JP4834458B2 - 超音波式軸力計測ロックボルト及びロックボルト軸力計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管膨張型の超音波式軸力計測ロックボルト及びロックボルト軸力計測方法に関する。

従来の所謂ＮＡＴＭ工法などによるトンネル工事に用いられるロックボルトとしては、次の特許文献１，２に記載のものが知られている。また、超音波を利用した軸力計測が可能なロックボルトとしては、特許文献３，４に記載のものが知られている。
実開平４−３８５４１号 特開２００４−３７２２７号 特開２００６−３３２３号 特開２００６−３３２４号

しかし、特許文献１に記載のものはモルタルが硬化するまで時間を要するため、直ちに計測することが不能であり、特許文献２に記載のものも詳細な軸力分布が計測しがたく、また、いずれも配線が必要で計測に時間を要して高価であった。その結果、トンネルの一部断面に散点的に用いられるＢ計測にのみ実施されるに留まり、日常管理としてのＡ計測によるトンネルのモニタには適用されていなかった。また、特許文献３，４のものはいずれも超音波の計測が必ずしも円滑に行えなかった。

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、簡易且つ正確に軸力を計測しうる超音波式軸力計測ロックボルト及びロックボルト軸力計測方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る鋼管膨張型の超音波式軸力計測ロックボルトの特徴は、膨張可能な鋼管と超音波反射用の標点を有する軸力計測用の二本以上の計測棒とを備え、前記計測棒に切欠群をそれぞれ形成し、ある計測棒と他の計測棒との切欠群の計測棒長手方向に対する位置を異ならせたことにある。
同特徴によれば、例えば手前側と奥側の信号をそれぞれの計測棒に分担させて受信することで、信号の減衰をより効率的に防ぐことができる。

前記計測棒における切欠の程度を前記計測棒の終端側ほど大きくしてもよい。同特徴によれば、超音波入射側とは反対の位置にある終端側ほど著しく減衰する反射超音波の減衰を補い、本来は切欠の形成位置により異なる受信信号強度を可能な限り均一化させて、一度の計測での可能を拡大することができる。

ここで、望ましくは前記切欠の程度が前記計測棒の長手方向に対する直交断面における全断面積に対する前記切欠の縦壁部の面積の比率である切欠面積率である。

さらに上記両特徴に加え、前記計測棒を少なくとも防錆被覆で覆ってもよい。これにより、発錆による信号減衰を防止して、正確なモニタリングが可能となる。
また、前記計測棒の入射部から各切欠までの距離ｘにより定まる次式（１）に従う反射信号の振幅ｙが測定可能な値となるように前記計測棒における切欠の程度を前記計測棒の終端側ほど大きくしてもよい。
ｙ＝ｅｘｐ（ｃｘ＋ｄ） （１）
但し、ｃ，ｄは定数。

一方、上記各特徴に記載のロックボルトに作用する軸力を計測するためのロックボルト軸力計測方法の特徴は、膨張可能な鋼管と超音波反射用の標点を有する軸力計測用の二本以上の計測棒とを備え、前記計測棒に切欠群をそれぞれ形成してあり、前記計測棒の入射部から各切欠までの距離ｘにより定まる次式（１）に従う反射信号の振幅ｙが当該計測棒の終端側でも測定可能な値となるように前記計測棒における切欠の程度を前記計測棒の終端側ほど大きくすることにある。
ｙ＝ｅｘｐ（ｃｘ＋ｄ） （１）
但し、ｃ，ｄは定数。

また、上記特徴に記載のロックボルトに作用する軸力を計測するロックボルト軸力計測方法の他の特徴は、膨張可能な鋼管と超音波反射用の標点を有する軸力計測用の二本以上の計測棒とを備え、前記計測棒に切欠群をそれぞれ形成してあり、前記ロックボルトの施工時に予め前記計測棒の露出部である入射部から超音波を送信すると共に標点からの反射波を受信して標点からの反射波の受信時間差を求める超音波計測を実施し、後に改めて前記超音波計測を実施して受信時間差の変化により前記軸力を算定することにある。

