化炸药，单卷长度为30 cm，装药量为300 g，雷管均为数码电子雷管

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3 聚能水压爆破方案

3.1 周边孔间距

周边孔间距的经验计算公式（熊晓晨，2020）为

E = (10 ~ 18) d

（3）

式中： $E$ 为周边孔间距（m）； $d$ 为炮孔直径，d=50 m。根据此经验公式计算，周边孔间距 $E = 0.5 ~ 0.9 m$ ，实际钻孔时可根据情况进行动态调整。

3.2 炮孔密集度系数

炮孔密集度系数v的选取与岩石坚固性系数有关，当v<0.8时，会造成隧道超挖；当v>1.0时，会造成隧道欠挖，一般v取值为0.8~1.0。

3.3 最小抵抗线

最小抵抗线即为最外圈辅助孔与周边孔的孔距。周边孔和炮孔密集度系数确定后即可确定光爆层厚度（最小抵抗线）。最小抵抗线W的计算公式为

W = \frac{E}{v}

（4）

$式中 : v$ 取值为0.8~1.0；周边孔间距E=0.5~0.9 mm。依据爆破试验效果以及现场爆破施工条件，最小抵抗线取0.8 m。

3.4 布孔方案

周边孔孔深为4 m，孔径为50 mm。由于受人为经验的影响，周边孔孔距并不均匀，平均孔距约为0.7 m，其中孔距较大的2个炮孔间多打一个浅孔，孔深为1~2 m，仅作为导向孔，不装药，光爆层厚度为0.8 m。炸药为1号岩石乳化炸药，采用数码电子雷管起爆。聚能水压爆破试验组光面爆破参数见表3，炮孔布置情况如图2所示。

表3 聚能水压光面爆破参数

Table 3 Parameters of shaped water pressure smooth blasting

参数名称	数值	参数名称	数值
炮孔位置	拱顶	平均炮孔间距/mm	0.7
孔径/mm	50	单孔药量/kg	0.9
炮孔深度/m	4	总药量/kg	13.5
炮孔个数/个	15	延期时间/ms	950
炮孔角度/（°）	90

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图2

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图2 聚能水压光面爆破炮孔布置情况

Fig.2 Blast hole arrangement of shaped water pressure smooth blasting

3.5 一体化聚能水压装药结构组成

多孔释能管材选用PVC管，其中4 m深孔需要管材总长为3 m，考虑管材过长不便于运输，将PVC管材截分成2根1.2 m长管和1根0.6 m短管，使用时用连接扣组装，如图3所示。多孔释能管尺寸参数见表4，间隔水袋外径为32 mm，单个水袋长度为220 mm。

图3

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图3 释能药包辅材结构图

Fig.3 Structure diagram of the auxiliary material of the energy releasing charge

表4 多孔释能管尺寸参数

Table 4 Dimension parameters of porous energy releasing tube

参数名称	数值	参数名称	数值
外径/mm	38.50	开口高度/mm	3.00
内径/mm	34.50	长管长度/m	1.2
壁厚/mm	2.00	短管长度/m	0.6

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3.6 装药结构

对隧道周边孔进行了连续装药光面爆破（孔间距为0.4~0.5 m）、水袋间隔光面爆破（孔间距为0.5~0.9 m）、空气间隔光面爆破（孔间距为0.5~0.9 m）和聚能水压光面爆破（孔间距为0.5~0.9 m）共4组试验，每组试验选取顶拱15个孔进行试验，4组对照试验主要爆破参数见表5。

表5 4组对照试验主要爆破参数

Table 5 Main blasting parameters of four contrast testes

装药结构类型	孔间距/m	每孔药量/卷	水袋/个	延期时间/ms
连续装药光面爆破	0.4~0.5	4	无	950
水袋间隔光面爆破	0.5~0.9	3	8	950
空气间隔光面爆破	0.5~0.9	4	无	950
聚能水压光面爆破	0.5~0.9	3	8	950