上記本発明に係る超音波式軸力計測ロックボルト及びロックボルト軸力計測方法の特徴によれば、切欠形成位置で異なる受信信号の振幅をより均一に近づけ、又は、受信位置に応じて計測棒を分担することで信号強度を向上させ、簡易且つ正確に軸力を計測することが可能となった。

本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。

次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。図１は本発明の軸力計測に用いる鋼管膨張式のロックボルト１０と軸力計測装置１とを示す。軸力計測装置１は、超音波をロックボルト１０へ送受信する探触子２と、超音波を発信及び受信するパルサー・レシーバー３と、信号を制御すると共に受信信号を処理・表示するＰＣ（パーソナルコンピュータ）４及びモニター５を備えている。

ロックボルト１０は、管体である異形管２０の両端に注水側スリーブ３０，封止側スリーブ４０を溶接又は溶着（以下、「溶接等」とする。）し、さらに、異形管２０内に配設された計測棒５０を有してなる。異形管２０は図２に示すように、溶融メッキ鋼管を扁平にすると共に略Ｃ字型に形成したものであり、ロックボルト１０の端部近傍では各断面位置で扁平度合いが異なっている。全長の端部では屈曲外面２１，屈曲内面２２が近接しており、同図（ａ）の位置では管内部２３が膨大し凹部２６が縮小している。管内部２３への注水時に開口部２５を介して屈曲内面２２が同図（ｂ）の如く膨大する。

計測棒５０は、鋼材やアルミニウムで構成されており、図１に示すように、注水側スリーブ３０及び封止側スリーブ４０の中心を通ると共に異形管２０の凹部２６に配設され、リング状スペーサー５９を介して注水側スリーブ３０及び封止側スリーブ４０内に固定されている。このリング状スペーサー５９の外縁は溶接部５８ｈで固着されている。

計測棒５０の両端あるいは一部がロックボルトの異形管あるいはスリーブ等に溶接等あるいは接着により固着される場合は、管体２０の削孔１０１に対する押圧力により、固着されていない部分も含めて計測棒５０のほぼ全長が管体２０と事実上一体化される。

略Ｃ字型の異形管２０先端は注水側スリーブ３０の孔に挿入され、その先端部において溶接部で注水側スリーブ３０に固着される。異形管２０の他端も封止側スリーブ４０に対して同様に溶接等される。注水側スリーブ３０の側部及び屈曲外面２１には注水孔３４が貫通形成され、外部から水がこの注水孔３４を通じて管内部２３に供給される。

注水側スリーブ３０内の計測棒５０は、入射側である始端面５１が注水側スリーブ３０の外側端５９ｘよりも突出し、超音波を計測棒５０に対して入射させることができる。リング状スペーサー５９は溶接部５８ｈにより計測棒５０に固着される。

他方、封止側スリーブ４０内の計測棒５０は、端部に設けられたねじ部５８ｊとナット５８ｋよりなる締付固定手段５８ｘによりリング状スペーサー５９に固着される。この締付固定手段５８ｘは、本来的には入射された超音波を減衰させノイズの原因となる。しかし、入射部１１となる始端面５１から十分に離れており、封止側スリーブ４０において締付固定手段５８ｘにより固着させたとしても、相対的にノイズは小さくなる。よって、ノイズの影響を排除し、且つ、計測棒５０の取付作業性を向上させることができる。なお、締付固定手段５８ｘはねじ部５８ｊ、ナット５８ｋに限らず、ラッチ手段等様々な手段を採り得、これらを解放することで、計測棒５０を異形管２０に対して着脱することができる。

計測棒５０の適宜箇所には、図３（ａ）（ｂ）に示すように、標点として複数の切欠５５（Ｎ１−５）が形成されている。各切欠Ｎ１−５は、それぞれが、計測棒５０の各切欠位置において円周方向に同じ深さｔで連続的に切り欠かれた溝であり、縦壁部５５が長手方向に直交する方向に切り立っている。したがって、図３（ｃ）に示すように、各切欠位置での計測棒の長手方向に直交する断面へ縦壁部５６を投影させた部分の面積（計測棒５０の外形円とＮ１−５の外形円の間の面積）である切欠面積Ｚａは深さｔと計測棒の半径ｒとの間で次の式（２）の関係にある。
Ｚａ＝π（２ｒｔ−ｔ²） （２）

各溝の幅Ｗは信号の反射には大きな影響を及ぼさない。また、計測棒５０の長手方向に直交する断面での断面積Ｚはπｒ²となる。したがって、切欠面積Ｚａの全断面積Ｚに対する面積率である切欠面積率はＺａ／Ｚとなる。

各位置での切欠面積Ｚａを一定にすると、信号強度は図４の減衰線ｆ１の如く減衰し、計測限界レベル（Ｐｍ）に早く到達するので、さらに終端側位置での計測が不能となる。また、図５（ａ）の如く、信号の受信感度を一番手前（入射側）のＷ１に合わせるとＷ３の特定が困難となり、同（ｂ）（ｃ）の如くＷ２，Ｗ３に合わせると一番手前の信号が飽和して計測が困難となる。

ところで、入射端から切欠までの距離をｘ、受信超音波の振幅をｙとすると、減衰線は、指数関数的に表せ、
ｙ＝ｅｘｐ（ａｘ＋ｂ） （３）
となる。但し、ａ，ｂは定数である。

そこで、まず、図４（ｂ）の減衰線ｆ２の如く計測棒の終端側に向かうに従って切欠深さｔを深く形成し切欠面積Ｚａを拡大することで、より遠くの標点Ｎ５でも測定限界レベル（Ｐｍ）を超えて受信が可能となり、図５（ｄ）の如く始端面５１で受信される信号のレベルを各切欠Ｎ１−５間でほぼ同レベルとなるように調節することが可能となる。特に、上記式（３）を考慮すれば、当該計測棒の入射部から各切欠までの距離ｘにより定まる次式（１）に従う反射信号の振幅ｙが当該計測棒の終端側でも測定可能な値となるように当該計測棒における当該切欠の程度、すなわち、切欠面積率Ｚａ／Ｚを当該計測棒の終端側ほど大きくするとよい。
ｙ＝ｅｘｐ（ｃｘ＋ｄ） （１）
但し、ｃ，ｄは定数。

ところで、表面に多くの凹凸が存在すると、超音波の減衰の激しいことが実験により確認されたので、計測棒５０の表面は切欠以外平坦となっている。また、発明者らの実験によれば、切欠からの反射信号強度は、切欠の形状に拘わらず切欠面積Ｚａに比例し、切欠の深さのみに比例するとは限らないことが判明した。

また、図６に示すように、各切欠５５（Ｎ１〜Ｎ５）は、計測棒５０の長手方向に直交する方向に切り込みを入れ形成された縦壁部５６と、その縦壁部５６に対しテーパー状に削られた平坦部５７とより形成してもよい。入射部１１である始端面５１より入射された超音波の一部Ｓａは、上述の縦壁部５６で大幅に反射される一方、終端面５２により反射された反射波Ｓｂは、平坦部５７では大きく反射せずに切欠Ｎ１〜Ｎ５を通過するので、中間部の切欠Ｎ１−５及び終端面５２からの反射波を確実に検出できる。したがって、上記切欠面積率Ｚａ／Ｚは入射側の縦壁部５６で計算すればよい。なお、標点は切欠以外に凹部や突起でもよいが、垂直部分を有する切欠を設けた場合が超音波の反射を最も明瞭に検出することができる。

設置に際しては、トンネル外壁１００の適宜箇所に形成された挿入孔１０１にロックボルト１０を挿入する。挿入時は図２（ａ）の如く、挿入孔１０１と異形管２０との間に隙間１０３が残存している。その後、注水側スリーブ３０にシールヘッドを取り付けて水を注水孔２７から管内部２３内に加圧注水する。この注水により異形管２０は、図２（ｂ）の如く膨張し、隙間１０３は殆ど無くなって挿入孔１０１に異形管２０外面が密着することになり、これにより摩擦力が作用してロックボルト１０の挿入孔１０１への定着が完了する。注水側スリーブ３０の近傍にはベアリングプレート１５が介挿され、実質的にトンネル外壁１００を支持する。