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聚能水压爆破试验采用电子雷管和导爆索组合起爆，使用水袋将孔内炸药分隔为3段：孔底装1卷炸药，连接1发雷管并连接导爆索，间隔2个水袋后装1卷炸药，再间隔4个水袋装1卷炸药，最后在药包尾端装2个水袋。一体化药包入孔时应确保释能孔朝向爆破轮廓方向，其装药结构如图4所示。水袋间隔光面爆破试验装药结构如图5所示。空气间隔光面爆破试验装药结构如图6所示。

图4

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图4 聚能水压光面爆破装药结构

Fig.4 Charge structure of shaped water pressure smooth blasting

图5

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图5 水袋间隔光面爆破装药结构

Fig.5 Charge structure of water bag interval smooth blasting

图6

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图6 空气间隔光面爆破装药结构

Fig.6 Charge structure of air interval smooth blasting

4 试验效果对比分析

经过现场实测，连续装药光面爆破、水袋间隔光面爆破和空气间隔光面爆破的效果如图7所示，聚能水压光面爆破的效果如图8所示，基本参数和各项技术指标对比见表6。

图7

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图7 3种装药方式爆破效果对比

Fig.7 Comparison of blasting effects of three charging methods

图8

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图8 聚能水压光面爆破效果

Fig.8 Effect of shaped water pressure smooth blasting

表6 爆破参数及技术指标对比

Table 6 Comparison of blasting parameters and technical indexes

爆破方案	周边孔数/个	循环进尺/m	半孔痕数/个	半孔率/%	超欠挖/m	装药量/kg	轮廓平整度
连续装药光面爆破	15	3.40	4	13	±0.20	18.0	较差
水袋间隔光面爆破	15	3.50	8	45	±0.10	13.5	一般
空气间隔光面爆破	15	3.45	7	38	±0.15	18.0	一般
聚能水压光面爆破	15	3.60	15	62	基本无	13.5	较好

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（1）由图7（a）可知，传统连续装药爆破爆后顶拱轮廓线整体平整度较低，且存在明显超挖现象，最大超挖达0.2 m，爆后轮廓仅保留了4条半孔痕迹，半孔率为13%。

（2）由图7（b）可知，水袋间隔光面爆破保留了8条半孔痕迹，且半孔较完整，半孔率达45%，但存在局部欠挖现象。

（3）由图7（c）可知，空气间隔光面爆破保留了7条半孔痕迹，轮廓超欠挖±0.1 m，欠挖部分需要进行二次钻孔爆破。

（4）由图8可知，采用一体化聚能水压装药结构爆破后，15个炮孔均保留了明显的半孔痕迹，半孔率达62%，试验区域轮廓线平整，未见明显的超欠挖现象。

对照组爆破试验结果表明：一体化聚能水压光面爆破效果最佳，每个炮孔减少了1卷炸药，周边孔间距由0.4~0.5 m增大至0.5~0.9 m，不仅节约了钻孔成本，减少了炸药用量，而且获得了更好的爆破效果，符合绿色、节能施工的建设要求。通过对一体化装药结构在软弱围岩中的应用进行分析，可为今后类似工程提供参考。

5 结论

（1）周边孔内无论是空气间隔还是水袋间隔，均能降低爆炸峰值应力强度，使炮孔壁受力偏向均匀，水袋间隔装药结构与聚能药包耦合作用效果最优，但不同间隔介质对爆轰波能量的引导和耦合利用也不相同。

（2）一体化聚能水压光面爆破试验和水间隔光面爆破试验的炸药量、孔间距和装药结构一致，二者半孔率相差17%，循环进尺相差0.1 m，验证了塑料聚能管材结构的优越性。

（3）软弱围岩段隧道爆破施工对周边孔能量控制的要求极高，相比于空气间隔和轴向水间隔装药结构的光面爆破，一体化聚能水压光面爆破技术可明显控制超挖并减少对围岩的扰动，避免二次补孔爆破。

http://www.goldsci.ac.cn/article/2023/1005-2518/1005-2518-2023-31-6-944.shtml

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