計測に際しては、計測棒５０の始端面５１に探触子２を接触媒質を介して接触させ、超音波を入射すると共に各標点Ｎ１〜Ｎ５及び終端面５２からの反射波を受信する。超音波の発信時刻と受信時刻の差と音速を掛け合わせることにより、図３（ｂ）に示す各標点Ｎ１−５、終端面５２からの反射波の往復距離Ｌ１〜５が算出できる。また、各Ｌ１〜５間の差分を求めることで、標点間距離ＳＣ１〜５を算出でき、予め求めておいた各距離Ｌ１〜５、ＳＣ１〜５との比較を行うことで、ロックボルト１０の伸長の度合いを求めることができる。

その具体的な手順としては、超音波の発信時刻と図３（ｂ）に示す各標点Ｎ１−５及び終端面５２から反射してくる反射波の受信時刻の差から伝播時間Ｔ_i（ｉは区間番号）が求められる。次に、隣接する区間の伝播時間の差Ｔ_i−Ｔ_i-1から区間伝播時間が算出できる。上記の手順に基づいて、ロックボルト打設直後に各標点区間ＳＣ１〜５の各区間伝播時間を初期値として計測する。打設後随時に各区間伝播時間を同様に計測して、それぞれ初期値に対する変化率（区間伝播時間変化率ｄＤ）を求める。予め求めておいた軸力と区間伝播時間変化率ｄＤとの相関関係から、各区間の軸力が算定できる。実験によれば、横波の場合は１ＭＨｚ，２ＭＨｚ（低周波領域）で反射検出が良好であったが、縦波の場合は５ＭＨｚ（高周波領域）で反射波検出が良好となることが判明した。なお、超音波音速は材料の温度によっても変動するため、上記処理において、周囲環境に合わせた温度補正が必要となる場合がある。

次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。なお、上述の実施形態と同様の部材には同じ符号を付すこととする。

図７の実施形態では、１本の計測棒５０を２本設け５０ａ、５０ｂ、それぞれに切欠群Ｇ１，Ｇ２を形成してある。第一ロッド５０ａの第一切欠群Ｇ１は、第二ロッド５０ｂの第二切欠群Ｇ２よりも手前に形成されている。第一切欠群Ｇ１の切欠Ｎ１〜Ｎ３は３箇所であり、その計測結果に基づく軸力は図７（ｂ）にＰａ〜Ｐｃとして表示されている。また、第二切欠群Ｇ２の切欠Ｎ３’〜Ｎ５も３箇所であり、その計測結果に基づく軸力は図７（ｃ）にＰｄ〜Ｐｆとして表示されている。中央の標点Ｎ３，Ｎ３’は同位置に形成してある。なお、切欠群の形成位置及ロッドの本数は適宜変更が可能である。

図８に示す実施形態において、ロックボルト１０は、管体である異形管２０の両端に注水側スリーブ３０，封止側スリーブ４０を溶接又は溶着（以下、「溶接等」とする。）し、さらに、異形管２０に沿って対称に固着又は配設された一対の計測棒５０，５０を有してなる。

計測棒５０は、図８（ａ）に示すように、管体に沿って配設され、又は異形管２０或いはスリーブ４０或いはベアリングプレート１５等のロックボルトの部材に適宜箇所で溶接等若しくは接着剤により固着される。計測棒５０を固着する場合は、少なくとも計測棒５０の両端部をロックボルトの異形管或いはロックボルトの部材に固着させるとよい。計測棒５０の両端部を固着させることで、施工時のロックボルト１０の取り扱いが容易となる。計測棒５０が管体に沿って配設される場合は、管体２０の削孔１０１に対する押圧力により管体２０と計測棒５０は事実上一体化される。

図８（ａ）（ｂ）では、計測棒５０の始端と終端をそれぞれ注水側スリーブ３０及び封止側スリーブ４０の外に配置させてある。計測棒５０は注水側スリーブ３０を貫通させる大孔１６に連続する大孔１６の近傍の小孔１７からベアリングプレート１５を貫通すると共にその外表面から始端面５１を若干突出させてある。この僅かな突出により、注水側スリーブ３０へ連結する注水用継手（図示省略）と計測棒５０との干渉を防止ししつつ、探触子２の接触を可能としている。注水側スリーブ３０と計測棒５０との間にはスペーサー５３を配置してある。また、異形管２０の注水側スリーブ３０近傍と封止側スリーブ４０の外面との２カ所において、溶接部５８を必要最低限の部位とすることで、計測棒５０から異形管２０への超音波漏洩を抑制してある。

超音波減衰が大きな障害とならない場合には、鋼管膨張型ロックボルトと計測棒５０との一体化をより高める意味で、図８（ｃ）に示す実施形態を採用してもよい。この実施例では、計測棒５０の挿入孔側先端部にねじ部５８ｆを設け、ナット５８ｇによりベアリングプレート１５に計測棒５０を固着しても構わない。計測棒５０のベアリングプレート１５に対する締付固定手段５８ｘは、ねじ部５８ｆ、ナット５８ｇの他、ラッチ手段等様々な機械を採用し得る。

上記第一実施形態では、異形管２０は膨張時に拡大変形する凹部２６に一本の計測棒５０を配置した。しかし、変形の対称性を保つため、前記計測棒５０を膨張後の管体２０について複数本をほぼ均等配置するとよい。

この場合、例えば、計測棒を３本用いる場合は１２０度間隔で均等割り付けするとよい。また、図９（ａ）（ｂ）の如く一対の計測棒５０ａ，５０ｂを双方とも凹部２６外に配置してもよく、図９（ｃ）（ｄ）の如く一方の計測棒５０ａを凹部２６内に、他方を凹部２６外に配置してもよい。さらに、図９（ｅ）（ｆ）に示す如く、一対の凹部２６，２６に２本の計測棒５０ａ，５０ｂを配置してもよい。

上記各実施形態では、入射部１１である始端面５１を計測棒５０の長手方向に垂直な平面として構成した。しかし、横波を円滑に入射させたい場合には図１０の如く始端面５１ａを計測棒５０の長手方向に傾斜状に形成してもよい。

上記実施形態では、計測棒５０を中央部も詰まった棒として表現した。しかし、この計測棒５０は異形管２０に比較して中身が詰まった棒との意味合いでの概念であるため、超音波が十分伝達できる限りにおいて中央部に長手方向に沿う空洞が存在してもよい。計測棒５０の中央部に長手方向に沿う空洞が存在する場合には、その空洞に温度センサを挿入して各部位の温度を計測し温度補正を考慮したより精度の高い軸力計測を行うことができる。

上記実施形態では、計測棒５０を直接異形管２０に固着した。しかし、計測棒５０が錆びると減衰が大きくなることが判明したため、図１１に示すように、計測棒５０の周囲に防錆皮膜５０ｘを形成することが望ましい。なお、防錆皮膜５０ｘは樹脂製の熱収縮チューブ等の他、防錆塗料等を用いて形成してもよい。

上記実施形態では、ロックボルトの軸力計測方法として表現したが、本発明はロックボルトの伸長計測方法とも表現することができる。

本発明は、トンネル施工法の一種である所謂ＮＡＴＭ工法に用いられるロックボルトとして利用することができる。

ロックボルトの断面図及び軸力計測装置のブロック図である。 ロックボルトの図１における断面図等であり、（ａ）はＢ−Ｂ断面図、（ｄ）は膨張後のＢ−Ｂ断面図である。 （ａ）は計測棒と切欠との関係を示す側面図、（ｂ）は計測棒の全長における切欠位置を示す側面図、（ｃ）は計測棒と切欠との関係を示す計測棒の軸心に直交する断面図である。 切欠のまでの距離と超音波受信振幅との関係を示すグラフである。 切欠のまでの距離と超音波受信振幅との関係において各標点位置での波形をすグラフであり、（ａ）はＷ１を最適に合わせた感度調整、（ｂ）はＷ２を最適に合わせた感度調整、（ｃ）はＷ３を最適に合わせた感度調整、（ｄ）は切欠の深さを変化させた場合それぞれにおける計測結果である。 切欠の部分拡大図である。 計測棒を２本用いた場合において、（ａ）はロックボルトの概略側面図、（ｂ）は第一の計測棒における切欠のまでの距離と計測される軸力との関係を示すグラフ、（ｃ）は第二の計測棒における切欠のまでの距離と計測される軸力との関係を示すグラフである。 ロックボルトのさらに別の実施形態におけるロックボルトの断面図及び軸力計測装置のブロック図、（ｂ）はロックボルトのＡ方向視正面図、（ｃ）はさらに別の実施形態における計測棒の挿入孔近傍の拡大図である。 ロックボルトの別の実施形態における断面図等であり、（ａ）は図２のＢ−Ｂ断面相当図、（ｄ）は（ａ）の膨張後の図、（ｃ）は他の実施形態を示す図２のＢ−Ｂ断面相当図、（ｄ）は（ｃ）の膨張後の図、（ｅ）は他の実施形態を示す図２のＢ−Ｂ断面相当図、（ｆ）は（ｅ）の膨張後の図である。 計測棒の始端面の別の実施形態を示す側面図である。 計測棒の別の態様を示す部分断面図である。

符号の説明

１：軸力計測装置、２：探触子、３：パルサー・レシーバー、４：ＰＣ、５：モニター、１０：ロックボルト、１１：入射部、１２：端部、１５：ベアリングプレート、１６：大孔、１７：小孔、２０：異形管、２１：屈曲外面、２２：屈曲内面、２３：管内部、３０：注水側スリーブ、３１：スリーブ先端、３２：スリーブ側部、３３：凹部、３４：注水孔、４０：封止側スリーブ、５０：計測棒、５１：始端面、５２：終端面、５３：スペーサー、５５：切欠、５６：縦壁部、５７：平坦部、５８，５８ａ〜ｃ，５８ｈ：溶接部、５８ｇ，５８ｋ：ナット、５８ｆ，５８ｊ：ねじ部、５８ｘ：締付固定手段、５９：リング状スペーサー、５９ｘ：棒錆被覆、１００：トンネル壁 、１０１：挿入孔、１０３：隙間、Ｎ１−５：標点（切欠）、ＳＣ１−６：標点間距離，Ｓａ：超音波の一部，Ｓｂ：反射波

Claims (7)

1. 鋼管膨張型の超音波式軸力計測ロックボルトであって、
   膨張可能な鋼管と超音波反射用の標点を有する軸力計測用の二本以上の計測棒とを備え、前記計測棒に切欠群をそれぞれ形成し、ある計測棒と他の計測棒との切欠群の計測棒長手方向に対する位置を異ならせてあるロックボルト。
2. 前記計測棒における切欠の程度を前記計測棒の終端側ほど大きくする請求項１記載のロックボルト。
3. 前記切欠の程度が前記計測棒の長手方向に対する直交断面における全断面積に対する前記切欠の縦壁部の面積の比率である切欠面積率である請求項２記載のロックボルト。
4. 前記計測棒を少なくとも防錆被覆で覆う請求項１〜３のいずれかに記載のロックボルト。
5. 前記計測棒の入射部から各切欠までの距離ｘにより定まる次式（１）に従う反射信号の振幅ｙが測定可能な値となるように前記計測棒における切欠の程度を前記計測棒の終端側ほど大きくする請求項１〜４のいずれかに記載のロックボルト。
   ｙ＝ｅｘｐ（ｃｘ＋ｄ） （１）
   但し、ｃ，ｄは定数。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載のロックボルトに作用する軸力を計測するためのロックボルト軸力計測方法であって、
   膨張可能な鋼管と超音波反射用の標点を有する軸力計測用の二本以上の計測棒とを備え、前記計測棒に切欠群をそれぞれ形成してあり、前記計測棒の入射部から各切欠までの距離ｘにより定まる次式（１）に従う反射信号の振幅ｙが測定可能な値となるように前記計測棒における切欠の程度を前記計測棒の終端側ほど大きくするロックボルト軸力計測方法。
   ｙ＝ｅｘｐ（ｃｘ＋ｄ） （１）
   但し、ｃ，ｄは定数。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載のロックボルトに作用する軸力を計測するロックボルト軸力計測方法であって、
   膨張可能な鋼管と超音波反射用の標点を有する軸力計測用の二本以上の計測棒とを備え、前記計測棒に切欠群をそれぞれ形成してあり、前記ロックボルトの施工時に予め前記計測棒の露出部である入射部から超音波を送信すると共に標点からの反射波を受信して標点からの反射波の受信時間差を求める超音波計測を実施し、後に改めて前記超音波計測を実施して受信時間差の変化により前記軸力を算定するロックボルト軸力計測方法。

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